粉末中氧含量对采用激光直接能量沉积技术制备的Fe–Si–Mn–Cr–W中碳工具钢的层状马氏体结构以及强度-韧性平衡的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of powder oxygen content on hierarchical martensitic structure and strength–ductility balance in Fe–Si–Mn–Cr–W medium carbon tool steel manufactured by laser direct energy deposition

本研究采用真空和空气熔炼两种粉末制备中碳工具钢，发现真空粉末（VP）形成的细层状结构（packet-block-lath）具有高强度（814.4 MPa YS，2333.3 MPa UTS）但低延展性（9.2%），而空气粉末（AP）的粗层状结构（block clustering）导致较低强度（757.7 MPa YS）但高延展性（20.8%）。VP的位错胞细化限制滑移，AP通过多滑移和位错墙实现均匀变形，揭示氧含量影响层状结构从而调控强韧平衡。

　　

Jung-Hyun Park|Min-Su Jeon|Dae-Joong Kim|Jong-Bae Jeon|Yong-Mo Koo|Kee-Ahn Lee

材料科学与工程系，仁荷大学，韩国仁川22212

摘要

通过定向能量沉积（DED）技术，使用两种类型的粉末原料制备了一种Fe–Si–Mn–Cr–W中碳工具钢（改良型G6成分）。这两种粉末原料分别采用真空条件下（VP，较低氧含量）和空气条件下（AP，较高氧含量）熔融金属的气雾化方法制备而成。在DED制备的Fe-Si-Mn-Cr-W工具钢中，VP型工具钢形成了更细小的先共析奥氏体晶粒（PAG）–包块–条状结构，并伴有稳定的位错胞亚结构；而AP型工具钢则形成了较粗大的马氏体组织，亚结构细化程度较低，且PAG边界附近富Mn的氧化物比例较高。拉伸试验结果显示，VP型工具钢具有更高的强度（屈服强度814.4 MPa，抗拉强度2333.3 MPa），但伸长率较低（9.2%）；而AP型工具钢的强度较低（屈服强度757.7 MPa，抗拉强度1833.6 MPa），但伸长率显著较高（20.8%）。先共析奥氏体晶粒（PAG）内的变体分布和晶体取向进一步证实了这一趋势：VP型工具钢表现出强烈的包块排列和有限的滑移多样性，而AP型工具钢则呈现块状聚集和扩展的滑移路径。这些层次结构差异导致了不同的变形模式：VP型工具钢由于滑移传递受限而发生应变局部化及变形孪生，这与其以强度为主的力学响应一致；相比之下，AP型工具钢通过多方向滑移传递和粗大块内的位错壁形成来适应应变，从而促进了应变分散和延展性的提高。总体而言，研究结果表明，氧对马氏体层次结构的演变调控了DED工具钢的强度与延展性之间的平衡。

引言

定向能量沉积（DED）是一种金属增材制造（AM）工艺，能够实现大规模组件的快速制造、不同材料的沉积以及复杂金属零件的修复[1]、[2]、[3]。凭借这些优势，DED在工具和模具行业中被视为一种有竞争力的制造方法，尤其是在零件表面再制造和局部修复方面尤为重要。对于工具钢而言，增加碳含量通常能通过提高碳化物比例和固溶强化来提升强度。然而，当使用AM工艺制造高碳工具钢时，由于马氏体转变过程中的晶格膨胀可能引发内部应力，同时低熔点碳化物的形成会增加裂纹敏感性[4]、[5]、[6]，因此制造无缺陷的零件仍然具有挑战性。

出于这些原因，近期研究越来越多地关注使用相对较低碳含量的中碳和低碳工具钢的AM制造。尽管如此，AM加工过程中仍可能形成各种碳化物，从而导致微裂纹。为了解决这一问题，人们提出了一种工具钢和高强度钢的合金设计策略，即控制易导致裂纹形成的碳化物形成元素（如C和Cr）的含量，同时增加固溶强化元素（如Mn、Si和W）的含量以弥补潜在的强度损失[7]、[8]。Gridur 6（G6）是一种中碳工具钢，用作焊接填充材料，具有较高的强度和耐磨性[9]。尽管如此，当G6工具钢应用于DED工艺时，虽然制成的组件具有优异的耐用性，但在制造过程中仍可能存在裂纹敏感性。因此，基于G6的微小成分修改策略有望降低DED过程中的裂纹敏感性并改善机械性能。

在DED工艺制造的钢材中，由于高冷却速率和陡峭的温度梯度，先共析奥氏体晶粒（PAG）倾向于呈柱状生长。在这些PAG内部，马氏体转变过程中会形成由包块、块状和条状组成的复杂层次结构[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。由于钢材的马氏体转变受明确的晶体变体关系控制，这种层次结构的排列特性会显著影响其机械性能。

