激光选区熔化成型15-5PH不锈钢动态力学性能研究

2021-12-24胡志明姚文进

弹道学报 2021年4期

胡志明,姚文进,于良

(1.南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;2.山东特种工业集团有限公司,山东淄博 255200)

高强度钢在国防领域应用广泛,常用作动能侵彻弹体材料,因为其高强度及韧性可以减轻侵彻过程中弹体的磨蚀弯曲,有助于维持侵彻弹道的稳定性,进而有效提升弹体的侵彻性能。

侵彻弹性能的提升总体上依赖侵彻原理和新材料的发展。对于前者,有单一的动能侵彻或者先射流后动能的串联侵彻等;对于后者,有高强度钢和超高强度钢相继应用,其中超高强度钢可以是新型材料或是现有材料采用新成型工艺加工。现阶段,随着超高强度钢在侵彻弹上的应用,新型材料带来的侵彻弹性能提升已经进入平缓期,而有关新成型工艺应用对于侵彻弹体性能提升的研究较少,为此有必要开展新工艺应用于侵彻弹体材料的研究。

激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术可以成型得到任意复杂结构,是现今发展最为迅速的金属3D打印技术之一[1-2]。SLM技术在航空航天等领域应用非常广泛,但在高强度钢成型方面应用较少。开展SLM技术应用于高强度钢的研究有助于未来提升侵彻弹体材料性能。考虑到SLM成型工艺在高强度钢方面的应用还不成熟,为此选用15-5PH不锈钢这种工艺较为成熟的高强度钢开展研究。

目前国内也有激光增材制造成型高强度钢的研究。王志会等[3]用激光增材制造技术制备了AF1410超高强度钢,分析其热处理后室温力学性能的变化,结果表明:热处理后,AF1410的室温屈服强度为1 490 MPa(超过锻件的1 480 MPa)和抗拉强度为1 610 MPa(低于锻件的1 680 MPa),延伸率和断面收缩率分别为12.8%和70%。颜敏等[4]利用激光熔化沉积技术制备了AerMet100钢,结果表明,其室温下的纵向和横向抗拉强度分别为1 464 MPa和1 402 MPa,不及传统锻造AerMet100钢的强度水平(1 965 MPa)。于梦晓等[5]用激光增材制造AerMet100超高强度钢,在1 000～4 200 s-1应变率下开展动态压缩试验,结果表明,其具有明显的应变率敏感性,应变率强化效应显著。

本文开展SLM成型15-5PH不锈钢动态力学性能的研究,并与现有锻造15-5PH不锈钢的动态力学性能展开对比,并拟合了其本构方程,探究SLM成型工艺在侵彻弹体上的应用价值。

1 15-5PH不锈钢试件的制备

SLM成型15-5PH不锈钢所使用的粉末由北京航信增材科技有限公司提供,粉末最大粒度为63 μm,其化学成分如表1所示。航信公司使用的SLM设备型号为EOS M280,激光源为功率400 W的激光器,激光波长1 070 nm,光斑直径为80 μm,实际打印时的激光功率195 W,扫描速度900 mm/s,扫描间距0.11 mm,单层打印厚度0.02 mm。采用阿基米德排水法测得15-5PH不锈钢成型件的密度为7.79 g/cm3,热处理工艺为去应力退火。

表1 SLM成型15-5PH钢化学成分质量分数

张佳琪等[2]研究发现分区扫描成型试样的抗拉强度和延伸率等力学性能高于相同工艺下线性扫描成型试样。为此本文SLM加工选用成型性能较好的分区扫描策略,扫描策略示意图及成型件表面如图1所示。

图1 分区扫描策略示意图及成型件表面

锻造15-5PH钢的化学成分见表2。热处理工艺参考仇振安等[6]的研究,固溶处理:1 040 ℃保温55 min,20～40 ℃油冷。时效处理:465 ℃保温4 h,65 ℃热水冷。锻件最终的硬度为44HRC,密度7.85 g/cm3。

