张亮亮：模具钢增材制造及其性能的研究进展
作者：张亮亮1，周阳1，刘世锋1，杨鑫2，王岩1 (1. 西安建筑科技大学冶金工程学院， 陕西 西安 710055；2. 西安理工大学材料科学与工程学院， 陕西 西安 710055)
模具被誉为“工业之母”，其制备是现代制造业的核心，模具技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。中国的大型、精密、复杂、长寿命的高品质模具自给率仅为30%左右，绝大部分依赖进口。导致中国高品质模具自给率低的绝大部分原因是所需模具钢的部分性能达不到使用要求，或者说是部分性能远低于国外同类型产品，同时材料的热处理工艺存在一些问题。增材制造作为一种近净成型技术，能够将复杂的三维立体结构转化成二维平面结构，然后通过材料逐层堆积方式进行实体累加制造，这种方式在实现形状控制的同时也能够对组织和成分进行精细调控。该技术正在改变着传统模具设计和材料设计的思路，但目前国内外对于模具钢增材制造方面的研究相对比较匮乏，这也导致了其工业化应用进程较慢。
国内外关于本领域的研究主要集中于增材制造专用模具钢粉末材料设计和其制备技术，以及模具钢增材制造过程中的控形、控性研究。模具因其服役环境复杂，常需在具有冲击载荷、冷热交替或者腐蚀的环境下持续工作，所以对模具钢增材件综合力学性能的要求比较高，除需具有较高抗拉强度外，还要具有一定的塑韧性，尤其是冲击韧性。使用的粉末一般要求具有高的球形度和松装密度、较窄的粒径分布范围以及极低的杂质元素含量等特点。制粉过程中要严格控制空心粉的数量，过量的空心粉会增大增材体中气孔或孔隙出现的概率，降低其致密度；杂质元素含量超过极限值后，如过量的氧、氮会降低晶界结合强度、增大脆性。目前球形粉末制备方法主要有等离子旋转电极雾化(PREP)法和气雾化(GA)法等。
当前增材技术在模具制造方面的应用主要集中在具有随形冷却流道的高端注塑模具上，该新型模具解决了传统直孔冷却水道冷却不均这一瓶颈问题。目前已经成功地将增材制造技术应用到随形冷却模具加工过程的公司主要有国外的EOS和3D
Systems。EOS公司采用激光选区熔化技术制造的随形冷却流道模具，表面温度分布均匀，型腔表面温度由120 ℃降至90
℃，产品生产周期缩短了17%，且产品质量得以提升，经370 000次循环之后，总成本节约高达2万欧元。此外，德国SLM
Solutions公司、美国Honeywell公司、英国University of Central
Lancashire公司和德国Technische Universitat
Dortmund公司等也对增材制造随形冷却流道模具进行了大量研究。国内模具钢增材制造工艺技术起步较晚，武汉华科三维、大连美光速造、上海悦瑞三维等公司对增材制造随形冷却流道模具进行了部分应用探索，但是增材制造成形件与传统方法制造的零件在组织和成形性能等方面存在显著差异，同时也容易出现微裂纹、孔隙、氧化等缺陷，严重影响了增材制造成形模具的质量和工艺推广。因此关于模具钢的增材制造及其性能方面的研究受到了学术界和工业界的广泛关注。本文将从以下2个方面进行简要的论述：(1)模具钢粉末制备方法；(2)典型模具钢的增材制造及其力学性能。
1、模具钢粉末制备方法
目前模具钢用的球形粉末制备方法主要有等离子旋转电极雾化(PREP)法和气雾化(GA)法等。不同制粉方法的效率、粉末的品质存在一定的差异，下面将进行简要的论述。
1.1 等离子旋转电极雾化法
等离子旋转电极雾化(PREP)法是将金属或合金制成的金属棒料放在转动装置中充当自耗电极，再将电极放在惰性保护气下使其高速旋转，同时由同轴等离子体电弧将其加热熔化，形成的液膜受离心力作用分散飞离电极棒端面，当液膜与雾化中的惰性保护气体摩擦后，在切应力的作用下进一步粉碎，最终在表面张力作用下快速冷却凝固形成球形粉末的一种技术，其制粉示意图如图1所示。
