高速钢成分复杂，合金元素含量高，因其在高温下(高至700 ℃)仍然具有优异的热硬性和耐磨性，从而广泛作为切削工具、模具和耐磨零部件，是轧辊等重大冶金装备的核心材料。作为一类特殊的高合金工具钢，高速钢常用的制备工艺有电渣重熔，粉末冶金和喷射成形等。

近些年来，增材制造(AM)工艺制备的高速钢逐渐引起了学者们的广泛关注。通常来说，传统AM工艺制造高速钢时存在一系列挑战。首先，这类钢的强度高和韧性较低，使得在冷却的时候易于产生裂纹。此外，这类钢在熔池表面的碳会形成分离，减少了润湿性。在AM制造过程中的热温度梯度的原因造成了热应力，导致裂纹的产生。面临诸多挑战，尽管在文献中报道了采用AM技术成功的制备了这类合金，但是争议一直存在。

为此，材料学院凝固科学与技术研究所孙宝德教授团队全面回顾了AM工艺制备高速钢的最新进展，系统总结粉末床熔融、直接能量沉积和材料喷射工艺在制造高速钢方面提出了可能解决这些挑战的解决方案。大量的工作评述了在AM制造高速钢过程中加工工艺—显微组织—机械性能之间的关系。对于当前AM制造的高速钢材料在性能稳定性上如何同传统制造的高速钢材料进行竞争，该评述将为当前正在开展的高合金钢材料的AM制造路径提供有价值的参考。

图1 高速钢增材制造的研究方法总结

基于以上认识，研究团队结合不同体系的高速钢特点，对具有高硬度高耐磨性的高钒高速钢展开了系统研究。对高钒高速钢进行了不同的热处理，并研究了其微观结构演变和机械性能。采用原位高温维氏压痕和高温拉伸试验，评估了退火处理样品的硬度和残余应力随温度的变化。此外，还研究了淬火温度对硬度、弯曲强度和冲击韧性的影响。结合TEM表征，讨论了二次碳化物析出行为及其强化机制。提出了一种可能的机制，以阐明不同热处理过程中碳化物析出行为的演变。

该研究的结果将为理解不同热处理条件下高速钢的微观结构和机械性能的演变，以及优化高速钢的合金设计和热后机械加工提供有益的指导。

图2 钒改性高速钢的微观结构演变示意图，(a)原始沉积状态，(b)球化退火，(c)高温淬火和(d)560 ℃回火

此外，在复杂的服役工况下，高速钢氧化问题不可避免，深刻理解高速钢的氧化动力学以及氧化-磨损耦合机理对其服役设计具有重要意义。迄今为止，虽然人们对高速钢的氧化过程有了普遍的了解，但基体和碳化物之间的竞争性氧化演变过程以及氧化膜的生长机制仍存在争议，尚不清楚。高分辨率显微镜技术的蓬勃发展有助于对材料的微观结构进行更详细的表征，极大地促进了对以往未解决的、令人困惑的现象的深入了解。

因此，研究团队通过多尺度表征技术深入研究了高钒高速钢氧化层的微观结构，建立了氧化膜形成的动力学模型，提出了氧化膜形成的耦合作用机制。

图3 高钒高速钢在空气中于T = 700 °C下氧化120分钟后形成的氧化膜的TEM横截面图像

图4 TEM和HRTEM观察到高钒高速钢氧化膜的三个典型区域(分别为A层、B层和C层)、选定区域的SAED图像以及相应标记区域的FFT和IFFT图像

以上的研究结果在Corrosion Science (Revealing the oxidation mechanism of high vanadium high-speed steel using multi-scale characterization” https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111592 )和Journal of Materials Research & Technology (Advanced manufacturing of high-speed steels: a critical review of the process design, microstructural evolution, and engineering performance https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.269 Microstructure, residual stress, and mechanical property evolution of a spray-formed vanadium-modified high-speed steel processed by post-heat treatment  https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.03.053 )上发表。

博士研究生王玉杰为以上三篇论文的第一作者，毛博副教授和张佼研究员为通讯作者，孙宝德教授指导了整个研究工作。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海交通大学“重点前瞻布局基金”等项目的资助。

上海交通大学材料学院