面向航空發(fā)動機熱端葉片對高溫性能的嚴(yán)苛需求，高溫合金單晶制備已成為該領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)單晶制造技術(shù)存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形困難、制備周期長等瓶頸。激光增材制造技術(shù)為解決這些問題提供了新路徑。

近期，西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授團隊，聯(lián)合湖南大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所及日本島根大學(xué)，在激光粉末床熔融（LPBF）制備大尺寸高溫合金近單晶方面取得突破。研究通過精確調(diào)控激光能量分布，實現(xiàn)對凝固過程熱流的高自由度控制，有效抑制熔池不穩(wěn)定流動與雜晶形成，在無籽晶條件下（多晶基板上），成功制備出目前最大尺寸（10×10×40 mm3）的無裂紋IN738高溫合金（難焊型）大塊近單晶。該成果為激光增材制造高溫合金單晶構(gòu)件的直接制造奠定了重要基礎(chǔ)。

相關(guān)工作以題為“Bulk single-crystal-like IN738 alloy fabricated using laser powder bed fusion by controlling the thermal flow”的研究論文，發(fā)表在Materials Research Letters期刊上。論文通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授、趙宇凡教授，第一作者為李翔宇博士。

高性能鎳基高溫合金（難焊型）被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機和燃氣輪機的熱端葉片部件。其中，單晶結(jié)構(gòu)能夠消除高溫蠕變和腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)——晶界，從而顯著提升部件在極端環(huán)境下的服役壽命。然而，基于籽晶與螺旋選晶的傳統(tǒng)單晶制造方法存在良品率低、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形難、周期長等問題。

近年來，激光增材制造被探索用于實現(xiàn)大尺寸塊體單晶的直接成形。盡管激光增材制造易于獲得沿建造方向具有強織構(gòu)的柱狀晶組織，但其在掃描方向上的晶粒取向控制仍存在困難，織構(gòu)強度普遍不足。尤其對于水平幅面尺寸與高度均超過3毫米的大體積打印中，實現(xiàn)真正意義上的單晶或近單晶組織仍面臨巨大挑戰(zhàn)，目前尚未見成功的公開報道。

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新引入空間光場調(diào)控作為新的參數(shù)維度，在高維工藝參數(shù)空間中探索并確定了適用于大塊近單晶制備的工藝窗口。實驗結(jié)果表明：采用整形光場后，試樣中的大角度晶界比例由常規(guī)高斯光場下的70.98%降至29.81%，其中30°以上的大角度晶界占比更由43.65%顯著降低至6.11%。通過圓形平頂光場與工藝參數(shù)的協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)了對凝固前沿?zé)崃魇噶康木_控制，從而成功制備出無裂紋的大塊近單晶組織。

總結(jié)與展望

本研究通過優(yōu)化LPBF工藝，面向水平幅面尺寸10mm、高度40mm的大尺寸試樣，首次同步實現(xiàn)了沿建造方向與掃描方向的強<100>織構(gòu)，且大角度晶界占比顯著降低（總體占比29.81%，其中30°以上僅占6.11%），標(biāo)志著在增材制造近單晶組織方面取得重要進展。目前團隊已進一步消除20°以上大角度晶界，未來將持續(xù)優(yōu)化工藝，推動該技術(shù)向更大尺寸、更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單晶構(gòu)件制備方向發(fā)展。

本研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費的資助。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝作者團隊支持