南京航空航天大學：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性能！

來源：焊接科學

AISI H13工具鋼在模具工業(yè)中的關鍵應用價值以及增材制造（AM）技術在模具制造和修復中的巨大應用潛力引起了研究人員的廣泛關注。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部件中獨特的細胞/樹枝狀亞結構與晶粒結構之間的關系尚未完全了解。

2023年8月8日，南京航空航天大學材料科學與技術學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制造的H13部件不同區(qū)域的顯微組織和力學性能。魏艷紅教授為通訊作者。

熱力學計算和實驗結果證實了AM非平衡凝固過程中δ-鐵素體的形成。胞狀/枝晶亞結構是由δ-鐵素體和奧氏體的凝固以及伴隨的偏析造成的。光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡的結果以及通過電子背散射衍射（EBSD）重建的原奧氏體晶粒結構都證實了胞狀/枝晶亞結構的形成和分布與原奧氏體晶粒沒有直接關系。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)典型結構中的馬氏體相仍然具有較高的織構強度，這可能是H13構件力學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)工程應力-應變曲線；(b) 拉伸性能的直方圖。

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

1）由于快速非平衡凝固和溶質偏析，產生了細胞/樹枝狀亞結構。顯微組織主要由胞內/枝晶內部的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結構均證實γR薄膜與PAGB的形成和分布沒有直接關系。

2）熱力學計算和實驗結果支持凝固過程中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，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薄膜或殘余應力。因為雖然馬氏體相變削弱了織構，但α′相仍然表現(xiàn)出較高的織構強度。

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混合結構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化了馬氏體晶粒�；旌显嚰�中較硬的Bottom-DZ和較軟的HAZ構成了不均勻的微觀結構，硬區(qū)和軟區(qū)的變形不均勻導致產生背應力，進而產生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，南京航空航天大學材料科學與技術學院教授、博士生導師，哈爾濱工業(yè)大學兼職教授、博導。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、焊接工程應用軟件設計；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”基礎研究項目、教育部回國留學基金及企業(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)已經在鍋爐、壓力容器、航空、航天、油田建設、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�，F(xiàn)任英國《science andtechnology of welding and joining》雜志編委，中國焊接學會計算機應用專業(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