激光模具表面抗裂仿生单元体模型

（上海飞机制造有限公司，上海 201324）

在航空制造过程中，60%的零部件都要依靠模具加工和检验，因此对航空模具提出的高精度、高可靠性、高复杂性的要求，从而保障航空零组件的性能。但是此类模具制作成本高昂、维护困难，使用耐久度亟待提高。单纯依靠模具选材和传统表面工程方法提高模具耐磨性，容易造成成本升高但效果有限的情况。

随着生产的需要和人类长期的仿生学习，从 20世纪中期开始，工程师和科研人员已经认识到仿生物是开辟新技术的主要途径之一，通过对生物学与传统科学、纳米技术、激光进行深度的关联性研究，取得了理论、试验和应用方面的众多成果[1—2]。目前通过激光技术手段，已经可以实现在模具表面形成类生物微观构造的单体，从而获得所需要的耐磨、耐腐蚀性能，并且已经成为研究热点[3—7]。国内研究人员已经系统研究了利用激光提高 H13钢机械性能及热疲劳性能的方法。有研究人员[8]研究了H13钢激光熔凝仿生强化的热疲劳性能。丛大龙等[9—10]研究了激光合金化及激光熔凝两种处理方式下 H13钢的热疲劳抗性变化。孟超等[11]采用激光熔覆技术，在退火态 H13钢试样表面得到非光滑表面，并对比了试样的疲劳性能。丛大龙等[12]设计修复性的实验路线，采用激光填丝工艺，研究退火态下 H13钢裂纹阻止方式。刘立君等提出利用激光仿生阻断技术，降低模具表面龟裂[13—15]，仿生强化后，模具寿命大大提高。

文中从植物叶片抗开裂角度，建立热作模具表面裂纹局部激光仿生抗开裂模型，并验证其实际应用可行性，为提高模具寿命提供一种新的方法。

1 植物叶片抗开裂可行性分析

常见的某灌木属荆类树叶见图1。叶片主要包括叶肉、叶筋、叶脉，叶肉构成叶片的主要部分，可以起到承载养分的职责，叶筋和叶脉形成放射形网络，分布在叶肉之中形成整体，赋予叶片展向和纵向的强度，如果叶片开裂时遇到叶脉和叶筋，开裂方向会停止或改变方向。由此可知，维持最终使用强度时，并不需要将所有位置全部做到同样强度，通过科学排布加强位置和加强方式，极有可能在实现最终的使用性能、在增加寿命的同时，控制成本增加。

图1 某灌木属荆类叶片开裂Fig.1 Plant leaves resisting crack

拟参考植物叶片的开裂和止裂原理，通过对特定模具使用过程的受力、受热分析，选用合理的加强相材料，通过激光熔凝的方法，将加强相材料注入到模具表面的特定区域，从而达到延长模具寿命的目的。基本实现方法为的示意图见图2。通过控制激光熔凝注入的类叶脉加强相的厚度和长度，配合以激光参数、加热和冷却方式控制，调控裂纹扩展的驱动力和裂纹扩展的阻力，并结合基体材料的特性和模具构型特点，将可预测的裂纹扩展方向作为叶脉的关键制作区域，并通过叶脉构型，将裂纹在叶脉终止，见图2。如图2a所示，当叶脉增强体激光熔凝厚度适中、长度合适时，由于热量的消耗、应力的释放与分布，裂纹继续扩大的阻力将大大超出裂纹发生的驱动力，且在叶脉处可以实现终止。但是，当叶脉增强体的注入深度和长度较小时，裂纹的发展和停止的过程和机理将大大改变，即虽然叶脉处能够起到一定的裂纹阻止作用，但是在叶脉增强体的对面方向上会出现新的裂纹，见图2b，出现此种状态时，随着模具使用循环次数的增加，裂纹会出现不同的变化。当裂纹走向正对叶脉中心，裂纹会沿着增强单元体逐渐扩展，见图2c。当裂纹远离叶脉线时，裂纹会改变扩展方向，但最终会回到循环方向上，见图2d，无论如何，当裂纹走向发生可控变化时，基于裂纹对模具寿命影响的变化，模具在裂纹产生后，使用寿命必然可以大大增加。

2 激光仿生单元体抗裂数学模型

高性能模具作业过程中，经常面临热应力、剧烈循环应力的作用，即使使用抗回火性能好的基体材料，在热应力、锻拉力、冷热循环、摩擦的综合作用下，疲劳裂纹的产生仍然是模具报废的关键原因，因此通过激光技术在截面上制造仿生强化单元，影响（提高）其表面机械性能，是关键因素。

2.1 仿生单元体截面模型

基础仿生单体的截面见图3a。呈现出碗状的形态。在建立激光熔凝数学模型时，首先从理想的单元体开始，即假设单元体外形尺寸的变化可以忽略，其增强单元体的外形模型可用式(1)表示。

