激光粉末床熔融H13工具钢的后处理热处理对显微组织与摩擦学行为的影响

《Results in Surfaces and Interfaces》：Effect of Post-Processing Heat Treatments on Microstructure and Tribological Behaviour of Laser Powder Bed Fused H13 Tool Steel

　　

热处理改变激光粉末床熔融（LPBF）制备的H13工具钢的显微组织。退火通过摩擦层（tribolayer）的形成稳定摩擦行为。回火导致磨损机制从剥层（delamination）向磨粒磨损（abrasion）转变。摩擦学性能受相演变控制，而非仅受硬度控制。

在增材制造领域，激光粉末床熔融（laser powder bed fusion, LPBF）为复杂工具钢构件的成形提供了新路径。H13铬热作工具钢因其热疲劳抗力、淬透性和耐磨性的结合而广泛用于热作模具与压铸模具。然而，LPBF过程中极快的加热与冷却速率、逐层热循环和陡峭热梯度导致高残余应力、胞状枝晶细化和残留奥氏体，使得成形态（as-built）材料虽具有高硬度与强度，但脆性大、各向异性明显，且存在孔隙和裂纹风险。常规锻造H13通常需经过固溶、淬火和回火以获得平衡的强韧性与耐磨性，但LPBF成形态的非平衡组织使热处理-组织-磨损性能之间的关系更为复杂。现有研究多集中于LPBF H13的打印性、工艺优化和力学性能，系统研究相同滑动条件下热处理相演变对摩擦学行为影响的报道仍较少。因此，本研究针对as-built、退火态和回火态LPBF H13，在可控高载干滑动条件下开展系统对比，旨在建立残余奥氏体减少、残余应力释放和碳化物析出与摩擦稳定性及磨损机制的直接联系。

Sunil Kumar与Kiran Bharati在《Results in Surfaces and Interfaces》上发表了该项研究。他们采用气体雾化H13工具钢粉末，利用商用LPBF系统制备圆柱销试样，随后分别进行700 °C退火（20 °C/h缓冷）和700 °C回火处理，并对三种状态的试样进行显微组织表征和销盘摩擦试验。结果表明：退火通过形成连续摩擦层稳定了摩擦系数；回火显著提高硬度至55±1 HRC，磨损率降至约1.6×10^-4 mm³/Nm，但磨损机制由剥层转变为磨粒磨损。研究强调，LPBF H13的摩擦学行为并非仅由硬度决定，而是受残留奥氏体含量、残余应力状态、碳化物析出和显微组织均匀性共同控制。该工作为LPBF H13工具钢的后处理工艺设计提供了过程-结构-摩擦学关联依据。

研究采用气体雾化H13粉末（化学成分符合AISI标准），在SLM 500设备上以203 W激光功率、923 mm/s扫描速度、50 μm层厚、60 μm扫描间距打印，体积能量密度约73.3 J/mm³。打印态样品一部分经700 °C退火（20 °C/h冷却），一部分经700 °C回火。表征手段包括维氏显微硬度计（500 g，10 s）、场发射扫描电子显微镜与能谱仪（FE-SEM/EDS）、X射线衍射（CuKα，1.5°掠射角）及半定量峰面积相分析。摩擦学测试使用销盘摩擦试验机，以100 N法向载荷、800 rpm、100 min，对磨件为淬硬AISI D2钢盘（62±2 HRC），磨损率由质量损失换算。此外采用触针轮廓仪定量表征磨损表面粗糙度和D2盘磨损轨迹。

3.1 形貌与物相分析。通过SEM和定量图像分析发现，as-built试样存在胞状枝晶组织、未熔颗粒以及由未熔合引起的孤立孔隙，平均等效缺陷直径为5.24±2.79 μm，孔隙面积分数为0.74%，缺陷密度约264个/mm²。XRD显示α-Fe（马氏体）峰宽化，表明高微应变与高位错密度；退火和回火后峰形变化，回火后出现M₂₃C₆、VC和M₆C等碳化物反射峰，说明热处理改变了相构成。

