23Co13Ni11Cr3Mo鋼電弧微鑄鍛增材制造組織性能研究

朱士一，高建成，張海鷗，王桂蘭

(1.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.國家國防科技工業(yè)局，北京 100000；3.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

當(dāng)前飛機(jī)起落架主要通過萬噸水壓機(jī)整體模鍛與后續(xù)機(jī)械加工來制造成形。然而，傳統(tǒng)工藝存在著成形裝備龐大、成形載荷大、BTF比率(buy-to-fly ratio，即制造一個(gè)零部件所需的原材料量與最終零部件中所含材料量的比率)過大和后續(xù)機(jī)械加工難度大等問題。

近年來，國內(nèi)外對(duì)超高強(qiáng)度鋼增材制造技術(shù)進(jìn)行了大量研究[1-4]。作為一項(xiàng)先進(jìn)的零件整體制造技術(shù)，增材制造不僅可節(jié)約大型模鍛設(shè)備工作成本，且具有材料利用率高和生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢(shì)[5-8]。但值得注意的是，在增材制造成形過程中，夾雜、氣孔和未熔合等質(zhì)量缺陷以及局部特殊熱現(xiàn)象導(dǎo)致的組織缺陷，均是損害零件性能的因素[9]。眾多研究表明，半固態(tài)金屬在多向壓力作用下發(fā)生高溫塑性變形，能壓實(shí)或彌合氣孔和裂紋等缺陷，使其組織致密、晶粒均勻細(xì)小，從而提高金屬制件的綜合性能[10-11]。

本研究以23Co13Ni11Cr3Mo超高強(qiáng)度鋼為原材料，基于研究室獨(dú)立開發(fā)的電弧微鑄鍛復(fù)合增材成形專利技術(shù)及裝置，在電弧熔積成形中，對(duì)處于高溫溫度狀態(tài)的熔積層金屬實(shí)施微區(qū)軋制來改善其熔積成形性。分析比較微鑄鍛增材成形與電弧自由熔積成形試件的組織和力學(xué)性能特點(diǎn)，旨在為高性能難加工貴重金屬零件的低成本綠色制造開辟新的途徑。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

選用23Co13Ni11Cr3Mo鋼板作為基板，尺寸為230 mm×160 mm×30 mm。選用23Co13Ni11Cr3Mo焊絲，焊絲直徑為1.2 mm。試驗(yàn)設(shè)備包括自主研發(fā)的微鑄鍛復(fù)合增材制造系統(tǒng)、DX70金相顯微鏡、JXB-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)、QUANTA FEG 450掃描電子顯微鏡、萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)和HXS-1000AK數(shù)字式智能維式硬度計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法

增材制造試驗(yàn)工藝參數(shù)見表1。試樣通過多道多層熔積成形，分別采用微鑄鍛成形工藝及電弧自由熔積工藝制備試樣。微鑄鍛試樣相鄰焊道搭接率為35%，壓下量為40%。試樣成形后的尺寸如圖1所示。

表1 增材制造試驗(yàn)工藝參數(shù)

圖1 微鑄鍛增材制造成形試樣塊

圖1中，X向是熔積過程中焊槍行走方向，Y向是同一層不同焊道搭接方向。增材成形試樣塊的尺寸為140 mm×140 mm×15 mm。在試樣塊中心，取尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的小塊，經(jīng)鑲樣、磨拋與腐蝕后用于金相觀測(cè)。力學(xué)性能試驗(yàn)試樣取樣圖如圖2所示。

圖2 試樣取樣圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相試驗(yàn)

取成形后經(jīng)退火熱處理的試樣塊，對(duì)試樣表面進(jìn)行預(yù)磨拋光后，采用飽和苦味酸溶液+烷基苯磺酸鈉活性劑(90 ℃熱水浴)進(jìn)行腐蝕，在100倍光學(xué)顯微鏡下所得金相形貌如圖3所示。

