导读：热压成型 (HPF) 钢作为汽车加固部件引起了极大的关注，但由于在 HPF 过程中容易引入的氢很难通过凝固涂层释放，因此存在潜在的氢脆 (HE) 风险。特别是，氢（H） 严重降低了弯曲性，这是要考虑的主要特性之一。在这项研究中，Al-Si 涂层结构被修改以通过增加 H 扩散率来改善 H 扩散。通过间断弯曲试验、H 渗透试验和根据 H 充电后经过时间的热解吸分析，研究了涂层结构对弯曲性和 H 解吸的影响。这项工作提出了一种优化的 Al-Si 涂层设计，可增强弯曲性和抗 H 诱导降解的能力，以实现安全的 HPF 钢应用。

热压成型 (HPF) 已被开发为汽车行业中超高强度增强部件的减重制造技术。传统的“22MnB5”HPF钢是通过奥氏体化、高温压制成型和淬火制成的高强度马氏体组织，其抗拉强度等级达到1.5 GPa. 对于这种千兆级 HPF 钢的更广泛汽车应用，可弯曲性被认为是与板材成型性、延迟断裂和碰撞冲击性能直接相关的重要标准。然而，高强度水平和基于体心立方 (BCC) 的马氏体结构具有固有的高 H 扩散系数和缺陷密度 增加了对氢脆 (HE) 的敏感性，这会降低包括弯曲性在内的整体机械性能。

HPF 用冷轧钢板通常涂有 Al-Si 或 Zn，以防止脱碳或表面氧化。然而，涂层在高温 HPF 过程中促进了 H 原子的吸收，这使得 HPF 钢容易受到 HE 的影响。例如，在 900 °C 以上的奥氏体化过程中，Al-Si 涂层会熔化，而炉内水分提供的 H 原子很容易通过熔化的 Al-Si 涂层侵入钢基体。这是因为 H 在熔融 Al-Si 涂层中的扩散系数远高于固态 Fe 中的扩散系数，而 H 在 Al-Si 涂层中的溶解度要低得多. 此外，当Al-Si涂层在冷却过程中凝固时，它会阻碍曾经吸附在钢基体中的H原子向外扩散。固化的涂层将 H 原子捕获在基材内，从而导致 H 引起的机械性能（例如强度、延展性和弯曲性）严重下降。虽然H（0.3-0.8重量ppm）相对少量的在工业处理侵入，它足以触发HE在BCC基于马氏体钢。对于 HPF 工艺，在剧烈模具淬火过程中发生的马氏体转变和不均匀的热梯度伴随着体积变化和由此产生的转变塑性，这直接导致最终零件的变形和残余应力. 尽管马氏体相变发生在应力被释放以抑制回弹变形的方向上，但残余应力仍局部存在，例如变形区域。基于易受 HE 影响的马氏体组织，吸收的 H 与局部应力显着相互作用，在 HPF 工艺后引起 HE。因此，Al-Si涂层钢中的HE最近成为HPF钢研究的主要问题。

为了防止HE，提高固有电阻的到HE已由原奥氏体晶粒的微细化，并利用强碳化物形成如Nb，Ti微细碳化物的析出建议。然而，这些方法在同时提高弯曲性和抗 HE 性能方面通常具有局限性，同时增加了生产成本 。除了利用析出外，还需要通过控制热处理条件使H原子容易脱附来改善涂层结构和厚度。Al-Si 和 Zn 涂层的比较表明，Zn 涂层的 H 扩散率明显高于 Al-Si 涂层。

在这项研究中，韩国高丽大学材料科学与工程系Seok SuSohn团队对 Al-Si 涂层进行了改性，以通过增加 H 的扩散率来改善钢基材通过涂层的 H 发射。为此，通过控制涂层来改变 Al-Si 涂层的微观结构和厚度和热处理条件。研究结果表明，一种最佳的 Al-Si 涂层设计可以增强弯曲性和抗 H 诱导降解的能力，以实现安全的 HPF 钢应用。浸入 Al-10%Si 浴和随后的 HPF 工艺（930°C 6 分钟）产生 33 μm 厚的由 Fe 组成的多层涂层结构2 Al 5、FeAl和铁素体层。另一方面，浸浴减少的 Al-Si 附着量和增加的时间和温度（950°C 30 分钟）产生了 30 ?m 厚的体心立方（BCC）基涂层结构，由FeAl 和铁素体层。基于 BCC 的晶体结构、降低 FeAl 层中的 Al 含量和粗化的铁素体晶粒有效地增强了 H 扩散率并抑制了 H 诱导的降解。此外，软化的 FeAl 和厚铁素体层通过允许弯曲变形的大应变调节来提高弯曲性。相关研究成果以题“Effects of Al-Si coating structures on bendability and resistance to hydrogen embrittlement in 1.5-GPa-grade hot-press-forming steel”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421009393

