[发明专利]一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其制造方法

说明书

本发明公开了一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其制造方法，在模具基体上依次形成有过渡层、强化层和皮肤层，过渡层和强化层共同作为骨头层以起结构支撑作用，皮肤层作为与锻件接触的模具型腔表层并在高温重载条件下具备耐磨损、抗变形性能；常温下，模具基体、过渡层和强化层强度硬度依次递增，皮肤层强度硬度小于强化层，在热锻工况（650℃以上）下皮肤层强度硬度无明显下降。所述皮肤层为钴基或镍基高温合金焊材。本模具有效减少了表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，同时又有效提高大型锻模在高温重载工况下的使用性能，具有良好的高温耐磨损、抗变形作用。

技术领域

本发明涉及大型热锻模具，具体涉及一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其多材料增材制造方法，属于模具技术领域。

背景技术

随着我国航空航天、核电、石化等国家战略需求领域的迅速发展，对大型化、整体化、精密化的高性能关键构件的需求日益增加。我国机械行业的重大标志性成果，世界最大模锻液压机（800MN模锻压机）应运而生。该压机投入使用以来，在国家重点领域大型关键构件的锻造成形过程中发挥了不可替代的作用，锻件材料主要包括铝合金、高温合金、钛合金等。其使用的超大型锻造模具不仅面临着重量大（单套重量高达50～100吨）、制造成本高（单套成本高达400~500万元）、制造周期长等问题，而且按照传统方法制造的超大型锻模由于锻压工步持续时间长（部分难变形材料锻件成形时间≥2 min），在高温重载工况下模具发生表面开裂、剧烈塑性变形、磨损失效等问题，寿命极低。

为解决大型锻模制造成本高的问题，本团队曾提出名称为“一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法”（专利号为ZL 200910104604X）的发明专利申请。该申请利用铸钢作为锻模基体，形成波浪形基体表面，并通过在基体层上进行双层金属堆焊，再回火去应力，模具最后机加工成型。实际应用表明，该方法应用于铝合金锻件用锻模可降低制造成本15-30%以上，提高模具使用寿命3倍以上。为解决难变形材料成形时模具寿命极低的问题，基于上述专利申请，本团队又提出了名称为“一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法”（专利号为ZL 2015101716564）的发明专利申请。该夹心层制造新方法，在高压下允许“夹心层”发生较大弹性变形，将模具型腔下面的集中峰值应力迅速扩散衰减，并以近似均匀分布应力（原为楔形分布）传递到铸钢基体层上，从而使铸钢基体所受的最大应力减低，铸钢基体在承压时更加安全。该方法有效的保护了铸钢基体，避免了峰值应力直接导致铸钢基体产生断裂失效的问题。在实际使用过程中，成功锻造出合格的飞机吊尾框钛合金锻件，铸钢基体未发现任何变形及裂纹，完好无损。

然而又出现了新的问题，按照硬度梯度增加的思路，锻模表面硬度可达到HRC50以上，高硬度不仅导致机加工困难，也容易引起表层裂纹。同时，由于难变形材料成形温度更高、锻压工步持续时间更长等原因，原有模具表层硬度在锻压1-2件结束后明显降低约HRC10度以上，持续使用过程中易产生较大的塑性变形。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，即按照各层硬度梯度一直增加思路制造的锻模在高温高压下表层易变形和开裂且存在加工困难的问题，本发明的目的在于提出一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其制造方法，本模具有效减少了表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，同时又有效提高大型锻模在高温重载工况下的使用性能，具有良好的高温耐磨损、抗变形作用。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种拳头式仿生结构大型热锻模具，包括模具基体，在模具基体上依次形成有过渡层、强化层和皮肤层，过渡层和强化层共同作为骨头层以起结构支撑作用，皮肤层作为与锻件接触的模具型腔表层并在高温重载条件下具备耐磨损、抗变形性能；常温下，模具基体、过渡层和强化层强度硬度依次递增，皮肤层强度硬度小于强化层，在热锻工况下皮肤层强度硬度无明显下降。并且，皮肤层材料在经历多次工艺循环后，常温测试硬度往往还有所上升。

所述模具基体硬度为27.4HRC；过渡层硬度约为HRC 35；强化层硬度在HRC 50以上；皮肤层硬度为HRC 30-35。