激光模具表面抗裂仿生單元體模型

（上海飛機制造有限公司，上海 201324）

在航空制造過程中，60%的零部件都要依靠模具加工和檢驗，因此對航空模具提出的高精度、高可靠性、高復雜性的要求，從而保障航空零組件的性能。但是此類模具制作成本高昂、維護困難，使用耐久度亟待提高。單純依靠模具選材和傳統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況。

隨著生產的需要和人類長期的仿生學習，從 20世紀中期開始，工程師和科研人員已經認識到仿生物是開辟新技術的主要途徑之一，通過對生物學與傳統科學、納米技術、激光進行深度的關聯性研究，取得了理論、試驗和應用方面的眾多成果[1—2]。目前通過激光技術手段，已經可以實現在模具表面形成類生物微觀構造的單體，從而獲得所需要的耐磨、耐腐蝕性能，并且已經成為研究熱點[3—7]。國內研究人員已經系統研究了利用激光提高 H13鋼機械性能及熱疲勞性能的方法。有研究人員[8]研究了H13鋼激光熔凝仿生強化的熱疲勞性能。叢大龍等[9—10]研究了激光合金化及激光熔凝兩種處理方式下 H13鋼的熱疲勞抗性變化。孟超等[11]采用激光熔覆技術，在退火態 H13鋼試樣表面得到非光滑表面，并對比了試樣的疲勞性能。叢大龍等[12]設計修復性的實驗路線，采用激光填絲工藝，研究退火態下 H13鋼裂紋阻止方式。劉立君等提出利用激光仿生阻斷技術，降低模具表面龜裂[13—15]，仿生強化后，模具壽命大大提高。

文中從植物葉片抗開裂角度，建立熱作模具表面裂紋局部激光仿生抗開裂模型，并驗證其實際應用可行性，為提高模具壽命提供一種新的方法。

1 植物葉片抗開裂可行性分析

常見的某灌木屬荊類樹葉見圖1。葉片主要包括葉肉、葉筋、葉脈，葉肉構成葉片的主要部分，可以起到承載養分的職責，葉筋和葉脈形成放射形網絡，分布在葉肉之中形成整體，賦予葉片展向和縱向的強度，如果葉片開裂時遇到葉脈和葉筋，開裂方向會停止或改變方向。由此可知，維持最終使用強度時，并不需要將所有位置全部做到同樣強度，通過科學排布加強位置和加強方式，極有可能在實現最終的使用性能、在增加壽命的同時，控制成本增加。

圖1 某灌木屬荊類葉片開裂Fig.1 Plant leaves resisting crack

擬參考植物葉片的開裂和止裂原理，通過對特定模具使用過程的受力、受熱分析，選用合理的加強相材料，通過激光熔凝的方法，將加強相材料注入到模具表面的特定區域，從而達到延長模具壽命的目的。基本實現方法為的示意圖見圖2。通過控制激光熔凝注入的類葉脈加強相的厚度和長度，配合以激光參數、加熱和冷卻方式控制，調控裂紋擴展的驅動力和裂紋擴展的阻力，并結合基體材料的特性和模具構型特點，將可預測的裂紋擴展方向作為葉脈的關鍵制作區域，并通過葉脈構型，將裂紋在葉脈終止，見圖2。如圖2a所示，當葉脈增強體激光熔凝厚度適中、長度合適時，由于熱量的消耗、應力的釋放與分布，裂紋繼續擴大的阻力將大大超出裂紋發生的驅動力，且在葉脈處可以實現終止。但是，當葉脈增強體的注入深度和長度較小時，裂紋的發展和停止的過程和機理將大大改變，即雖然葉脈處能夠起到一定的裂紋阻止作用，但是在葉脈增強體的對面方向上會出現新的裂紋，見圖2b，出現此種狀態時，隨著模具使用循環次數的增加，裂紋會出現不同的變化。當裂紋走向正對葉脈中心，裂紋會沿著增強單元體逐漸擴展，見圖2c。當裂紋遠離葉脈線時，裂紋會改變擴展方向，但最終會回到循環方向上，見圖2d，無論如何，當裂紋走向發生可控變化時，基于裂紋對模具壽命影響的變化，模具在裂紋產生后，使用壽命必然可以大大增加。

2 激光仿生單元體抗裂數學模型

高性能模具作業過程中，經常面臨熱應力、劇烈循環應力的作用，即使使用抗回火性能好的基體材料，在熱應力、鍛拉力、冷熱循環、摩擦的綜合作用下，疲勞裂紋的產生仍然是模具報廢的關鍵原因，因此通過激光技術在截面上制造仿生強化單元，影響（提高）其表面機械性能，是關鍵因素。

2.1 仿生單元體截面模型

基礎仿生單體的截面見圖3a。呈現出碗狀的形態。在建立激光熔凝數學模型時，首先從理想的單元體開始，即假設單元體外形尺寸的變化可以忽略，其增強單元體的外形模型可用式(1)表示。

