激光沉积大型镜面模具的型面完整性及界面可靠性调控机理研究
批准号:
52105415
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王志国
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王志国
中文摘要
激光沉积成形技术为大尺寸高性能镜面模具设计和制造提供了新的技术途径。在普通模具钢基体上依次沉积中间层材料、高Cr马氏体不锈钢形成多材料梯度结构,既可兼顾高硬度、耐磨性、耐蚀性和整体塑韧性,又可保障大尺寸模具型面不同位置处组织、力学性能和镜面抛光性能均一。然而超精密机械抛光表面创成机理不明、缓冲层中原位组织转变及对性能/功能梯度影响机理不清晰,导致激光沉积技术在大尺寸高性能模具应用中严重受限。本项目通过揭示沉积态高Cr马氏体不锈钢的超精密机械抛光去除及损伤机制,形成型面完整性调控方法,并提出梯度缓冲层中成分梯度诱导原位组织转变机制与力热耦合约束下缓冲层成形新方法,解决大尺寸镜面模具高性能制造技术难题。
英文摘要
Laser metal deposition has become a novel technical approach for the design and manufacture of large-scale mirror mould with high performance. By depositing inter-layer materials and high-Cr martensitic stainless steel powders on the substrate of mould fabricated by traditional forming methods, the graded structure with multi-material was build. The higher hardness, abrasion resistance, corronsion resistance, and entire plasticity and toughness can be ensured, at the same time, the uniformity of microstructure, mechanical properties and mirror-surface polishing properties of large-scale mold surface can be realized. However, because of the absence of generating mechanism of ultra-precision mechanical polishing surface, the in-situ microstructrue transformation mechanism, and the influence of microstructure gradient on performance and functional gradient, the application of laser metal deposition process in large-scale mirror mould was critically limited. This project will put forward a controlling method of surface finishing by uncovering the mechanism of removal and damage by ultra-precision mechanical polishing, moreover, find the in-situ microstructrue transformation mechanism by composition gradient, and novel forming methods of interficial buffer layer under the restraint of thermal and mechanical load. As a result, the technical problem of high performance manufacturing large-scale mirror mould could be resolved in reasonable method.
高性能镜面模具主要应用于光学品质、尺寸精度、力学性能要求高的制件注塑成形,其使用工况复杂且服役性能严苛。传统制造工艺很难满足高硬度及耐磨性、高表面质量、高耐热疲劳性能、高耐蚀性、内部冷却流道复杂等一系列苛刻性能需求。采用激光沉积成形为大厚度/大型面尺寸高性能镜面模具设计和制造提供了新途径。本项目针对激光沉积大尺寸超精细镜面模具过程中出现的超精密机械抛光表面创成机理不明、界面缓冲层中成分差异诱导原位组织转变及对性能/功能梯度影响机理不清晰等问题,开展系统研究,共计在Applied Surface Science、Journal of Manufacturing Processes、Journal of Materials Processing Tech、International Journal of Mechanical Sciences、Journal of the European Ceramic Society、机械工程学报等期刊发表学术论文16篇(11篇第一标注)。其中SCI论文11篇(中科院二区及以上10篇),EI论文5篇。.揭示激光沉积高硬度马氏体不锈钢的超精密机械抛光去除及损伤机制,定义了柱状和等轴α-Fe晶粒间的熔化线和边界是表面缺陷区两个边界,发现了表面缺陷区的形成与α’-Fe枝晶组织的不均匀性和M23(C,B)6金属间化合物的聚集密切相关。提出适用于于大尺寸镜面模具纳米级粗糙度下表面完整性的调控方法,在激光表面热处理过程中由于重熔效应改变表面结构,定向凝固柱状α-Fe枝晶和均匀分布的M23(C,B)6网络可以有效地缓解表面去除过程中的应力集中。通过构建异质界面多物理场耦合建模方法,可精确预测型面-基体界面缓冲层成分变化、原位组织、性能梯度,将多元素分布模拟结果与相图结合建模,预测的马氏体奥氏体两相分布场与实验测量的结果较好地吻合。提出力热约束下型面区-基体区梯度结构缓冲层成形方法,可以显著改善异质材料界面服役过程中界面可靠性;以上工作在大尺寸激光镜面模具的研制中进行了应用验证,形成了形成适用于大尺寸激光镜面模具的表面质量提升和服役寿命延长的新理论和新方法,为解决高性能模具一体化制造提供可靠的技术支撑。
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批准号:52575466
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2025
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负责人:王志国
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依托单位:
国内基金
海外基金