[发明专利]一种大型热锻模具及其制造方法

说明书

本发明公开了一种大型热锻模具，包括铸钢基体，在所述铸钢基体上依次形成有夹心层、过渡层和强化层，铸钢基体、夹心层、过渡层强硬度依次递增，起到结构支撑作用，所述过渡层表面具有多个相互交错的凹部和凸部，所述强化层设置在过渡层表面，包括与凹部和凸部形状匹配的凹形区和凸形区，所述凹形区为抗拉裂区，采用镍基高温合金焊材制成，所述凸形区为抗变形区，采用钴基高温合金焊材制成。本发明还公开了一种大型热锻模具的制造方法，该方法制成的大型锻模在长时间高温重载工况下具备优秀的抗开裂、耐磨损、抗变形性能，能大幅提高锻模的服役寿命。

技术领域

本发明属于模具技术领域，尤其涉及一种大型热锻模具及其制造方法。

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。其使用的大型热锻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200～400万元）、制造周期长等问题，而且按照传统方法制造的均质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，并在基体上进行强硬度依次升高的双层金属堆焊制备锻模。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，模具使用寿命得到有效提高。进而，为解决难变形材料成形时模具寿命极低的问题（尤其是铸钢基体的承压安全性问题），基于上述专利，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 201510171656.4）的发明专利。该制造新方法是在铸钢基体与过渡层间包裹一层塑韧性良好的夹心层材料，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，在批量化生产过程中，采用上述专利技术制备的大型热锻模具，由于型腔表层与成型件的结构相匹配，而绝大多数成型件表明都是凹凸不平的，相应的型腔表层也是具有相应的凹形区与凸形区，而凹形区与凸形区在工况条件下受力状态差别巨大（通常凹形区为拉应力而凸形区为压应力），导致凹形区产生微裂纹并进一步扩展为开裂，而凸出区域出现压塌变形，锻模使用寿命依然不能满足需求。因此，急需提出一种改进优化的大型锻模结构（尤其是模具型腔表层功能区），进一步提升大型锻模在高温重载工况下的服役寿命。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种大型热锻模具，其在高温重载工况下具有较长的使用寿命，能够同时解决凹形区产生微裂纹并进一步扩展为开裂，而凸形区域出现压塌变形的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种大型热锻模具，包括铸钢基体，在所述铸钢基体上依次形成有夹心层、过渡层和强化层，铸钢基体、夹心层、过渡层强硬度依次递增，起到结构支撑作用，所述过渡层表面具有多个相互交错的凹部和凸部，所述强化层设置在过渡层表面，包括与凹部和凸部形状匹配的凹形区和凸形区，所述凹形区为抗拉裂区，采用镍基高温合金焊材制成，所述凸形区为抗变形区，采用钴基高温合金焊材制成。