铬钼钒合金元素对激光选区熔化（SLM）成形铬系热作模具钢的微观组织及热疲劳性能的影响 丨 MDPI Metals
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通讯作者
魏青松 教授
华中科技大学
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华中科技大学“华中学者”特聘教授、博士生导师，材料科学与工程学院材料加工专业研究生教研室主任、中国机械工程学会增材制造分会副总干事、中国机械工程学会特种加工学会理事、中国模具工业协会装备委员会副主任、中国机械工程学会团体标准增材制造应用领域标准召集人、Metals 期刊编委。魏教授作为共同主席创办了中国增材制造青年科学家论坛年会，主持过国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、国家两机专项课题等国家、省部级和企业科研任务 20 余项。近年来，在国家自然科学基金、两机专项其他国家级和省部级项目支持下，研究特种能场辅助 SLM 控性新理论与新方法、高性能金属和陶瓷粘接剂喷射 (3DP) 增材制造工艺与应用、人体骨骼植入物以及随形冷却模具 3D 打印创新与应用等。在 ACTA Materialia、《中国科学》等国内外权威期刊上发表学术论文 150 余篇、SCI 收录 100 余篇、ESI 热点/高被引论文 8 篇次、他引 4500 余次，主编专著/教材 4 部、参编 4 部，授权发明专利 30 余项。
导读
铬系热作模具钢被广泛应用于冲压、热轧、热锻、压铸等热作模具工业领域。采用激光选区熔化 (Selective Laser Melting, SLM) 成形高精度复杂热作模具是当今科研热点之一。然而，作为铬系热作模具钢的主要失效形式的热疲劳性能却鲜有报道。
本文设计了低 (low content, LH)、中 (medium content, MH)、高 (high content, HH) 三个合金元素水平的预合金铬系热作模具钢粉末，并对他们分别进行 SLM 成形与热疲劳 (650℃/30℃) 测试。结果显示 LH 具有最低的硬度 (约 573 HV5) 和最长的裂纹长度，MH 具有最高的硬度 (约 688 HV5)，HH (约 675 HV5) 具有最短的裂纹长度。
研究过程
作者对 SLM 成形铬系热作模具钢的研究现状进行了回顾，指出目前该领域对热作模具钢最重要的性能——热疲劳性能鲜有研究。众所周知，合金成分的调整对材料性能影响很大，但目前还没有有关合金成分对 SLM 成形铬系热作模具钢性能的研究报告。同时也指出传统铬系热作模具钢是由回火马氏体、碳化物及高密度位错组成，该材料的抗回火稳定性及高温疲劳性能主要由碳化物的粗化过程决定。因此，本文主要围绕碳化物形成元素 (Cr、Mo、V) 含量对材料热疲劳性能的影响展开。
图 1 展示了本文的相关实验图片，从中可以看出本研究进行了拉伸测试及热疲劳测试 (包括硬度与裂纹长度测定)。
图1. 试验与方法图示。(a) SLM 样品；(b) 热疲劳样品形貌尺寸示意图；(c) 拉伸前试样图；(d) 热疲劳测试示意图；(e) 热疲劳测试后硬度测试位置示意图。
由图 2 可以看出，随着合金含量增加，马氏体块晶粒尺寸呈先下降后增加的趋势，而奥氏体晶粒尺寸和含量则一直增加。
图2. SLM 成形 LH、MH、HH 样品 EBSD 分析数据。(a)-(c) 马氏体块晶粒图；(d)-(f) 马氏体块晶粒尺寸分布图；(g)-(i) 奥氏体晶粒尺寸分布图。
图 3 为三种材料的取向差分析结果。由图可以看出，三种材料的小角度取向含量最多，LH、MH 及 HH 的内核平均取向差 (Kernel average misorientations, KAM) 值分别为 1.448、2.318 及 2.023。因此，MH 具有较高的储能，LH 具有最多的粗化莱氏马氏体。粗化的莱氏马氏体表现为较少的位错密度、晶粒尺寸较大，并且经历了多次自回火过程。
图3. SLM 成形 LH、MH、HH 样品 EBSD 分析数据。(a) 取向差分布图；(b) 小角度晶界分布图；(c)-(d) KAM 图。
图 2 与图 3 说明粗化莱氏马氏体含量随马氏体块晶粒尺寸的增加而增加。表 1 为 SLM 成形 LH、MH 及 HH 样品在 600℃ 下的高温拉伸性能，可以看出，随着合金含量增加，拉伸强度从 1218 MPa 增加到 1281 MPa，最后又下降至 1258 MPa；而延伸率从 7.7% 下降至 7.1%，最后上升至 8.6%。
表1. SLM 成形 LH、MH、HH 样品高温拉伸性 (600℃)。
结合前面对组织的分析可知，合金含量的增加使晶粒细化、强度上升；合金含量的进一步增加使晶粒粗化、强度下降。此外，合金含量的增加使 KAM 值增加，导致材料储能增加和塑性下降；合金含量的进一步增加，使 KAM 值下降、储能下降和塑性大幅提升。但三种材料的最终的抗热疲劳性能随着合金含量增加而提升 (图 4)。
图4. SLM 成形 LH、MH、HH 样品在不同热疲劳周次后的裂纹长度增长图。
经研究发现，三种材料在热疲劳过程中均发生了二次硬化现象 (图 5)，LH 的硬度最低，MH 硬度最高，HH 硬度比 MH 稍低。
图5. SLM 成形 LH、MH、HH 样品在不同热疲劳周次后的硬度。
研究总结
本文研究了合金元素含量对 SLM 成形铬热作模具钢的显微组织、相组成、高温拉伸强度和热疲劳性能的影响。主要研究成果如下：
(1) 三种 SLM 成形铬系热作钢均表现为马氏体和残余奥氏体组织。残余奥氏体含量随合金加入量的增加而增加。这是因为 V 的增加导致 MH 晶粒发生细化，而 Cr 和 Mo 的增加导致 HH 发生晶粒粗化。粗板条含量和 KAM 值随马氏体块体尺寸的增加而增加。
(2) LH、MH 及 HH 的拉伸强度分别为 1218±18 MPa、1281±19 MPa 和 1258±22 MPa，硬度分别为 528±8 HV5、597±12 HV5 和 592±9 HV5。三种材料在热疲劳试验期间都经历了二次硬化过程，热疲劳试验后的硬度分别为 573±9 HV5、688±11 HV5 和 675±10 HV5。
(3) 晶粒尺寸和粗化莱氏体含量是决定 SLM 成形铬系热作模具钢抗热疲劳性能的最重要影响因素。
本文研究的成果阐明了 SLM 成形铬系热作模具钢的高温强度、硬度及抗热疲劳性能与合金成分及微观组织的关系，希望能为 SLM 成形类似合金的性能提升及新材料开发提供借鉴。
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原文出自 Metals 期刊
Wang, M.; You, B.; Wu, Y.; Liang, B.; Gao, X.; Li, W.; Wei, Q.
Effect of Cr, Mo, and V Elements on the Microstructure and Thermal Fatigue Properties of the Chromium Hot-Work Steels Processed by Selective Laser Melting.
Metals 2022, 12, 735.
Metals 期刊介绍
主编：Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee，USA
期刊发表涵盖金属材料和冶金工程领域研究以及科技发展研究领域在内的学术文章。
2021 Impact Factor | 2.695 |
2021 CiteScore | 3.8 |
Time to First Decision | 17.3 Days |
Time to Publication | 34 Days |
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