假设有一疲劳裂纹因综合作用应力，沿模具受力方向发展，裂纹延伸至增强单元体时，热裂纹的延伸方向将发生偏离，一般情况下，因为增强相的组织性能原因，裂纹将沿着单元体纵向扩展，数学模型见式(2)。

最终建立基于激光熔凝增强体的裂纹阻断数学模型可以简化为图3b的外形，其中h为单元增强体的深度，d为增强单元体的直径。基于已有的结论，可用偏折角[16]表示裂纹偏折的强度因子范围：

图3 激光熔凝体示意图与模型Fig.3 Diagram and model of laser melting unit

式中：KIΔ为远场应力强度因子范围；为偏折长度比；Δkeff是偏折裂纹的有效应力强度因子；ac为偏折部分裂纹的长度；a0为原始裂纹长度；α为偏折角度。

经激光处理的材料，将会存在激光冲击强化区，不发生裂纹的情况下，在塑性变形区域将形成残余压应力，此压应力可有效降低KΔ，从而提高材料在承受应力时候的实际应力值，从而减少裂纹发生的可能性，降低疲劳裂纹的扩展速度，提高材料的疲劳性能。当Δkeff≤ΔΚth时，疲劳裂纹将停止。由此可以通过式(4)得到临界偏折部分的最大裂纹长度amax：

由此计算方式，可以得出如下模拟推论：当单元体的深度增加，如果单元体直径不变，增强体横截面的面积A会增大，从而使模具对热裂纹产生抵抗作用，进而加强模具的热循环寿命。

2.2 增强单元体存在时疲劳寿命影响模拟

受力恒定时，通过建立疲劳裂纹扩展速率与裂纹尺寸的关系式，然后通过积分方式，按照式(6)，估算试件的寿命。

当m≠2：

当m=2：

式中：Y为试样尺度的特定系数；A,m分别为材料计算常数；σ为循环屈服强度，将式(4)代入式(9)和式(10)，即可求出循环疲劳寿命Nc，即试件寿命。

3 试验验证与参数优化

基于以上分析，采用激光熔凝的方法予以验证，激光加工参数对增强单元体强化模具表面影响十分关键，文中关键参数约定为激光工作电流参数、离焦量参数、激光频率参数、激光扫描速度参数等。

试验中关键指向为激光强化参数对单元体横截面积的影响，采用正交试验进行影响因素初选，见表1，（以脉冲宽度P=8 ms恒量为基础，各个因素间的相互影响暂不考虑）。在没有明显质量缺陷的前提下，试验指标为单元体横截面的面积，试验水平的安排见表2。

试验结果见表2，分析方法如下：yjk为所对应试验指标的综合结果，是yjk的数学平均值，因此可以用的大小确定j因素的最佳参数，最优激光参数可以选择为所有因素最好水平的组合。Rj为第j因素的极差值，计算方法为：

式(9)是j因素参数变动对试验结果影响大小的幅度。Rj的值越小，说明该因素的影响越小，也说明这个因素调整时对最终结果的影响越小，也就是可以用此极差判断因素作用的主次。

表1 试验水平表Tab.1 Experimental levels

表2 试验参数表Tab.2 Experimental parameters

表3 分析结果Tab.3 Analysis result

由以上的分析结果可以得知，电流的大小、离焦量、激光扫描速度、频率的变化均会对最终的试验结果（单元增强体面积）产生较大的影响，其中离焦量的影响最大，电流大小的影响第二，然后是激光扫描速度的影响、频率的影响是最小的。其中各因素的变化规律如下： ①离焦量的影响。通过对图4和表2进行分析，离焦量参数的变化对激光熔凝单元体强化结果的影响最大，当离焦量数据从4 mm增加到7 mm时，聚焦点到工件的距离随之增加，工件的激光光斑逐渐增大，能量密度降低，单元体也就越小，可以知道，激光熔凝造成的熔池深度与之基本呈线性关系；② 电流的大小的影响。激光器输出能量由电流直接决定，电流增加时，相当于激光的输出能量在单位时间内提升，则工件在单位时间获取的能量更多，增强体熔凝区的宽度和深度均也随之增加，增强体随之变大； ③激光扫描速度的影响。当激光扫描速度减小，激光照射在工件表面的作用时间就增加，材料吸收的能量会增大，熔化更易，增强单元体的深度越大、面积越大； ④激光工作频率的影响。激光工作频率降低时，相当于单位时间内传送的能像降低，熔化更难，增强单元体的横截面积明显变小。

