激光選區(qū)熔化成型15-5PH不銹鋼動態(tài)力學(xué)性能研究

胡志明,姚文進(jìn),于 良

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司,山東 淄博 255200)

高強度鋼在國防領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,常用作動能侵徹彈體材料,因為其高強度及韌性可以減輕侵徹過程中彈體的磨蝕彎曲,有助于維持侵徹彈道的穩(wěn)定性,進(jìn)而有效提升彈體的侵徹性能。

侵徹彈性能的提升總體上依賴侵徹原理和新材料的發(fā)展。對于前者,有單一的動能侵徹或者先射流后動能的串聯(lián)侵徹等;對于后者,有高強度鋼和超高強度鋼相繼應(yīng)用,其中超高強度鋼可以是新型材料或是現(xiàn)有材料采用新成型工藝加工。現(xiàn)階段,隨著超高強度鋼在侵徹彈上的應(yīng)用,新型材料帶來的侵徹彈性能提升已經(jīng)進(jìn)入平緩期,而有關(guān)新成型工藝應(yīng)用對于侵徹彈體性能提升的研究較少,為此有必要開展新工藝應(yīng)用于侵徹彈體材料的研究。

激光選區(qū)熔化(selective laser melting,SLM)技術(shù)可以成型得到任意復(fù)雜結(jié)構(gòu),是現(xiàn)今發(fā)展最為迅速的金屬3D打印技術(shù)之一[1-2]。SLM技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛,但在高強度鋼成型方面應(yīng)用較少。開展SLM技術(shù)應(yīng)用于高強度鋼的研究有助于未來提升侵徹彈體材料性能?？紤]到SLM成型工藝在高強度鋼方面的應(yīng)用還不成熟,為此選用15-5PH不銹鋼這種工藝較為成熟的高強度鋼開展研究。

目前國內(nèi)也有激光增材制造成型高強度鋼的研究。王志會等[3]用激光增材制造技術(shù)制備了AF1410超高強度鋼,分析其熱處理后室溫力學(xué)性能的變化,結(jié)果表明:熱處理后,AF1410的室溫屈服強度為1 490 MPa(超過鍛件的1 480 MPa)和抗拉強度為1 610 MPa(低于鍛件的1 680 MPa),延伸率和斷面收縮率分別為12.8%和70%。顏敏等[4]利用激光熔化沉積技術(shù)制備了AerMet100鋼,結(jié)果表明,其室溫下的縱向和橫向抗拉強度分別為1 464 MPa和1 402 MPa,不及傳統(tǒng)鍛造AerMet100鋼的強度水平(1 965 MPa)。于夢曉等[5]用激光增材制造AerMet100超高強度鋼,在1 000～4 200 s-1應(yīng)變率下開展動態(tài)壓縮試驗,結(jié)果表明,其具有明顯的應(yīng)變率敏感性,應(yīng)變率強化效應(yīng)顯著。

本文開展SLM成型15-5PH不銹鋼動態(tài)力學(xué)性能的研究,并與現(xiàn)有鍛造15-5PH不銹鋼的動態(tài)力學(xué)性能展開對比,并擬合了其本構(gòu)方程,探究SLM成型工藝在侵徹彈體上的應(yīng)用價值。

1 15-5PH不銹鋼試件的制備

SLM成型15-5PH不銹鋼所使用的粉末由北京航信增材科技有限公司提供,粉末最大粒度為63 μm,其化學(xué)成分如表1所示。航信公司使用的SLM設(shè)備型號為EOS M280,激光源為功率400 W的激光器,激光波長1 070 nm,光斑直徑為80 μm,實際打印時的激光功率195 W,掃描速度900 mm/s,掃描間距0.11 mm,單層打印厚度0.02 mm。采用阿基米德排水法測得15-5PH不銹鋼成型件的密度為7.79 g/cm3,熱處理工藝為去應(yīng)力退火。

表1 SLM成型15-5PH鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

張佳琪等[2]研究發(fā)現(xiàn)分區(qū)掃描成型試樣的抗拉強度和延伸率等力學(xué)性能高于相同工藝下線性掃描成型試樣。為此本文SLM加工選用成型性能較好的分區(qū)掃描策略,掃描策略示意圖及成型件表面如圖1所示。

圖1 分區(qū)掃描策略示意圖及成型件表面

鍛造15-5PH鋼的化學(xué)成分見表2。熱處理工藝參考仇振安等[6]的研究,固溶處理:1 040 ℃保溫55 min,20～40 ℃油冷。時效處理:465 ℃保溫4 h,65 ℃熱水冷。鍛件最終的硬度為44HRC,密度7.85 g/cm3。

表2 鍛造成型15-5PH鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

SLM成型件的密度略低于鍛件的密度,這是因為粉末在熔化凝固過程中并沒有達(dá)到理想的無間隙融合,導(dǎo)致內(nèi)部形成極少量的微小孔隙,致密度只有99.2%。

