H13钢是使用最广泛和最具代表性的热作模具钢,凭借其优越的性能被广泛应用于热镦锻、热挤压和压铸模具等热作模具。热作模具主要的失效形式是热疲劳和磨损,其中80%的失效来自功能表面。因此,提高H13钢功能表面的抗热疲劳和耐磨性对延长其使用寿命具有重要的现实意义。为了提高H13钢表面的耐磨性和抗热疲劳性能,本文采用激光熔覆技术与仿生耦合理论相结合的方法在H13钢表面制备了以镍基合金为主的功能表面,并从工艺和材料等方面展开研究,以进一步提高模具使用寿命。主要研究如下:(1)通过在H13钢表面进行了大量的熔覆Ni60粉末实验,不仅获得了Ni60激光熔覆工艺参数与显微硬度之间的影响曲线,而且得到了过冷度对显微硬度的影响,即通过调节过冷度能够显著改变组织结构和晶粒大小,过冷度过大或过小都会影响形核率和晶体长大速率的比值,大的过冷度能够抑制杂质的析出,有利于抑制裂纹。(2)为了提高显微硬度和减少裂纹,将25%WC混入Ni60粉末进行激光熔覆加工实验。结果显示:熔覆层的裂纹随着WC和Ni60送粉电压比的减小而逐渐减小;当WC和Ni60送粉电压比变为2:3时熔覆层的裂纹开始消失,只是不能消除熔覆层的气泡;但可以通过调整比粉和比能获得性能良好的熔覆层,当比粉保持在3~7Vs/mm之间,比能保持在100~200Ws/mm之间时,熔覆层内不仅无气泡和裂纹而且显微硬度大于900HV。(3)在比粉和比能合理的数据范围内,开展熔覆层高度和熔深研究。结果显示当比能一定时,熔覆层的增加高度随着比粉的增加先增加后减小甚至变为零,但基体的熔化深度随着比粉的增加逐渐变小,且相同比粉下比能越大基体的熔化深度越大;多道激光熔覆时当比能和熔覆间距一定表面会随比粉的增大逐渐变陡,即由比粉为3Vs/mm时的平面变为比粉为5Vs/mm时的波浪面,最后变为比粉为7Vs/mm时的斜坡面。(4)基于上述实验数据,在H13钢表面激光熔覆仿生结构并进行热疲劳和耐磨性测试。热疲劳测试表明相同间距,三角形仿生结构的抗热疲劳性能最好,四边形仿生结构的抗热疲劳性能高于条形仿生结构,无仿生结构的模具钢平面最差。耐磨测试表明间距大于5mm时,仿生结构的耐磨性开始明显下降,且间距为5mm时,三角形仿生结构耐磨性最好。