3.1.1 半定量相分析。利用归一化XRD峰面积法对γ-Fe（残留奥氏体）、α-Fe和碳化物特征峰进行半定量比较。结果表明，残留奥氏体贡献从as-built的17.08%依次降至退火态的15.63%和回火态的7.81%；碳化物贡献由4.34%升至7.91%（退火）和13.47%（回火）。这证实回火促进了富Cr、V、Mo碳化物的析出和残留奥氏体向回火马氏体的转变。

3.2 摩擦学性能。通过连续记录摩擦系数和测量磨损量发现，as-built试样在滑动初期具有较高且波动的摩擦系数（0.63±0.01），磨损机制为粘着与剥层；退火态试样因应力释放和组织均匀化，表面形成连续摩擦层，摩擦系数稳定在0.42±0.02；回火态试样因硬度升高，摩擦系数起始较低（0.47±0.02）后升至0.58±0.02，磨损机制以两体磨粒磨损和微切削为主。磨损率定量结果为：as-built 2.1×10^-4 mm³/Nm，退火态3.47×10^-3 mm³/Nm，回火态1.6×10^-4 mm³/Nm，表明回火态耐磨性最佳。

3.2.1 试样与对磨盘磨损轨迹的定量表征。触针轮廓仪测量显示，退火态试样磨损表面粗糙度最高（R_a=3.15±0.09 μm），D2盘磨损轨迹最深（约765 μm），与其严重塑性变形和最高磨损率一致；回火态试样磨损表面粗糙度最低（R_a=0.24±0.01 μm），D2盘磨损轨迹深度约290 μm，对应磨粒磨损但损伤较小。这些定量结果与SEM观察的磨损机制一致。

3.3 显微组织与摩擦学行为的关联。结合半定量XRD和摩擦学结果，研究人员将磨损行为演变归因于残留奥氏体减少、残余应力释放和碳化物析出的协同作用。as-built微观不均匀性和残余应力引发脆性剥层；退火消除应力并促进摩擦层生成；回火通过硬质碳化物提高耐磨性，但使磨损转向两体磨粒磨损。因此，LPBF H13的摩擦学性能由显微组织均匀性、相组成和表面氧化膜稳定性共同决定，而非单纯依赖硬度。

讨论部分，研究人员将结果与已有文献对比，指出本研究通过半定量XRD证据补充了LPBF H13热处理相演变与摩擦机制之间的关联。他们提出，LPBF H13的磨损行为受胞状组织形态、残余相和析出状态的综合影响；从设计与工业模具角度看，优化工艺链应首先获得缺陷少、组织细小的胞状结构，再通过定制热处理降低残留奥氏体、析出细小碳化物并稳定组织，从而提升摩擦学性能。

研究结论部分可翻译为：本研究实验考察了退火和回火对LPBF制备的H13工具钢在高载干滑动条件下显微组织和磨损行为的影响，得出以下结论：（i）as-built态呈现不均匀马氏体组织，含有残留奥氏体和残余应力，导致不稳定的摩擦行为（CoF 0.63±0.01）和以剥层为主的磨损；700 °C退火促进应力消除和组织均匀化，有利于形成更稳定的摩擦层，使稳态摩擦系数降至约0.42±0.02；700 °C回火引发碳化物析出并将硬度提高至55±1 HRC，显著降低磨损率（约1.6×10^-4 mm³/Nm），但使主导磨损机制转变为磨粒磨损和微崩刃，摩擦系数约为0.58±0.02。（ii）结果证明LPBF H13钢的摩擦学行为并非仅由硬度决定，而由残留奥氏体含量、残余应力状态、碳化物析出和显微组织均匀性之间的关系所主导。在所研究的干滑动条件下，回火提供更好的耐磨性，退火则提供更好的摩擦稳定性。（iii）然而，结论仅限于所研究的滑动参数和热处理方案；未来需要研究不同载荷条件、替代回火体系和详细残余应力定量，以进一步简化本研究确定的工艺-结构-摩擦学关系。