2 力學(xué)試驗及結(jié)果分析

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗及結(jié)果分析

試驗中使用的是CSS-44100型電子萬能試驗機,最大量程為100 kN。試件夾持如圖2所示。

圖2 試件夾持圖

試驗時加裝墊塊保護(hù)試驗機平臺,并保證同軸,使用壓縮引伸計確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)GB/T 7314-2017《金屬材料 室溫壓縮試驗方法》設(shè)計試件的名義尺寸為φ5 mm×6 mm。試驗機的加載速度v為0.36 mm/min,根據(jù)式(1)[7]計算得應(yīng)變率為1×10-3s-1。

(1)

SLM試件和鍛造試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比圖

由圖3可知,SLM成型15-5PH不銹鋼的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加,具有明顯的應(yīng)變強化效應(yīng);而鍛造試件在塑性段的應(yīng)力隨應(yīng)變增加只是略有增加。相比于鍛造試件,SLM試件的壓縮曲線在屈服點附近出現(xiàn)了一個類似于屈服平臺的小平臺,可能原因是SLM試件內(nèi)部的少量孔隙在壓縮過程中不斷被壓迫而逐漸靠近,在屈服點附近集中被壓潰后進(jìn)而被壓實,宏觀表現(xiàn)為應(yīng)變增加而應(yīng)力基本不變的現(xiàn)象,這印證了前文提到的SLM成型試件的致密度不足100%的判斷。

圖3中曲線均沒有明顯的屈服點。參考李磊等[7]對此類數(shù)據(jù)的處理方法,取塑性變形0.2%對應(yīng)的真實應(yīng)力值作為屈服強度,給出SLM及鍛造15-5PH鋼試件的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮屈服強度值,結(jié)果見表3。

表3 15-5PH鋼的壓縮屈服強度

由表3可知,SLM試件相較于鍛造試件,其屈服強度提高了123 MPa,提升幅度9.5%,說明SLM技術(shù)應(yīng)用于15-5PH鋼可以提高其屈服強度,提升其壓縮力學(xué)性能。這符合JAGLE等[8]給出SLM成型的馬氏體材料強度通常大于傳統(tǒng)制備方法所得強度的結(jié)論。譚超林[9]認(rèn)為其原因在于SLM成型過程中的快速冷卻有利于馬氏體的形成和產(chǎn)生細(xì)晶強化效應(yīng),其中的細(xì)晶強化作用能同時改善材料的強度和韌性,有助于提高侵徹彈體的綜合力學(xué)性能。

2.2 動態(tài)壓縮試驗及結(jié)果分析

通常彈體侵徹時,彈體材料承受的應(yīng)變率在103～104s-1之間[10],為此開展15-5PH鋼的動態(tài)力學(xué)性能試驗,獲取其在高應(yīng)變率環(huán)境下的力學(xué)性能。

應(yīng)變率在102～104s-1之間的動態(tài)壓縮試驗最常用的試驗裝置是分離式霍普金森壓桿(SHPB)[11]。SHPB示意圖如圖4所示,其中子彈、入射桿、透射桿直徑均為14.5 mm,材料為高強度彈簧鋼(彈性模量210 GPa,密度7.85 g/cm3),同軸放置。試件設(shè)計參考了美國金屬學(xué)會推薦的長徑比0.5～1[12],名義尺寸為φ4 mm×3 mm。

圖4 SHPB示意圖

SHPB原理為:氣槍發(fā)射子彈,撞擊入射桿,入射桿中會產(chǎn)生右行的一維壓縮應(yīng)力波,經(jīng)過試件和透射桿后,入射桿和透射桿上分別產(chǎn)生反射波和透射波,入射桿和透射桿上的應(yīng)變片會采集反射波和透射波信號,借助二波法處理應(yīng)變片信號即可獲取試驗結(jié)果[11]。

對SLM試件和鍛造試件分別進(jìn)行4組不同應(yīng)變率條件下的動態(tài)壓縮加載,結(jié)果如圖5所示。

分析圖5(a)發(fā)現(xiàn),1 600 s-1應(yīng)變率下,SLM試件的流變應(yīng)力在彈性階段隨應(yīng)變增加而迅速增加,隨后增速減緩,達(dá)到峰值后趨于平緩,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力階段;相較于準(zhǔn)靜態(tài)屈服強度相比,屈服強度提高了15.7%,具有應(yīng)變率強化效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)變率為4 200 s-1時,應(yīng)力隨著應(yīng)變增加而先增加后降低,這是因為在塑性變形初期,試樣內(nèi)部產(chǎn)熱較少,熱軟化效應(yīng)不明顯,應(yīng)變硬化作用占主導(dǎo),體現(xiàn)為應(yīng)變硬化;隨著變形量增大,產(chǎn)熱增加,熱軟化效應(yīng)增強,當(dāng)熱軟化作用占主導(dǎo)時,試樣的流變應(yīng)力便逐漸減小,體現(xiàn)為溫度軟化。5 600 s-1應(yīng)變率下,SLM試件的最大真實應(yīng)變約0.35,因局部產(chǎn)生的熱量來不及散失,導(dǎo)致塑性變形高度集中,最終發(fā)生韌性斷裂,斷口與軸線呈45°夾角,見動態(tài)試驗后試件樣貌圖6。