最近，多项研究报道了通过AM工艺制造的工具钢中的层次微结构。Wang等人观察到，在通过粉末床熔融（PBF）工艺制造的H13钢中，减少Cr和Mo含量同时增加V含量可以减小块状尺寸，从而提高拉伸强度[19]。此外，随着块状尺寸的增加，块状内部粗大条状组织的比例增加，这延缓了疲劳载荷条件下的裂纹起始。Deirmina等人报告称，在通过DED制造的H13工具钢中，直接回火处理减小了块状尺寸，增加了细小二次碳化物的析出位点，从而提高了强度[20]。以往的研究主要关注了PAG、包块、块状和条状之间的区别以及块状尺寸等尺寸效应。然而，关于AM制造工具钢的详细晶体特征的研究仍然较少，特别是PAG内包块组和块状之间的变体分布以及马氏体内的位错亚结构。

同时，在AM工艺中，粉末生产和回收过程中粉末的氧化程度可能会增加，这可能导致沉积材料中形成细小氧化物，从而影响微观结构和机械性能。这些氧化物颗粒会阻碍位错运动并限制滑移系统的激活，从而控制变形机制[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。对于传统制造的钢材，已有研究报道了氧化对层次微结构特征的影响，并指出氧沿高能晶界的高扩散会导致室温及高温下的性能变化[26]、[27]。然而，AM过程中粉末氧化对钢材层次马氏体演变和变体取向选择的影响尚未得到详细研究。

本研究首次基于传统的G6工具钢合金，通过降低C和Cr含量并增加Mn、Si和W含量，设计并制备了一种Fe–Si–Mn–Cr–W中碳工具钢（改良型G6成分），旨在确保DED工艺的适用性并提升机械性能。此外，系统研究了粉末制备过程中氧含量差异对DED制品层次马氏体微结构和机械性能的影响。此外，还对制备的DED整体材料中PAG、包块、块状和条状之间的结构相关性以及变体分布进行了定量分析，并将这些结果与亚结构层面的位错行为联系起来，以阐明变形和断裂机制。

部分摘录

粉末制备和DED工艺

为了获得不同氧含量的粉末原料，分别在真空环境和空气环境中制备了熔融金属。随后在N₂环境下使用相同的气雾化方法制备粉末。真空环境下制备的粉末称为VP（真空粉末），空气环境下制备的粉末称为AP（空气粉末）。为了分析粉末的化学成分，进行了...

DED Fe–Si–Mn–Cr–W工具钢的微观结构

图3显示了VP型和AP型工具钢的初始微观结构。在先共析奥氏体晶粒（PAG）边界附近观察到了球形夹杂物。EPMA分析显示两种样品中都存在局部的Mn偏聚现象，且在Mn偏聚区域观察到了富Mn的氧化物。在代表性区域进行了EPMA点分析，结果总结在表2中。结果表明，马氏体基体（点A）具有相对均匀的成分，而...

层次变体分布对变形分散的影响

PAG内的条状马氏体转变遵循Kurdjumov–Sachs（K–S）取向关系（OR关系），共包含24种变体[44]、[45]、[46]。这些变体被分为具有相同晶面的CP（紧密排列的平行平面）组和具有相似晶体方向的Bain组，它们分别形成包块和块状结构[47]、[48]。先共析奥氏体的重构基于表4中总结的24种K–S OR变体进行...

结论

本研究设计了一种Fe–Si–Mn–Cr–W中碳工具钢合金（改良型Gridur 6），并使用定向能量沉积工艺制备了两种不同氧化水平的粉末原料。相应层次结构的变化与机械性能进行了关联分析，得出以下结论：

1.

在VP型和AP型工具钢中，PAG边界附近观察到了球形富Mn氧化物，且氧化物尺寸较大

作者贡献声明

Kee-Ahn Lee：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、概念构思。Yong-Mo Koo：资源提供。Jong-Bae Jeon：方法论、概念构思。Dae-Joong Kim：资源提供、方法论。Min-Su Jeon：方法论、实验研究。Jung-Hyun Park：撰写 – 原稿撰写、软件使用、方法论、实验研究

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。

数据可用性

数据可应要求提供。

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

本研究得到了韩国政府（贸易、工业与能源部，MOTIE）资助的技术创新计划（编号20011279）以及韩国政府（贸易、工业与能源部，MOTIE）的产业专家能力发展计划（编号RS-2024-00406598）的支持。