大型难变形锻件,尤其是钛合金锻件的生产制备对热锻模的性能要求十分高,传统铸钢锻模在制备大型难变形锻件时常出现表面热裂纹、热变形和热磨损等缺陷。本文在“铸钢基体双金属堆焊制备法”的基础之上,提出“拳头式”锻模制备新方法,在铸钢基体之上,堆焊双金属硬度梯度强化层作为锻模的“骨头层”,再在其上堆焊常温下硬度不高,但拥有良好高温力学性能的高温合金作为锻模的“皮肤层”并做分区处理。选取某飞机钛合金梁接头作为研究对象,通过对其预锻过程的有限元模拟分析,为“拳头式”锻模“骨头层”与“皮肤层”的厚度设计与材料选择提供思路:利用传统锻模进行钛合金锻件预锻时,锻模表面温度高达800℃,设计表层10mm为“皮肤层”,选用高温力学稳定性较好的镍基高温合金CHN327作为“皮肤层”凹陷与圆角处的分区材料,选用红硬性较高的钴基高温合金作为“皮肤层”凸台与桥部的分区材料;设计10-25mm为“骨头层”,选用可以提供较好结构支撑的铁基合金JX03与CN72作为制备材料并对这两种材料进行对比研究。根据上述厚度设计与选材建议,利用电弧熔丝增材制造工艺制备了“拳头式”锻模堆焊试样,并对JX03与CN72两种铁基合金分别作为“骨头层”材料时,在多道次热压缩前后的组织成分与力学性能变化进行了对比研究,同时还探索了其与“皮肤层”的结合强度。结果表明:CN72中合金碳化物主要为Mn23C6而JX03中的合金碳化物主要为Cr23C6。CN72在熔合线处聚集有较多碳化物,致使其层间耐磨性较好,硬度较高,但结合处更易发生脆性断裂,而JX03基相中索氏体含量高,综合力学性能更好。CN72在距离熔合线2mm范围内硬度值更高,但其硬度随着远离结合面而降低,相比之下JX03的硬度分布较为稳定,且JX03在多道次热压缩后的硬度稳定性更优。在400-450℃温度范围内,CN72与“皮肤层”之间结合强度优于JX03与“皮肤层”,而JX03在更高温度下表现出更好的结合强度。最后采用有限元模拟软件DEFORM对JX03与CN72分别作为“骨头层”材料时,“拳头式”锻模的服役过程进行了模拟,此处控制“皮肤层”不分区,对“骨头层”分区进行了讨论。有限元模拟结果显示,CN72作为“骨头层”时,可以避免在模具型腔的凸台与侧壁等区域产生热量集中,减小热磨损倾向,JX03作为“骨头层”时,可以避免在模具型腔的平台与凹陷等区域应力值分布较大,减小应力集中和热裂纹倾向。另外,结合“皮肤层”损伤场分布可知,选用JX03作为“骨头层”材料可以延长模具寿命,但其促使“皮肤层”软化也带来热变形问题。