激光粉末床熔融制备超强AISI D2工具钢：位错胞介导纳米碳化物沉淀的强化机制

针对高碳D2工具钢在激光粉末床熔融（L-PBF）中易开裂的难题，研究人员通过基板预热（200°C）和调整扫描间距（125μm）成功制备出致密度>99.9%的样品。研究发现，沉积态样品中位错胞界面的薄膜状M7C3碳化物经热处理转变为马氏体基体中纳米级M23C6颗粒，使材料强度显著提升（沉积态1199 MPa，热处理态2110 MPa），为高强合金的微观结构设计提供了新策略。

　　

在工业制造领域，D2工具钢因其卓越的硬度和耐磨性被广泛应用于模具、刀具等关键部件。然而，这种高碳钢（碳含量>1.5%）在传统激光增材制造过程中面临严峻挑战——快速冷却导致的高热应力会引发严重裂纹，就像试图在急速冰冻的湖面上作画，稍有不慎便会碎裂。更棘手的是，现有激光直接能量沉积（L-DED）技术虽能减少缺陷，却因熔池过大导致精度不足，且不同高度处的性能差异如同"楼层效应"般难以控制。这些瓶颈严重制约了复杂形状D2工具钢部件的精密制造。

韩国研究团队独辟蹊径，采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术结合创新工艺参数，成功破解了这一难题。他们发现，通过200°C基板预热和125μm大间距扫描的"温和烘焙"策略，能像缓冲垫般吸收热应力，制备出近乎无缺陷的样品。更令人振奋的是，这种工艺在微观尺度上创造了独特的位错胞结构——这些直径约0.5μm的"微型牢笼"不仅抑制了裂纹扩展，还成为碳化物沉淀的理想模板。当沉积态样品中沿位错胞分布的薄膜状M₇C₃碳化物（铬碳化合物）在热处理后转变为纳米级M₂₃C₆颗粒时，材料强度飙升至2110 MPa，相当于在每平方毫米截面上承受两头成年非洲象的重量！这项发表于《Materials Science and Engineering: A》的研究，为高强合金的微观结构设计提供了全新范式。

关键技术包括：采用电极感应气体雾化法制备球形粉末；通过L-PBF系统（EOS M290）优化工艺参数；结合电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）分析微观结构；通过拉伸试验机（Instron 5982）测试力学性能。

As-built and heat-treated microstructure
EBSD分析显示热处理使平均晶粒尺寸从9.18μm锐减至0.89μm，TEM证实薄膜状M₇C₃转变为10-50nm的M₂₃C₆颗粒，这种"纳米化改造"是强化的关键。

Microstructural evolution during L-PBF and heat treatment
位错胞的形成被归因于两种机制：溶质元素（如Cr、C）在凝固前沿的偏聚形成成分过冷区；以及动态回复过程中位错的重新排列。这些胞状结构作为碳化物沉淀的"导航图"，引导热处理后纳米颗粒的均匀分布。

Conclusions
该研究实现了三大突破：1）通过工艺优化克服L-PBF高碳钢开裂难题；2）揭示位错胞介导的碳化物相变机制；3）获得强度达2110 MPa的超强材料。这种"结构设计-工艺控制-性能调控"的全链条创新，不仅为工具钢增材制造树立新标杆，更启示了通过调控缺陷结构实现材料强化的普适性策略。正如研究者Heechan Jung指出："位错胞就像微观世界的建筑脚手架，我们首次系统证明了它们可以作为纳米增强相的精准组装平台。"这项成果对航空航天、精密模具等领域的轻量化部件制造具有重要应用前景。