假設有一疲勞裂紋因綜合作用應力，沿模具受力方向發展，裂紋延伸至增強單元體時，熱裂紋的延伸方向將發生偏離，一般情況下，因為增強相的組織性能原因，裂紋將沿著單元體縱向擴展，數學模型見式(2)。

最終建立基于激光熔凝增強體的裂紋阻斷數學模型可以簡化為圖3b的外形，其中h為單元增強體的深度，d為增強單元體的直徑。基于已有的結論，可用偏折角[16]表示裂紋偏折的強度因子范圍：

圖3 激光熔凝體示意圖與模型Fig.3 Diagram and model of laser melting unit

式中：KIΔ為遠場應力強度因子范圍；為偏折長度比；Δkeff是偏折裂紋的有效應力強度因子；ac為偏折部分裂紋的長度；a0為原始裂紋長度；α為偏折角度。

經激光處理的材料，將會存在激光沖擊強化區，不發生裂紋的情況下，在塑性變形區域將形成殘余壓應力，此壓應力可有效降低KΔ，從而提高材料在承受應力時候的實際應力值，從而減少裂紋發生的可能性，降低疲勞裂紋的擴展速度，提高材料的疲勞性能。當Δkeff≤ΔΚth時，疲勞裂紋將停止。由此可以通過式(4)得到臨界偏折部分的最大裂紋長度amax：

由此計算方式，可以得出如下模擬推論：當單元體的深度增加，如果單元體直徑不變，增強體橫截面的面積A會增大，從而使模具對熱裂紋產生抵抗作用，進而加強模具的熱循環壽命。

2.2 增強單元體存在時疲勞壽命影響模擬

受力恒定時，通過建立疲勞裂紋擴展速率與裂紋尺寸的關系式，然后通過積分方式，按照式(6)，估算試件的壽命。

當m≠2：

當m=2：

式中：Y為試樣尺度的特定系數；A,m分別為材料計算常數；σ為循環屈服強度，將式(4)代入式(9)和式(10)，即可求出循環疲勞壽命Nc，即試件壽命。

3 試驗驗證與參數優化

基于以上分析，采用激光熔凝的方法予以驗證，激光加工參數對增強單元體強化模具表面影響十分關鍵，文中關鍵參數約定為激光工作電流參數、離焦量參數、激光頻率參數、激光掃描速度參數等。

試驗中關鍵指向為激光強化參數對單元體橫截面積的影響，采用正交試驗進行影響因素初選，見表1，（以脈沖寬度P=8 ms恒量為基礎，各個因素間的相互影響暫不考慮）。在沒有明顯質量缺陷的前提下，試驗指標為單元體橫截面的面積，試驗水平的安排見表2。

試驗結果見表2，分析方法如下：yjk為所對應試驗指標的綜合結果，是yjk的數學平均值，因此可以用的大小確定j因素的最佳參數，最優激光參數可以選擇為所有因素最好水平的組合。Rj為第j因素的極差值，計算方法為：

式(9)是j因素參數變動對試驗結果影響大小的幅度。Rj的值越小，說明該因素的影響越小，也說明這個因素調整時對最終結果的影響越小，也就是可以用此極差判斷因素作用的主次。

表1 試驗水平表Tab.1 Experimental levels

表2 試驗參數表Tab.2 Experimental parameters

表3 分析結果Tab.3 Analysis result

由以上的分析結果可以得知，電流的大小、離焦量、激光掃描速度、頻率的變化均會對最終的試驗結果（單元增強體面積）產生較大的影響，其中離焦量的影響最大，電流大小的影響第二，然后是激光掃描速度的影響、頻率的影響是最小的。其中各因素的變化規律如下： ①離焦量的影響。通過對圖4和表2進行分析，離焦量參數的變化對激光熔凝單元體強化結果的影響最大，當離焦量數據從4 mm增加到7 mm時，聚焦點到工件的距離隨之增加，工件的激光光斑逐漸增大，能量密度降低，單元體也就越小，可以知道，激光熔凝造成的熔池深度與之基本呈線性關系；② 電流的大小的影響。激光器輸出能量由電流直接決定，電流增加時，相當于激光的輸出能量在單位時間內提升，則工件在單位時間獲取的能量更多，增強體熔凝區的寬度和深度均也隨之增加，增強體隨之變大； ③激光掃描速度的影響。當激光掃描速度減小，激光照射在工件表面的作用時間就增加，材料吸收的能量會增大，熔化更易，增強單元體的深度越大、面積越大； ④激光工作頻率的影響。激光工作頻率降低時，相當于單位時間內傳送的能像降低，熔化更難，增強單元體的橫截面積明顯變小。

