熱等靜壓對(duì)電子束成形AerMet100鋼性能的影響

北京航空制造工研究所高能束流加工重點(diǎn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 楊 帆 鞏水利 鎖紅波 黃志濤 楊 光

AerMet100超高強(qiáng)度鋼是一種Co-Ni系合金鋼，其強(qiáng)度能夠達(dá)到300M鋼的水平，韌性上也僅比AF1410鋼稍低，是目前市場(chǎng)上綜合性能較為優(yōu)秀的鋼種。具有高強(qiáng)度、高硬度、高斷裂韌性和延展性、優(yōu)良的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，在工業(yè)中備受青睞。美國(guó)擬以AerMet100鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的300M鋼成為新一代飛機(jī)承力構(gòu)件的主要材料[2]。目前已經(jīng)在F-22戰(zhàn)斗機(jī)以及F-18艦載機(jī)的起落架上得到應(yīng)用。但是，該材料強(qiáng)度高，機(jī)械加工十分困難。對(duì)于大型鍛件，機(jī)械加工量大、效率低下。電子束增材制造技術(shù)[3](Electron Beam Freeform Fabrication， EBF3)可以由零件的三維數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)，直接制造出近凈成形的結(jié)構(gòu)，無(wú)需任何模具。與傳統(tǒng)的鍛造方法相比，它具有周期短、成本低及柔性好等優(yōu)點(diǎn)，特別對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的零件，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)AerMet100超高強(qiáng)度鋼加工難的問(wèn)題，電子束增材制造技術(shù)是一種理想的解決方法。

電子束增材制造技術(shù)是一種多重復(fù)雜熱循環(huán)作用下的材料逐點(diǎn)堆積過(guò)程，這導(dǎo)致其成形后零件的組織與鍛件的原始組織有很大區(qū)別，基本特點(diǎn)為：晶粒粗大、合金元素在晶粒與晶界之間存在偏析及材料內(nèi)部有微裂紋存在[4-6]。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)有關(guān)增材技術(shù)成形的研究都集中在激光成形[7-8]，電子束成形的研究較少，又主要集中在鈦合金[9-10]，針對(duì)AerMet100鋼的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

本文采用電子束增材制造技術(shù)獲得AerMet100鋼試樣，研究熱等靜壓工藝對(duì)其性能的影響，為深入了解電子束成形AerMet100鋼組織及性能提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

成形材料分為基板和成形絲材兩部分?；宀捎?5#鋼，成形前機(jī)械打磨去除氧化皮，酒精擦拭表面，去除油污。絲材采用直徑2mm的AerMet100鋼絲，化學(xué)成分見(jiàn)表1。成形前絲材用酒精擦拭，去除油污。

成形過(guò)程在真空環(huán)境中進(jìn)行，兩套送絲機(jī)構(gòu)同時(shí)送進(jìn)材料，成形工藝參數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)成形路徑做如下約定：X方向?yàn)榇怪庇诙逊e路徑方向；Y方向?yàn)檠囟逊e路徑方向；Z方向?yàn)槎逊e的高度方向，參見(jiàn)圖1。按上述約定首先在XY面堆積出一個(gè)平面，然后以同樣的方法逐層“長(zhǎng)高”，最終成形出一塊尺寸為420 mm (X方向)×40 mm(Y方向)×65 mm (Z方向)的試樣。將試樣按照?qǐng)D2所示均勻分成 3塊，分別記為 1#、2#、3#。其中，1#、2#用來(lái)作為均勻化處理與熱等靜壓處理的試驗(yàn)組，3#不進(jìn)行均勻化處理與熱等靜壓處理，作為相應(yīng)的對(duì)照組，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表3。然后對(duì)3組試樣進(jìn)行后續(xù)熱處理，熱處理制度按照鍛件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，如表4。熱處理后的3組試樣在Zwick Z050實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)試?yán)煨阅?，拉伸試樣尺寸?jiàn)圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

