顶刊《Acta Mater》：SLM冷作工具钢的裂缝机理3

关性造成了两个主要辨认成。首先，在所学术研究的探针中就会，马氏体应变能力分别在距代表AM金属材料和MOS两者之间用户界菱形的阳台2.75 mm和1.45 mm所在位置消逝为零。在裂缝演化成之前，这些过渡阶段区早已所在位置于莫伸应变能力长时间，这可以通过在探针中就会心的无裂缝范围明确的马氏体应变能力栖息于左图看成，简述左图4 (b)和(e)。MOS和AM金属材料两者之间的尖锐接故称所在位置(90°过渡阶段角)显然是一个缺朝天过后性减小的范围。因此，在MOS和AM金属材料两者之间的探针锯齿状所在位置再次成现应变能力离地集中就会，这通过演化成端到端顶层而先全缓解。

其次，左图4 (f)中就会的LOM主干/斜向截菱形似乎地断定，除了AM金属材料和MOS两者之间的过渡阶段区所在位置的脱层和从几何图形切朝天未非金属间隙开始的角化微裂缝(左图4 (f)的插左图)都是，较多的探针50不含裂缝。彼此两者之间比之下，在左图4 (c)中就会刻画的较多探针100的中就会间部分中就会裂缝的再次成现，以及所造成的莫伸肥大可以似乎地彼此两者之间互关联，如左图4 (c，d)中就会的黑色虚线斜线所示。在再次成现裂缝的左边，莫伸应变能力被补救。

这是通过裂缝的演化成而频发的，并且可以似乎地推断为左图4 (d)中就会角化莫伸应变能力减极低，造成了测的锯齿形应变能力栖息于。这些裂缝的依赖于也有助于表述在较多探针中就会测的多半低的莫伸应变能力水准。由于测的曲面刻画了传统意义工艺顺利先成时后竣工长时间下的应变能力只能，因此可以显然，在传统意义工艺步骤中就会，探针100锯齿状的应变能力水准一定低，从而造成了通过观察到的裂缝演化成。因此，可以假设，在逐层LPBF步骤中就会，为了在所学术研究的探针中就会演化成裂缝，不必有一个最小的机体离地，以涵盖有限低的应变能力累积到。如果最多金属材料的角化抗软化性，就就会造成了塌陷。对于在此之前的学术研究，这个离地引人注意极低于1.5毫米(取样50)和3毫米(取样100)。为了评量步骤中就会这种与莫伸彼此两者之间关的塌陷情形频发的小时点，有必要顺利先成到场步骤监控。

当考量熔池材质时，根据所必需的传统意义工艺常量，熔池材质在几十微米的范围(见第2.1节)，所取得的结果也而无须这样的论据，即裂缝演化成早已在液态下频发，因为裂缝在越来越大的范围上跨越。

左图5和左图6中就会的SEM细胞学左图和断朝天左图分别详述了了与层状超在结构上彼此两者之间关的裂缝扩大自成。这种整年的网络代表了LPBF传统意义工艺造成的金属材料蒸发在结构上。这些层状在结构上的尤为精细的形态可以归因于非常低的蒸发相对速度。根据Chen等人顺利先成的有限元系统性模拟器，LPBF过后可能会的降温相对速度在107 K/s的数值。

左图 等离子起到机理

在这些CFC就会裂解的左边(在左图5 (b)中就会用绿色斜线标记)，裂缝扩大一段靠近保持牢固。尽管裂缝主要沿着这些CFC的网络扩大，但左图5 (b)中就会的蓝色斜线断定裂缝也可能会在某些左边渗入跨过基体。左图6 (b)中就会断朝天的详述视左图再次断定裂缝扩大主要通过这些在蒸发步骤中就会演化成的层状的网络在结构上。然而，通过观察到某些脱落范围，其断定成解理移除和凹陷的脱落成份。这些范围代表裂缝扩大与其沿枝晶的网络的主要路径有所不同的范围。基于越来越有利于于的学术研究，所学术研究的钢的物理现象在结构上由马氏体、奥氏体和CFC组故称成。都是，高分子马氏体观感成穿晶解理脱落菱形，因为它对位错文学运动有很低的不利于起到。因此，左图6 (b)中就会所示的穿晶脱落表菱形会可能会与马氏体移除有关。彼此两者之间比之下，奥氏体多半观感成拔成脱落不同之处，这可能会归因于通过观察到的穿孔脱落范围。然而，这些下巴也可能会是由于奥氏体很薄包围大多圆形的CFC并由于高热莫伸而被莫成而演化成的。

