热等静压过程中静水压力对热作钢AISI H13奥氏体晶粒长大及后续相变的影响

《Powder Metallurgy》：Influence of hydrostatic pressure on the austenite grain growth and subsequent phase transformation of hot work steel AISI H13 during hot isostatic pressing

　　

新开发的集成快速冷却系统、气体压力可达200 MPa的热等静压(HIP)设备，为金属材料的致密化与硬化一步完成提供了可能。将这些先进HIP设备用于生产具有确定显微组织的钢材时，奥氏体晶粒尺寸是关键因素，其强烈影响冷却过程中的相变，并受HIP过程中压力的有效影响。为研究压力、温度和保温时间对奥氏体晶粒长大及最终显微组织的影响，研究人员利用此类先进HIP设备对热作钢AISI H13进行了一系列中断式HIP实验。通过快速冷却后的金相显微组织观察分析了HIP过程中奥氏体晶粒的长大行为；随后利用淬火膨胀法研究了奥氏体晶粒尺寸对相变的影响；进而确定了奥氏体晶粒尺寸与马氏体/贝氏体相变温度之间的关系，该关系间接反映了温度、压力和保温时间对最终显微组织的影响。将该关系纳入数值模型后，未来可预测大型构件（尤其在加热和冷却阶段经历大温度梯度的构件）在HIP参数下的显微组织演变。

研究背景方面，集成快速冷却、气体压力最高达200 MPa的新型热等静压（HIP）设备可实现金属材料致密化与硬化单步完成，但压力对快速冷却前钢件显微组织的影响机制尚不清楚，尤其对发生马氏体相变的马氏体型工具钢而言，直接决定最终性能。既往研究多关注1 GPa量级机械压缩压力对铁基相变与晶粒长大的作用，而100–200 MPa级HIP静水压力下奥氏体晶粒长大及其对冷却相变的影响在粉末冶金工具钢中仍不明确。为此，研究人员以热作钢AISI H13气雾化粉末为对象，系统考察静水压力、温度、保温时间对奥氏体晶粒长大及后续马氏体/贝氏体相变的作用。

关键技术方法上，研究人员采用Quintus QIH-9型HIP设备，对封装于304不锈钢包套中的AISI H13粉末（D₅₀=83.51 μm）实施10组中断式HIP循环，参数组合为压力100/170 MPa、温度1050/1150 °C、保温0/2/4 h，保温后气体快冷以冻结组织；从包套中心电火花加工取立方样，用Archimedes原理测密度，经导电镶嵌、研磨抛光后通过场发射扫描电镜（FE-SEM）背散射电子成像与电子背散射衍射（EBSD，步长50 nm）采集数据，借助ARPGE软件以邻-邻变异体群oid法重构先验奥氏体晶粒（PAG）并统计PAG尺寸（PAGS）；另取部分HIP态试样制成φ4×10 mm膨胀试样，在B?hr DIL805A/D淬火膨胀仪上以1050 °C奥氏体化10 min后按-30至-0.05 °C/s多速率冷却，记录长度变化以获取马氏体开始温度（M_S）及连续冷却转变（CCT）行为。

研究结果部分，小标题“温度、压力和保温时间对奥氏体晶粒长大的影响”下，EBSD-IPF图与PAGS分布显示：1050 °C无保温时粉末已致密；100 MPa下保温2 h、4 h平均PAGS达11.10 μm、21.05 μm，170 MPa同条件略抑制长大；1150 °C无保温（100 MPa）初始PAGS为12.68 μm，保温4 h后100 MPa达45.2 μm，170 MPa仅30.5 μm。表明升温与延长时间促进PAG长大，升压（100→170 MPa）部分抑制，且高温长时间下抑晶效果更显著。

小标题“奥氏体晶粒长大对马氏体和贝氏体相变的影响”下，膨胀曲线表明M_S随PAGS减小而降低：PAGS=45.20 μm时M_S=346 °C，PAGS=6.09 μm时M_S=300 °C。CCT图显示粗晶使贝氏体开始温度提高、转变推后；细晶推迟马氏体转变起始。即HIP升压→PAG细化→M_S与贝氏体开始温度下降、相变推后。

讨论与结论部分，研究人员指出集成快冷HIP可“冻结”HIP态组织以重构PAG，证实温度↑、时间↑加速奥氏体晶粒长大，静水压力↑部分抑制；马氏体/贝氏体开始温度随PAG粗化而升高，从而间接揭示HIP参数经PAGS调控冷却相变与终态组织。该关系可嵌入数值模型，预测大尺寸、大温度梯度构件在HIP中的显微组织演变。论文发表于《Powder Metallurgy》。