圖3 電弧自由熔積和微鑄鍛增材制造退火后金相對(duì)比

由圖3a與圖3c可見，自由熔積成形23Co13Ni11Cr3Mo鋼的金相形態(tài)呈典型的焊縫金屬凝固組織形態(tài)，即存在較多的樹枝晶和胞狀樹枝晶。由圖3b與圖3d可見，在熔積成形過程中生成的樹枝晶及胞狀樹枝晶，在隨后軋制力的作用下破碎斷裂并進(jìn)行再結(jié)晶，從而微鑄鍛工藝中整體上晶粒得到細(xì)化，并呈現(xiàn)出大量等軸晶的形態(tài)。細(xì)晶強(qiáng)化是一種在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)不降低其韌性和塑性的強(qiáng)化方式。晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度越高。電弧微鑄鍛工藝能夠細(xì)化熔積層晶粒尺寸，從而提高熔積層的力學(xué)性能。

取成形后經(jīng)常規(guī)處理的金相試樣塊拋光，對(duì)拋光好的試樣采用濃度為4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，10 s后清洗吹干，通過掃描電鏡觀察微觀組織。經(jīng)過482 ℃回火處理的試樣組織如圖4所示。

圖4 電弧自由熔積和微鑄鍛增材制造SEM組織對(duì)比

圖4a中，電弧自由熔積的組織中板條狀的馬氏體分布不均勻，且組織中存在滲碳粒子。圖4b中，板條狀馬氏體均勻分布，而板條狀馬氏體上形成的逆轉(zhuǎn)錄奧氏體被認(rèn)為是23Co13Ni11Cr3Mo超高強(qiáng)度鋼482 ℃回火提高韌性的重要因素[12]。

2.2 硬度測(cè)試結(jié)果

采用HXS-1000AK數(shù)字式智能維式硬度計(jì)，分別在微鑄鍛及電弧自由熔積試樣塊T截面上等距取10個(gè)點(diǎn)，對(duì)試樣L截面進(jìn)行硬度測(cè)量，結(jié)果如圖5所示。硬度計(jì)的加載力為5 kgf，加載時(shí)間為10 s。

圖5 微鑄鍛及電弧自由熔積洛氏硬度值

由圖5可見，電弧自由熔積成形試樣塊L截面洛氏硬度平均值為44 HR，電弧微鑄鍛成形試樣塊T截面洛氏硬度平均值為49 HR。相比電弧自由熔積，電弧微鑄鍛工藝成形試樣塊的硬度平均提高了11.2%。電弧自由熔積成形試樣晶粒度不均勻，其凝固組織形態(tài)具有柱狀晶、胞狀樹枝晶等多種亞結(jié)構(gòu)，因而不同部位硬度分布不一致。電弧微鑄鍛工藝成形試樣晶粒形態(tài)更為均勻，其晶粒尺寸遠(yuǎn)小于自由熔積試樣，因而硬度更為均勻。

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2種增材制造工藝制備的23Co13Ni11Cr3Mo鋼的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，與電弧自由熔積試樣性能相比，微鑄鍛復(fù)合成形熔積制件硬度提高了6%～11%，抗拉強(qiáng)度提高了6.5%，屈服強(qiáng)度提高了13.3%，延伸率提高了27%。微鑄鍛復(fù)合成形工藝制備試樣性能均得到了一定的提升。

在微鑄鍛復(fù)合增材成形工藝中，熔積層在高溫區(qū)受到微軋輥的軋制力的作用，金屬組織更加均勻化，晶粒粒度與自由熔積工藝相比大幅度細(xì)化，從而使熔積層金屬的綜合性能得到了顯著改善。

圖6 微鑄鍛和自由熔積成形力學(xué)性能對(duì)比

3 結(jié)語

通過上述研究得出如下結(jié)論。

1)電弧自由熔積過程中容易形成粗大的柱狀晶，柱狀晶區(qū)過大；而微鑄鍛復(fù)合工藝可將晶粒度細(xì)化，經(jīng)過軋制后晶粒由粗大的柱狀晶、胞狀樹枝晶變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，起到了很好的細(xì)晶強(qiáng)化作用。

2)與電弧自由熔積相比，采用微鑄鍛復(fù)合工藝，可將熔積制件硬度提高6%～11%，抗拉強(qiáng)度提高6.5%，屈服強(qiáng)度提高13.3%，延伸率提高27%。

3)與23Co13Ni11Cr3Mo超高強(qiáng)度鋼傳統(tǒng)制造方法相比，微鑄鍛增材成形件BTF比率較低，且能提高零件的力學(xué)性能和細(xì)化成形件的晶粒尺寸，為超高強(qiáng)度鋼的低成本綠色制造開辟了一條重要途徑。