南京航空航天大学：电弧熔丝增材制造H13工具钢：凝固模式、组织演变机制和力学性能！

来源：焊接科学

AISI H13工具钢在模具工业中的关键应用价值以及增材制造（AM）技术在模具制造和修复中的巨大应用潜力引起了研究人员的广泛关注。然而，对于H13增材制造过程中的凝固模式和微观组织演化机制尚未达成共识。AM制造的H13部件中独特的细胞/树枝状亚结构与晶粒结构之间的关系尚未完全了解。

2023年8月8日，南京航空航天大学材料科学与技术学院魏艳红教授团队联合上海航天精密机械研究所（800所）在《Materials Science and Engineering: A》（中科院1区，Top，影响因子6.4）发表最新研究成果“H13 tool steel fabricated by wire arc additive manufacturing: Solidification mode, microstructure evolution mechanism and mechanical properties”，研究了采用电弧增材制造技术制造的H13部件不同区域的显微组织和力学性能。魏艳红教授为通讯作者。

热力学计算和实验结果证实了AM非平衡凝固过程中δ-铁素体的形成。胞状/枝晶亚结构是由δ-铁素体和奥氏体的凝固以及伴随的偏析造成的。光学显微镜和扫描电子显微镜的结果以及通过电子背散射衍射（EBSD）重建的原奥氏体晶粒结构都证实了胞状/枝晶亚结构的形成和分布与原奥氏体晶粒没有直接关系。EBSD极图显示，虽然马氏体相变削弱了晶体的择优取向，但沉积区典型结构中的马氏体相仍然具有较高的织构强度，这可能是H13构件力学性能各向异性的主要原因。

图 1. H13 样品的 OM 形貌：(a) 宏观形貌；(b) Top-DZ；(c) 中DZ；(d) 底部 DZ；(e) 热影响区。

图 2. H13 样品的 SEM 图像：(a) Top-DZ；(b) 中DZ；(c) 底部 DZ；(d) 热影响区。

图3. H13试件的室温拉伸性能：(a)工程应力-应变曲线；(b) 拉伸性能的直方图。

关键结论
该工作详细研究了WAAM制造的H13模具钢不同区域的显微组织和力学性能，并通过热力学计算和表征技术相结合证实了WAAM中H13模具钢的凝固模式和显微组织演变机制。主要结论如下。

1）由于快速非平衡凝固和溶质偏析，产生了细胞/树枝状亚结构。显微组织主要由胞内/枝晶内部的α′相和主要分布在边界处的γR组成。由于液相最后凝固区域的溶质富集而形成γR薄膜，从而稳定了局部区域的奥氏体。OM图像、SEM图像以及EBSD重建的PAGs结构均证实γR薄膜与PAGB的形成和分布没有直接关系。

2）热力学计算和实验结果支持凝固过程中δ-铁素体的形成。δ-铁素体首先在高温下由液相形成。随后发生L+δ→γ的包晶反应，析出γ相。最后发生马氏体相变，形成α′相和γR。

3）机械性能表现出显着的不均匀性和各向异性。样品不同区域性能的不均匀性归因于所经历的热历史的差异和原位回火的影响。各向异性可能主要源于晶体的择优取向，而不是较弱的γR薄膜或残余应力。因为虽然马氏体相变削弱了织构，但α′相仍然表现出较高的织构强度。

4）显微组织中存在大量富VMC碳化物。MC碳化物似乎比其他类型的碳化物具有更强的形成驱动力。硅在MC碳化物周围富集，这是由于碳化物生长过程中高浓度硅的排斥作用，导致硅在碳化物/过饱和铁素体界面发生偏析。作为置换原子，碳化物排出的硅更难扩散，因此富集在碳化物周围。

5）HAZ和HDIS中的BL/ML混合结构共同解释了混合样本的潜在强化机制。HAZ中的BL划分了原奥氏体晶粒并细化了马氏体晶粒。混合试件中较硬的Bottom-DZ和较软的HAZ构成了不均匀的微观结构，硬区和软区的变形不均匀导致产生背应力，进而产生HDIS。这两个因素共同作用以提高强度和延展性。

通讯作者

魏艳红，南京航空航天大学材料科学与技术学院教授、博士生导师，哈尔滨工业大学兼职教授、博导。主要研究方向：1、材料焊接性及焊接工艺；2、焊接过程数值模拟与仿真；3、焊接工程应用软件设计；4、数字化焊接。主持和参加了国家自然基金项目、国家攀登B计划、国防“十一五”基础研究项目、教育部回国留学基金及企业若干横向课题。所研制的焊接工程数据库及专家系统已经在锅炉、压力容器、航空、航天、油田建设、重型机械、造船等行业投入使用。共发表论文100余篇，连续在三届全国焊接年会上获得优秀论文奖励。现任英国《science andtechnology of welding and joining》杂志编委，中国焊接学会计算机应用专业委员会委员。魏艳红教授在焊接数据库、焊接专家系统及焊接数值模拟与预测等方面均多有建树。

论文引用

Du X, Liu X, Shen Y, et al. H13 tool steel fabricated by wire arc additive manufacturing: Solidification mode, microstructure evolution mechanism and mechanical properties[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023: 145536. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145536