淺析先進(jìn)模具材料INVAR鋼制造相關(guān)技術(shù)

范喜祥 李玉楊 劉皓

摘要：復(fù)合材料成型模具的材料選擇是控制復(fù)合材料變形的關(guān)鍵，INVAR鋼熱膨脹系數(shù)接近于復(fù)合材料，將其作為復(fù)合材料構(gòu)件的模具材料有利于避免復(fù)合材料成型期間的變形現(xiàn)象。本文主要探討先進(jìn)模具材料INVAR鋼制造中焊接工藝、機(jī)械加工工藝、熱處理工藝等相關(guān)技術(shù)，以期為提高INVAR鋼模具質(zhì)量提供理論參考。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)模具材料;INVAR鋼;制造

1.復(fù)合材料模具背景

復(fù)合材料因其所具有的高強(qiáng)度、低密度以及高模量等特點(diǎn)，成為當(dāng)前飛機(jī)零件制造的重要結(jié)構(gòu)材料，一定程度體現(xiàn)了飛機(jī)制造先進(jìn)水平。伴隨復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)中，先進(jìn)復(fù)合材料的加熱加壓生產(chǎn)條件對(duì)模具材料特性提出更高要求。普通鋼模具是現(xiàn)階段使用較多的復(fù)合材料成型模具，具有耐用、成本低等優(yōu)勢(shì)。然而普通鋼模具與復(fù)合材料零件之間存在熱膨脹系數(shù)不一致的問(wèn)題，造成復(fù)合材料零件尺寸偏差，影響工程進(jìn)度。而復(fù)合材料模具熱膨脹系數(shù)較小，能夠彌補(bǔ)熱膨脹系數(shù)不一致的問(wèn)題，但復(fù)合材料模具使用周期較短、使用過(guò)程中易損壞，并且由于復(fù)合材料成型工藝難度較大，不能實(shí)現(xiàn)所有模具結(jié)構(gòu)形式。INVAR鋼優(yōu)勢(shì)在于膨脹系數(shù)較低，使用周期更長(zhǎng)，便于維護(hù)管理，有利于進(jìn)行批量生產(chǎn)，因此INVAR鋼逐步成為目前復(fù)合材料構(gòu)件成型模具材料的首選。

2.國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀

復(fù)合材料在各種民用飛機(jī)制造中得到廣泛應(yīng)用，已成為當(dāng)前多數(shù)飛機(jī)主要承力結(jié)構(gòu)的重要組成部分，因此復(fù)合材料構(gòu)建尺寸也在逐步增大。目前國(guó)外大部分復(fù)合材料構(gòu)件成型模具材料選擇使用INVAR鋼。但現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)關(guān)于INVAR鋼作為復(fù)合材料成型模具材料的研究還相對(duì)較少。部分研究人員分析了在天線反射器制造中使用INVAR鋼作為主要材料，但直徑僅為05m，尺寸相對(duì)較小，尚未有更多相關(guān)深入報(bào)道[1]。這可能是因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)航空領(lǐng)域復(fù)合材料構(gòu)件尺寸不大，所以未迫切需要INVAR鋼作為主要材料。同時(shí)INVAR鋼材料模具制造成本相對(duì)較高，造成國(guó)內(nèi)應(yīng)用受到局限。未來(lái)隨著國(guó)內(nèi)大飛機(jī)研發(fā)的逐步加深，對(duì)于大尺寸復(fù)合材料的需求將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)INVAR鋼的應(yīng)用。

3.先進(jìn)模具材料INVAR鋼制造相關(guān)技術(shù)

