热作模具激光仿生耦合修复及强化研究

【摘要】模具工业是国民经济的基础产业，被称为“永不衰亡的工业”、“点铁成金”的行业，在汽车、电子、仪表、电动机、家用电器和通信等产品中，有大约2/3零部件都需要通过模具进行成型。因为模具生产具有高精度、低消耗、高一致性、高效率和高复杂程度等特点，所以国内的其他加工方法很难与之相比，使其受到了国内外的高度关注。众所周知，热作模具主要依靠其表面进行加工生产，据统计80%的热作模具失效是来自其表面，而热疲劳是导致这一失效的主要原因，因此企业希望运用简单有效的方法来处理这一问题。在自然界中，可以发现动物和植物的身体表面具有优异的多功能结构，这是其经历上百万年进化的结果，且这些优点是传统人工材料无法比拟的。众所周知，蜻蜓在长距离飞翔时，它的翅膀能抵御气流的摩擦，承受着巨大的升力作用，表现出优异的性能，研究发现这与蜻蜓翅膀呈网状脉络结构分布有关。植物叶片可以很好的抵御风霜雨雪的侵袭而不开裂，这与植物叶片呈网络状和平行状结构分布有关。许多科学家正是发现了自然界中生物的这些优点，并开始重视对它们的研究，近些年研究成果逐渐显现，其中应用仿生原理解决工程上的一些问题，得到了意想不到的效果。植物叶片和蜻蜓翅膀等生物体具有优异的止裂和抗疲劳功能。观察发现它们的结构是一种耦合结构，即在软质母体上分布有不同形态的硬质单元，两者彼此交替。通过对这些生物结构的分析、简化和模仿，设计出了适合热作模具裂纹修复及强化的仿生耦合模型。本文的研究目的是将激光修复技术与仿生耦合理论相结合，用于热作模具疲劳裂纹及开裂的修复及强化，改善其抗热疲劳性能，提高模具使用寿命。以H13钢为研究对象，运用激光仿生耦合熔凝技术修复热疲劳裂纹，考察了单元体形状、间距和大小对修复后试样抗热疲劳性能的影响；同时研究了激光堆焊修复模具开裂后的焊缝仿生耦合强化问题，考察了强化后试样的抗拉强度和抗热疲劳性能。结果表明：1.依据植物叶片和蜻蜓翅膀的耦合结构，提出的修复和止裂仿生模型适合热作模具的裂纹修复和强化。对产生细小热疲劳裂纹试样进行仿生耦合熔凝修复后，各试样抗热疲劳性能得到了不同程度的提高。大尺寸裂纹经激光堆焊修复及仿生耦合强化处理后能够提高试样的强度，进而提高其抗热疲劳性能。2.在疲劳态H13钢基体上制备不同形状的修复止裂仿生单元体，实现对基体微小裂纹的修复和强化。单元体主要由马氏体和残余奥氏体组成，具有良好强韧性，裂纹扩展至单元体受阻后，往往会发生偏折甚至停滞。3.单元体形状、大小和分布间距对修复后试样抗热疲劳性能有不同影响。网格状单元体使试样表面获得最佳的抗热疲劳性能，间距较小、体积较大的单元体对热疲劳裂纹的阻滞效果更为明显。4.激光堆焊修复大尺寸裂纹后，焊缝热影响区是热疲劳裂纹萌生和扩展的敏感区域。激光仿生耦合强化处理能够显著提高修复后焊缝的抗拉强度和抗热疲劳性能。分布于焊缝表面的强化单元体能够抵抗远场拉应力作用延缓焊缝开裂，同时阻碍裂纹扩展。单元体间距越小，试样的强度和抗热疲劳性能提高幅度越大。
【作者】杨苗强；
【导师】周宏；
【作者基本信息】吉林大学，钢铁冶金，2014，硕士
【关键词】模具修复；仿生；热疲劳；显微组织；硬度；

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