长寿命低成本大型锻模电弧增材制造与再制造研究进展

周杰 彭洁 权国政 张建生 王秋韵 卢顺 毛天宏 孙朝远 李蓬川

(1.重庆大学材料科学与工程学院先进模具智能制造重庆市重点实验室，重庆 400044；2.重庆杰品科技股份有限公司，重庆 401329；3.中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川 德阳 618000)

随着航空、航天领域的快速发展，对大型整体化、复杂精密化、高强高韧化关键构件的需求日益增加，对高质量大型锻模的需求也同步增加。然而我国巨型压机(800 MN压机)于2012年才正式投产使用，航空用关键构件(如J20、C919等)也是近年来才形成大批量生产需求，对大型锻模制造与再制造方法的研究起步较晚，国外又对相关技术严加封锁，报道极少。

为此，我国先期只能采用传统的锻模制造方法，模块材料整体采用昂贵的模具钢5CrNiMo或H13等，通过钢锭→自由锻→粗加工→热处理→精加工等多工序长流程制造，工艺过程复杂，制造难度大，制造成本高达数百万元/套[1-3]。同时往往由于模压时间长、高温重载服役工况恶劣，大型锻模模锻几十件就产生严重磨损及压塌变形导致锻模失效，如图1(a)所示为某盘类件锻模出现严重磨损及压塌变形。图1(b)所示为某飞机起落架模具在模锻2件后桥部严重压塌变形，变形量高达15～20 mm，造成模具寿命极低。极低寿命的大型锻模将严重影响我国航空用大型模锻件的开发成本和质量稳定性，难以实现批量化生产。因此，寻求长寿命低成本大型锻模制造及再制造新方法迫在眉睫。

(a)严重磨损及变形的某盘类件失效锻模

近年来，国内外学者已在大型锻模降本延寿方面开展了大量研究，取得了重要研究成果。本文将介绍常见的锻模降本延寿方法及其存在的问题，阐述锻模制造及再制造电弧增材梯度异质结构设计理论，并从梯度异质结构、低成本基体材料及增材丝材、焊锻复合工艺、增材自动化装备四方面综述长寿命低成本大型锻模电弧增材制造与再制造的研究进展。

1 锻模降本延寿方法及存在的问题

一方面，为降低锻模基体材料及制造成本，国外提出一种采用铸造直接制作热锻模具的方法，铸钢价廉，并且能够反复重熔和重新利用，具备制造成本低的显著优势。自上世纪四十年代末国外就已有一些企业开始采用铸造毛坯来代替锻造毛坯，并“以铸代锻”来生产模具[4]，目前俄罗斯、美国等国家已采用铸造方法在中小型锻模设计和材料选用等方面开展了研究，国内也有关于采用铸造方法制备中小型锻模的相关研究工作[5-6]，以缩短制造周期，降低制造成本。

但若要将铸造基体用于大型锻模制备，有三个主要问题尚待解决[7-8]：一是铸件易产生缩松、缩孔、气孔、砂眼等铸造缺陷，有时还可能产生偏析、组织不均匀等现象，使其力学性能尤其是韧性降低，无法承受大的冲击力量；二是高温耐磨性和耐热疲劳性较差，高温工况下易产生热疲劳裂纹，加速模具的热磨损和热疲劳，促使模具的过早变形失效或疲劳断裂；三是铸造所得锻模为单一材料，一般材料的高温强硬性与韧性互相矛盾，同质材料难以满足模具不同部位的性能要求。

另一方面，为提高锻模寿命，通常将模膛表面与基体作为一个系统进行整体设计，综合利用表面化学热处理、表面形变强化等表面强化改性技术和堆焊等涂层技术[9-11]，提高锻模的表面硬度及强度，增加锻模的耐磨性和耐腐蚀性，并改善锻模整体的应力状态，使其在服役过程中应力趋于平缓，从而提高寿命。但是也可能会由于表面涂覆层或改性层与锻模本体在组分、结构方面不能有效地连续变化，而导致强化层与基体的热膨胀性能差异并引起热应力，最终导致模具的热疲劳抗力降低、服役状况变差，使用寿命缩短[12]。同时，大型锻模还需采用大型的表面处理设备，价格高昂，且相关工艺复杂，不符合经济性的要求。