PREP所得粉末球形度较好、粒径分布范围较窄、氧含量低、表面洁净、颗粒大小容易控制，是金属增材制造用粉末制备的理想方法，但PREP的加工效率低，设备运行成本高，导致生产成本居高不下，这也是该方法工业化应用程度较低的主要原因。该方法对于不同材料的适用性较好，所以可以用其加工制备一些有色金属、难熔金属等市场需求量比较小的粉末，也适合于科研院所进行小批量粉末的生产和加工制造。
1.2 气雾化法
气雾化法是借助高速气流直接破碎金属和合金液流形成金属熔体的方法，其本质是经过雾化喷嘴喷出高速、高压介质流将熔体破碎成细小液滴，紧接着冷却成粉末的过程，因为常用的介质为气体，所以又被称为气雾化。粉末颗粒的形状主要由熔融金属表面张力、冷却能力、密度、流量和雾化介质的活性决定。一般来说，气体雾化的冷却速度较慢，所制备的粉末通常是球形或类球形，而与之对应的水雾化由于具有相对较高的冷却速度，粉末往往呈多角形或不规则形。气雾化制粉技术早期研究采用的大多是“自由下落式喷嘴”，但这种雾化效率低，仅可用于制备50~300 μm的粉末。因气雾化制作工艺复杂，影响因素众多，李鑫等通过试验得出随着雾化温度的改变，粉末的平均粒径与质量分数的变化曲线，如图5所示，即当雾化温度升高时，所得粉末平均粒度降低，但当温度升高到一定程度时，粉末的粒径变化很小。王琪等的试验结果表明随着雾化压力的增大，钛合金平均粒径也逐渐降低，同时还发现在不同的雾化介质中，氮气和氩气的效果相差不大，氦气的效果较好，但后两者的价格较高，所以选择氮气更为经济。
2、典型模具钢的增材制造及性能
模具钢的种类繁多，而且不同类型模具所对应的模具钢性能要求也相差较大。常见的模具钢类型有马氏体不锈钢、高合金低碳钢、优质碳素钢等。本文以目前增材制造领域研究和使用最多的2种典型钢种H13和18Ni300为例，对模具钢增材制造的工艺、微观组织、力学性能进行简要论述。
2.1 H13 钢的增材制造及其性能
H13钢是一种热作模具钢，其相对应的国标GB/T1299—2014中的牌号为4Cr5MoSiV1。H13钢母材在中温(约600 ℃)下的综合性能好，淬透性高，热处理变形率较低，使用寿命高，其具体成分见表1。H13钢常被用于模锻锤锻模、铝合金压铸模、热挤压模具、高速精锻模具及锻造压力机模具等。H13钢增材制造常用的方法有激光选区熔化(SLM)、激光能量沉积(DED)和电弧增材等。这些方法由于成型热源的不同，导致其增材工艺、微观组织和力学性能存在一定的差异。
H13钢增材件的微观组织中能够明显观察到胞状和树枝状的组织，并且在枝晶之间还分布有残余奥氏体组织。不同增材方法所得的枝晶和胞状晶形貌也略有差别，这主要是由不同的热输入(按照线能量密度进行比较)导致的。对于SLM来说，其热输入较小，胞状组织的直径一般为0.5~2 μm，如图6所示。而热输入较大的DED增材(其热输入是SLM的5～8倍)中胞状组织直径一般为2~30 μm，如图7所示，同时DED增材件中的二次枝晶要明显比SLM的粗大。学者研究还发现，在枝晶间即残余奥氏体位置多的区域Cr、Mo、V元素的含量明显较高。胞状组织是凝固过程中微观偏析的结果。热输入更大的电弧增材体(其热输入为DED的3~6倍)中则能够观察到块状的铁素体组织。在H13钢中富集的碳能够起到稳定奥氏体的作用，但H13钢增材体中奥氏体的形成目前还没有一个明确的解释。Holzweissig M J等认为奥氏体的形成是由于增材过程中自回火引起的碳扩散。Krell J等还发现了枝晶之间的δ铁素体和γ相。SLM增材件的晶体织构可能非常弱，强度与冷加工态相当，塑性是冷加工态的3倍，如图8所示，但是冲击吸收功只有14.4 J。
在1 038 ℃下固溶、482 ℃下时效后所得H13钢母材的抗拉强度平均值为1 900 MPa，屈服强度平均值为1 500 MPa。XUE L等采用DED所得的H13钢增材体的抗拉强度平均值为2 000 MPa，屈服强度平均值为1 200 MPa。Mertens R等的试验结果表明，SLM增材制造所得H13钢的屈服强度为1 236 MPa，抗拉强度为1 712 MPa，同时发现对粉床进行预热能够降低屈服强度并提高抗拉强度，但强度值均低于所对应母材。王庭庭采用电弧增材方法所得H13 钢薄壁件的最大抗拉强度为1 187 MPa，屈服强度为800 MPa。以上结果表明，H13钢增材体的抗拉强度和屈服强度都要低于固溶时效处理后的母材，所以增材体的后续热处理就显得尤为关键。H13钢增材体的热处理方法同母材一致，都是固溶时效，部分增材体也可以只进行时效处理。热处理后增材体的抗拉强度和屈服强度都有明显的提高，但还略低于母材。对增材件进行退火或时效处理后，增材件的强度可以与轧制态母材相当，但是伸长率还是会明显降低，这主要是由其内部的孔洞等缺陷造成的，如图9所示。
