激光選區(qū)熔化17-4PH不銹鋼的動(dòng)態(tài)性能研究*

□ 程青葉 □ 王 潭 □ 舒 旗 □ 周剛毅 □ 董新龍

1.寧波大學(xué) 沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江寧波 315211 2.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

1 研究背景

增材制造可以方便地逐層制造各種復(fù)雜零件,增材制造中的激光選區(qū)熔化可以在預(yù)處理步驟中直接依據(jù)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型參數(shù)逐層制造出性能相同的復(fù)雜金屬部件,在航空航天、汽車、金屬注射成型、醫(yī)療器械等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1-3]。17-4PH不銹鋼在低于300 ℃的典型使用溫度下具有相對(duì)較高的拉伸和沖擊強(qiáng)度、斷裂韌性、耐腐蝕性,是廣泛使用的增材制造合金之一[4-6]。由于激光選區(qū)熔化基于高功率激光對(duì)金屬粉末床進(jìn)行局部熔化,具有103～108K/s的快速冷卻速率[7],會(huì)形成非平衡相及復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu),因此激光選區(qū)熔化制備的材料力學(xué)行為往往與傳統(tǒng)制造的合金有很大不同[8]。對(duì)此,已經(jīng)有很多學(xué)者開展了激光選區(qū)熔化工藝參數(shù)及其對(duì)材料性能與斷裂行為影響的研究。Murr等[5]通過研究分析了激光選區(qū)熔化對(duì)17-4PH不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。Rafi等[9]、Facchini等[10]、Luecke等[11]分別通過研究表明,后熱處理、制作取向、微觀結(jié)構(gòu)等因素對(duì)激光選區(qū)熔化 17-4PH的拉伸性能有很大影響。當(dāng)然,大多數(shù)研究都是基于靜態(tài)拉伸條件[8-12]。在增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域中,結(jié)構(gòu)件有可能受到?jīng)_擊載荷作用[2],目前對(duì)結(jié)構(gòu)件在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)性能及破壞行為所進(jìn)行的了解還不足。

史同亞等[13]研究GP1不銹鋼的動(dòng)態(tài)拉伸、層裂性能,表明這一材料的流動(dòng)應(yīng)力具有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng),屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大呈冪指數(shù)增大。筆者對(duì)激光選區(qū)熔化 17-4PH不銹鋼的動(dòng)態(tài)壓縮性能開展研究,通過激光選區(qū)熔化制備圓柱形壓縮試樣,采用液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)和霍普金森壓桿對(duì)從準(zhǔn)靜態(tài)到動(dòng)態(tài)不同應(yīng)變率壓縮下材料的性能進(jìn)行試驗(yàn),并結(jié)合超高速攝像機(jī)記錄試樣的動(dòng)態(tài)變形、破壞過程,探討其斷裂行為,為激光選區(qū)熔化 17-4PH不銹鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

2 試樣

試樣制作選用氣體物化的GP1不銹鋼粉末,粒度分布為10～70 μm,統(tǒng)計(jì)平均顆粒度為40 μm。GP1不銹鋼粉末化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為硫0.63%、鉻17.54%、鐵74.14%、鎳4.33%、錳0.61%、碳0.05%、銅2.69%。GP1不銹鋼粉末化學(xué)成分在美國(guó)牌號(hào)馬氏體沉淀硬化17-4PH不銹鋼成分的規(guī)范范圍內(nèi)。

試驗(yàn)中采用圓柱試樣,尺寸為直徑6 mm、高度5 mm。試樣制備使用M-280激光選區(qū)熔化三維打印設(shè)備,如圖1所示。M-280三維打印設(shè)備采用功率為400 W的激光器,最大成型尺寸為250 mm×250 mm×325 mm,最大掃描速度為7 m/s。試樣制備采用所推薦的優(yōu)化工藝,掃描速度為1 000 mm/s,鋪粉速度為80 mm/s,激光功率為400 W,層厚為40 μm,預(yù)熱溫度為80 ℃。充入氮?dú)庾鳛槎栊员Ｗo(hù)氣體,防止試樣在成型過程中氧化[12],獲得可接受的最終樣品密度水平。一次同時(shí)制備一組50個(gè)垂直定向的試樣,試樣制備方式如圖2所示。

垂直掃描制備的圓柱試樣,中心縱向截面及橫向截面的微觀組織如圖3所示。縱向截面可見弧形分布的激光熔池線,熔池之間交叉,這是由于一層一層激光掃描時(shí),掃描路徑策略不同形成的。橫向截面與激光掃描方向共線,可見激光掃描路徑。微觀組織顯示材料組織致密,幾乎不存在層之間的孔隙和未熔化區(qū)域。選取激光選區(qū)熔化制備試樣,晶粒大小和形狀不均勻,以粗大柱狀晶粒為主。

通過電子背散射衍射掃描確定試樣截面的相位分布,如圖4所示。可見激光選區(qū)熔化制備的原始17-4PH不銹鋼試樣不是完全的馬氏體組織,而是含有少量殘余奧氏體,殘余奧氏體主要出現(xiàn)在晶界處。