随着重成份在SEM的BSE检验手段中就会越来越明亮地再次成现，左图5透过了CFC的网络在结构上的物理化学组故称成的第一务必，裂缝沿着该的网络在结构上传播。因此，可以显然，这些层状的网络在结构上可以被识别为兴含Mo和W的CFC。为了系统性材质极低于100纳米的这种微在结构上不同之处的物理化学组故称成，有着低空间分辨率的新方法是必要的。此外，在EDX过后，探针的彼此两者之间互起到量不必在有用的在结构上的范围。用这两项大菱形积硅漂移探测器顺利先成的EDX学术研究不利于简单系统性，因为在20 kV下，；也Fe中就会的探针彼此两者之间互起到量在微米范围。根据加德纳模拟器，在必需的3 kV加速电拉成下，Fe 1αX射线在；也Fe内的彼此两者之间互起到量厚度共约为50 nm。因此，适用了这个加速电拉成。与APT材质彼此两者之间比，利用这种EDX映射，可以从裂缝表菱形会的彼此两者之间对大的范围取得物理化学数据。

左图 等离子起到时细胞学该组织的变动左图

左图7 (a)中就会明确的EDX左图被分开三个范围。范围A刻画了典同型的马氏体解理脱落平菱形，而范围C断定了穿孔脱落在结构上，这可能会是由于奥氏体的移除或圆形CFC两处奥氏体很薄的延性拔成而演化成的。就成份而言，与范围A和C彼此两者之间比，范围B断定成引人注意的C、V、Mo和W硫化物。由于这些成份是CFC演化成所需要的，可以说裂缝扩大与范围B中就会CFC的依赖于同样彼此两者之间关。气象站的Fe贫化也赞成这一推测。关于范围B中就会的亚100纳米脱落表菱形会在结构上，不可似乎地详述破坏是沿着CFC边境地区范围频发还是同样跨过CFC频发。根据EDX映射，在范围A和C两者之间很难通过观察到成份的有所不同。这断定奥氏体很难物理化学牢固，因为与马氏体彼此两者之间比很难检验到定调的C硫化物。

对同样出自于裂缝表菱形会的尖端顺利先成APT学术研究，以便顺利先成原子水准的物理化学系统性。通过应用于第2.3节中就会叙述的尖端制备程序在，可以保证裂缝表菱形会在系统性量内。铅成份(即S和P)多半是极低常温下固态彼此两者之间再次成现的原因，这些极低常温下固态彼此两者之间多半再次成现在枝晶间范围或晶界所在位置。建构与传统意义工艺彼此两者之间关的莫伸，铅成份在机械原料步骤中就会都是分别造成了高热蒸发裂缝。通过APT评量，在Ag层正上方的范围(即裂缝表菱形会上)不可明确这种铅成份偏析。建构上述裂缝再次成现和测应变能力栖息于两者之间的彼此两者之间关性，因此意味著了传统意义高热裂缝(即高热裂或蒸发裂缝)的演化成。彼此两者之间反，左图8 (a，b)中就会呈现的结果似乎地刻画了裂缝表菱形会上兴氧含有的依赖于。在z>27 nm时，其中就会Ag的建构下降到零，早已测了低于30 at%的氧甜度，这似乎地断定依赖于CFC。在丝氨酸等离子烧结的M2低速钢(HS 6-5-2，有着大共约1wt% C)早已被Niu等人通过观察到。通过XRD和EDX测，他们辨认成随着能量密度读取的减小，即较极低的等离子负载，晶格边境地区所在位置兴铁、钼和钨的M6C和兴铁和钒的M4C3CFC的甜度减小。此外，Wright等人和Liu等人在低速钢中就会也辨认成了整年高分子晶界CFC的网络。这与在此之前的工作是保持一致的，其中就会在蒸发步骤中就会演化成的整年的网络在结构上也早已被明确。

关于LPBF过后的物理现象在结构上发展，Sander等人出版了一个基于钛成份非适度偏析的FeCr4Mo1V1W8C1 (wt%)钛模同型。他们顺利先成了静电背散射折射，并显然，西侧CFC枝晶依赖于崩解奥氏体。此外，他们的XRD检验断定马氏体中就会的C和CFC演化成成份的甜度比CFC旁边的奥氏体中就会的极低。他们显然，这种成份下降使得在蒸发步骤中就会演化成的枝晶的中就会心范围，在降温步骤中就会本来的奥氏体演进为马氏体。Wu等人针对AISI H13高热原料工具钢出版了作为越来越快蒸发结果的层状在结构上演化成的类似学说。他们还引述了造成了奥氏体牢固化的成份偏析以及在表面和枝晶边境地区的兴钒CFC。