綜上可知，隨著離焦量的較小、激光掃描速度的較小、頻率的增加、電流的提升，增強單元體的尺寸均隨之出現明顯的提升規律。綜合來看，離焦量是單元體橫截面積的最顯著因素，但是離焦量、電流、掃描速度、頻率的影響主次并不是十分明顯。激光參數的最優組合初定為激光掃描速度0.6 mm/s，離焦量+4 mm，電流179 A，頻率11 Hz。

4 模具表面仿生抗開裂單元體驗證

激光熔凝抗開裂單元體試樣的剖面組織中熔凝區的掃描電子顯微組織(SEM)見圖5，激光熔凝處理后，熔池可以分為3個區域，表面是等軸晶區，中間是柱狀樹枝晶區，底部是胞狀晶區。激光熔凝過程中，熔凝區域內熔池的凝固顯示為一個經典的金屬凝固過程。即熔池中激光照射引起金屬熔化和基材散熱冷卻引發的凝固同時發生，冷卻凝固的熔池底部與激光加熱產生熔融的母材晶粒產生接觸，基于激光能量和基材材質分布的隨機性，非均勻晶核在這個接觸面發生快速的成核作用，由此形成了結晶細致的組織現象。

圖4 激光參數對增強單元體影響Fig.4 Effects of laser parameters on units

圖5 熔凝區微觀組織Fig.5 Microstructure of laser melted zone

采用典型模具鋼試板進行激光仿生強化單元體試驗，試驗完成后通過剖面進行金相組織檢測，結果見圖6，增強體由細小的馬氏體和少量殘余奧氏體組成。這是由于激光加熱的高效性，基材的熔融速度極快，急速熔化，隨后又因為基材優良的導熱性，熔融態又以極高速度進行冷卻，這種過程使得基材中的奧氏體發生了馬氏體轉化過程，于是出現了表面的馬氏體化。此外，基體中還存在較多的碳化組織，未發生細化現象。當激光能量增強時，熱作用深度增加，熱影響區也增加，于是出現了珠光體和馬氏體混合物組織模式，在熱影響區的熱影響作用下，熱影響區碳化物顆粒增加，經過光學顯微鏡測試分析，母體晶粒大小約為 15～25 μm，單元體區晶粒大小約為 1～2 μm，單元體組織細化明顯。

根據模具工作狀況，在同樣材質的模具易出現疲勞裂紋的位置進行激光局部熔凝仿生抗開裂單元體，離焦量為+6.5 mm，脈寬為10 ms，掃描速度為0.6 mm/s，頻率為5 Hz，電流為179 A，保護氣體流量為15 L/min的氬氣，強化模具見圖7，局部放大見圖8。

圖6 激光仿生強化模具鋼優化單元體微觀組織Fig.6 Optimization unit body microstructure mould steel by laser bionic strengthening

圖7 激光熔凝模具抗開裂單元體Fig.7 Manufacturing of laser melting bionic body

圖8 激光熔凝模具抗開裂單元體局部Fig.8 Localized detail of laser melting bionic body

激光熔凝仿生抗開裂單元體熱擠壓模具經過原型試驗驗證可知，未經過處理模具壽命在12 000模次左右，經過激光熔凝抗開裂單元體處理的模具可達到19 000模次，提高模具使用壽命50%以上，熔凝抗開裂單元體起到良好阻斷作用，印證前面提出的激光熔凝葉脈裂紋阻滯機制模型，由此可以得知，通過分析模具特性，在模具易開裂區域提前進行激光熔凝處理，對裂紋進行導向處理和組織發展處理，可以大大提高模具的使用壽命。如推廣應用，可以大大降低模具的報廢速度，帶來較大的經濟效益。

5 結論

通過研究生物葉片中葉肉、葉筋在開裂中的不同作用，通過數學分析建模，形成仿生單元體抗裂模型，然后通過激光熔凝及相關參數的控制，獲取了多個系列單元體尺寸，并通過對比研究，得出了單元體深度增加、單元體截面面積增加、模具對熱裂紋的抵抗能力也會增強的結論，同時給出了激光仿生單元體抗裂壽命的估算方法。

同時，通過試驗得出影響激光仿生單元體內制備效果的因素主要通過激光能量產生作用，在最佳試驗條件下，經過激光熔凝仿生抗開裂單元體處理的熱作用模具使用壽命提高了50%以上，證明熔凝抗開裂單元體對熱疲勞裂紋的發展延伸起到了良好阻斷作用，印證了基于生物葉片的激光熔凝葉脈裂紋阻滯機制模型，由此說明模具局部表面裂紋激光仿生單元體抗開裂是可行的。

模具是航空制造中的關鍵組成元素，在整個產品制造中占據重大的生產成本，而因為航空產品本身采用的高強材料，模具的消耗速度十分迅速，雖然驗證了激光加工仿生強化單元體延長模具壽命的可行性，但是由于航空產品的特殊性和嚴格的制造管控，后續仍然需要針對產品、模具、生物原型進行進一步的規律摸索，并形成面向產品特征的制造工藝，才能夠大量的指導此類技術的現場應用。