基于FGM的热锻模设计与仿真分析

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1、摘要在热锻生产中，热锻模具要承受高温工件所带来的巨大的热负荷和机械冲击，工况恶劣，从而导致模膛表面处容易产生相变、裂纹或变形等缺陷。因此，对模具进行表面处理，提高模具表面的高温性能，即可起到增强模具抵御热负荷的能力，延长模具寿命。最近不断发展的梯度材料涂层则为热锻模的表面处理提供了一种新思路和新方法。本文分析了热锻模在工作中的工况条件和负荷的特点，发现在机械冲击基本一定的情况下，热负荷就成为了影响模具寿命的最主要因素。在模膛表面的温度波动区，模具所承受的热负荷最大，也最容易形成各类缺陷和损伤。因此采用热防护型的梯度功能材料涂制于热锻模表面能切实提高其抵御高温、防止损伤的能力。本文探讨了梯度功能

2、材料的发展和运用，对梯度材料的设计、制备和性能评价三要素进行了比较，探讨了弹性模量、泊松比、热导率和热膨胀系数对热锻模具性能的影响，掌握了梯度功能材料的种类和特点，并明确其在热锻模中运用的可行性。通过有限元软件DEFORM可有效模拟热锻生产过程并进行物理场的分析。本文选择Ti一6A1．4V金属材料和Zr02陶瓷材料复合梯度涂层作为热锻模表面覆层，设计了梯度材料的层数和组成成分，计算了梯度材料的物性参数，建立了基于DEFOtEVI的热力耦合有限元模型并模拟了整个热锻成形过程。通过热锻成形过程模拟分析得到了热锻生产过程的温度场和应力场状况，获得了热锻模下模的温度场和应力场曲线以及热锻过程中的物理场

3、变化情况；通过均质热锻模和梯度涂层热锻模的对比可发现：梯度涂层对于降低模具整体温度和热负荷以及等效内应力具有显著作用。通过模拟可以看出，梯度材料涂层对模具高温性能的提高有显著效果，梯度功能材料在热锻模中的运用是切实可行的。理想的梯度功能材料其成分和性能都是均匀变化而没有明显界面的，因此在降低结构应力和匹配兼容性能上会更加完善，这也是梯度功能材料逐步完善和发展的方向。关键词：热锻模，梯度功能材料，有限元，物理场AbstractInhotforgingproduction，hotforgingdieshavetobearthehightemperatureandmechanicalshockfro

4、mtheworkpiece．Andthepoorworkingconditionsleadingtomoldboresurfacedepartmentsareeasytobecomephasetransformation，deformation，cracksordefects．Therefore，ifwedealwiththediesurfacetoimprovetheperformanceofthediesurfaceagainsthightemperature，wecanincreasethecapacityofthedieinbeatingheatandextendthedielife．

5、Recently,anewmethodcalledgradientcoatingsapparesinthediesurfacetreatment．Inthispaper,wefocusontheforgingdiesworkingconditionandloadcharacteristics．Conclusioncomesthatinacertainmechanicalimpactthemainfactoraffectingdieslifeisthehightemperature．Andinthedieboresurfacetemperaturefluctuationzone，thediesa

6、rebearingthemaximumheatingloadandaremosteasytoformtypesofdefectsandinjury．Therefore，wecanusethethermalprotectiontypeoffunctionallygradientmaterial(FGM)asthediesurfacecoating．ThismaterialCaneffectivelyimproveheatresistanceofthedieanditsabilitytopreventdamage．Thisarticlereaearchsonthegradientfunctiona

7、lmaterialsdevelopmentandapplicationandmakesadetailedstudyofgradientmaterialdesign，preparationandperformanceevaluation．Wealsoinvestigatetheelasticmodulus，Poisson’Sratio，thermalconductivityandthermalexp