热处理和扫描旋转对采用激光粉末床熔融技术制造的热作工具钢微观结构的影响

《steel research international》：Influence of Heat Treatment and Scan Rotation on the Microstructure of Hot Work Tool Steel Manufactured using Laser Powder Bed Fusion

激光粉末床熔融（L-PBF）制造的H13工具钢微观结构受扫描旋转影响显著。原态材料呈现胞状结构，晶界富集合金元素并存在纳米级碳化物。热处理后，奥氏体晶粒尺寸细化，归因于再结晶和碳化物钉扎效应抑制晶界生长。扫描旋转角度（0°、45°、67°、90°）导致织构强度差异，0°旋转材料织构最强，67°旋转材料各向同性最显著。硬度测试显示原态材料垂直截面硬度低于水平截面，热处理后差异减小。

　　本研究围绕激光粉末床熔融（L-PBF）工艺制造的H13工具钢的微观结构演变与机械性能之间的关系展开，重点分析了扫描旋转对初始结构和热处理后结构的影响。H13工具钢因其在高温下具有优异的强度、韧性和耐磨性，被广泛应用于模具制造和热加工领域。然而，L-PBF工艺由于其快速的冷却速率和非均匀的热循环，容易导致材料内部出现柱状生长和微观结构不均等问题。因此，对L-PBF制造的H13工具钢进行适当的后处理，如热处理，是优化其性能的重要手段。

在L-PBF制造过程中，H13工具钢的微观结构主要由片状马氏体、残留奥氏体和碳化物组成。这些微观结构特征与材料的性能密切相关。例如，残留奥氏体的存在可能影响材料的硬度和强度，而碳化物则在增强材料的性能方面发挥重要作用。由于L-PBF工艺的冷却速率极高（约为10^4到10^6 °C/s），在材料的细胞结构区域会形成显著的合金元素微偏析，如铬（Cr）、钼（Mo）和钒（V）在细胞边界和三联晶界处富集。这种微偏析现象可能影响马氏体开始转变温度（Ms），从而改变材料的相变行为和最终的微观结构。

研究中采用的H13工具钢粉末为Uddeholm AM Dievar，其化学成分接近于传统H13工具钢，但部分元素含量有所调整，如硅（Si）和钒（V）含量较低，而钼（Mo）含量较高。这种成分的调整可能对材料的微观结构和性能产生影响。研究还指出，L-PBF制造的H13工具钢在初始状态（AB）下表现出独特的细胞结构，其特征是细胞边界处富集合金元素，并且在三联晶界和细胞间区域存在纳米级的碳化物。这些碳化物的存在不仅影响了材料的硬度，还可能对热处理过程中的晶粒生长起到抑制作用。

为了研究这些微观结构特征，研究采用了电子背散射衍射（EBSD）技术，并结合了重建算法，以识别和量化前奥氏体晶粒（PAGs）的尺寸和分布。EBSD分析显示，PAGs在不同扫描旋转角度下呈现出不同的形态和取向特征。例如，在0°扫描旋转下，PAGs呈现出明显的柱状生长趋势，其取向与建筑方向（BD）一致。而在45°、67°和90°的扫描旋转下，PAGs的生长方向和取向受到干扰，导致晶粒尺寸分布更加均匀，微观结构表现出更强的平面各向同性。这一发现表明，扫描旋转对PAGs的形成和演变具有显著影响。

热处理过程对材料的微观结构和性能产生了深远的影响。在热处理过程中，材料经历奥氏体化、淬火和回火等步骤。研究发现，热处理不仅促进了PAGs的细化，还通过碳化物的钉扎效应抑制了晶粒的生长。这种细化作用在0°和90°扫描旋转下更为明显，而在67°旋转下则表现得更为均匀。此外，热处理后，材料中的碳化物形态也发生了变化，从纳米级的细长形碳化物转变为球形的大尺寸碳化物。这种变化可能与热处理过程中碳的扩散和重新分布有关。

在硬度测试方面，研究发现，不同扫描旋转下制造的样品在初始状态（AB）下表现出显著的各向异性。具体来说，XY截面的硬度值普遍高于YZ截面，这可能与XY截面中PAGs的尺寸更小、分布更均匀有关。而在热处理后，这种各向异性有所减弱，样品的硬度值趋于一致，显示出更高的均匀性。这表明，热处理能够有效缓解L-PBF制造过程中引入的微观结构不均问题，从而改善材料的性能。

从微观结构的角度来看，L-PBF制造的H13工具钢表现出显著的各向异性。这种各向异性主要源于扫描旋转对熔池形态和热流方向的影响。在0°和90°扫描旋转下，材料的晶粒取向更集中于特定方向，如<111>方向，而67°旋转则导致晶粒取向更加随机。这种各向异性不仅影响材料的硬度，还可能对其韧性、疲劳性能和热稳定性产生影响。研究还指出，材料的微观结构特征在不同截面（如YZ和XY）中表现出差异，这可能与晶粒的生长方向和热处理过程中碳化物的演变有关。

此外，研究还探讨了扫描旋转对PAGs尺寸和分布的影响。在0°和90°旋转下，PAGs的尺寸较大且分布不均，而在45°和67°旋转下，PAGs的尺寸和分布更为均匀。这种差异可能与熔池之间的相互作用和热流的分布有关。在热处理过程中，PAGs的细化作用更为显著，特别是在67°旋转下，热处理后的PAGs尺寸和分布与AB条件下的差异明显缩小，显示出更强的各向同性。这表明，扫描旋转和热处理共同作用，可以有效改善L-PBF制造材料的微观结构均匀性。

研究还发现，热处理过程中，材料的硬度值有所下降，这可能与晶粒的细化和碳化物的粗化有关。细化的晶粒可以通过Hall-Petch效应提高材料的强度，而粗化的碳化物则可能降低材料的硬度。此外，热处理过程中，材料的残余奥氏体和碳化物含量也会发生变化，这些变化可能影响材料的最终性能。例如，热处理后，材料中的碳化物含量增加，可能导致材料在高温下的稳定性增强。

综上所述，本研究通过分析不同扫描旋转角度和热处理条件下的H13工具钢微观结构，揭示了扫描旋转对PAGs尺寸和分布的影响，以及热处理对材料性能的优化作用。研究结果表明，L-PBF制造的H13工具钢在初始状态下表现出显著的各向异性，而在热处理后，这种各向异性有所减弱，材料的微观结构趋于均匀。扫描旋转的选择对材料的微观结构和性能具有重要影响，而热处理则提供了进一步优化材料性能的途径。这些发现对于改进L-PBF制造工艺、提高H13工具钢的性能具有重要的指导意义。