近年来出现的电弧增材制造是以TIG/MIG/MAG等焊接堆焊原理为基础，通过构建包括成形热源、送丝机构及运动执行机构的基本装备系统，如图2所示，自下而上层层堆积成型，好比数字化的连续堆焊形成涂层。相比手工堆焊、激光、电子束等增材技术，电弧增材制造已被证实其具有较高的成形效率和材料利用率，且工作自由度高、可靠性高，使用维护成本低，可实现多种材料的混合制造，以及大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形，近年来在材料体系设计、组织性能分析、新型工艺、装备设置等方面都已取得了有益进展[13-16]，有望在大型锻模的表面增材上发挥作用。

图2 电弧增材工艺原理示意图[17]

2 锻模制造及再制造梯度异质结构设计理论

重庆大学自2005年开始进行锻模增材修复与延寿的相关研究，发现对于大型锻模而言，其90%左右以上的区域温度不高、应力不大，无需按传统方法采用单一、昂贵的模具钢材料，可以用低成本基体如铸钢代替，只需模块材料在使用工况下能满足安全强度要求即可，由于模块尺寸大，故可大幅降低制造成本。同时，由于锻模型腔形状并不是规则均匀的，因此在使用中其温度状况和受力状况也是不均匀的，所以不能要求材料具有等向性和均匀性，在锻模低成本基体表面增材梯度材料是适应其工作需求条件而又不额外增加经费负担的选择。

基于此，率先提出锻模制造及再制造梯度异质结构设计理论，在锻模低成本基体表面上增材梯度异质结构材料来进行锻模的制造或再制造，采用逆向设计方法，根据锻模具体的服役条件和用途，对其组成成分和梯度结构分布进行设计规划。一方面保证性能较差基体在高温重载工况下的安全性和与增材结构的良好结合性，另一方面又使梯度异质结构满足耐磨损、抗变形等服役性能要求，性能和功能呈平缓梯度连续变化，打破了同质材料制造热锻模具的局限性，既降低制造成本，又能提升锻模寿命。

进一步提出采用电弧增材制造技术来实现锻模低成本基体表面上的梯度异质结构增材。将电弧增材制造与锻模设计制造相结合，已针对不同的应用场景，开发出“双金属”、“夹心层”、“拳头式”、“随形网构化”等梯度功能电弧增材材料结构，发明一系列“基于低成本基体的梯度电弧增材制备大型锻模”新方法。并研制选配出适应于不同锻压设备类别、成形材料、服役条件的锻模铸钢基体及型腔梯度异质结构所需系列材料。为实现精准、智能、自动化增材，建立基于“焊锻复合”的电弧熔丝增材制造控形控性一体化技术及数控龙门式电弧熔丝增材制造集成装备。

3 基于低成本基体的大型锻模电弧增材梯度异质结构研究进展

3.1 铸钢基体电弧增材双金属梯度异质结构

针对大型铝合金锻模，重庆大学在2009年提出并发明了“铸钢基体双金属梯度堆焊制备锻模”新方法[18]，如图3所示。该方法以低成本铸钢为基体，在其型腔上依次增材过渡层与强化层。其中，过渡层能与铸钢基体形成良好的冶金结合，强化层具有更高的强度和硬度，同时兼具优异的高温性能和耐磨损性能。

A—过渡层；B—强化层；C—型腔轮廓线；D—铸钢基体。

双金属梯度堆焊方法已成功应用于300 MN液压机上的铝合金锻件用大型锻模制造和再制造，如图4所示。一方面铸钢基体设计减重结构并铸造成型，降低制造成本和材料能源消耗；另一方面双金属层采用随形电弧增材制造，与基体的结合性好，硬度、强度等力学性能呈梯度分布，保证锻模在高温下的服役性能。采用该方法制备的铝合金锻模寿命提高10倍以上，成本降低20%以上。双金属梯度堆焊方法也成功运用于热模锻压机用中小型锻模的再制造，较传统新制锻模方法可降低锻模制造成本50%以上，寿命提高100%以上[19]。