表2 锻造成型15-5PH钢化学成分质量分数

SLM成型件的密度略低于锻件的密度,这是因为粉末在熔化凝固过程中并没有达到理想的无间隙融合,导致内部形成极少量的微小孔隙,致密度只有99.2%。

2 力学试验及结果分析

2.1 准静态压缩试验及结果分析

试验中使用的是CSS-44100型电子万能试验机,最大量程为100 kN。试件夹持如图2所示。

图2 试件夹持图

试验时加装垫块保护试验机平台,并保证同轴,使用压缩引伸计确保试验数据的准确性。根据GB/T 7314-2017《金属材料室温压缩试验方法》设计试件的名义尺寸为φ5 mm×6 mm。试验机的加载速度v为0.36 mm/min,根据式(1)[7]计算得应变率为1×10-3s-1。

(1)

SLM试件和锻造试件准静态压缩的真实应力-应变曲线如图3所示。

图3 准静态压缩真实应力-应变曲线对比图

由图3可知,SLM成型15-5PH不锈钢的应力随着应变的增加而增加,具有明显的应变强化效应;而锻造试件在塑性段的应力随应变增加只是略有增加。相比于锻造试件,SLM试件的压缩曲线在屈服点附近出现了一个类似于屈服平台的小平台,可能原因是SLM试件内部的少量孔隙在压缩过程中不断被压迫而逐渐靠近,在屈服点附近集中被压溃后进而被压实,宏观表现为应变增加而应力基本不变的现象,这印证了前文提到的SLM成型试件的致密度不足100%的判断。

图3中曲线均没有明显的屈服点。参考李磊等[7]对此类数据的处理方法,取塑性变形0.2%对应的真实应力值作为屈服强度,给出SLM及锻造15-5PH钢试件的准静态压缩屈服强度值,结果见表3。

表3 15-5PH钢的压缩屈服强度

由表3可知,SLM试件相较于锻造试件,其屈服强度提高了123 MPa,提升幅度9.5%,说明SLM技术应用于15-5PH钢可以提高其屈服强度,提升其压缩力学性能。这符合JAGLE等[8]给出SLM成型的马氏体材料强度通常大于传统制备方法所得强度的结论。谭超林[9]认为其原因在于SLM成型过程中的快速冷却有利于马氏体的形成和产生细晶强化效应,其中的细晶强化作用能同时改善材料的强度和韧性,有助于提高侵彻弹体的综合力学性能。

2.2 动态压缩试验及结果分析

通常弹体侵彻时,弹体材料承受的应变率在103～104s-1之间[10],为此开展15-5PH钢的动态力学性能试验,获取其在高应变率环境下的力学性能。

应变率在102～104s-1之间的动态压缩试验最常用的试验装置是分离式霍普金森压杆(SHPB)[11]。SHPB示意图如图4所示,其中子弹、入射杆、透射杆直径均为14.5 mm,材料为高强度弹簧钢(弹性模量210 GPa,密度7.85 g/cm3),同轴放置。试件设计参考了美国金属学会推荐的长径比0.5～1[12],名义尺寸为φ4 mm×3 mm。

图4 SHPB示意图

SHPB原理为:气枪发射子弹,撞击入射杆,入射杆中会产生右行的一维压缩应力波,经过试件和透射杆后,入射杆和透射杆上分别产生反射波和透射波,入射杆和透射杆上的应变片会采集反射波和透射波信号,借助二波法处理应变片信号即可获取试验结果[11]。

对SLM试件和锻造试件分别进行4组不同应变率条件下的动态压缩加载,结果如图5所示。

分析图5(a)发现,1 600 s-1应变率下,SLM试件的流变应力在弹性阶段随应变增加而迅速增加,随后增速减缓,达到峰值后趋于平缓,进入稳态流变应力阶段;相较于准静态屈服强度相比,屈服强度提高了15.7%,具有应变率强化效应。当应变率为4 200 s-1时,应力随着应变增加而先增加后降低,这是因为在塑性变形初期,试样内部产热较少,热软化效应不明显,应变硬化作用占主导,体现为应变硬化;随着变形量增大,产热增加,热软化效应增强,当热软化作用占主导时,试样的流变应力便逐渐减小,体现为温度软化。5 600 s-1应变率下,SLM试件的最大真实应变约0.35,因局部产生的热量来不及散失,导致塑性变形高度集中,最终发生韧性断裂,断口与轴线呈45°夹角,见动态试验后试件样貌图6。