锤锻模是热锻模的一个重要分支,能够通过较小吨位的锤锻设备加工出难以成型的复杂结构件。服役过程中除了受到普通热锻模机械及热的双重负荷,还要承受锻锤的高频次冲击载荷,因此相较于普通热锻模更容易出现底角疲劳断裂、磨损、塑性变形等失效。本文特别针对该类锤锻模极为严重的底角疲劳断裂问题,以某超超临界汽轮机叶片用锤锻模为研究对象;从连续介质损伤力学、断裂力学入手,对模具材料内部损伤的演化、裂纹的扩展,直至失效的过程进行深入研究并实现了有限元模拟;同时结合力学性能、断口分析等常规手段对疲劳断裂失效问题进行了系统的分析。本文提出了基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工艺方法,并最终运用于该汽轮机叶片用锤锻模的再制造生产实践中。本文主要展开了以下方面的研究:(1)锤锻模服役状态分析采用金属塑性成型有限元方法对本文的研究对象-某汽轮机叶片用锤锻模的应力、应变、温度、磨损等服役状态进行了模拟分析,为后续疲劳断裂失效分析及再制造该类锤锻模提供支持;同时从减少锤锻模应力的角度出发,对模具的设计及使用工艺方法做了一些改进。(2)循环塑性损伤本构模型的建立及有限元实现针对锤锻模服役过程中容易引起材料劣化并出现内部宏观裂纹的问题。运用连续介质损伤力学(CDM)建立了一个循环塑性损伤本构模型,借助ABAQUS中UMAT子程序将该模型程式化,实现了有限元模拟。引入实验获得的5Cr Ni Mo相关材料参数,完成了试样拉伸过程的损伤演化模拟。从疲劳累积损伤角度对循环载荷条件下服役的锤锻模内部损伤的演化以及宏观裂纹的产生情况进行了预测分析,并获得了一些关于材料损伤演化的结论。(3)锤锻模疲劳断裂分析针对锤锻模在服役过程中出现的底角疲劳断裂问题。本文通过在连续介质力学的大框架内,从损伤力学开始再延伸到断裂力学的方法,来对循环载荷下的锤锻模疲劳断裂全过程加以研究;并结合材料力学性能、微观结构、断口分析等分析方法实现了对该类问题更为系统的分析。获得了裂纹扩展过程中的裂纹三维形貌、尖端应力场、应力强度因子、剩余寿命,模具材料力学性能、微观组织结构、断口情况等结果,进而分析出该锤锻模型腔底角疲劳裂纹形成及扩展的机理。(4)锤锻模再制造工艺的研究介绍了双金属梯度堆焊再制造热锻模工艺方法,并针对双金属梯度堆焊制造热锻模工艺方法难以同时解决锤锻模易出现的疲劳断裂、疲劳磨损、塑性变形等典型失效问题,特别是疲劳断裂问题。分析了该方法存在的局限性,针对性的提出了基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工艺方法,给出了解决疲劳断裂失效等问题的对策。(5)某汽轮机叶片用锤锻模的再制造应用将提出的基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工艺方法应用于某汽轮机叶片用锤锻模的再制造中。基于获得的锤锻模服役状态、失效分析、寿命预测信息,分析了锤锻模不同区域的堆焊材料需求;结合微观组织、力学性能等基础性实验,针对性的设计了三种焊材及其组合,优化的焊材分布方案;完成了对该锤锻模的再制造工作。经生产验证,该再制造锤锻模与原新制锤锻模相比较,成本降低了约1/2(含首次再制造设计费用),周期缩短了约2/3,寿命提升了约100%。