近些年来,家用汽车的逐渐普及不仅极大地推动了汽车制造业迅猛发展,也强烈地刺激了冲压模具产品消费的爆发式增长。汽车模具材料主要使用锻造合金模具钢,其制造周期长,材料浪费大,经济效益差。而铸造合金模具由于能够近终成型、工艺简单、材料利用合理、制造周期短、成本低等优势逐渐替代锻钢模具。因此,汽车等冲压模具“以铸代锻”具有重要工程价值和经济价值。在制造过程中的铸造环节,铸造模具钢产生气孔、夹渣、缩松等表面缺陷是不可避免的。同时,在长期服役过程中铸造模具钢很容易发生崩刃、磨损、变形等表面损伤。这些缺陷和损伤会直接导致铸造合金模具钢铸件或模具报废,造成巨大的经济损失。因此,修复这些缺陷和损伤是业内面临的重大工程技术问题。铸造模具钢的铸件及模具焊接修复方法、修复区组织的表征和性能评价仍是当前亟待解决的科学问题。本文以新型铸造模具钢YBD-4为研究对象,开展新型铸造模具钢铸造缺陷和服役损伤修复区微观组织与力学性能研究。其中包括模具钢微观组织对焊接修复性能影响及机理研究;焊接工艺参数优化提高焊接修复区力学性能研究;热处理工艺对修复区微观组织与力学性能影响对比研究;模具钢焊接修复区温度场与应力场有限元仿真分析;模具钢焊接修复区评价理论模型以及表面强化提升模具钢焊接修复区性能研究。基于一种新开发的铸造缺陷修复方法,本文开展了新型冷作模具钢YBD-4可修复性研究,该方法被定义为圆坑修复法。模拟模具表面气孔、缩松等缺陷,研究了圆坑尺寸对组织和硬度的影响。研究结果表明,圆坑尺寸能够显著影响修复区组织和显微硬度分布。圆坑尺寸增加,组织从细小的针状马氏体+少量残余奥氏体逐渐向粗大针状马氏体+残余奥氏体转变。硬度起伏逐渐变小,最大硬度降低明显。控制圆坑尺寸可以调节和控制修复区与基材的性能匹配。铸造模具钢铸造缺陷修复区的显微硬度分布图显示,最大显微硬度,最小显微硬度和基材显微硬度是三个主要特征参数,也是影响铸造模具钢修复区磨损性能的关键参数。本文基于最大显微硬度,最小显微硬度和基材显微硬度这三个主要特征参数建立了模具钢焊接修复区性能评价方法,并提出了修复区显微硬度波动系数理论模型。采用波动系数模型对不同尺寸、不同热处理工艺下的圆坑修复区性能进行评价。实验结果表明,当圆坑直径控制在Φ20 mm左右时,波动系数最小,可以获得最佳的性能匹配。热处理工艺可以降低波动系数,提高模具性能。在长期服役过程中,表面划伤和裂纹等是模具的主要失效形式。针对上述问题,对新型铸造模具钢YBD-4服役损伤修复区组织与性能进行了研究。结果表明,焊缝区硬度远高于母材的硬度656 HV,最高可达863 HV,焊接修复区的硬度从焊缝到回火区呈逐渐减小的趋势,最终降至300 HV左右。当热输入为6.6 k J/cm时,硬度相对于其他热输入起伏小,波动系数小,修复性能更好。焊接修复过程中,焊接热输入影响修复区的温度场,进而影响组织变化和修复区的残余应力分布。为了揭示温度场对焊接修复区残余应力分布的影响,本研究采用商用有限元软件ABAQUS模拟计算新型铸造冷作模具损伤修复温度场对残余应力的影响。计算结果表明,预热可以有效改善修复区的残余应力,不预热条件下残余应力比300℃预热下高出1倍。通过模拟计算得出,确定最佳焊接预热温度为300℃。铸造模具钢焊接修复区表面硬度决定其磨损性能。因此,提高表面硬度可以改善其耐磨性,进一步提升修复区的服役性能。本研究采用喷丸与旋压两种方法对服役损伤修复区进行强化,并开展了力学性能测试分析。结果表明,调质态修复区焊接软化部位显微硬度明显提升,喷丸强化后显微硬度提升18%,旋压强化后显微硬度提升40%。本研究采用销盘实验的方法测试了修复区的磨损性能,结果表明,软化区磨损性能明显改善,磨损率降低41%。两种强化方法均能在表层引入一定量残余压应力,改善表面应力分布。喷丸强化处理后引入了50-140 MPa不等的残余压应力,旋压强化引入了300-560MPa的残余压应力。表面强度的提升和残余压应力的引入均有助于改善铸造模具的服役寿命。综上所述,焊接修复可以弥补铸造模具的铸造缺陷和服役损伤,但是修复区的尺寸和预热工艺显著影响修复性能和修复效果。基于焊接修复区最大显微硬度、最小显微硬度和基材平均显微硬度建立的波动系数模型可以有效地评价焊接修复区的修复效果,同时该修复效果也得到了磨损实验结果的验证。本文的研究成果为新型铸造模具钢缺陷和损伤修复性能评价提供了科学依据,为修复区性能评价提供了评价方法和理论模型,对未来新型铸造模具钢大规模产业化应用起到了良好的推动作用。