在本学术研究中就会，左图8 (d)中就会的分子量栖息于断定了在z=70 nm时C和其他成份(即，W、Mo、V和Cr)的急剧下降，这减极低了所学术研究钢的马氏体开始低温。通过考量上述蒸发和随后降温步骤中就会的成份偏析系统，可以假设这些含有由CFC和奥氏体的固态氢氧化钠组故称成。因此，从顺利先成的APT检验中就会不可推断成马氏体和奥氏体两者之间的物理化学组故称成很难有所不同，因此奥氏体很难物理化学牢固性。根据HEXRD彼此两者之间系统性，由于所学术研究的钢在开工长时间下含有大量的奥氏体，因此其他奥氏体牢固化系统毫无疑问占优势，这有利于于被并不认为就会造成了奥氏体中就会不同样的崩解莫伸莫伸(中就会心成像),并且是期望学术研究活动的主题。

由于它们的层状形态(简述左图5)，裂缝表菱形会上的CFC含有引人注意在蒸发步骤中就会演化成。将它们在裂缝表菱形会的宽( 20 nm)顺利先成相对较，断定裂缝扩大以穿晶手段跨过这些含有。然而，APT扩建常量极端阻碍材质的明确(简述第2.3节)。因此，对于kf=2、5、8，明确最少CFC宽，并且对于来自裂缝表菱形会的尖端(左图8 (a))多达为14、17和19 nm，对于来自回火层中就会无裂缝范围的电解尖端(左图8 b)多达为20、65和170 nm。尽管这些明确的CFC宽应仅被看作务必性的而非绝对个数，但可以估计的是，物理现象在结构上中就会最小可能会的CFC宽(20 nm)即使如此成比例裂缝表菱形会下明确的最大可能会宽(19 nm)。

根据在裂缝表菱形会和无裂缝范围明确的成份，APT断定(C共约为30…35at%，简述左图8 (b，d))这些固态是M2C种类的混故称CFC，其中就会M = V、Cr、Mo、Fe和w。除了由于爆冷折射条纹造成了的大量马氏体都是， 左图9中就会的TEM折射检验不可否认CFC的依赖于，由于从HEXRD数据取得的概要倒易晶格靠近和M2CCFC的测个数的相对较，通过考量测的标准偏差，该CFC可以归属于M2C种类。这一结果与刘等人对LPBF HSS的学术研究彼此两者之间分歧。除了通过MOS冷气加大塌陷对原料性能指标的有利于阻碍都是，他们引述了在修造长时间下的XRD折射左图中就会缺少预期的M2CCFC西坡。然而， 这可能会是因为本学术研究中就会所学术研究的冷作工具钢与M2低速钢有太大有所不同。

基于取得的和上菱形争辩的结果，可以显然，莫伸受益是从探针锯齿状开始演化成裂缝所需要的。这些填充要么是由于在LPBF步骤中就会强加最少50层的高热莫伸，要么是由于几何图形切朝天取样左边(即MOS用户界菱形或框架间隙)，或者最有可能会是由于所学术研究取样几何图形菱形的两者建构。在导致后，这些裂缝引人注意地根据在蒸发步骤中就会演化成的CFC的网络自成。这种的网络由高分子固态CFC组故称成，毫无疑问就会因液态塌陷而移除。同样在裂缝表菱形会下测的CFC宽与在无裂缝范围取得的CFC宽的相对较断定，裂缝扩大以穿晶手段横跨CFC。

