协同调控铬与纳米颗粒提升热作模具钢的抗氧化性与冷热交变疲劳性能研究

针对热作模具钢在高温服役中易出现氧化失效和冷热疲劳裂纹的问题，吉林大学团队通过协同调控Cr含量（提升至5%以上）并引入TiC纳米颗粒（0.02 wt.%），开发出新型HHD-SP2钢。该材料相比国际高端DIEVAR钢，氧化膜厚度增加50%，冷热交变疲劳寿命延长30-50%，且成本仅增加3%。研究揭示了纳米颗粒促进Cr2 O3 致密氧化膜形成、细化马氏体板条及抑制碳化物粗化的协同机制，为高性能模具钢设计提供新思路。

　　

在金属锻造和压力铸造等热成形领域，热作模具钢（Hot work die steels）长期承受高温机械载荷和冷热循环冲击，70%以上的失效源于冷热交变疲劳（Hot-cold alternating fatigue）引发的表面氧化和裂纹扩展。传统解决方案依赖添加铬（Cr）提升抗氧化性，但Cr含量超过5%会引发Cr₇
C₃
等粗大碳化物析出，反而加速裂纹萌生。如何突破这一“抗氧化-碳化物失控”的矛盾，成为延长模具寿命的关键难题。

吉林大学材料科学与工程学院团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究中，提出“高Cr+纳米TiC”协同调控策略。通过降低碳含量（0.32 wt.%）抑制碳化物粗化倾向，同时将Cr含量提升至5%以上并引入0.02 wt.% TiC纳米颗粒，开发出HHD-SP2新型模具钢。研究发现，纳米颗粒不仅促进Cr₂
O₃
氧化膜厚度增加至DIEVAR钢的1.5倍，还通过钉扎效应将马氏体板条（Martensitic laths）尺寸从330 μm细化至157 μm，使冷热疲劳寿命突破3000次循环，较DIEVAR钢提升50%。

研究采用SEM观察氧化层形貌、TEM分析马氏体板条演变、高温氧化实验和冷热疲劳循环测试等关键技术。通过对比未增强的HHD-0钢与DIEVAR钢，系统阐明了TiC纳米颗粒的三重作用机制：加速Cr扩散形成致密氧化层、细化晶粒抑制碳化物聚集、阻碍裂纹扩展路径。

氧化行为与表面形貌
经过3000次冷热循环后，DIEVAR钢表面出现大面积氧化斑和剥落，而HHD-SP2仅呈现均匀氧化色。截面SEM显示，HHD-SP2的氧化层厚度（8.2 μm）显著低于HHD-0（12.5 μm），且TiC颗粒促进Cr₂
O₃
层连续致密化，氧扩散速率降低37%。

显微组织稳定性
TEM分析表明，TiC纳米颗粒使回火后碳化物平均尺寸从120 nm降至65 nm，且Cr₂₃
C₆
等粗大碳化物减少82%。高温暴露实验中，HHD-SP2的硬度保持率（85%）远高于HHD-0（62%），证实纳米颗粒有效延缓了马氏体分解。

裂纹扩展机制
裂纹萌生分析揭示，DIEVAR钢的裂纹源于晶界处Cr-rich carbides聚集，而HHD-SP2的纳米颗粒将裂纹扩展路径从直线型转变为迂回型，裂纹扩展能提升2.1倍。

该研究首次揭示了“高Cr-纳米TiC”协同调控模具钢性能的物理冶金学机制，仅增加3%成本即可实现寿命大幅提升。其创新性在于：突破传统Cr含量限制，通过纳米颗粒“扬长避短”；建立氧化层-显微组织-裂纹扩展的定量关联模型；为开发低成本长寿命模具钢提供普适性设计准则。未来可进一步探索其他纳米陶瓷（如TiB₂
）与多元合金的协同效应，推动热作模具材料进入“纳米增强时代”。