多尺度 Ti(C,N) 颗粒添加对激光粉末床熔融制备的 H13 钢微观组织和力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of Multiscale Ti(C,N) Particle Addition on Microstructure and Mechanical Properties of H13 Steel Fabricated by Laser Powder Bed Fusion

　　

摘要

本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）技术，利用表面包覆有 0.5 wt% 或 1 wt% 多尺度 Ti(C,N) 陶瓷颗粒的 H13 钢粉末，制备了一种新型 Ti(C,N) 颗粒改性 H13 钢。这些颗粒的中位粒径（D₅₀）范围为 0.41 至 2.35 μm。研究发现，在熔池内（温度>2510 K），大于 3.5 μm 的 Ti(C,N) 颗粒发生部分溶解，并有效地作为δ-铁素体的异质形核位点；而小于 3.5 μm 的 Ti(C,N) 颗粒完全溶解，导致在冷却过程中形成纳米尺度 (Ti,V)(C,N) 析出相。Ti(C,N) 颗粒的添加显著增强了固有无热处理（IHT）效应，导致残余奥氏体（RA）含量显著降低。此外，它还促进了原始奥氏体晶粒（PAGs）的柱状晶到等轴晶转变（CET），细化了 PAGs，并减弱了 <110>||BD 晶体织构。这种效应显著改变了马氏体变体选择的倾向性，从而促进了马氏体板条的随机生长，并减轻了 H13 钢的整体织构。添加 1 wt% Ti(C,N) 颗粒使 H13 钢的屈服强度从 1509 ± 10 显著提高到 1843 ± 15 MPa，但延展性和加工硬化率受到损害。后者效应可归因于残留微米尺度 (Ti,V)(C,N) 颗粒在变形过程中作为微裂纹形成位点，以及微观结构中 RA 内容的减少削弱了相变诱导塑性（TRIP）效应。本工作为多尺度陶瓷颗粒改性马氏体钢的 LPBF 制备提供了坚实的理论框架和设计指南。

引言

H13 热作模具钢由于其优异的淬透性、回火抗性和卓越的抗热疲劳性能 [1]，被广泛用于金属热挤压和锻造模具及相关应用。尽管具有这些优点，但恶劣的服务环境——以高温下的严重冲击载荷为特征——通常会导致早期失效和有限的使用寿命 [2]。遗憾的是，传统的强化策略，如热处理优化和冶金净化，已达到瓶颈，进一步性能提升的空间很小。为了应对这一挑战，陶瓷颗粒（例如 SiC、TiC 和 TiN）增强的金属基复合材料（MMCs）引起了广泛关注 [3]，[4]。这些复合材料在热循环和应力循环的极端条件下表现出超高强度和卓越的耐久性，这主要归功于陶瓷增强体固有的高硬度和热稳定性 [5]。因此，将陶瓷颗粒引入 H13 基体代表了一条有前途的途径，可同时提高其室温和高温力学性能。

然而，通过铸造或粉末冶金等传统方法制造这种钢 - 陶瓷复合材料通常存在增强颗粒团聚和陶瓷与基体之间润湿性差的问题 [6]，[7]。近年来，激光粉末床熔融（LPBF）已成为一种强大的 MMC 制造技术 [8]，[9]。LPBF 专门设计用于直接处理复合粉末，利用熔池内强烈的“马兰戈尼”对流促进陶瓷增强颗粒的均匀分散 [10]。此外，LPBF 以最小材料浪费制造复杂几何形状的能力与 H13 钢模具的应用需求完美契合。因此，LPBF 提供了一个克服传统加工障碍并实现陶瓷颗粒均匀分散的 H13 基体复合材料的新机会。

目前，通过 LPBF 将陶瓷颗粒引入金属已被广泛探索。例如，Chen 等人 [11] 通过添加纳米 TiC 颗粒在 CoCrFeMnNi 高熵合金中实现了强度和延展性的协同作用。Hu 等人 [12] 利用 TiC 增强显著提高了哈氏合金 X 的干滑动耐磨性能。Wei 等人 [13] 通过添加 TiC 成功抑制了 LPBF 制备的 René 104 高温合金的开裂。这些研究共同表明，在 LPBF 处理金属中添加陶瓷颗粒可以有效提高可成形性、力学性能和耐磨性。然而，关于通过 LPBF 将陶瓷颗粒引入 H13 钢的研究明显匮乏。现有的少数研究主要集中在 H13/TiC 纳米复合粉末的球磨参数效应和 H13 基复合材料的耐磨性 [14]。关于陶瓷颗粒添加如何影响 LPBF 制备的 H13 钢微观结构演变和力学行为，仍缺乏系统研究。因此，在此特定材料体系中建立陶瓷颗粒含量/尺寸、微观结构和力学性能之间的相关性至关重要。

