南京航空航天大学：H13工具鋼のアークヒューズ積層造形：凝固モード、微細構造進化メカニズムおよび機械的特性！

出典: 溶接科学

金型業界における AISI H13 工具鋼の重要な応用価値と、金型製造および修理における積層造形 (AM) 技術の巨大な応用可能性は、研究者から広く注目を集めています。しかし、H13 積層造形中の凝固モードと微細構造の進化メカニズムについてはコンセンサスが得られていません。 AM 製造された H13 部品の独特な細胞状/樹枝状サブ構造と粒子構造の関係は完全には理解されていません。

2023年8月8日、南京航空航天大学材料科学技術学院の魏延紅教授のチームは、上海宇宙精密機械研究所（研究所800）と共同で、ワイヤアーク積層造形技術を使用して製造されたH13部品のさまざまな領域の微細構造と機械的特性を研究した最新の研究成果「ワイヤアーク積層造形法で製造されたH13工具鋼：凝固モード、微細構造進化メカニズムと機械的特性」を材料科学と工学：A（中国科学院ゾーン1、トップ、インパクトファクター6.4）に発表しました。責任著者はWei Yanhong教授です。

熱力学計算と実験結果により、AM の非平衡凝固中に δ フェライトが形成されることが確認されました。細胞状/樹枝状の下部構造は、デルタフェライトとオーステナイトの凝固とそれに伴う偏析によって生じます。光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡の結果、および電子後方散乱回折 (EBSD) による旧オーステナイト粒構造の再構築により、細胞状/樹枝状サブ構造の形成と分布は旧オーステナイト粒と直接関係がないことが確認されました。 EBSD 極点図は、マルテンサイト相変態によって結晶の優先配向が弱まるものの、堆積領域の典型的な構造におけるマルテンサイト相は依然として高い組織強度を維持していることを示しています。これが、H13 コンポーネントの機械的特性の異方性の主な理由である可能性があります。

図 1. H13 サンプルの OM 形態: (a) マクロ形態、(b) 上部 DZ、(c) 中間 DZ、(d) 下部 DZ、(e) 熱影響部。

図2. H13サンプルのSEM画像：（a）上部DZ、（b）中間DZ、（c）下部DZ、（d）熱影響部。

図3. H13試験片の室温引張特性：（a）工学応力-ひずみ曲線、（b）引張特性のヒストグラム。

主な結論<br /> 本研究では、WAAM で製造された H13 ダイス鋼のさまざまな領域の微細構造と機械的特性について詳細に研究し、熱力学計算と特性評価技術を組み合わせて、WAAM における H13 ダイス鋼の凝固モードと微細構造の進化メカニズムを確認しました。主な結論は次のとおりです。

1) 急速な非平衡凝固と溶質偏析により、細胞状/樹枝状の下部構造が生成されます。微細組織は主にセル/デンドライト内のα′相と境界に主に分布するγR相で構成されています。液相の最後の凝固領域に溶質が濃縮されることにより、γR 膜が形成され、局所領域でオーステナイトが安定化されます。 OM 画像、SEM 画像、EBSD 再構成 PAG 構造はすべて、γR 膜が PAGB の形成および分布と直接関係がないことを確認しています。

2) 熱力学計算と実験結果は、凝固中にδフェライトが形成されることを裏付けています。デルタフェライトは、高温で最初に液相から形成されます。その後、L+δ→γの包晶反応が起こり、γ相が析出します。最後に、マルテンサイト相変態が起こり、α′相とγRが形成されます。

3) 機械的特性は著しい不均一性と異方性を示します。サンプルの異なる領域における特性の不均一性は、経験した熱履歴の違いとその場での焼き戻しの影響に起因します。異方性は、弱い γR 膜や残留応力ではなく、主に結晶の優先配向によって引き起こされる可能性があります。マルテンサイト変態により組織は弱まりますが、α′相は依然としてより高い組織強度を示します。

4) 微細組織にはVMCを多く含む炭化物が多数存在します。 MC 炭化物は、他の種類の炭化物よりも形成の駆動力が強いようです。炭化物の成長中に高濃度シリコンが反発するため、MC炭化物の周囲にシリコンが濃縮され、炭化物/過飽和フェライト界面でシリコンが偏析します。炭化物から放出されたシリコンは、代わりの原子として拡散しにくくなり、炭化物の周囲に集中します。

5) HAZ と HDIS の BL/ML ハイブリッド構造は、ハイブリッドサンプルの潜在的な強化メカニズムを共同で説明します。 HAZ 内の BL は元のオーステナイト粒を分割し、マルテンサイト粒を微細化します。ハイブリッド試験片内のより硬い Bottom-DZ とより柔らかい HAZ は不均一な微細構造を構成し、硬い領域と柔らかい領域の不均一な変形によって逆応力が生じ、HDIS が生成されます。これら 2 つの要素が連携して強度と延性を高めます。

連絡先著者

魏延宏氏は、南京航空航天大学材料科学技術学院の教授および博士課程の指導者であり、ハルビン工業大学の非常勤教授および博士課程の指導者でもあります。主な研究方向：1. 材料の溶接性と溶接プロセス。2. 溶接プロセスの数値シミュレーションとエミュレーション。3. 溶接エンジニアリングアプリケーションソフトウェアの設計。4. デジタル溶接。中国国家自然科学基金、国家登山B計画、国防「第11次5カ年計画」基礎研究プロジェクト、教育部の帰国留学生基金、および企業のいくつかの横断的プロジェクトを主宰し、参加した。同社が開発した溶接工学データベースやエキスパートシステムは、ボイラー、圧力容器、航空、宇宙、油田建設、重機、造船などの業界で活用されています。彼は 100 本以上の論文を発表しており、3 回連続で National Welding Annual Conferences で優秀論文賞を受賞しています。彼は現在、英国の雑誌「溶接と接合の科学と技術」の編集委員であり、中国溶接協会のコンピュータ応用専門委員会の委員でもあります。魏延宏教授は、溶接データベース、溶接エキスパートシステム、溶接数値シミュレーションおよび予測において多くの業績を上げています。

論文引用

Du X、Liu X、Shen Y、他「ワイヤーアーク積層造形法で製造したH13工具鋼：凝固モード、微細構造発達メカニズムおよび機械的特性[J]」。材料科学および工学：A、2023：145536。https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145536

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