H13鋼的沉積態顯微組織

邊界和熔池內部熱歷史的差異，以及由此產生的不同凝固行為，產生了熔池區（MPZ）和邊界區（BZ），邊界區又分為重熔區（RZ）和熱影響區（HAZ）。

圖2. BOT、BOS和SOT平面的光學形態：（a）、（d）、（g）、（j）為BOT平面；（b）、（e）、（h）、（k）為BOS平面；（c）、（f）、（i）、（l）為SOT平面

圖3. 沉積H13鋼BOT、BOS和SOT平面上MPZ和HAZ的SEM形貌：（a）BOT（c）BOS和（e）SOT平面的MPZ形貌；（b）BOT（d）BOS和（f）SOT平面的HAZ形態

圖4. 沉積H13鋼中碳化物的TEM形態、校準結果和尺寸分布：（a）TEM亮場圖像

圖5. 沉積H13的IPF、{100}PF和粒度分布：（a）BOT、（b）BOS、（c）SOT平面的晶粒取向圖；（a1）對應于BOT模式下的MPZ，（a2）對應于BOT方式下的RZ和HAZ；（b1）對應于BOS上的MPZ，（b2）對應于Boss上的RZ和HAZ；（c1）對應于SOT上的MPZ，（c2）對應于SOT上的RZ和HAZ；（d） 三個平面的粒度分布，（d2）BOS平面上MPZ、RZ和HAZ的粒度分布；（d3）SOT平面上MPZ、RZ、HAZ的晶粒分布

圖6. 沉積態H13鋼的相分布：BOT平面上（a）MPZ和（d）BZ的相分布；BOS平面上（b）MPZ和（e）BZ的相位分布；SOT平面上（c）MPZ和（f）BZ的相位分布

沉積H13鋼在熔融ADC12鋁合金中腐蝕后的顯微組織

各向異性腐蝕機理

沉積H13在熔融鋁合金中的腐蝕是一個反應擴散過程。BOT、BOS和SOT平面生成IMC的化學反應過程是相同的。因此，BOT、BOS和SOT平面微觀結構特征的差異，如晶粒尺寸、相分布、位錯等，對擴散過程有影響，是導致各向異性腐蝕的主要因素。

沉積H13鋼中存在的相包括馬氏體、殘余奧氏體和碳化物。根據圖6，殘余奧氏體含量很小，對腐蝕的影響可以忽略不計。BOT、BOS和SOT平面上MPZ和BZ的馬氏體含量幾乎都在80%以上，含量差異并不特別顯著（圖6）。C元素以兩種形式存在于沉積的H13鋼中：固溶于馬氏體和殘余奧氏體，以及碳化物形式。C的固溶體形式和碳化物都不參與腐蝕產生的IMCs的反應。Hwang等人發現，隨著鋼中碳含量的增加，IMCs層的厚度減小，IMCs-鋼界面變得更光滑。

他們得出結論，C元素和碳化物的存在阻礙了Fe和Al通過界面層的擴散速率，也降低了IMCs層的生長速率。碳在Fe-Al-IMCs中的溶解度非常有限，Al和Fe原子的相互擴散導致碳在IMCs-鋼界面上被捕獲，從而導致所謂的“碳積聚”。

界面處的碳積聚也在本文圖9（a）。此外，圖1 2（b）3號碳化物正好位于IMCs沉積的H13鋼界面，反映了碳化物在Fe和Al相互擴散中的拖曳效應，這影響了IMCs沉積H13鋼界面遷移。Du等人認為Si的存在可以有效抑制al原子的擴散，限制IMCs層的生長。圖12（c）顯示，形成IMCs層的Si元素傾向于在碳化物周圍積累，形成碳化物核+Si相殼的復合結構。因此，碳化物附近的IMCs層的生長速度是有限的。碳化物的分布對沉積H13鋼的腐蝕有重要影響。

根據擴散理論，位錯和晶界等晶體缺陷處的原子能更高，更容易克服擴散能壘。即，擴散優先于位錯和晶界發生。更高的位錯密度和更多的晶界（更小的晶粒）促進了擴散。由于沉積的H13鋼具有周期性的非均勻結構，沉積H13鋼BOT、BOS和SOT平面上的晶粒和位錯密度分布能夠影響腐蝕的反應擴散過程。

DED凝固組織中的晶粒類型（柱狀晶體、等軸晶體等）和晶粒尺寸由溫度梯度G和凝固速率R控制。

例如，在BOT平面上，熔池拱形底部的RZ是凝固起始區域。RZ將基材（當沉積第一層時）或前一層熔池的頂部晶粒作為非均勻成核的基礎。RZ迅速固化，形成一個細小的等軸晶體薄區。RZ晶粒的形成類似于金屬錠外表面細晶粒區的形成。MPZ形成較粗的柱狀晶體，其形成原理與鑄錠柱狀晶體區相似。同樣，在凝固結束時，熔池頂部會出現一個像錠芯一樣的等軸晶體區。等軸晶區被堆疊下一層的熔池部分熔化，剩余部分受到后續熔池的熱量，形成熱影響區。

