通过添加钨来调整激光粉末床熔融H13钢的性能：颗粒大小和热处理的作用

《Materials Science and Engineering: A》：Tailoring the properties of laser powder bed fusion H13 steel via tungsten addition: roles of particle size and heat treatment

激光粉末床熔融（LPBF）制造的H13钢中，5μm和10μm钨颗粒通过细化晶粒、抑制奥氏体不稳定相变及促进WCX相形成，协同提升强度与延展性。热处理（550℃）使碳化物分布更均匀，抑制粗化，实现强度（1587.5MPa）与断裂伸长率（7.3%）的优异平衡。研究提出颗粒尺寸设计调控金属基复合材料微观结构的新策略。

　　

崔春丽|马如龙|郝振华|王培|舒永春|何吉林

郑州大学材料科学与工程学院，中国郑州，450001

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）技术为制造复杂形状的金属基复合材料提供了一种有效途径，其独特的设计自由度使其具有显著优势。然而，在LPBF处理的H13钢中同时实现高强度和高延展性仍是一个挑战。本研究系统地探讨了钨颗粒尺寸（5 μm vs. 10 μm）和热处理对LPBF处理后的H13钢微观结构演变及力学性能的耦合影响。结果表明，添加钨颗粒能够细化晶粒并通过原位形成WC_X相来抑制不稳定的奥氏体，从而协同提升材料的强度和延展性。此外，与添加5 μm钨颗粒的样品（H13-5）相比，添加10 μm钨颗粒的样品降低了应力集中并提高了界面塑性，从而实现了更高的延展性（H13-10）。在550°C回火处理后，复合材料的主要强化机制从晶粒细化转变为纳米级Cr富集碳化物的析出强化。值得注意的是，添加10 μm钨颗粒的样品（H13-10/550）表现出更均匀的碳化物分布和更受抑制的粗化现象，实现了位错强化与析出强化之间的优异协同效应，从而获得了出色的强度-延展性平衡（抗拉强度：1587.5 MPa，断裂伸长率：7.3%）。该研究为通过颗粒尺寸设计来调控金属基复合材料的微观结构和性能提供了一种新策略。

引言

H13钢因其高强度、优异的耐磨性和持久的红硬性而被广泛用于航空发动机轴承、起落架和模具[[1], [2], [3]]。传统的制造方法主要依赖于减材加工，这严重限制了复杂模具结构的实现。激光粉末床熔融（LPBF）作为一种近净成形增材制造技术，能够高效地制造出复杂的几何形状，成为先进模具制造的有希望的替代方案[[4], [5], [6]]。然而，LPBF过程中的快速冷却会导致H13钢中形成残留奥氏体（RA）。这种不稳定的RA在机械载荷作用下会转变为脆性的马氏体，从而降低材料的力学性能和服务寿命[[7], [8], [9]]。我们之前的研究表明，向H13钢中添加钨可以通过促进WC_X相的形成来有效降低基体中的碳含量，从而抑制残留奥氏体的形成[[10]]，从而显著提高H13钢的硬度、强度、延展性和耐磨性。

近年来，第二相颗粒的大小已成为决定LPBF处理金属基复合材料（MMCs）性能的关键参数。

该参数通过直接调控熔池动力学、凝固微观结构演变以及增强体-基体界面结合状态来从根本上控制材料性能[[11], [12], [13], [14]]。例如：An等人[15]报告称，纳米级的TiB₂在TiB/Ti6Al4V中完全溶解并均匀析出，增强了强度-延展性协同效应；而微米级的颗粒则导致应力集中和脆性断裂。类似地，Xue等人[16]证明较小的SiC颗粒改善了SiCp/AlSi10Mg的致密性和界面反应，优化了硬度和耐磨性。Fereiduni等人[17]也证实，纳米级HA的添加通过晶粒细化和位错强化机制提高了Ti6Al4V的力学性能。这些研究共同强调了颗粒大小在LPBF过程中通过扩散和相变动力学调控微观结构演变中的重要作用。此外，热处理作为一种关键的后处理技术，旨在实现微观结构的稳定性、消除残余应力并优化碳化物析出行为[[18], [19], [20], [21]]。重要的是，初始增强颗粒的大小可以通过影响元素扩散路径和相变动力学进一步影响复合材料的热处理响应。尽管之前的研究已经阐明了LPBF处理后的W-La₂O₃/H13复合材料的微观结构和性能，但钨粉颗粒大小对凝固微观结构、界面特性和热处理响应的系统性影响仍不明确。

本研究系统地探讨了钨粉颗粒大小（平均颗粒尺寸为5 μm和10 μm）对LPBF处理后的H13复合材料的影响机制，重点研究了颗粒大小对熔池行为、微观结构演变及综合力学性能的影响。此外，还设计了一种针对该复合材料系统的热处理工艺，以揭示颗粒大小对相变行为、析出动力学以及回火过程中的强化和增韧机制的影响。最终，本研究旨在建立颗粒大小、热处理工艺、微观结构和力学性能之间的系统关联，为LPBF处理后的H13钢复合材料的可控制备和性能优化提供理论和实验支持。

部分内容摘录

粉末材料

本研究中使用的气雾化H13粉末与我们之前的工作[3]中的相同，其颗粒尺寸分布为15-53 μm（Avimetal AM Tech Co., Ltd.）。平均颗粒尺寸为5 μm和10 μm的球形钨粉是通过等离子球化工艺制备的（ZZUQH-100，郑州大学）。H13粉末分别与1 wt%的钨粉机械混合，其形态和EDS数据如图1(a–d)所示。

钨颗粒大小对H13钢微观结构演变的影响

图2展示了LPBF处理样品的SEM图像。样品的微观结构由等轴晶、柱状晶和胞状晶组成。图2(a)显示的H13样品中含有约50 μm大小的孔洞。相比之下，添加钨颗粒后这些大孔洞被有效消除，仅留下了少量小孔。H13-5和H13-10复合材料中都含有大量与基体紧密结合的钨颗粒。

微观结构演变机制

图17展示了H13、H13-5、H13-10、H13-5/550和H13-10/550样品的微观结构演变过程。LPBF过程中H13钢形成的微观结构主要为板条状马氏体，同时含有少量的碳化物。对于H13-5样品，添加5 μm钨颗粒促进了异质形核并细化了晶粒尺寸。同时，钨颗粒与基体之间的热膨胀系数不匹配导致了高密度的

结论

本研究系统地探讨了钨颗粒大小（5 μm和10 μm）和热处理对LPBF制备的H13钢的相组成、析出相演变及力学性能的影响。主要结论如下：

(1)

添加钨粉细化了胞状晶粒并诱导了再熔化，促进了马氏体转变，通过晶粒细化和相变实现了强度和延展性的协同提升

作者贡献声明

崔春丽：撰写 – 原始稿撰写、验证、方法论制定、实验研究、数据分析。马如龙：项目监督、项目管理、资金筹措。郝振华：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹措。王培：项目管理、资金筹措、概念构思。舒永春：项目管理、资金筹措、概念构思。何吉林：项目管理、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中原关键金属实验室（GJJSGEYQ202302）项目的支持。