圖5 試件的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 動態(tài)試驗后試件樣貌圖

圖5(b)可見,鍛造試件也有應(yīng)變率強化效應(yīng);5 600 s-1應(yīng)變率下,鍛造試件未發(fā)生斷裂,動態(tài)塑性更好,但其流變應(yīng)力在達(dá)到峰值之后就開始下降,這可能是因為鍛造試件熱量積累更快,塑性變形初期熱軟化作用就占主導(dǎo),之后整個塑性階段都體現(xiàn)為熱軟化作用。

圖5中壓縮曲線沒有明顯的屈服點,將塑性變形0.2%對應(yīng)的應(yīng)力值作為動態(tài)屈服強度,結(jié)果見表4。

表4 動態(tài)屈服強度

相近應(yīng)變率下,SLM試件的動態(tài)壓縮屈服強度均高于鍛造試件的動態(tài)壓縮屈服強度,和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮結(jié)果具有一致性。

3 15-5PH鋼的本構(gòu)模型擬合

Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型是Johnson和Cook于1983年提出用來描述材料動態(tài)沖擊的模型,因為其方程形式簡單、模型參數(shù)容易獲取,應(yīng)用廣泛。J-C本構(gòu)模型綜合考慮了應(yīng)變強化效應(yīng)、應(yīng)變率強化效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)對于材料力學(xué)性能的影響,其方程表達(dá)式如下[13]:

(2)

在1×10-3s-1的參考應(yīng)變率和298 K的參考溫度下,式(2)可進(jìn)一步簡化為

(3)

將式(3)做數(shù)學(xué)變換后得到:

ln(σe-A)=lnB+nlnεe,p

(4)

式中:A取表3中的準(zhǔn)靜態(tài)屈服強度。將準(zhǔn)靜態(tài)壓縮曲線的塑性變形段轉(zhuǎn)化為式(4)所示直線,直線的截距為lnB,斜率為n,即可得參數(shù)B和n。

A、B和n的擬合情況如圖7所示,可見參數(shù)A、B和n擬合效果好。

圖7 15-5PH鋼本構(gòu)模型系數(shù)擬合效果圖

將擬合的A、B和n代入式(2)中,可以得到非參考應(yīng)變率下材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:

(5)

將式(5)中εe,p取0,可得:

(6)

式中:σyd為動態(tài)屈服強度。由表3和表4中數(shù)據(jù)擬合得到參數(shù)C。

C的擬合情況如圖8所示,擬合曲線和試驗數(shù)據(jù)點的吻合程度較高。最終,15-5PH鋼的J-C本構(gòu)模型的擬合結(jié)果如表5所示。

圖8 C的擬合效果圖

表5 J-C本構(gòu)模型參數(shù)擬合結(jié)果

由表5可見,在SLM成型工藝的應(yīng)用下,15-5PH鋼的屈服強度A值提高,抵抗變形能力增加;硬化系數(shù)B和n增加,抵抗均勻塑性變形的能力增強;應(yīng)變率敏感系數(shù)C減小,材料脆性增加[7]。

4 結(jié)論

本文開展了SLM成型15-5PH不銹鋼的動態(tài)力學(xué)性能研究,與鍛造15-PH不銹鋼的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了對比,并擬合了本構(gòu)方程。結(jié)果表明:

①SLM成型15-5PH鋼的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮屈服強度為1 418 MPa,相較于鍛件的準(zhǔn)靜態(tài)屈服強度1 295 MPa提升幅度達(dá)9.5%,且抵抗塑性變形能力增加;

②由SHPB試驗曲線可見,在4 200 s-1應(yīng)變率下,鍛造成型試件先出現(xiàn)溫度軟化效應(yīng),這說明SLM成型工藝有助于15-5PH鋼抵抗溫度軟化效應(yīng),提高屈服強度峰值;

③借助文獻(xiàn)及本文研究結(jié)果表明,SLM成型工藝的特性有助于改善15-5PH鋼的強度及韌性等力學(xué)性能,可以為SLM技術(shù)成型其他侵徹彈常用高強度鋼及超高強度鋼提供參考。

下一步研究將開展SLM工藝成型侵徹彈體的混凝土靶板侵徹試驗,進(jìn)一步驗證SLM成型工藝對于彈體侵徹彈道穩(wěn)定性等侵徹性能的改善。