图 1。A93-T、A93-t 和 A95-T 钢板的 (a-c) 表面、(d-f) 涂层/基材界面和 (g-i) 内部基材区域的光学显微照片。所有板材均由全马氏体组成，测量的原奥氏体晶粒尺寸 (PAGS) 显示在每张显微照片中。

图 2。(a) A93-T、(b) A93-t 和 (c) A95-T 片材的 Al-Si 涂层的 EBSD 图像质量 (IQ)、相位、反极图 (IPF) 图。A93-T 板材的涂层由 Fe 2 Al 5、FeAl 和含 Al-Si 的铁氧体 (α-Fe(Al,Si)) 层组成，而 A93-t 和 A95-T 板材的涂层由FeAl和铁素体层组成。

图 3。(a) A93-T、(b) A93-t 和 (c) A95-T 沿黄线的 SEM 背散射电子 (BSE) 图像和能量色散光谱 (EDS) 线轮廓涂料。铁氧体层含有大量的Al和Si，而基体中Al和Si的含量几乎为零，这表明铁氧体层被认为是涂层的一部分，而不是基体的一部分。

图 4。(a) FeAl 和铁氧体层的 SEM 图像和 (b) 绿色 FIB 样品区域的扫描-TEM (STEM) 图像。(c-e) 显示了由 (c) 到 (e) 标记的三个晶粒的选区衍射 (SAD) 图案。

图 5。（a，b）A93-T、（c）A93-t 和（d）A95-T 片材在 H 充电后从 TDA 获得的 H 解吸速率曲线。第 2 条曲线下方的面积被认为是基材内带电的扩散 H 的量。随着经过的时间增加，通过涂层的 H 解吸连续发生。

弯曲机制分为四个阶段：V 型裂纹的形成、V 型裂纹数量和尺寸的增加、剪切裂纹扩展的开始和剪切裂纹的打开直至破坏。位于拉伸应变区域的相的硬度主要影响弯曲变形的适应和随之而来的弯曲性能。A95-T 板材的长时间高温 HPF 条件促进了 Al 和 Si 从涂层扩散到基体，这使得 FeAl 层变软，铁素体层变厚。因此，A95-T 涂层有效地适应了局部弯曲变形，与传统 HPF 条件制造的 A93-T 板材相比，这改善了 A95-T 板材的峰值载荷角（74 与 65°）。

图 6。(a) A93-T、(b) A93-t 和 (c) A95-T 板材随 H 充电后经过的时间的载荷弯曲角曲线。如虚线箭头所示，峰值载荷时的弯曲角度(peak-load angle)被认为是用于评价片材弯曲性或成形性的主要弯曲特性。

图 7。SEM 显微照片说明了 (a-e) 非 H 荷电 A93-T 片材和 (g-i) 非 H 荷电 A95-T 片材中拉伸应变区域的连续开裂过程。(f) 显示了裂纹面积随弯曲角度的变化以及载荷-弯曲-角度曲线。A93-T 板材的四个弯曲阶段不能在具有较软涂层的 A95-T 板材中定义，因为 V 型裂纹几乎不会在基材中形成。

图 8。(a-c) SEM 显微照片，说明 H 充电后 A93-T 片材中拉伸应变区域的连续开裂过程。V 型裂纹在第一阶段 47° 形成，在第二阶段扩大 50°，并开始剪切裂纹扩展，在第三和第四阶段在 53° 处达到最终破坏。(d) 显示了裂纹面积的变化作为弯曲角度的函数以及载荷-弯曲角度曲线。

图 14。在（a）非H充电和（b）H充电条件下，距离A93-T片材中形成的V形裂纹30-40μm的半截面区域的EBSD IPF图。在非充氢条件下，剪切裂纹沿着足够发达的剪切带在基体中传播，而位于裂纹附近的晶粒在充氢条件下几乎不变形而不形成剪切带。

由于 A95-T 片材在涂层中的 H 扩散率最高，峰值负载角随时间的增加率最高。这种改进的性能是由于 A95-T 涂层与其他涂层相比具有以下有利特性。与 Fe 2 Al 5的复杂正交结构相比，FeAl 和铁氧体的 BCC 基涂层结构更适合 H 扩散具有致密的原子堆积。FeAl层中Al含量的降低削弱了与H的吸引力，与化学计量的偏差降低了长程有序性，从而增加了H的扩散率。此外，铁素体的粗化和随之而来的每单位面积作为 H 俘获点的边界的减少进一步增加了 H 的扩散率。