模具是成形加工的重要工艺装备，被誉为"现代工业生产之母"。模具工业水平已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。目前，国内优质、高寿命热作模具钢的开发和推广工作处于一种相对停滞的状态，模具企业很难找到一种可靠的国产模具钢来代替进口模具钢。本课题来源于广东省工业高新技术领域科技计划项目："基于精密喷射成形的热作模具钢开发及快速制模技术研究"，项目编号：2014A010105043。

    以研发新型热作模具钢为目标，利用精密喷射成形技术，开发基于喷射冶金的高性能热作模具钢新材料及其模具快速制造技术，开辟一种短流程的高性能热作模具钢及其模具快速增材制造新途径。项目利用精密喷射成形快速凝固、逐步、近净成形的技术特点，在HM1热作模具钢基础上，研究了高性能模具钢开发-制备-成形加工一体化增材制造方法。

    首先，从材料制备着手，利用精密喷射成形快速凝固的特性，进行了基于喷射冶金的热作模具钢快速凝固金属学研究。结果表明，铸态HM1钢组织为粗大的枝状晶，晶粒尺寸150~200μm，晶界处为粗大连续的网状碳化物组织；而精密喷射态HM1钢为细小的等轴晶组织，晶粒尺寸20~50μm，晶界处弥散分布少量细小的先共析碳化物相；喷射成形可有效消除元素偏析和网状碳化物组织。喷射态和铸态材料的物相均以马氏体和残余奥氏体为主，残余奥氏体相对体积分数分别为14%和8%。

    其次，结合现有雾化理论与沉积理论并辅助有限元分析手段，进行了热作模具钢精密喷射成形工艺基础实验研究。运用Fluent气体动力学分析表明，出口直径4mm导液管与气孔之间的距离为7mm，同时通入气压0.5MPa时，导液管前端负压值达到-38649.5Pa；同比相同条件下导液管与出气孔其他距离，其负压值最大。在出气孔分别通入0.4MPa至0.9MPa氮气，导液管前端负压依次增大并且负压区也增大；但当气压到达0.7Mpa时，实验验证导液管外壁产生的负压会导致金属液向雾化器反喷，致使堵塞导液管以及损坏雾化器。金属液过热度50～80℃，通入氮气气压0.6MPa的条件下，分别减小导液管入口直径至8mm，入口直径至3mm，使其内部呈现漏斗状，喷射时间可增至50s以上，沉积坯表面呈明显的高斯分布状，以及没有明显的糊状区和片状金属分布。

    然后，根据材料学基础理论和金属快速凝固原理，采用实验检测分析与理论计算结合方法，进行了精密喷射成形热作模具钢致密化机理分析与研究。结果表明影响沉积坯致密度的原因如下：1）沉积过程中雾化液滴交叉、分层堆积时会产生孔隙，且缺乏足够的液相及时填充；2）流出导液管液流被高压气体打碎雾化，液滴包围的气体来不及溢出而凝固；3）随着钢液温度的的迅速降低，融入其中的气体溶解度急剧降低，析出并在一定条件下聚集长大成为气孔。最终，通过工艺优化，获得的沉积态合金的致密度在97%以上，甚至有的位置致密度达到了99%以上。

    最后，结合快速原型制造技术，采用理论分析与实验相结合的方法，进行了基于精密喷射成形的热作模具快速制造工艺研究。在自制20Kg喷射成型设备上，得出了制备HM1钢模具的最佳工艺参数为：陶瓷管伸出喷嘴下端最佳长度为4mm，管直径为Φ4mm，管长度45~50mm，雾化时熔体温度为1600℃左右，雾化压力为0.6Mpa。实验最终得到形状完整、表面粗糙度高达Ra35μm、高度尺寸精度达2.4%的HM1钢喷射成形气门锻造模具坯体。

    本项目主要创新点为：（1）将精密喷射成形快速凝固技术与快速制造技术相结合，实现材料制备与材料成形，开辟一种短流程热作模具钢及其模具近净成形增材制造新途径；（2）利用喷射成形快速凝固的特点，开发适于精密喷射成形快速制模的新型热作模具钢新材料，突破传统熔炼-铸造制备热作模具钢的成份限制。

    通过本项目研发，促进了我国模具钢材料的制备技术的发展，开辟了一种废旧模具回收利用和模具再制造新途径，大大降低了制造成本和产品回收处理成本，在制备材料的同时，实现模具近净成形快速制造，可大大缩短模具制造流程，培养了专业技术人才。但由于本项目尚处于初期阶段，尚未完成产业化应用，因此，尚未产生直接经济效益。

    本项目研究过程中，已申请发明专利1件，获实用新型专利授权1件，发表论文5篇，培养人才4人，指导本科生获得广东省大学生“挑战杯”特等奖等4项。