南京航空航天大學(xué)：電弧熔絲增材制造H13工具鋼：凝固模式、組織演變機制和力學(xué)性能！

來源：焊接科學(xué)

AISI H13工具鋼在模具工業(yè)中的關(guān)鍵應(yīng)用價值以及增材制造（AM）技術(shù)在模具制造和修復(fù)中的巨大應(yīng)用潛力引起了研究人員的廣泛關(guān)注。然而，對于H13增材制造過程中的凝固模式和微觀組織演化機制尚未達成共識。AM制造的H13部件中獨特的細(xì)胞/樹枝狀亞結(jié)構(gòu)與晶粒結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系尚未完全了解。

2023年8月8日，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院魏艷紅教授團隊聯(lián)合上海航天精密機械研究所（800所）在《Materials Science and Engineering: A》（中科院1區(qū)，Top，影響因子6.4）發(fā)表最新研究成果“H13 tool steel fabricated by wire arc additive manufacturing: Solidification mode, microstructure evolution mechanism and mechanical properties”，研究了采用電弧增材制造技術(shù)制造的H13部件不同區(qū)域的顯微組織和力學(xué)性能。魏艷紅教授為通訊作者。

熱力學(xué)計算和實驗結(jié)果證實了AM非平衡凝固過程中δ-鐵素體的形成。胞狀/枝晶亞結(jié)構(gòu)是由δ-鐵素體和奧氏體的凝固以及伴隨的偏析造成的。光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡的結(jié)果以及通過電子背散射衍射（EBSD）重建的原奧氏體晶粒結(jié)構(gòu)都證實了胞狀/枝晶亞結(jié)構(gòu)的形成和分布與原奧氏體晶粒沒有直接關(guān)系。EBSD極圖顯示，雖然馬氏體相變削弱了晶體的擇優(yōu)取向，但沉積區(qū)典型結(jié)構(gòu)中的馬氏體相仍然具有較高的織構(gòu)強度，這可能是H13構(gòu)件力學(xué)性能各向異性的主要原因。

圖 1. H13 樣品的 OM 形貌：(a) 宏觀形貌；(b) Top-DZ；(c) 中DZ；(d) 底部 DZ；(e) 熱影響區(qū)。

圖 2. H13 樣品的 SEM 圖像：(a) Top-DZ；(b) 中DZ；(c) 底部 DZ；(d) 熱影響區(qū)。

圖3. H13試件的室溫拉伸性能：(a)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 拉伸性能的直方圖。

關(guān)鍵結(jié)論
該工作詳細(xì)研究了WAAM制造的H13模具鋼不同區(qū)域的顯微組織和力學(xué)性能，并通過熱力學(xué)計算和表征技術(shù)相結(jié)合證實了WAAM中H13模具鋼的凝固模式和顯微組織演變機制。主要結(jié)論如下。

1）由于快速非平衡凝固和溶質(zhì)偏析，產(chǎn)生了細(xì)胞/樹枝狀亞結(jié)構(gòu)。顯微組織主要由胞內(nèi)/枝晶內(nèi)部的α′相和主要分布在邊界處的γR組成。由于液相最后凝固區(qū)域的溶質(zhì)富集而形成γR薄膜，從而穩(wěn)定了局部區(qū)域的奧氏體。OM圖像、SEM圖像以及EBSD重建的PAGs結(jié)構(gòu)均證實γR薄膜與PAGB的形成和分布沒有直接關(guān)系。

2）熱力學(xué)計算和實驗結(jié)果支持凝固過程中δ-鐵素體的形成。δ-鐵素體首先在高溫下由液相形成。隨后發(fā)生L+δ→γ的包晶反應(yīng)，析出γ相。最后發(fā)生馬氏體相變，形成α′相和γR。

3）機械性能表現(xiàn)出顯著的不均勻性和各向異性。樣品不同區(qū)域性能的不均勻性歸因于所經(jīng)歷的熱歷史的差異和原位回火的影響。各向異性可能主要源于晶體的擇優(yōu)取向，而不是較弱的γR薄膜或殘余應(yīng)力。因為雖然馬氏體相變削弱了織構(gòu)，但α′相仍然表現(xiàn)出較高的織構(gòu)強度。

4）顯微組織中存在大量富VMC碳化物。MC碳化物似乎比其他類型的碳化物具有更強的形成驅(qū)動力。硅在MC碳化物周圍富集，這是由于碳化物生長過程中高濃度硅的排斥作用，導(dǎo)致硅在碳化物/過飽和鐵素體界面發(fā)生偏析。作為置換原子，碳化物排出的硅更難擴散，因此富集在碳化物周圍。

5）HAZ和HDIS中的BL/ML混合結(jié)構(gòu)共同解釋了混合樣本的潛在強化機制。HAZ中的BL劃分了原奧氏體晶粒并細(xì)化了馬氏體晶粒�；旌显嚰�中較硬的Bottom-DZ和較軟的HAZ構(gòu)成了不均勻的微觀結(jié)構(gòu)，硬區(qū)和軟區(qū)的變形不均勻?qū)е庐a(chǎn)生背應(yīng)力，進而產(chǎn)生HDIS。這兩個因素共同作用以提高強度和延展性。

通訊作者

魏艷紅，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)兼職教授、博導(dǎo)。主要研究方向：1、材料焊接性及焊接工藝；2、焊接過程數(shù)值模擬與仿真；3、焊接工程應(yīng)用軟件設(shè)計；4、數(shù)字化焊接。主持和參加了國家自然基金項目、國家攀登B計劃、國防“十一五”基礎(chǔ)研究項目、教育部回國留學(xué)基金及企業(yè)若干橫向課題。所研制的焊接工程數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)已經(jīng)在鍋爐、壓力容器、航空、航天、油田建設(shè)、重型機械、造船等行業(yè)投入使用。共發(fā)表論文100余篇，連續(xù)在三屆全國焊接年會上獲得優(yōu)秀論文獎勵。現(xiàn)任英國《science andtechnology of welding and joining》雜志編委，中國焊接學(xué)會計算機應(yīng)用專業(yè)委員會委員。魏艷紅教授在焊接數(shù)據(jù)庫、焊接專家系統(tǒng)及焊接數(shù)值模擬與預(yù)測等方面均多有建樹。

論文引用

Du X, Liu X, Shen Y, et al. H13 tool steel fabricated by wire arc additive manufacturing: Solidification mode, microstructure evolution mechanism and mechanical properties[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023: 145536. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145536