金属材料强度国家重点实验室

       近日，我室教师在激光3D打印修复镍基高温合金的研究方面取得了新进展。博士研究生薛佳伟、李尧作为共同第一作者在Scientific Reports上（国际知名期刊，Nature子刊，IF:5.578）在线发表“A Synchrotron Study of Structure Gradient in Laser Additively Formed Epitaxial Ni-based Superalloy”的研究论文。论文由材料学院陈凯副教授、宋忠孝教授和机械学院张安峰副教授共同合作指导完成。

       激光金属直接成形（3D打印），是一种根据切片处理的计算机模型进行选区逐层制备的近净先进制造技术。由于其设计制造一体化、高度自动化的特点，大大缩短了零件的制造周期，而且因其增材制造的理念、很高的材料利用率、无需模具的特点，给传统金属材料的加工模式开辟了新的道路。对于广泛应用于飞机发动机单晶叶片的镍基高温合金来说，因为其工作环境条件复杂恶劣，零件局部的磨损、失效很容易造成整个昂贵的单晶叶片的报废，因此在局部失效的单晶叶片零件上使用激光增材制造的技术进行零件修复，有利于在保证性能的基础上大大降低成本。

      在单晶叶片的激光修复过程中，晶体结构的遗传外延具有十分重要的意义，其在苛刻条件下如高温、震动、腐蚀、蠕变时性能会优于多晶材料。一般来说，新的熔覆层会沿着单晶基底的取向保持一致，但在逐层累加的过程中，这种取向的一致性会逐渐丧失，影响单晶的质量，并且最终由与基底取向一致的单晶转变为杂乱取向的等轴晶，出现明显的界面。为了研究修复过程中由单晶到多晶的转变过程，并为实际应用中保持单晶、抑制等轴晶的工艺提供理论指导，选取了目前广泛使用的某牌号单晶镍基高温合金作为基底，同质材料的合金粉末作为激光修复的原料进行打印成形，并利用同步辐射X射线衍射的方法研究了从基底区到柱状晶区再到等轴晶区的组织结构、取向、缺陷密度的变化，结论表明导致激光修复过程中单晶的丧失、等轴晶的形成可能与该过程中缺陷密度的不断积累、分布有关。随着打印层的增加，其缺陷密度逐渐积累增大，造成单晶区的微小取向变化；当其缺陷密度较高时，位错以及亚晶界的大量聚集、应变场与位错之间的作用都将提供大量的结晶成核点并有可能导致再结晶的发生，促进等轴晶的形成，而单晶生长难以保持，发生转变。这也为激光增材制造技术工艺上保持单晶生长提供了新思路：即在激光修复单晶生长的过程中通过某些手段减少缺陷密度，防止因其累积过多而导致单晶向多晶的转变。

图1激光增材制造实验示意图
 

图2 几何必需位错密度分布图