增材制造H13工具钢的微观结构调控与力学性能优化：构建取向与回火处理的影响

本研究针对激光粉末床熔融(L-PBF)技术制备的H13热作模具钢(TS)，通过垂直和45°对角线两种构建取向(BO)及三种回火处理(SH-DT550/DT550/DT650)，系统探究了微观结构演变与力学性能的关联机制。结果表明：DT550处理通过纳米碳化物析出使硬度达665 HV0.5，抗拉强度提升至2100 MPa；而DT650处理因碳化物粗化导致软化。该研究为增材制造工具钢的工艺优化提供了关键理论依据。

　　

在工业制造领域，H13热作模具钢(TS)因其优异的耐热性和耐磨性，被广泛应用于压铸模具和热锻模具等关键部件。然而，传统锻造工艺难以制造复杂几何形状的模具，且存在材料利用率低、生产周期长等问题。增材制造(AM)技术，特别是激光粉末床熔融(L-PBF)，为复杂模具的快速成型提供了新思路。但L-PBF工艺固有的快速冷却特性会导致材料内部形成高残余应力(RS)和非平衡微观结构，直接影响模具的使用寿命和性能。更棘手的是，构建取向(BO)和后续热处理对材料性能的影响机制尚未明确，这严重制约了AM-H13 TS在工业场景中的推广应用。

针对这一系列问题，芬兰的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表了突破性研究成果。他们采用L-PBF技术制备H13 TS样品，设置垂直和45°对角线两种BO，并设计三种热处理方案：固溶硬化后双回火(SH-DT550)、直接双回火(DT550/DT650)。通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等多尺度表征手段，结合拉伸测试和硬度测量，系统解析了微观结构与力学性能的关联规律。

关键技术方法包括：1) 使用SLM280设备进行L-PBF成型，设置57.3 J/mm³的体积能量密度(VED)；2) 采用Thermo-Calc软件预测平衡相变；3) 通过SEM/EBSD分析微观结构特征；4) 利用TEM观察纳米级碳化物；5) 进行室温拉伸试验和维氏硬度测试。

研究结果揭示：

3.1 Thermo-Calc平衡相分析
热力学计算显示H13 TS在840°C以上稳定相为奥氏体(γ-FCC)，快速冷却形成马氏体(α′-BCT)。500-600°C回火时M₂₃C₆和M₆C碳化物析出，为后续实验提供理论依据。

3.2 回火行为与温度选择
DT550处理出现二次硬化峰(692 HV)，比传统锻造H11钢高50 HV，归因于AM特有的细晶强化和位错密度优势。

3.3 回火处理的微观结构演变
XRD显示原始态含18.7%残余奥氏体(RA)，回火后完全消失。SEM观察到DT550保留熔池边界和胞状结构，而SH-DT550因1040°C固溶处理完全消除原始亚结构。

3.4 EBSD微观结构特征
原始态含31%小角度晶界(LAGBs)，DT550降至23%，DT650进一步降至18%，表明高温回火促进位错湮灭和亚结构粗化。

3.5 碳化物析出特征
TEM证实DT550形成5-20 nm的VC碳化物，EDS显示含V(4.17 wt.%)和Cr(8.46 wt.%)；而DT650处理碳化物尺寸增至100-400 nm并形成连续网状结构。

3.6 力学性能
垂直构建样品在DT550状态下表现最优：硬度665 HV_0.5，抗拉强度2100 MPa，比对角线构建样品高5-23%。DT650虽强度降低至1450 MPa，但延伸率提升至10.2%。

研究结论与意义：

1. 首次阐明BO对AM-H13 TS性能的影响规律，垂直构建样品展现更优力学性能；
2. 揭示DT550通过纳米碳化物析出使强度提升40%的强化机制，而DT650因碳化物粗化导致软化；
3. 建立的"工艺-结构-性能"关系模型，为模具钢的增材制造提供精准调控策略。相比传统锻造工艺，AM-H13 TS经优化处理后强度提升38%，同时保持良好韧性，这对延长模具使用寿命具有重要意义。该研究不仅解决了AM工具钢强度-韧性难以协同提升的行业难题，更为复杂模具的数字化制造提供了理论支撑和实践指南。