图4 某大型铝合金锻件用双金属梯度堆焊锻模

3.2 铸钢基体电弧增材夹心层梯度异质结构

就钛合金、高温合金、高强度钢等难变形材料而言，模锻过程中其成形温度高，锻模承压大、寿命极低。基于前期铝合金用铸钢基体双金属堆焊制造锻模的研究基础，提出一种铸钢基体锻模“夹心层”制造新方法[20]，其原理如图5所示。

A—铸钢基体；B—应力扩散“夹心层”；C—强度硬度过渡层；D—表面耐高温强化层；E—模具型腔轮廓线。

该夹心层锻模就是在铸钢基体与双金属堆焊层之间，增焊一层封闭的软质夹心层焊材，相比双金属堆焊层，其塑性更好、屈服强度更低。允许夹心层在模压过程中产生一定弹性变形甚至微量塑性变形，以快速缓冲锻模所受高压峰值应力，避免基体受力过高产生破裂失效。过渡层强度和硬度较高，能与夹心层和随后的表面高温耐磨层结合良好；表面层高温强度和硬度比过渡层和夹心层均高，韧性、高温耐磨、抗热疲劳性能良好，在锻模服役时发挥重要作用。

铸钢基体与三层梯度层协同配合，能够实现锻模的强韧化，支撑高温和高压下难变形材料的模锻成形。该方法已成功应用于800 MN压机用某钛合金模锻用锻模的设计制造[21]，如图6所示，经实际生产验证，所成形锻件满足要求，锻模服役情况良好，且与传统新制5CrNiMo锻模相比，制造成本降低20%以上。

图6 某钛合金锻件用“夹心层”梯度堆焊锻模

3.3 铸钢基体电弧增材拳头式梯度异质结构

为进一步提高锻模寿命，提出一种“拳头式”仿生结构大型热锻模具制造新方法[22]，结构如图7所示。根据锻模在服役条件下的温度场及应力场分布[23]，在低成本基体上进行竖向梯度分层、横向功能分区。竖向依次形成夹心层、过渡层、强化层和耐高温皮肤层；横向分为高强度凸形区和软质抗裂凹形区。

图7 铸钢基体“拳头式”梯度堆焊制备锻模

过渡层550℃以下强度硬度高，起着皮肤层的支撑作用；软质凹形A区耐高温，韧性好，起着抗裂作用；功能强化B区作为与锻件接触的型腔表层，具备良好的高温耐磨损、抗变形性能。该结构软硬结合，避免锻模凹形A区因表面硬度过高而引起的开裂，能够实现难变形材料成形用锻模抗开裂、高承压、耐磨损及低成本。

利用拳头式结构进行某飞机超高强度钢起落架锻模再制造，如图8所示为锻打48件后的起落架锻模，桥部型腔良好，无压塌变形，与传统新制锻模相比，节约成本50%，目前寿命已从2件提高到100余件，提高50倍以上，实现了长寿命；采用该结构进行超超临界机组汽轮机叶片锤锻模再制造，如图9所示，节约成本50%，寿命提高2倍以上，实现叶片锻模的长寿命。

图8 锻打48件后的起落架锻模

图9 “拳头式”梯度堆焊再制造的叶片锻模

3.4 铸钢基体电弧增材网构化梯度异质结构

虽然上述结构及方法在一定程度上提高了锻模型腔的耐高温抗压塌变形能力，解决了锻模寿命极低问题，但随着飞行器产量的增加，难变形材料成形用大型锻模在模锻了数批锻件后，型腔表层又会出现如图10所示的众多长条形不规则裂纹，影响锻模的持续使用和生产安全性。长条形裂纹产生的主要原因就是锻模型腔面积大，在服役时的高温重载下，经历了较高的温度波动和交变热应力，某些部位发展成为裂纹源并逐渐扩展。