成形后試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。由表可知，與成形前的絲材成分相比，由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)的燒損，Co及Mo元素的相對(duì)含量略有提高，其他合金元素的含量變化不大。Co元素在AerMet100鋼中主要固溶在馬氏體中，可以導(dǎo)致Mo元素在馬氏體中的固溶度降低，促進(jìn)了Mo2C碳化物析出，從而使得AerMet100鋼強(qiáng)度提高，塑性及韌性下降[11]。成形后，C含量增加到0.26%，略微超出0.25%的上限。C含量的增加，可提高合金的強(qiáng)度，降低塑性、韌性及斷裂韌性[12]。

2.2 拉伸性能

圖4及圖5分別為X方向和Z方向的室溫拉伸測(cè)試結(jié)果。

2.2.1X方向拉伸性能

表1 AerMet100合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表2 AerMet100合金EBF3成形工藝參數(shù)

圖1 單層堆積路徑示例Fig.1 Diagram of deposition path for single layer

圖2 成形試樣分塊示例Fig.2 Segmentation of sample

表3 均勻化退火與熱等靜壓工藝參數(shù)

表4 后續(xù)熱處理參數(shù)

圖3 拉伸試樣Fig.3 Diagram of tensile specimens

從圖4(a)中可以看出，在試樣的X方向，對(duì)照組的抗拉強(qiáng)度為1775MPa，而經(jīng)過(guò)均勻化退火與熱等靜壓試驗(yàn)的兩個(gè)試驗(yàn)組，抗拉強(qiáng)度均有所提高。其中，經(jīng)930℃處理的試驗(yàn)組，抗拉強(qiáng)度為1948.3MPa，較對(duì)照組提高了9.8%，且高于AMS-6532D標(biāo)準(zhǔn)要求的1931MPa；1000℃處理的試驗(yàn)組，抗拉強(qiáng)度提升到1911.3MPa，較對(duì)照組提高了7.7%，但是比標(biāo)準(zhǔn)要求略低。未經(jīng)過(guò)均勻化退火與熱等靜壓的對(duì)照組的屈服強(qiáng)度為1616MPa，經(jīng)過(guò)均勻化退火與熱等靜壓之后，930℃試驗(yàn)組的屈服強(qiáng)度達(dá)到1635.5MPa，1000℃試驗(yàn)組的屈服強(qiáng)度到達(dá)1647MPa，分別提高了1.2%和1.9%?？梢钥闯?，均勻化退火和熱等靜壓處理可大幅提高合金的強(qiáng)度。930℃后，隨溫度升高，抗拉強(qiáng)度有所小幅度降低，屈服強(qiáng)度略有增加，但不明顯。

對(duì)照組延伸率與斷面收縮率分別為11.5%和60%。經(jīng)過(guò)均勻化退火與熱等靜壓處理之后，930℃處理的試驗(yàn)組，延伸率與斷面收縮率分別達(dá)到12.83%和58%；而1000℃處理的試驗(yàn)組，達(dá)到12.17%和59.3%?？梢钥闯?，經(jīng)均勻化退火與熱等靜壓處理之后延伸率略有提高，斷面收縮率略有降低，但是變化幅度不明顯，說(shuō)明均勻化退火與熱等靜壓處理對(duì)AerMet100鋼塑性影響不明顯。同時(shí)，熱等靜壓溫度對(duì)二者的影響亦不明顯。

圖4 拉伸性能比較Fig.4 Comparison of tensile properties

2.2.2Z方向拉伸性能

由圖4(b)中可以看出，在試樣的Z方向，對(duì)照組的抗拉強(qiáng)度為1865.5MPa。經(jīng)過(guò)均勻化與熱等靜壓處理后，經(jīng)930℃處理的試驗(yàn)組，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1932MPa，較對(duì)照組提高了3.6%；1000℃處理的試驗(yàn)組，抗拉強(qiáng)度為1905.3MPa，較對(duì)照組提高了2.1%。對(duì)照組的屈服強(qiáng)度為1556.5MPa，經(jīng)過(guò)處理之后，930試驗(yàn)組達(dá)到1649.7MPa，1000試驗(yàn)組達(dá)到1665.7MPa，分別提高6.0%和7.0%。其變化規(guī)律與X向類(lèi)似。