3.1 INVAR鋼焊接工藝

氣體保護(hù)焊工藝是INVAR鋼焊接中選擇較多的工藝形式，這是因?yàn)镮NVAR合金作為鎳基合金的一種，若使用液態(tài)焊縫會(huì)影響金屬流動(dòng)性[2]。鋼焊縫金屬可以通過(guò)提高焊接電流起到改善焊縫金屬流動(dòng)性的效果，但鎳基合金單純提高電流會(huì)起到相反作用。由于鎳基合金的特殊性質(zhì)，所以焊接期間盡量選擇小電流。同時(shí)，需要盡量縮短焊接過(guò)程中的電弧，并且結(jié)合焊件厚度挑選符合的坡口形式及坡口角度。在焊接過(guò)程中需要準(zhǔn)確把握層間溫度，避免金屬長(zhǎng)時(shí)間受到溫度過(guò)熱的影響而出現(xiàn)晶粒粗大。對(duì)于焊接速度的確定，應(yīng)根據(jù)板材厚度進(jìn)行控制，焊接速度需要滿足良好的熔深、焊縫寬度，確保足夠的焊縫致密性。一旦焊接速度過(guò)快或者過(guò)慢都易導(dǎo)致焊縫發(fā)生氣孔。焊接電流的選擇也會(huì)對(duì)打底焊、蓋面焊的焊縫質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，所以在打底焊接過(guò)程中，需要結(jié)合焊接填充材料大小和焊接縫隙合理控制焊接速度，確保良好焊接質(zhì)量。為了避免焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊接裂紋，焊接前需要徹底清除焊件和焊絲上面附著的鉛、硫等物質(zhì)，科學(xué)選擇裝焊順序，合理控制焊接熱輸入。預(yù)熱和后熱處理不能有效預(yù)防焊接裂紋，通常情況下不使用。鎳及鎳基合金相較于低碳鋼、低合金更容易出現(xiàn)氫氣孔、水蒸氣孔以及一氧化氮?dú)饪椎取ｆ嚮辖鸪霈F(xiàn)氫氣孔的原因主要在于，溫度較高狀態(tài)下，焊接熔池會(huì)產(chǎn)生大量氫，若焊接過(guò)程中焊件表面存在水、鐵銹、油漬等物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致氫被溶解。一旦溫度降低氫溶解速度減慢，大量氫將被析出。另外由于熔池流速度較慢，鎳基合金固溶相溫度間距不大，熔池冷卻凝固結(jié)晶期間氫氣無(wú)法快速?gòu)娜鄢匾莩觯^而產(chǎn)生氫氣孔。為避免這一情況，焊接前需要仔細(xì)清除焊件表面各種污物，減少氣孔的形成。

3.2 INVAR鋼機(jī)械加工工藝

INVAR鋼其中的鎳含量較高，極大程度增加了其可淬性和淬透性，提高INVAR鋼耐氣性和耐腐蝕性能。通過(guò)分析INVAR鋼成分及物理性能，可以得知和奧氏不銹鋼具有相似的切削加工性能，但其加工難度更大。INVAR鋼加工過(guò)程中通常切削溫度高、切削力度大，刀具更容易磨損，所以 INVAR鋼加工過(guò)程中易出現(xiàn)塑性現(xiàn)象，切削碎屑不容易折斷，切削碎屑和前刀面過(guò)多摩擦，會(huì)加速刀具損耗，導(dǎo)致刀具耐用性下降，影響加工準(zhǔn)確度。因此INVAR鋼加工過(guò)程中，盡量選擇硬質(zhì)合金刀頭，提高刀具性能。由于INVAR鋼相比其他碳鋼材料具有更高的硬度，因此機(jī)械加工過(guò)程中轉(zhuǎn)速需高于碳鋼，降低切削進(jìn)給量。而對(duì)于INVAR鋼機(jī)械加工工藝的選擇，盡量采取大前角和大后角，選擇螺旋角較大的刀具。總而言之，INVAR鋼機(jī)械加工過(guò)程中，需合理選擇刀具，科學(xué)控制切削參數(shù)，保證INVAR鋼加工質(zhì)量。

3.3 INVAR鋼熱處理工藝

INVAR鋼在進(jìn)行機(jī)械加工前，需要進(jìn)行熱處理，有利于改善材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于機(jī)械加工會(huì)增加材料內(nèi)部應(yīng)力，呈不均勻分布狀態(tài)，通過(guò)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行退火能夠得確保材料尺寸。因此，在INVAR鋼加工的不同階段需要進(jìn)行一定熱處理，例如在INVAR鋼基本成型或者焊接后進(jìn)行全面退火處理，可采取850℃空冷一小時(shí);在粗精加工后進(jìn)行應(yīng)力退火，可采取315℃空冷兩小時(shí)。對(duì)于熱處理的具體溫度，可在實(shí)際加工過(guò)程中結(jié)合構(gòu)件尺寸具體選擇。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，INVAR鋼因?yàn)榕c復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)接近，將其作為復(fù)合材料成型模具材料能夠有效解決復(fù)合材料成型過(guò)程的變形問(wèn)題，但需要注意的是，由于大型復(fù)合材料INVAR鋼模具加工尺寸和性能的局限性，盡量選擇氣體保護(hù)焊接工藝，采取小電流焊接方式。另外選擇合理的機(jī)械加工工藝和熱處理方法，以保證INVAR鋼模具質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉紅兵， 宣揚(yáng)， 楊瑾. Invar合金焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 航空制造技術(shù)， 2020， 63（9）：69-74+88.

[2]徐意. 淺析增材制造技術(shù)在飛機(jī)模具制造中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)設(shè)備工程， 2019， （18）：125-126.

作者信息：第一作者 范喜祥 1988.07 男 陜西西安 漢 碩士研究生 高級(jí)工程師 研究方向：機(jī)械加工工程;第二作者 李玉楊 1980.05 男 陜西西安 漢 碩士研究生 高級(jí)工程師 研究方向：機(jī)械加工工程;第三作者 劉皓 1992.11 男 陜西西安 漢 碩士研究生 助理工程師 研究方向：材料加工工程