图10 某飞机起落架锻模型腔表层出现众多条长条形裂纹

针对该问题，提出了“型腔表层随形网状结构制备热锻模具”新方法[24]，图11为其原理图。在“夹心层”结构基础上，将强化层和过渡层随形构建一定宽度的沟槽，所有沟槽互联互通而成有序网沟，从而将锻模大面积表层型腔分块化为小面积型腔，网格结构如图12所示。然后在过渡层沟槽中填充具有良好塑性、高延伸率的普通软质材料；在强化层沟槽中填充耐高温软质材料。这样能够获得软硬结合、强韧匹配的型腔表层，使锻模型腔表面在焊接过程以及在服役条件下可能出现的较大拉应力得到充分释放，有效解决热裂纹问题，延长大型锻模的寿命。

A—铸钢基体；B—夹心层；C—过渡层；D—表面耐高温强化层；E—普通软质材料；F—耐高温软质材料；G—模具型腔轮廓线。

A—耐高温软质材料；B—耐高温强化层材料；C—硬质材料；D—软质材料；E—模具基体。

制备物理模型后取样，在室温相同条件下进行网构化与未采用网构化试样的拉伸试验，得应力-应变曲线，见图13。可以看出，在常温条件下，试样经过网构化后其屈服强度、抗拉强度和延伸率相比未网构化试样均得到了一定程度的增加。

图13 室温下网构化与非网构化试样的应力-应变曲线图

4 大型锻模电弧增材基体材料及合金丝材研究进展

锻模电弧增材材料的选择对于锻模制造及再制造后的性能至关重要，锻模工作型腔不仅需要较高耐磨性，对耐冲击、耐腐蚀、耐热疲劳性能也均有要求，还要能够适应不同的工况条件。在大型锻模低成本基体电弧增材梯度异质结构的基础上，研制选配适应于不同锻压设备类别、成形材料、服役温度-力载等条件的锻模铸钢基体及型腔梯度异质结构所需系列材料，实现锻模基体具有足够的承压性能、型腔梯度异质结构材料精准匹配服役条件、梯度异质结构结合具有良好的工艺性。

4.1 大型锻模用铸钢基体材料

基于低成本铸钢基体的梯度异质结构设计理论及方法，要求铸造基体材料具有足够高的强度、韧性以承受压机工作压力，又要具有良好的焊接性能，使其与表面增材层结合牢固。研制出满足不同应用工况要求的铸钢基体材料，具体材料成分见表1，屈服强度、断面收缩率等力学性能见图14。JXZG1为中碳低合金高强度铸钢，硬度高，耐热性能好；JXZG2为低碳合金钢，韧性好，耐热性能好；JXZG3为中碳低合金高强度铸钢，高强高硬。此外，还有用于制备高温重载条件下大型热锻模具基体的特种铸钢[25]。

图14 铸钢基体材料力学性能

表1 铸钢基体材料化学成分

4.2 梯度异质结构用合金丝材

目前已研制出满足不同梯度异质结构的夹心层、过渡层、强化层、网构化等增材所需的软质、硬质铁基丝材，以及在550～750℃区间具有优异高温抗变形能力，并具有冲击强化效应的钴基和镍基丝材[26-28]：(1)超高强度钢、高温合金、钛合金锻造成形用锻模的表面强化钴基丝材JX302，常温时硬度相对较低(32HRC左右)、高温耐磨性强、高温组织稳定，可作为前述“拳头式”结构大型锻模的“皮肤层”；(2)用于高温合金、钛合金锻造成形用锻模的表面强化镍基丝材JX201，常温硬度相对较低(28HRC左右)、高温耐磨性强、高温组织稳定，可作为前述“拳头式”结构“夹心层”、“双金属”结构大型锻模的表面强化层；(3)用于铝合金、结构钢锻造成形用锻模的表面强化铁基丝材JX102-109，材料硬度相对较高(50HRC左右)、高温耐磨性强，可作为“拳头式”结构“夹心层”、“双金属”结构锻模的表面层。

