激光和等離子弧加工彈體材料脆性帶的對比

李 超，李德元，萬仁毅，2，崔一哲

(1.沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870;2.沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159)

為了提高彈體的有效破片率，傳統(tǒng)工藝通常采用預制破片或機械刻槽的方法，但是二者都有一定的局限性。預制破片彈的彈體一般采用高強度低合金鋼制造，在制造過程中對彈壁經(jīng)過一種特別的預處理，使彈丸爆炸時分裂成一定形狀的破片;同時預制破片由具有極高硬度的鎢或碳化鎢制成［1］，而鎢作為戰(zhàn)略資源大量用于預制破片彈丸生產(chǎn)、儲備和外銷，長期使用將影響到國家建設的方方面面;而機械刻槽對彈體飛行的穩(wěn)定性和膛壓都有一定影響，更提高了加工成本，不利于批量生產(chǎn)和使用［2］?？紤]綜合因素，利用高能束加工技術在彈體表面加工脆性帶來改變彈體的破碎方式，從而達到提高有效破片率的目的。

表1 常用彈體材料的化學成分(w)%

高能束控制破碎技術是將材料表面預制的網(wǎng)格區(qū)域迅速加熱到熔化狀態(tài)，材料內(nèi)部將熔化的金屬迅速冷卻，使得材料表層組織發(fā)生相變，產(chǎn)生未回火的馬氏體，形成脆性網(wǎng)格，爆破時沿著網(wǎng)格發(fā)生斷裂，得到規(guī)則破片，從而提高彈體的有效破片率［3－4］。等離子弧是能量密度比較集中的熱源，用其進行脆性帶加工，具有效率高、成本低、淬火變形小、淬火硬度高、加工速度快等一系列優(yōu)點，從經(jīng)濟角度而言這種設備在某些場合下可取代昂貴的激光淬火設備［5－6］。激光是能量密度非常高的熱源，具有方向性強、加熱速度快、淬火質(zhì)量高、可控性強以及無污染等獨特之處［7－9］。本文利用這2種設備對彈體材料進行脆性帶加工，對比加工效果，分析脆性帶的脆化機理。

圖1 加工示意圖

1 實驗材料及方法

彈體材料主要有D60、40Cr、50SiMnVB和58SiMn［10］，成分如表1所示。目前這幾種合金鋼在軍工上應用比較廣泛，可以批量生產(chǎn)，容易獲得。由于篇幅有限，本文只對40Cr進行加工分析，原始狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。

將40Cr加工成沖擊標準試件，然后使用激光或等離子弧在試件表面加工脆性帶，如圖1所示，再用沖擊試驗機將試件沖斷，測量相關尺寸，記錄沖斷時所需能量，觀察金相組織，測量組織硬度，比較2種設備的加工效果及優(yōu)缺點。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 加工設備對比

本文先后使用等離子弧、大功率激光器和小功率激光器對彈體材料進行脆性帶加工，參數(shù)如表2所示。等離子弧的輸入能量大于90 A時，試件表面出現(xiàn)較深的熔池，對彈體的后序加工造成影響，所以輸入能量限定在90 A以內(nèi)。經(jīng)多種等離子弧加工設備加工脆性帶后比較得知，等離子弧的加工電流較大時，脆性帶出現(xiàn)波浪式熔池，說明等離子弧的輸入能量很不穩(wěn)定，而加工電流小于30 A時，脆性帶表面燒灼面積較大，加工深度幾乎為零，這說明等離子弧的輸入能量越小，熱量越分散;大功率激光器分別通過熔凝和相變兩種方式對彈體材料進行加工，熔凝的加工效果與等離子弧類似，雖然沒有波浪式熔池，但材料表面也經(jīng)過較深的熔化凝固的過程，使脆性帶平整度降低，相對而言，相變加工后的脆性帶表面較為平整，脆性帶兩側(cè)沒有燒灼痕跡，說明激光的輸入能量連續(xù)且能量密度集中;為了探求產(chǎn)生脆性帶的輸入能量下限，筆者又做了一組小功率激光器加工實驗，結(jié)果表明:即使激光輸入能量低至100 W，脆性帶寬度只有1 mm，能量發(fā)散也很小，并且有一定加工深度，約為0.5 mm，所以小功率激光器就可以滿足實驗要求。本文僅用小功率激光器與等離子弧進行比較分析。

表2 加工設備及方案

2.2 沖擊性能對比

實驗用沖擊試驗機最大沖擊能量300 J，未經(jīng)加工的試件不能沖斷，加工U型槽的試件雖能沖斷，但有局部連接，加工脆性帶后的試件，均沿著脆性帶發(fā)生脆性斷裂。由表3可知，不同設備加工的試件破壞時所需能量均在10～23 J范圍內(nèi)，以上結(jié)果表明:高能束加工技術不僅可以達到可控破壞的目的，還可以顯著降低彈體破壞時所需的能量。把表3結(jié)果代入正交試驗表分析后得知，無論加工設備的選取還是加工參數(shù)的設定都對材料的沖擊性能影響不顯著，基于盡量降低加工后對材料表面平整度的影響，在滿足加工要求的前提下，應采用小能量加工彈體脆性帶。

