激光立体成形及修复300M钢的组织与性能研究

作者：刘丰刚

来源：博士, 西北工业大学, 2017.

• 300M钢
• 激光立体成形
• 激光成形修复
• 增材制造
• 热处理
• 微观组织
• 力学性能

300M超高强度钢因其优良的横向塑性、断裂韧度和抗疲劳性能,现已被广泛应用于航空航天高强螺栓、起落架等关键承力构件。目前,300M钢零件通常采用锻造成形后再机械加工的方法进行成形,材料利用率较低,同时,其较大的变形抗力,限制了300M钢在大型复杂零部件中的应用。激光立体成形技术不仅能够实现大尺寸、高性能、复杂金属零件的无模具、快速、全致密近净成形,还可用于大型复杂构件的高性能修复,在300M钢复杂零件成形制造与修复中具有重要应用前景。基于此,本文以300M钢为研究对象,重点研究了其在激光立体成形及后续热处理过程中的组织特征、演化规律以及力学性能;并在此基础上,考察了300M钢激光成形修复的微观组织及力学性能特征,以期为实现300M钢激光立体成形及修复再制造技术在航空航天领域的成功应用奠定重要的材料科学基础。取得的主要研究结果如下:（1）揭示了激光立体成形300M钢沉积态微观组织和力学性能特征。沉积态试样的晶粒取向差主要处于两个范围:小于10°的小取向差和47°-60°的大取向差,马氏体板条之间为小角晶界,束集之间大多为大角晶界;同时沉积态试样不同部位的相分布具有较大差异,顶部主要为贝氏体组织,中部为马氏体和贝氏体的混合组织,底部主要为回火马氏体组织。这种组织特征使得激光立体成形300M钢沉积态试样抗拉强度、屈服强度和V形冲击韧性远低于锻件。（2）揭示了激光立体成形300M钢热处理态微观组织和力学性能特征。经淬火回火后,激光立体成形300M钢微观组织发生均匀化,同时在微观组织上主要呈现为回火马氏体、贝氏体以及残余奥氏体的混合组织;这些组织变化使得激光立体成形300M钢经淬火回火后,强度明显提高,达到锻件标准,仅冲击韧性比锻件标准略低。另外,有意思的是,激光立体成形300M钢的显微硬度与抗拉强度和屈服强度呈现出不完全的线性关系。（3）淬火处理对激光立体成形300M钢微观组织及力学性能影响显著。随着奥氏体化温度的升高,激光立体成形300M钢试样中的枝晶偏析逐渐减弱,在温度升高到1050 oC时,枝晶偏析完全消失,不过晶粒组织开始呈现明显的{111}<110>再结晶织构取向。在此基础上,基于扩散行为分析,获得了不同淬火处理中合金元素在枝晶间完全均匀化所需要的时间。当奥氏体化温度在870-950oC之间时,奥氏体晶粒及马氏体领域的尺寸变化不大,屈服强度略有下降（从1796MPa下降到1670 MPa）,但是,当温度超过950 oC后,奥氏体晶粒及马氏体领域发生了明显的粗化,屈服强度从1670 MPa急剧下降到1390 MPa,不过,奥氏体化温度对显微硬度及抗拉强度没有明显的影响。在此基础上,建立了激光立体成形300M钢奥氏体化晶粒生长与奥氏体化温度间的变化关系。（4）激光立体成形300M钢经回火处理后的组织为回火马氏体、贝氏体及少量残余奥氏体的混合组织。回火温度对激光立体成形300M钢的晶粒织构取向以及马氏体、贝氏体的尺寸影响较小,但对马氏体的相转变有明显的影响。随着回火温度的升高,回火马氏体中的ε-碳化物转变为Fe3C。随着回火温度的升高,显微硬度在600-650 HV之间波动,但总体趋势显示为略有下降;抗拉强度和屈服强度先升高后降低,抗拉强度在回火温度为290 oC时达到最大值（1966 MPa）,屈服强度在回火温度为310 oC时达到最大值（1661 MPa）,断面收缩率和延伸率变化不大。（5）随着应力比（R）的增加,激光立体成形300M钢沉积态和热处理态试样疲劳裂纹扩展速率曲线向低?K（应力强度因子范围）方向移动。激光立体成形300M钢的疲劳裂纹扩展门槛值受奥氏体晶粒尺寸和屈服强度的影响较大,导致300M钢沉积态试样的疲劳裂纹扩展门槛值高于300M钢热处理态试样。此外,在增加相同?K值情况下,激光立体成形300M钢沉积态的疲劳裂纹扩展速率高于300M钢热处理态和锻件试样。（6）300M钢锻件激光成形修复试样中,各区域（修复区、热影响区和基材区）的微观组织及力学性能存在明显的不均匀性。修复区的微观组织与激光立体成形300M钢沉积态试样的微观组织有相似的变化规律,热影响区为不均匀的回火马氏体组织,基材区为马氏体、贝氏体及少量残余奥氏体的混合组织。同时沉积态修复试样的拉伸性能和冲击韧性远低于锻件标准。经过淬火回火后,修复试样的微观组织变得均匀,各项力学性能指标均有显著提高(σb=1965 MPa,σ0.2=1653MPa,ζ=11.7%,φ=38.4%)。应力应变测试结果表明,沉积态和热处理态修复试样在弹性变形阶段的应变都是均匀增加的,而超过最大抗拉强度后,局部应变在修复区急剧增加,这是由于300M钢锻件基材的组织协调变形能力及应变硬化能力高于300M钢激光立体成形件所致。沉积态冲击试样的断裂方式为准解理断裂,主裂纹在修复区扩展过程中遇到马氏体领域时会发生偏转,二次裂纹在遇到大角度晶界时也会发生转向。热处理态冲击试样的断裂方式为韧窝断裂。

• 单位
  西北工业大学