5 “焊锻复合”形性控制工艺研究进展

电弧增材也存在一定缺点，一是工艺参数众多，协调匹配困难，不能保证堆出连续且一致的熔覆层，成形形貌难以控制且表面质量较差；二是易产生气孔及组织致密性不佳；三是电弧增材成形件增材区域反复经历复杂的升降温过程，会产生较大的残余应力[29]。

因此，如何智能调控工艺参数及形貌、增强组织致密性、消减残余应力、实现电弧增材形性控制对于大型锻模电弧增材制造及再制造非常重要。为此，重庆大学于2014年提出先堆焊后采用低频锤击的方法进行电弧增材制造，并获重庆市科委项目资助，开展了“焊锻复合”形性控制一体化技术及装置研究。“焊锻复合”电弧增材制造原理如图15所示，采用智能电弧增材随后数控低频锤击方法，实现了以增材过程残余应力消减和表面锤击整形形貌为控制目标的增材与锤击工艺参数全局优化与协调，有效解决了连续增材过程的热应力开裂问题和形貌不可控问题，确保了增材过程的连续、可靠、低残余应力、高形状精度的形性控制目标。

图15 “焊锻复合”电弧增材方法

5.1 增材工艺参数与增材形貌

基于实验结果及机器学习算法[30-32]，研究了电弧增材过程中增材电流、送丝速度、增材速度、焊道间距等工艺变量对增材区高度、宽度、平整度的影响规律。进一步建立了工艺变量与增材形貌之间的数字化映射关系和定量关系数据库，结合爬山寻优搜索算法建立了工艺参数反算模型，实现了对不同增材参数下的增材形貌智能预测。并且融入人工智能推理反算算法，结合响应面法对增材参数与增材形貌进行全局优化求解，建立了预设熔道宽高和表面平整度目标下的工艺参数智能反求寻优策略，编写了增材焊缝形状与工艺参数优化软件，如图16所示。对比软件计算所得优化焊接工艺参数与对应实验工艺参数，增材电压、送丝速度等相对误差均在5%以内，吻合良好，能够借助该软件结合实际工况指导工艺参数优化。

图16 增材焊缝形貌与工艺参数优化专家系统[30]

5.2 锤击数字化、残余应力消减与形貌精整

锤击法是一种常用的残余应力消减方法，锤击处理能够使焊缝产生较大的塑性延展变形，以抵消焊缝及其附近区域的收缩变形，降低残余拉应力，同时可以在锤击表面及深度方向上形成压应力区，提高抗裂性能，但锤击变形量难以直接控制，一般只能根据经验来人工设置锤击参数[33]。

为了达到想要的残余应力消除效果，提出电弧增材随动锤击精整消应力方法，构建锤击参数与消除残余应力、提升组织性能及形貌平整度之间的定量关系，建立了电弧增材残余应力预测及随动锤击消应力控制专家系统，如图17所示，实现了增材-锤击残余应力智能预测及预设应力控制目标下的锤击工艺参数智能反求优化，形成了工艺变量的协调控制策略，有效解决了连续增材过程热应力控制问题[34-36]。

图17 锤击去应力专家系统

6 “焊锻复合”增材制造装备研究进展

近几年，国内外开展了电弧增材制造集成系统的研究开发，逐步完成了硬件平台搭建、控制系统开发、焊接工艺优化、生产线建设等工作。2016年华中科技大学张海欧团队提出并研制了微铸锻同步复合设备，即采用电弧增材后同步辊压焊缝的方法，解决了构件的高性能增材制造。重庆大学提出并成功研制“铸钢基体表层梯度强化制备(超)大型锻模自动随型堆焊样机”，为大型锻模“焊锻复合”电弧增材制造及再制造提供了支撑条件。

6.1 大型“焊锻复合”增材制造装备单元

如图18所示，重庆大学团队基于大型数控龙门结构，提出并发明了焊锻复合3D增材机器人[37]，构建包含大行程直角坐标智能机器人电弧增材系统、3D测量及重构系统、智能低频随动锤击整形消应力系统、智能在线保温系统、吸尘排烟系统等的大型电弧增材集成单元。最大工作尺寸达4650 mm×1650 mm×650 mm，增材速度可达780 cm3/h、X/Y/Z运动轴重复定位精度≤0.02 mm。