3 試驗(yàn)方法

(1)

(2)

σ(t)=AEεt(t)/As

(3)

式中:E為霍普金森壓桿材料的彈性模量;A為霍普金森壓桿的橫截面積;C0為霍普金森壓桿的彈性波速;As為圓柱試樣的橫截面積;Ls為圓柱試樣的長(zhǎng)度。

試驗(yàn)中,霍普金森壓桿直徑為14.5 mm,通過改變子彈速度、長(zhǎng)度獲得不同幅值和波長(zhǎng)的加載應(yīng)力脈沖,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光選區(qū)熔化17-4PH不銹鋼在不同加載應(yīng)變率和應(yīng)變下的加載需要。子彈長(zhǎng)度分別為150 mm、200 mm、300 mm、400 mm。

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)采用與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)所用相同的圓柱試樣,在常規(guī)MTS810伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用位移控制,應(yīng)變率為10-3s-1。

4 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)變率為10-3s-1時(shí),準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)得到的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。可見,兩次試驗(yàn)具有很好的重復(fù)性,準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度約為582 MPa,與傳統(tǒng)鑄造工藝得到的17-4PH 不銹鋼屈服強(qiáng)度相當(dāng),表明所采用的激光選區(qū)熔化工藝參數(shù)能夠得到較為致密穩(wěn)定的馬氏體基體組織。

霍普金森壓桿動(dòng)態(tài)試驗(yàn)得到的一組典型入射波、反射波、透射波信號(hào)如圖7所示。按照式(1)、式(2)、式(3),可以計(jì)算試樣的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)變率、應(yīng)變、應(yīng)力信息。 試驗(yàn)中,每個(gè)應(yīng)變率的壓縮試驗(yàn)重復(fù)至少兩次。子彈長(zhǎng)度200 mm、速度5.7 m/s撞擊下重復(fù)試驗(yàn)得到的真應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖8所示。可見,動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)也具有較好的重復(fù)性。

0.005～5 310 s-1不同應(yīng)變率下真應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。可見,與準(zhǔn)靜態(tài)相比,17-4PH不銹鋼性能具有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng),隨著應(yīng)變率增大,屈服強(qiáng)度增大。17-4PH不銹鋼準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度為582 MPa;當(dāng)應(yīng)變率為600 s-1時(shí),屈服強(qiáng)度約為775 MPa;當(dāng)應(yīng)變率為5 310 s-1時(shí),屈服強(qiáng)度約為980 MPa。

屈服強(qiáng)度與對(duì)數(shù)應(yīng)變率關(guān)系如圖10所示。可見,在較大應(yīng)變率下,17-4PH不銹鋼流動(dòng)應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變率近似成線性強(qiáng)化,應(yīng)變率敏感因數(shù)λ定義為[15]:

(4)

分析得到17-4PH不銹鋼動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)變率敏感因數(shù)為62.598。

壓縮試驗(yàn)后,觀察回收?qǐng)A柱試樣均成鼓形,但未見表面裂紋。根據(jù)動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線,當(dāng)應(yīng)變大于0.29時(shí),應(yīng)變硬化減小。如應(yīng)變率為5 300 s-1時(shí),應(yīng)變大于0.3,隨著應(yīng)變?cè)龃?流動(dòng)應(yīng)力幾乎不變。對(duì)回收試樣縱向截面進(jìn)行微觀金相制樣,通過氯化銅鹽酸酒精腐蝕液侵蝕,得到微觀組織形貌,如圖11所示。可見沿軸向成45°平行分布的應(yīng)變局域化帶,表明在大應(yīng)變率動(dòng)態(tài)加載下,17-4PH不銹鋼發(fā)生絕熱剪切變形破壞,絕熱剪切帶與壓縮方向成45°平行分布。另外,在圓柱試樣上表面邊緣已可見沿剪切帶的裂紋。

5 結(jié)束語

采用優(yōu)化的激光選區(qū)熔化工藝參數(shù)對(duì)GP1不銹鋼粉末進(jìn)行三維打印,制備圓柱試樣。采用霍普金森壓桿技術(shù)對(duì)激光選區(qū)熔化17-4PH不銹鋼在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及變形破壞特性開展研究,結(jié)果顯示,激光選區(qū)熔化制備的17-4PH不銹鋼組織較致密,有馬氏體和少量奧氏體組織,奧氏體分布在晶界處,準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度為582 MPa,與相應(yīng)的鑄造不銹鋼相當(dāng)。

17-4PH不銹鋼動(dòng)態(tài)性能具有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng),隨著應(yīng)變率增大,屈服強(qiáng)度增大,應(yīng)變率敏感因數(shù)為62.598。在動(dòng)態(tài)壓縮下,17-4PH不銹鋼發(fā)生絕熱剪切帶破壞,剪切帶沿壓縮方向成45°平行分布。