未經(jīng)過(guò)均勻化退火與熱等靜壓的對(duì)照組的延伸率和斷面收縮率為11.75%和54.5%。經(jīng)930℃處理后的試驗(yàn)組，延伸率與斷面收縮率分別達(dá)到12.25%和59%。1000℃處理的試驗(yàn)組，延伸率與斷面收縮率分別為13.17%和60.3%。可知，隨試驗(yàn)溫度升高，延伸率與斷面收縮率有小幅度升高。

從上述數(shù)據(jù)可以看出：均勻化退火與熱等靜壓對(duì)改善電子束成形AerMet100鋼的強(qiáng)度有顯著影響，對(duì)塑性影響不明顯。

兩個(gè)試驗(yàn)組與對(duì)照組相比，在X方向的延伸率與斷面收縮率的影響規(guī)律不明顯。在Z方向，隨試驗(yàn)溫度升高，延伸率與斷面收縮率有小幅度提高，但差距不明顯。另外，未進(jìn)行均勻化及熱等靜壓處理的試樣，其強(qiáng)度有較大差別，而塑性差別不大，存在一定的各向異性。而經(jīng)均勻化及熱等靜壓處理后，X方向與Z方向拉伸性能差別不大，各向異性被消除。

抗拉強(qiáng)度是材料由均勻塑性變形到局部塑性變形的臨界值，反映了靜力條件下抵抗外加載荷的能力。屈服強(qiáng)度是材料發(fā)生屈服現(xiàn)象的極限，是抵抗微量塑性變形的能力。材料在外力的作用下，首先進(jìn)行均勻塑性變形，均勻塑性變形達(dá)到極限，表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度。繼續(xù)施加外加載荷，產(chǎn)生集中變形，材料內(nèi)部晶粒重新排列，抵抗變形的能力提高并伴有頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)，承力面積減小直至斷裂，表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度。

均勻化退火及熱等靜壓過(guò)程中，合金元素在晶粒之間擴(kuò)散，逐漸減小元素偏析帶來(lái)的不利影響。同時(shí)微氣孔等小缺陷也可在壓力的作用下焊合。但是，此過(guò)程的晶粒尺寸也會(huì)長(zhǎng)大。1000℃試驗(yàn)相比930℃試驗(yàn)，理論上均勻化及消除微小缺陷的效果更好，但同時(shí)晶粒的長(zhǎng)大也更為嚴(yán)重。圖5(a)和圖5(b)分別為930℃及1000℃均勻化并熱等靜壓之后的金相圖片，從圖片上可以看出，兩組照片上的晶粒都表現(xiàn)出樹(shù)枝晶特征，經(jīng)過(guò)測(cè)量，930℃處理后，晶粒平均寬度為82.7μm，而1000℃處理之后，晶粒平均寬度為114.9μm。這樣雖有利于其屈服強(qiáng)度增加，但大晶粒不便于協(xié)調(diào)變形，滑移不容易發(fā)生，使因變形而提高的強(qiáng)度值低于930℃時(shí)的試驗(yàn)組。因此，對(duì)抗拉強(qiáng)度930℃試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)較高，而對(duì)屈服強(qiáng)度1000℃時(shí)的數(shù)據(jù)較高。

3 結(jié)論

(1)AerMet100鋼經(jīng)電子束成形之后，合金元素的含量變化不大，只有Co和Mo元素含量由于低熔點(diǎn)雜質(zhì)的燒損而略有提升。

(2)均勻化退火與熱等靜壓對(duì)電子束成形AerMet100鋼的強(qiáng)度有明顯改善。抗拉強(qiáng)度最高提升173.3MPa，達(dá)到 9.8%，屈服強(qiáng)度最高 109.2MPa，達(dá)到7.0%。

(3)930℃處理組的抗拉強(qiáng)度高于1000℃處理組，屈服強(qiáng)度略低于1000℃處理組。

(4)均勻化退火與熱等靜壓處理對(duì)材料塑性的影響不明顯。

(5)均勻化退火與熱等靜壓處理可降低室溫拉伸性能的各向異性。

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