图18 “焊锻复合”电弧增材装备单元

6.2 大型“焊锻复合”增材制造控制系统

基于集成单元，建立了大型电弧“焊锻复合”增材集成装备的集成管理与控制系统，分为增材工艺规划、辅助保障、辅助测试三大部分，开发出直角坐标智能电弧增材路径规划子系统、智能在线保温控制子系统、3D测量及模型重构子系统、吸尘排烟子系统，集成关联增材形貌智能预测及反求优化专家系统、增材残余应力智能预测及随动锤击消应力控制专家系统，如图19所示。并且建立了各子系统的参数协同、接口匹配、数据推理方法，实现了不同工作子系统的数据交换与数模共享、切换与驱动控制，及信息数据资源的优化配置，实现了对功能相对完善的集成装备硬件的高效管理。

图19 大型数控龙门式电弧增材制造集成系统

6.3 大型“焊锻复合”增材制造生产线

基于上述集成单元与控制系统，成功研制国际上最大规格的大型数控龙门式“焊锻复合”电弧增材生产线，如图20所示。在考虑锤击功能的前提下，基于结构振动噪声模拟分析优化，确立双横梁排布的结构方案；在考虑超大型构件经历加热-增材全过程连续、全过程不失温的前提下，设计出可移动保温平车及组合式加热炉；分析功能部件的使用及安装需求，实现部件可靠搭载及连接；为满足超大型构件的增材制造工艺需求，设计了行架式电弧熔丝增材制造系统。

图20 “焊锻复合”电弧增材制造生产线

多单元多系统集成，实现功能多样化、数字化与全面化，不仅大幅提升了模具的制造效率和制造精度，达到快速、高效、稳定地进行电弧熔丝“焊锻复合”增材制造与再制造，更是符合当今低碳、环保、节能的绿色导向。

7 结语

解决大型锻模制造成本高、寿命极低的问题就是解决我国航空用关键构件制造的卡脖子问题，也是解决我国航空模锻件制造企业核心竞争力的关键。设计铸钢基体梯度异质结构，匹配相应基体与堆焊材料，采用“焊锻复合”电弧增材工艺，在智能高效装备上进行大型锻模的制造及再制造，能够实现以下效果：

(1)寿命显著提高。与采用5CrNiMo传统方法制造锻模相比，采用新型结构实现大型锻模寿命普遍提高数倍，其中超高强钢起落架用锻模寿命提高50倍以上，磨损及变形量仍在允许范围内；中小型钢质锻件用热锻模寿命普遍提升100%以上；大型航空用铝合金锻件用热锻模寿命已达数百件，目前尚无磨损及变形迹象，可实现超长寿命。

(2)成本显著降低。与传统手工堆焊相比，采用焊锻复合机器人系统增材梯度异质结构热锻模缩短制造周期50%以上，节省丝材20%以上，减少加工工时50%以上，成本降低50%以上。综合成本中小型锻件单件摊销模具成本降低50%以上，大型航空用锻件摊销模具成本降低67%以上。

(3)社会效益显著。若在全国锻造行业推广应用，每年将为国家节省50亿元模具材料，减少3万吨模具材料消耗，为实现低碳环保、低成本绿色制造具有显著的社会效益。

随着电弧增材技术向“精准化”、装备向“智能化”方向发展，采用高质量增材系统与控形控性一体化技术，将“低成本铸钢基体”与“梯度电弧增材技术”二者相结合制造大型锻模，可充分发挥铸钢基体低成本、电弧增材制造灵活性各自优势，有效弥补纯铸钢锻模性能差、电弧增材制造成本高的不足，是未来长寿命大型锻模制造与再制造技术发展的必然趋势。今后的研究工作可围绕材料优化设计与匹配、结构强韧化机制与抗开裂机制探索、实际生产验证以及形性一体化控制、智能增材机器人系统优化等方面开展。