通过添加二氧化铈（CeO2）并进行工艺优化，利用多尺度微观结构调控技术实现了LPBF（Laminated Powder Bed Fusion）成型的H13钢的高强度与高延展性

《Optics & Laser Technology》：Achieving high strength and ductility of LPBF-ed H13 steel via multi-scale microstructure tailoring through CeO2 addition and process optimization

　　

崔春莉|陈玉辉|郝振华|马如龙|王佩|舒永春|何继林

郑州大学材料科学与工程学院，中国郑州450001

摘要

LPBF（激光粉末床熔融）技术制备的H13钢中的元素偏析和杂质积累被认为是阻碍其突破强度-韧性平衡的关键瓶颈。为了解决这一问题，采用了添加CeO2和优化工艺流程的双重策略。实验结果表明，0.3 wt%的CeO2含量可以改善熔体的流动性能和样品的致密化程度，而过量的CeO2（0.5 wt%）则会形成脆性的Ce-O-V相，从而降低材料的性能。这一最佳含量使材料的极限抗拉强度和伸长率从914.5 ± 80 MPa和3.1 ± 0.1%（H13-0）提升至1038.3 ± 85.5 MPa和3.2 ± 0.9%（H13-0.3）。通过同时提高激光功率和扫描速度进一步优化工艺参数，显著改善了微观结构，并促进了晶粒的再熔化。原位形成的Ce2O2S沉淀物去除了硫杂质并净化了晶界。值得注意的是，由(Ce, S, V, Cr, C, O)富集颗粒包裹(P, Mn)富集颗粒组成的复合结构进一步证实了这种净化效果。这些多尺度微观结构的改进共同作用，实现了优异的强度-韧性协同效应。经过优化的H13-0.3样品（激光功率350 W，扫描速度600 mm/s）达到了1631.2 ± 73.9 MPa的抗拉强度和4.9 ± 0.8%的伸长率，展现了出色的强度-韧性平衡。

引言

H13熱作鋼由于具有优异的高温强度、耐磨性和抗热疲劳性，在壓铸、鍛造和擠出等行業得到廣泛應用[1]、[2]、[3]。然而，傳統的製造工艺在設計具有複雜內部浇道系統的模具時面临重大挑戰。作為一種革命性的增材製造技術，激光粉末床熔融（LPBF）為H13鋼模具提供了前所未有的設計自由度，因其在製造複雜形狀、實現高成形精度以及近淨成形方面具有獨特優勢[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。這些優勢已成功应用于其他合金系統。例如，最近對LPBF製備的鈦合金的研究表明，通過異質結構設計和相變控制，在克服強度-韧性平衡方面取得了显著成果[10]、[11]。然而，H13鋼中的高碳含量及合金元素（Cr、Mo和V），加上LPBF過程中的快速凝固和複雜熱循環，使得LPBF製備的H13鋼容易產生微偏析、粗大的柱狀晶粒和较高的殘餘應力[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。因此，LPBF製備的H13鋼的機械性能明显低于鍛造H13鋼，這嚴重限制了其應用範圍[17]、[18]、[19]。

為了改善LPBF製備的H13鋼的綜合機械性能，人们做出了大量努力。通過优化加工参数來抑制缺陷形成和提高密度可以增強材料的強度，但通常会以犧牲韌性為代價[20]。熱處理通過馬氏體轉變和碳化物的析出可以恢复H13鋼的部分韌性，但这一過程不可避免地会降低材料的強度[16]、[21]。此外，引入第二相也是調整LPBF製備H13鋼微观結構的常用方法。例如，Shakerin等人[22]指出了在LPBF製備的H13鋼中實現強度-韧性协同的困難性。雖然引入馬氏體鋼成分後韌性显著提高（23%），但其極限抗拉強度卻下降到了664 MPa。这种權衡通常源于快速凝固過程中有害元素在晶界的偏聚，這些晶界 menjadi微裂纹萌生和扩展的優選位置。

近年來，稀土氧化物（如CeO2）在傳統的铸造和焊接領域被證明是有效的晶界淨化劑和晶核改質劑，這主要歸因於Ce元素對氧、硫等雜質的強親和性，使其能形成穩定的高熔點化合物[24]、[27]。Bin等人[28]的研究表明，添加CeO2能有效抑制雜質在晶界的偏聚，提高16Mn鋼的熱塑性。Sajjadi等人[29]發現，加入CeO2可以细化奧氏體晶粒尺寸，抑制元素偏聚並降低哈德菲尔德鋼的收縮微孔率。因此，我们推测在H13鋼的LPBF過程中引入CeO2可以通過“淨化”晶界來抑制合金元素的微偏聚。

基于此，本研究旨在通過系統研究CeO2的強化機制及其與工艺参数的協同效應，全面提升H13鋼的機械性能。首先合成了不同CeO2含量的CeO2-H13複合物，並对其密度、微觀結構和室溫機械性能进行了研究。随后通过优化工艺参数有效調控了微觀結構和相組成，最终获得了強度和韌性平衡最佳的LPBF製備H13鋼。本研究不仅提出了一种有效的材料改性方案，用于高性能增材製造鋼的製備，还为理解稀土氧化物在LPBF過程中的作用機制奠定了重要實驗基礎。

節选內容

粉末材料與LPBF工艺

本研究中使用了氣霧化H13粉末（Avimetal AM Tech Co., Ltd.製造）和自制的噴霧造粒CeO2粉末（圖1(a, b)顯示了这两种粉末的形態，均呈近似球形）。圖1(d, e)顯示了H13和CeO2粉末的粒徑分布，平均粒徑分別為31.26 μm和54.29 μm。複合粉末是通过将H13粉末與不同含量的CeO2颗粒（0 wt%）混合制備的。

CeO2含量的調控

圖2(a)顯示了LPBF製備样品的XRD圖譜。可以看出，所有样品的相組成以馬氏體（α）和奧氏體（γ）为主。此外，在複合材料中未检测到CeO2的明顯特征衍射峰，这可能是由於CeO2含量低，其衍射峰强度太弱而无法與H13鋼的衍射峰区分開來。进一步放大XRD圖譜可見，样品中的馬氏體（110）峰...

結論

本研究表明，通過CeO2的添加和工艺参数的協同優化，有效克服了LPBF製備H13鋼的強度-韧性平衡問題。主要研究結果如下：

（1）CeO2的添加改善了熔池的流動性能和樣品的致密化程度。然而，過量的CeO2（0.5 wt%）會形成脆性的Ce-O-V相，从而降低維氏硬度和抗拉性能。最佳添加量為0.3 wt%的CeO2。

CRediT作者貢獻聲明

崔春莉：撰写——原始草稿、數據可視化、軟件應用、方法論設計、實驗研究、數據整理。陳玉辉：數據整理、正式分析。郝振華：撰寫——審稿與編輯、項目管理、資金籌措。馬如龙：項目管理、資金籌措。王佩：項目管理、資金籌措。舒永春：項目管理、資金籌措。何繼林：項目管理。

利益衝突聲明

作者聲明不存在可能影響本文研究的已知利益衝突或个人關系。

致謝

本項工作得到了中原關鍵金属實驗室（GJJSGFYQ202302）的資助。