客户成果丨华北理工大学《Materials - Design》：增材制造Y2O3增强高速钢及其优异的强度与耐磨性

 华北理工大学 燕赵钢铁实验室 赵定国教授团队在高碳工具钢增材制造领域中取得最新进展，该研究成果以“Additively manufactured Y₂O₃-reinforced high speed steel with excellent strength and wear resistance”为题目发表在期刊 《Materials & Design》上。

本文针对传统增材制造M2高速钢因高碳高合金成分导致的粗大共晶碳化物及元素偏析问题，提出了创新性解决方案。研究团队通过低能球磨技术将50-100纳米的Y₂O₃颗粒均匀分布于M2高速钢粉末表面，并采用激光粉末床熔融（LPBF）技术成功制备出新型复合材料。通过系统的微观结构表征发现，Y₂O₃的添加不仅细化了晶粒结构，更首次在M2高速钢基体中诱导形成了高密度层状L12共格析出相，这种纳米级析出相与基体形成共格界面，显著提升了材料抵抗塑性变形的能力。在力学性能方面，当Y₂O₃含量为1 wt%时，材料硬度达到825 HV，屈服强度提升52.9%至1188 MPa，室温下磨损率较基础合金降低约50%。研究表明，优异的耐磨性能主要源于两个协同机制：L12相通过共格应变场产生的沉淀强化效应有效阻碍位错运动，同时磨损过程中形成的约120纳米厚氧化物层发挥了自润滑作用。这项研究为高性能工具材料的开发开辟了新途径，通过纳米颗粒增强与增材制造技术的有机结合，成功突破了传统工艺限制，为实现复杂结构工具零件的高性能制造提供了重要理论依据和实践指导。

图1 （a）Y₂O₃-高速钢样品明场（BF）图像；（b）L12结构的高分辨及衍射结果表征

为了测试不同Y₂O₃含量高速钢样品的耐磨性我们使用了托托科技的三维光学轮廓仪对所加工的样品的磨痕进行表面轮廓表征与分析，并且重构了磨痕的三维轮廓和体积。其高精度的磨痕重构让我们印象深刻。实验结果显示Y₂O₃的添加显著细化了晶粒结构，并首次在M2高速钢基体中诱导形成了高密度层状L12共格析出相，这种纳米级析出相与基体形成共格界面，有效阻碍了位错运动。当Y₂O₃含量为1 wt%时，材料表现出最优的综合性能，其硬度达到825 HV，屈服强度提升52.9%至1188 MPa，同时磨损率较基础合金降低约50%。研究表明，优异的耐磨性能主要源于L12相通过共格应变场产生的沉淀强化效应和磨损过程中形成的约120纳米厚氧化物层的自润滑作用的协同机制。这项研究为高性能工具材料的开发提供了新思路，通过纳米颗粒增强与增材制造技术的结合，成功突破了传统工艺限制，为实现复杂结构工具零件的高性能制造提供了重要理论依据和实践指导。

图2 （a）不同样品的COF曲线；（b）不同样品的磨痕二维轮廓图；（c）A1样品磨痕三维图；（d）A2样品磨痕三维图；（e）A3样品磨痕三维图；（f）A4样品磨痕三维图。

纯材料样品的磨痕较宽且深度较大，而添加Y2O3粉末后，试样的磨痕宽度较小且深度较浅。由于M2高速钢试样在摩擦过程中部分组织发现塑性变形，导致在磨痕的边缘产生大量的凸起。摩擦磨损试验结束后，A1样品磨痕边缘材料堆积严重，这是由于M2高速钢的硬度相对较低，基体材料易发生塑性变形；加入Y2O3粉末后，试样的硬度和强度明显增加，其磨痕边缘的材料堆积随之减少，其中，A3试样的磨损体积最小，Y2O3粉末的添加提高了材料的强度，并且细化了晶粒，有效抵抗了摩擦过程中的塑性变形，从而提高了材料的耐磨损性能。

图3  (a) A4样品磨损组织的TEM图；(b) 近表层区域的EDS能谱图；(c) 局部放大的样品近表层TEM图；(d) 氧化层的高倍表征；（e）近表层区域的组织明场相以及碳化物和位错交互作用。

实验发现，添加1 wt% Y₂O₃可诱导形成高密度层状L12共格析出相，该相与基体形成共格界面，有效阻碍位错运动。当Y₂O₃含量为1 wt%时，材料硬度达825 HV，屈服强度提升52.9%至1188 MPa，磨损率较基础合金降低约50%。研究表明，优异的耐磨性能源于双重机制：L12相通过共格应变场产生沉淀强化效应，同时磨损过程中形成约120纳米厚的氧化物层发挥自润滑作用。该研究通过纳米颗粒增强与增材制造技术的结合，突破了传统工艺限制，为高性能工具材料开发提供了新途径。

该工作通过使用TuoTuo Technology（MV-1000）三维光学轮廓仪对摩擦磨损样品的磨痕进行表面轮廓表征与分析。

华北理工大学冶金与能源学院博士研究生刘岩作为第一作者，华北理工大学燕赵钢铁实验室赵定国教授为本文唯一通讯作者。此项工作获得了国家自然科学基金，河北省创新能力提升基金以及华北理工大学创新基金支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.115101