浅析先进模具材料INVAR钢制造相关技术

范喜祥 李玉杨 刘皓

摘要：复合材料成型模具的材料选择是控制复合材料变形的关键，INVAR钢热膨胀系数接近于复合材料，将其作为复合材料构件的模具材料有利于避免复合材料成型期间的变形現象。本文主要探讨先进模具材料INVAR钢制造中焊接工艺、机械加工工艺、热处理工艺等相关技术，以期为提高INVAR钢模具质量提供理论参考。

关键词：先进模具材料;INVAR钢;制造

1.复合材料模具背景

复合材料因其所具有的高强度、低密度以及高模量等特点，成为当前飞机零件制造的重要结构材料，一定程度体现了飞机制造先进水平。伴随复合材料广泛应用于飞机承力结构中，先进复合材料的加热加压生产条件对模具材料特性提出更高要求。普通钢模具是现阶段使用较多的复合材料成型模具，具有耐用、成本低等优势。然而普通钢模具与复合材料零件之间存在热膨胀系数不一致的问题，造成复合材料零件尺寸偏差，影响工程进度。而复合材料模具热膨胀系数较小，能够弥补热膨胀系数不一致的问题，但复合材料模具使用周期较短、使用过程中易损坏，并且由于复合材料成型工艺难度较大，不能实现所有模具结构形式。INVAR钢优势在于膨胀系数较低，使用周期更长，便于维护管理，有利于进行批量生产，因此INVAR钢逐步成为目前复合材料构件成型模具材料的首选。

2.国内外应用研究现状

复合材料在各种民用飞机制造中得到广泛应用，已成为当前多数飞机主要承力结构的重要组成部分，因此复合材料构建尺寸也在逐步增大。目前国外大部分复合材料构件成型模具材料选择使用INVAR钢。但现阶段国内关于INVAR钢作为复合材料成型模具材料的研究还相对较少。部分研究人员分析了在天线反射器制造中使用INVAR钢作为主要材料，但直径仅为05m，尺寸相对较小，尚未有更多相关深入报道[1]。这可能是因为目前国内航空领域复合材料构件尺寸不大，所以未迫切需要INVAR钢作为主要材料。同时INVAR钢材料模具制造成本相对较高，造成国内应用受到局限。未来随着国内大飞机研发的逐步加深，对于大尺寸复合材料的需求将会进一步推动INVAR钢的应用。

3.先进模具材料INVAR钢制造相关技术

3.1 INVAR钢焊接工艺

气体保护焊工艺是INVAR钢焊接中选择较多的工艺形式，这是因为INVAR合金作为镍基合金的一种，若使用液态焊缝会影响金属流动性[2]。钢焊缝金属可以通过提高焊接电流起到改善焊缝金属流动性的效果，但镍基合金单纯提高电流会起到相反作用。由于镍基合金的特殊性质，所以焊接期间尽量选择小电流。同时，需要尽量缩短焊接过程中的电弧，并且结合焊件厚度挑选符合的坡口形式及坡口角度。在焊接过程中需要准确把握层间温度，避免金属长时间受到温度过热的影响而出现晶粒粗大。对于焊接速度的确定，应根据板材厚度进行控制，焊接速度需要满足良好的熔深、焊缝宽度，确保足够的焊缝致密性。一旦焊接速度过快或者过慢都易导致焊缝发生气孔。焊接电流的选择也会对打底焊、盖面焊的焊缝质量产生直接影响，所以在打底焊接过程中，需要结合焊接填充材料大小和焊接缝隙合理控制焊接速度，确保良好焊接质量。为了避免焊接过程中出现焊接裂纹，焊接前需要彻底清除焊件和焊丝上面附着的铅、硫等物质，科学选择装焊顺序，合理控制焊接热输入。预热和后热处理不能有效预防焊接裂纹，通常情况下不使用。镍及镍基合金相较于低碳钢、低合金更容易出现氢气孔、水蒸气孔以及一氧化氮气孔等。镍基合金出现氢气孔的原因主要在于，温度较高状态下，焊接熔池会产生大量氢，若焊接过程中焊件表面存在水、铁锈、油渍等物质，会导致氢被溶解。一旦温度降低氢溶解速度减慢，大量氢将被析出。另外由于熔池流速度较慢，镍基合金固溶相温度间距不大，熔池冷却凝固结晶期间氢气无法快速从熔池逸出，继而产生氢气孔。为避免这一情况，焊接前需要仔细清除焊件表面各种污物，减少气孔的形成。

3.2 INVAR钢机械加工工艺

INVAR钢其中的镍含量较高，极大程度增加了其可淬性和淬透性，提高INVAR钢耐气性和耐腐蚀性能。通过分析INVAR钢成分及物理性能，可以得知和奥氏不锈钢具有相似的切削加工性能，但其加工难度更大。INVAR钢加工过程中通常切削温度高、切削力度大，刀具更容易磨损，所以 INVAR钢加工过程中易出现塑性现象，切削碎屑不容易折断，切削碎屑和前刀面过多摩擦，会加速刀具损耗，导致刀具耐用性下降，影响加工准确度。因此INVAR钢加工过程中，尽量选择硬质合金刀头，提高刀具性能。由于INVAR钢相比其他碳钢材料具有更高的硬度，因此机械加工过程中转速需高于碳钢，降低切削进给量。而对于INVAR钢机械加工工艺的选择，尽量采取大前角和大后角，选择螺旋角较大的刀具。总而言之，INVAR钢机械加工过程中，需合理选择刀具，科学控制切削参数，保证INVAR钢加工质量。

3.3 INVAR钢热处理工艺

INVAR钢在进行机械加工前，需要进行热处理，有利于改善材料内部结构。同时，由于机械加工会增加材料内部应力，呈不均匀分布状态，通过对应力进行退火能够得确保材料尺寸。因此，在INVAR钢加工的不同阶段需要进行一定热处理，例如在INVAR钢基本成型或者焊接后进行全面退火处理，可采取850℃空冷一小时;在粗精加工后进行应力退火，可采取315℃空冷两小时。对于热处理的具体温度，可在实际加工过程中结合构件尺寸具体选择。

4.结语

综上所述，INVAR钢因为与复合材料热膨胀系数接近，将其作为复合材料成型模具材料能够有效解决复合材料成型过程的变形问题，但需要注意的是，由于大型复合材料INVAR钢模具加工尺寸和性能的局限性，尽量选择气体保护焊接工艺，采取小电流焊接方式。另外选择合理的机械加工工艺和热处理方法，以保证INVAR钢模具质量。

参考文献：

[1]刘红兵， 宣扬， 杨瑾. Invar合金焊接技术研究现状及展望[J]. 航空制造技术， 2020， 63（9）：69-74+88.

[2]徐意. 浅析增材制造技术在飞机模具制造中的应用[J]. 中国设备工程， 2019， （18）：125-126.

作者信息：第一作者 范喜祥 1988.07 男 陕西西安 汉 硕士研究生 高级工程师 研究方向：机械加工工程;第二作者 李玉杨 1980.05 男 陕西西安 汉 硕士研究生 高级工程师 研究方向：机械加工工程;第三作者 刘皓 1992.11 男 陕西西安 汉 硕士研究生 助理工程师 研究方向：材料加工工程