综上可知，随着离焦量的较小、激光扫描速度的较小、频率的增加、电流的提升，增强单元体的尺寸均随之出现明显的提升规律。综合来看，离焦量是单元体横截面积的最显著因素，但是离焦量、电流、扫描速度、频率的影响主次并不是十分明显。激光参数的最优组合初定为激光扫描速度0.6 mm/s，离焦量+4 mm，电流179 A，频率11 Hz。

4 模具表面仿生抗开裂单元体验证

激光熔凝抗开裂单元体试样的剖面组织中熔凝区的扫描电子显微组织(SEM)见图5，激光熔凝处理后，熔池可以分为3个区域，表面是等轴晶区，中间是柱状树枝晶区，底部是胞状晶区。激光熔凝过程中，熔凝区域内熔池的凝固显示为一个经典的金属凝固过程。即熔池中激光照射引起金属熔化和基材散热冷却引发的凝固同时发生，冷却凝固的熔池底部与激光加热产生熔融的母材晶粒产生接触，基于激光能量和基材材质分布的随机性，非均匀晶核在这个接触面发生快速的成核作用，由此形成了结晶细致的组织现象。

图4 激光参数对增强单元体影响Fig.4 Effects of laser parameters on units

图5 熔凝区微观组织Fig.5 Microstructure of laser melted zone

采用典型模具钢试板进行激光仿生强化单元体试验，试验完成后通过剖面进行金相组织检测，结果见图6，增强体由细小的马氏体和少量残余奥氏体组成。这是由于激光加热的高效性，基材的熔融速度极快，急速熔化，随后又因为基材优良的导热性，熔融态又以极高速度进行冷却，这种过程使得基材中的奥氏体发生了马氏体转化过程，于是出现了表面的马氏体化。此外，基体中还存在较多的碳化组织，未发生细化现象。当激光能量增强时，热作用深度增加，热影响区也增加，于是出现了珠光体和马氏体混合物组织模式，在热影响区的热影响作用下，热影响区碳化物颗粒增加，经过光学显微镜测试分析，母体晶粒大小约为 15～25 µm，单元体区晶粒大小约为 1～2 µm，单元体组织细化明显。

根据模具工作状况，在同样材质的模具易出现疲劳裂纹的位置进行激光局部熔凝仿生抗开裂单元体，离焦量为+6.5 mm，脉宽为10 ms，扫描速度为0.6 mm/s，频率为5 Hz，电流为179 A，保护气体流量为15 L/min的氩气，强化模具见图7，局部放大见图8。

图6 激光仿生强化模具钢优化单元体微观组织Fig.6 Optimization unit body microstructure mould steel by laser bionic strengthening

图7 激光熔凝模具抗开裂单元体Fig.7 Manufacturing of laser melting bionic body

图8 激光熔凝模具抗开裂单元体局部Fig.8 Localized detail of laser melting bionic body

激光熔凝仿生抗开裂单元体热挤压模具经过原型试验验证可知，未经过处理模具寿命在12 000模次左右，经过激光熔凝抗开裂单元体处理的模具可达到19 000模次，提高模具使用寿命50%以上，熔凝抗开裂单元体起到良好阻断作用，印证前面提出的激光熔凝叶脉裂纹阻滞机制模型，由此可以得知，通过分析模具特性，在模具易开裂区域提前进行激光熔凝处理，对裂纹进行导向处理和组织发展处理，可以大大提高模具的使用寿命。如推广应用，可以大大降低模具的报废速度，带来较大的经济效益。

5 结论

通过研究生物叶片中叶肉、叶筋在开裂中的不同作用，通过数学分析建模，形成仿生单元体抗裂模型，然后通过激光熔凝及相关参数的控制，获取了多个系列单元体尺寸，并通过对比研究，得出了单元体深度增加、单元体截面面积增加、模具对热裂纹的抵抗能力也会增强的结论，同时给出了激光仿生单元体抗裂寿命的估算方法。

同时，通过试验得出影响激光仿生单元体内制备效果的因素主要通过激光能量产生作用，在最佳试验条件下，经过激光熔凝仿生抗开裂单元体处理的热作用模具使用寿命提高了50%以上，证明熔凝抗开裂单元体对热疲劳裂纹的发展延伸起到了良好阻断作用，印证了基于生物叶片的激光熔凝叶脉裂纹阻滞机制模型，由此说明模具局部表面裂纹激光仿生单元体抗开裂是可行的。

模具是航空制造中的关键组成元素，在整个产品制造中占据重大的生产成本，而因为航空产品本身采用的高强材料，模具的消耗速度十分迅速，虽然验证了激光加工仿生强化单元体延长模具寿命的可行性，但是由于航空产品的特殊性和严格的制造管控，后续仍然需要针对产品、模具、生物原型进行进一步的规律摸索，并形成面向产品特征的制造工艺，才能够大量的指导此类技术的现场应用。