在本研究中，由于 Ti(C,N) 具有高硬度和优异的热稳定性 [15]，被选为增强相。成功通过 LPBF 制备了 Ti(C,N) 增强 H13 钢基复合材料，并对材料的微观结构和力学性能进行了系统研究，阐明了 Ti(C,N) 颗粒与 H13 基体相互作用的控制机制，具体贡献如下：(1) 阐明 Ti(C,N) 对 H13 钢微观结构特征的影响，包括原始奥氏体晶粒的尺寸和微观织构以及马氏体变体选择；(2) 量化 Ti(C,N) 颗粒的熔化程度与颗粒尺寸和熔池温度的函数关系；(3) 揭示冷却过程中 (Ti,V)(C,N) 析出相的形成机制；以及 (4) 阐明 Ti(C,N) 增强 H13 钢力学性能变化背后的机制。本研究为 LPBF 制备的含碳马氏体钢基复合材料的成分和结构设计提供了基础框架。

章节摘要

粉末原料制备

粒径范围为 15–53 μm，成分为 Fe-5.12Cr-1.24Mo-0.98V-0.98Si-0.39Mn-0.42C (wt.%) 的 H13 钢粉末是由沈阳稀有金属研究院提供的气雾化粉末，其颗粒形貌如图 1(a1) 所示。H13 粉末分别与 0.5 wt.% 和 1 wt.% Ti(C,N) 颗粒混合，其中位粒径（D₅₀）范围为 0.41 至 2.35 μm，通过行星式球磨机进行混合（转速：220 rpm；混合时间：2 h；

Ti(C,N) 添加对 H13 钢工艺性能的影响

图 2(a-c) 展示了使用 254.0 J/mm³ 体积能量密度（VED）制备的三个原位成型样品的金相图像。所有样品的微观结构均表现出明显的双区域特征，包括亮区（标记为区域 1）和暗区（标记为区域 2）。通过 LPBF 制备的样品经历多次激光扫描循环，因此经历固有无热处理（IHT）效应 [16]。基于差异腐蚀抗力，亮区区域 1 对应于较低

Ti(C,N) 颗粒的熔化

如图 4 和表 1 所示，H13-1T 样品含有两种不同尺度的 (Ti,V)(C,N) 颗粒：平均尺寸为 4.4±0.9 μm 的微米级颗粒，以及平均尺寸为 75.0±9.1 nm 的纳米级颗粒。研究表明，LPBF 过程中陶瓷颗粒的熔化行为取决于尺寸，较小的颗粒表现出更高的熔化程度 [29]。本研究中 Ti(C,N) 颗粒的实际熔点可以使用吉布斯 - 汤普森

结论

在本研究中，向 LPBF 制备的 H13 钢中添加了 Ti(C,N) 颗粒，并系统研究了 0.5wt% 和 1wt% Ti(C,N) 颗粒添加对 LPBF-H13 钢微观结构演变和力学性能的影响。主要结论总结如下：

• (1)
  增加 Ti(C,N) 含量增强了 IHT 效应并触发了 PAGs 的柱状晶到等轴晶转变。添加 1 wt.% Ti(C,N) 将 PAGs 尺寸减小了近 80%（从 7.02 μm 到

CRediT 作者贡献声明

Xuemei Yu: 概念化。Fuyang Yu: 撰写 – 初稿，可视化，方法学，调查研究。Deliang Zhang: 撰写 – 审阅与编辑，指导，调查研究，资金获取

数据可用性声明

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在本文章中。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文中报告的工作。

致谢

本工作得到中国辽宁省“兴辽人才计划”（批准号：XLYC1802080）、中国111 项目（批准号：B16009）的资助。特别感谢东北大学分析测试中心提供的仪器数据分析。

Fuyang Yu|Xuemei Yu|Deliang Zhang

东北大学材料科学与工程学院，中国沈阳，110819