不同凝固條件下鑄錠中細晶區、柱狀晶區和等軸晶區的比例不同。同樣，對于不同的熔池尺寸、沉積材料和其他傳熱條件，RZ、MPZ和HAZ的比例是不同的。與研究中一樣，整個熔池的微觀結構幾乎呈現出MPZ的柱狀晶體。

在本文中，熔池尺寸較大（W?H=1.72 mm?0.98 mm），RZ、MPZ和HAZ很容易區分（圖2）。基于上述凝固過程，BOS平面上每個區域的微觀結構特征與BOT平面上的相同。由于觀察方向不同，RZ、MPZ和HAZ呈帶狀。SOT平面觀察方向（平面法線方向）是BD方向。由于BD方向是主要的熱傳導方向，SOT平面上的RZ、MPZ和HAZ晶粒主要沿BD方向生長。因此，SOT平面被觀察為許多樹枝狀柱狀晶體的橫截面，在圖2（f）、（i）。可以看出，SOT平面各區域之間的微觀結構異質性最弱。

首先，討論了MPZ、RZ和HAZ在同一平面上的微觀結構對腐蝕坑萌生的影響。如前所述，熱影響區存在碳化物二次沉淀和初始碳化物生長，即熱影響區的碳化物尺寸較大，相對于RZ和MPZ數量較多（圖3）。此外，碳化物二次沉淀和初始碳化物生長消耗了熱影響區及其鄰近馬氏體中的固溶碳，導致熱影響區附近RZ和MPZ位置的碳化物和固溶碳含量達到局部最小值（圖14）。此外，熱影響區具有最大的平均晶粒尺寸（圖5）和較小的平均GND密度（圖7），使熱影響區附近的RZ和MPZ位置成為優先形成腐蝕坑的較弱位置。腐蝕坑集中在熱影響區附近的RZ和MPZ。

其次，討論了BOT、BOS和SOT平面微觀結構對腐蝕坑萌生的影響。SOT平面上的平均晶粒尺寸和平均GND密度明顯低于BOT和BOS平面上的晶粒尺寸和GND密度。BOT、BOS和SOT平面上HAZ的面積百分比分別為17.03%、12.14%和6.06%。BOT、BOS和SOT上的HAZ數量也在逐漸減少。這表明在相同的腐蝕條件下，BOT平面最容易產生腐蝕坑，SOT平面最不容易產生腐蝕凹坑。

最后，對BOT、BOS和SOT平面的腐蝕過程進行了如下討論。圖15顯示了IMCs層在垂直于BOT、BOS和SOT平面方向（即SD、TD、BD方向）上的演化機制。腐蝕坑開始后，IMC逐漸生長成連續層。SOT平面不易出現腐蝕坑，使其腐蝕過程明顯慢于BOT和BOS平面。腐蝕5分鐘后，SOT平面上的腐蝕坑尚未生長形成連續的IMC層，而BOT和BOS平面已經形成了連續的IMCs層。隨著擴散的進行，IMCs連續層繼續生長到鋼中（生長階段）。由于MPZ、RZ和HAZ的微觀結構不均勻性，沉積的IMCs H13鋼界面呈波紋狀，這使得界面在不同位置的推進不一致。界面波動隨著每個區域微觀結構不均勻性的增加而增加。在熱應力的作用下，波動較大的界面更容易出現裂紋，IMCs層從沉積的H13鋼上剝離。熔融鋁進入裂紋會加速腐蝕進程。

也就是說，每個區域中更大的微觀結構異質性更有可能加速腐蝕。隨著擴散的繼續，IMCs層進入穩定階段。沉積的H13鋼在熔融鋁的熱作用下長時間退火：碳化物生長（圖13），位錯密度降低，晶粒生長，每個區域的微觀結構不均勻性降低。

同時，碳化物在逐漸排出到鋁熔體中后，對擴散阻礙的影響也減小了。沉積IMCs的H13鋼界面波動逐漸減小。由于生長和溶解之間的動態平衡，IMCs層的厚度得以穩定。

界面的穩定性和IMCs層厚度也受到微觀結構不均勻性的影響：在微觀結構不均一性較弱的平面上更容易實現穩定。BOT、BOS和SOT平面上每個區域的微觀結構異質性依次降低。因此，在IMCs的生長和穩定階段，BOT、BOS和SOT平面之間的腐蝕速率關系為BOT＞BOS＞SOT。SOT平面對ADC12熔融鋁合金具有最高的耐腐蝕性。