表3 沖擊吸收功對比

2.3 脆性帶尺寸及硬度對比

加工時，等離子脆性帶的寬度取決于噴嘴的直徑以及弧柱的高度，而激光脆性帶的寬度是由光斑的尺寸以及離焦量等因素決定的，加工深度取決于輸入能量，但是能量選取過大會造成表面嚴重燒損，不僅降低表面平整度，硬度也會反而降低，所以加工時參數(shù)的選取至關重要。激光和等離子弧加工的脆性帶形貌都成月牙狀，激光的能量密度較為集中，脆性帶弧度大，圖2a是激光輸入功率為500 W、加工速度20 mm/s時的斷口圖示，脆性帶寬度2.4 mm，深度1.1 mm，所有參數(shù)的脆性帶寬度變化范圍1～2.5 mm，深度0.4～2 mm;而等離子弧的能量密度相對比較分散，脆性帶弧度小，圖2b是等離子輸入電流為60 A、加工速度11 mm/s時的斷口形貌，寬度3 mm，深度0.3 mm，所有參數(shù)的加工寬度2.5～4 mm，深度0.3 ～2.5 mm。

圖2 斷口形貌

如圖3所示，脆性帶分為4個區(qū)域:熔化區(qū)、淬火區(qū)、熱影響區(qū)以及熱源影響小的基體區(qū)域。各區(qū)域之間的界線非常明顯，其中表層熔化區(qū)很薄，約為 0.05 mm，這是由于加熱速度快，熱量停留時間短所致;淬火區(qū)由表層對其加熱，由內(nèi)部對其冷卻，熱量充足，冷卻迅速，所以淬火完全;由于溫度梯度大，熱傳遞極快，故熱影響區(qū)的深度尺寸也很大，淬火區(qū)和熱影響區(qū)的深度比例在2∶3左右;基體受到熱源影響小，仍保持原有的組織形態(tài)。

圖4是2種設備加工脆性帶的硬度曲線，硬度的測量是由表及里，即由表層熔化區(qū)到基體，等距取點逐層測量的。由于表面熔化區(qū)直接與熱源接觸，會有一定程度的燒損，并經(jīng)過融化重融的過程，晶粒粗大，硬度比淬火區(qū)略低，在780～800 HV左右;淬火區(qū)有較大的溫度梯度，較大的冷卻速度，致使該區(qū)域淬火完全，晶粒得到充分細化，晶界面積增加，平均硬度都在820 HV以上，最高可達850 HV;熱影響區(qū)受熱不足，至使奧氏體成分不均勻，冷卻后形成馬氏體混合物，硬度降低至660～720 HV范圍內(nèi);基體硬度在400 HV左右。激光或等離子弧在彈體加工脆性帶后，硬度較加工前顯著增大，但其硬度都隨脆性帶深度的增加而降低。

圖3 脆性帶分層示意圖

2.4 組織形貌分析對比

圖5為40Cr基體形貌，彈鋼通常要進行調(diào)質(zhì)處理以滿足一定的性能要求，基體組織主要由珠光體和回火索氏體組成。

圖6A～圖6C為激光加工脆性帶的分層組織形貌，圖6A為熔化區(qū)的組織示意圖，該區(qū)域熱量最大，受熱時間最長，有較大的溫度梯度，各種合金元素有足夠的時間完成擴散，奧氏體化完全且成分均勻，急速冷卻后，得到大量成分均一的隱晶馬氏體組織。圖6B為淬火區(qū)，該區(qū)域仍有較大過熱度促進馬氏體轉(zhuǎn)變，得到大量細小的針狀馬氏體組織，但是淬火溫度相對表層較低，部分原始珠光體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，故該區(qū)域的組織形貌比較復雜多樣。圖6C是熱影響區(qū)的組織形貌，該區(qū)域淬火溫度低，奧氏體轉(zhuǎn)變和碳化物的溶解都不充分，冷卻后得到馬氏體和未發(fā)生相變的鐵素體混合組織。圖6D～圖6F為等離子弧加工后的分層組織形貌，圖6D為熔化區(qū)，該區(qū)域由針狀馬氏體、竹葉狀馬氏體以及少量碳化物構成，之所以形成這樣的混合組織，是因為熱源的穩(wěn)定性相對較差，輸入能量不連續(xù)造成的，雖然有足夠的熱量和溫度梯度促進奧氏體化以及馬氏體轉(zhuǎn)變，但是沒有為碳擴散提供穩(wěn)定的環(huán)境，所以得到的組織不均一。圖7E為淬火區(qū)，該區(qū)域兩端的溫度相差較大，相變時間極短，原始組織受熱形成細小的奧氏體晶粒，快速冷卻后，低碳奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉臈l狀馬氏體，而含碳量較高的奧氏體晶粒變成片狀或塊狀馬氏體組織。圖6F為熱影響區(qū)組織形貌，該區(qū)域由于加熱溫度低，受熱時間短，溫度梯度小，僅有一少部分完成馬氏體轉(zhuǎn)變，其余仍保持基體的原始組織。

圖4 硬度曲線圖

圖5 基體SEM照片

圖6 脆性帶SEM照片

3 結(jié)語

1)沖擊斷裂實驗表明，彈體材料加工脆性帶后可以顯著降低破壞所需能量;2)脆性帶硬度隨其深度的增加成階梯狀遞減;3)通過掃面電鏡觀察，在脆化區(qū)域均發(fā)現(xiàn)了脆性組織;4)經(jīng)沖擊實驗以及組織性能對比分析得知，激光加工彈體材料脆性帶的效果要優(yōu)于等離子弧，因為其具備熱源穩(wěn)定、能量集中、發(fā)散小等特點，但成本相對較高。

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