为了能避免沿枝晶蒸发在结构上的移除，可以必需两种统一标准新方法。首先，可以通过减极低与传统意义工艺彼此两者之间关的高热梯度来减极低应变能力水准。这可能会造成了应变能力即使如此最多金属材料的脱落应变能力，可通过应用于MOS冷气静电装置来实现。然而，由于所运用于的极低温水准和固定在板子底部的高热能，适用传统意义的MOS蒸发新方法可能会是不够的。尤其是对于小机体，后者似乎是一种有前途的新方法。然而，结果断定，在大量几何图形菱形的生产商步骤中就会，以及在几何图形菱形过渡阶段区(如尖边)两处，就会再次成现严重的裂缝。为此，可以建立另外的蒸发静电装置(即，通过红外灯或探针液态中就会的散焦对粉状浴顺利先成角化蒸发)。为了解决MOS和AM金属材料两者之间的用户界菱形所在位置的顶层，支撑在结构上可能会是有帮助的，因为它们可以以保证越来越凹凸过渡阶段的手段所设计。机体和支撑在结构上的所设计可以建构数个数模拟器有利于于学术研究，以减极低软化的可能会性，同时在一定程度上减极低LPBF的所设计自由度。其次，可以通过调整原料钛的成份来解决裂缝。这可以通过例如替代CFC演化成成份来实现，CFC演化成成份替代性演化成明确的M2C同型固态CFC。从固态CFC向初生CFC如MC或M6CCFC的潜在演进可能会是一种有前途的新方法。这些CFC种类都是是EuM2CCFC的挥发硝酸盐，其在这两项铸造后的后续生产商之前的高热读取步骤中就会在受高热下衰变。因此，第三种新方法将是在LPBF过后通过例如有着等离子传统意义工艺常量的适当调整的双成像来导致这种挥发所在位置理。

左图 对细胞学该组织顺利先成STEM-EDX 成份菱形栖息于系统性的结果: (a) overlay maps of Fe, V, Mo 等成份填充在一个左图中就会断定M2CCFC的挥发; (b) 到 (d): Fe, V故称 Mo 的栖息于

左图 EBSD为基础的可视系统性EBM生产商的侧面的将近等中轴和等中轴以及柱状晶

左图 运用于EBM生产商 S390钢时的蒸发次序

5.论据

本学术研究的目的是评量LPBF冷作工具钢的主要塌陷系统。通过故称并所顺利先成的检验，可以得成以下论据:

1. 在有所不同的探针左边和有所不同的探针离地明确崩解应变能力栖息于。主干/斜向截菱形LOM学术研究断定，莫伸补救步骤与裂缝频发左边两者之间依赖于明确的的关系。因此，在逐层LPBF步骤中就会由于高热莫伸而演化成的莫伸累积到是液态塌陷的原因。对于所系统性的机体几何图形菱形，即矩形横截菱形，最少需要50层的机体离地才能造成了探针锯齿状塌陷。2. 几何图形缺朝天左边，即探针锯齿状、MOS和AM金属材料两者之间的用户界菱形或框架间隙，就会造成了莫伸离地集中就会，因此是裂缝萌生的左边。3. 对西侧裂缝(主干/斜向截菱形抛光)的断朝天形貌和SEM学术研究详述了了裂缝扩大和枝晶超在结构上两者之间的引人注意彼此两者之间关性，枝晶超在结构上引人注意在蒸发步骤中就会演化成。4. 为了定调地明确哪些物理化学成份参与了裂缝的演化成，对裂缝表菱形会顺利先成了EDX绘左图。结果断定在大多裂缝表菱形会上依赖于兴C彼此两者之间。APT系统性和TEM学术研究终究详述了了M2C同型固态CFC的依赖于。5. 总之，由固态CFC组故称成的的网络(在蒸发步骤中就会演化成，但在液态下毫无疑问就会因莫伸累积到而移除)两者之间的的关系是引人注意的。这被并不认为是LPBF生产商的冷作工具钢的主要塌陷系统。此外，在裂缝表菱形会和从无裂缝范围明确的CFC宽的相对较断定，裂缝扩大替代性以穿晶手段跨过这些CFC。

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典籍；也：Cracking mechanism in a laser powder bed fused cold-work tool steel: The role of residual stresses, microstructure and local elemental concentrations,Acta Materialia,Volume 225, 15 February 2022, 117570,

概要资料：

1.Microstructure and properties of FeCrMoVC tool steel produced by selective laser melting,Materials & Design,Volume 89, 5 January 2016, Pages 335-341,

2.Microstructure and mechanical properties of X65MoCrWV3-2 cold-work tool steel produced by selective laser melting,Additive Manufacturing,Volume 23, October 2018, Pages 170-180,

3.Jin, J., Gao, R., Peng, H. et al. Rapid Solidification Microstructure and Carbide Precipitation Behavior in Electron Beam Melted High-Speed Steel. Metall Mater Trans A 51, 2411–2429 (2020).

４．Hot Work Tool Steel Processed by Laser Powder Bed Fusion: A Review on Most Relevant Influencing Factors，Liang Wu,Suvajeet Das,Witalij Gridin,Stefan Leuders,Moritz Kahlert,Malte Vollmer,Thomas Niendorf，First published: 26 March 2021，

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