2.2 18Ni300钢的增材制造及其性能
18Ni300是一种低碳马氏体时效钢，具有强度高、韧性好及耐磨性高的优点，常被用于制作塑料模具。由于其优异的焊接性，18Ni300常被用来进行增材制造。18Ni300增材体的组织与传统铸造或轧制方法所得母材的组织差异比较大。增材体的组织中同样能够明显观察到胞状组织和枝晶组织。Campanelli S L等采用激光能量直接沉积法所得胞状晶组织的尺寸在几十微米左右，如图10所示，其原奥氏体晶粒的尺寸可以达到1 mm左右，在如此粗大组织中发生马氏体转变，导致其组织形态与通常条件产生的马氏体组织形貌和性能上存在明显的差异。而Jagle E A等采用SLM方法所得增材件胞状晶组织的尺寸在几微米左右。18Ni300的增材组织中能够明显观察到残余奥氏体(该奥氏体的产生可能与过快的冷速、元素偏析或者残余应力有关)，其是凝固过程中合金元素在枝晶间(胞间)区域通过微偏析富集的结果(图11)。镍的富集可以使奥氏体稳定到室温，因此，增材制造所制备的马氏体时效钢中含有大量奥氏体(6%~11%) 。
通过优化增材工艺参数和热处理参数，可以使18Ni300增材体的屈服强度和抗拉强度达到固溶时效态母材的强度。SONG J等采用SLM方法制备的18Ni300增材体的抗拉强度为1 000 MPa，屈服强度为850 MPa，随后在840 ℃固溶2 h、在480 ℃时效6 h后，接头抗拉强度提高至1 600 MPa，屈服强度提高至1 800 MPa。Félix-Martínez C等采用DED方法所制备的18Ni300增材体抗拉强度为900 MPa，屈服强度为800 MPa，略低于上述SONG J等采用SLM方法所制备的增材。增材体随后的热处理主要为固溶时效或者只进行时效处理，热处理后增材体的屈服强度和抗拉强度明显增大。目前采用电弧增材制造方法制备18Ni300的研究相对比较少。
结论
(1)目前模具钢增材制造比较常用的方法是激光选区熔化、直接能量沉积和电弧增材，其中激光选区熔化方法应用案例最多，研究的学者相对也较多。
(2)增材制造技术已逐步成为模具制造方法的有力补充，为复杂模具的制造奠定了技术基础。但增材体的最大抗拉强度和屈服强度相对于轧制或者固溶时效后母材的还是偏低，尤其是屈服强度；同时其抗冲击和疲劳性能与传统方法所制造的模具相比还存在较大的差距。
(3)后续的研究应该多关注如何提高模具钢的抗冲击和疲劳性能方面，同时还应优化热处理制度，现有的方法更多地倾向于固溶时效，而对于近净成形的增材制造来说，如何选择合适的热处理制度、在提高强韧性的同时降低对增材件尺寸精度的影响显得非常重要。
参考文献
略。
引用本文
张亮亮, 周阳, 刘世锋, 杨鑫, 王岩. 模具钢增材制造及其性能的研究进展[J]. 中国冶金, 2022, 32(3): 1-8. ZHANG Liang-liang, ZHOU Yang, LIU Shi-feng, YANG Xin, WANG Yan. Research progress in additive manufacturing and properties of die steel[J]. China Metallurgy, 2022, 32(3): 1-8.
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http://www.zgyj.ac.cn/CN/Y2022/V32/I3/1
(责任编辑：admin)
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