單晶渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)的核心關(guān)鍵部件，也是工作環(huán)境最為惡劣、承受應(yīng)力最為復(fù)雜的部件。單晶僅由一個(gè)晶粒組成，與常規(guī)的等軸晶和定向柱晶相比，去除了高溫高應(yīng)力下可能成為裂紋源的晶界，具有更優(yōu)異的高溫持久、抗高溫氧化、抗高溫蠕變的性能，大大提高了葉片的使用壽命和使用溫度。

此外，為降低葉片工作時(shí)的表面溫度，單晶渦輪葉片內(nèi)部往往會(huì)設(shè)計(jì)復(fù)雜的空氣冷卻流道。這種集特殊組織和空心復(fù)雜結(jié)構(gòu)于一體的零件，為其制造工藝提出了非常高的挑戰(zhàn)，是衡量一個(gè)國家航空工業(yè)水平和綜合國力的重要標(biāo)志之一。

目前常采用定向凝固和精密鑄造相結(jié)合的方法來制備單晶組織/零件。較大的溫度梯度是制備單晶組織的關(guān)鍵，但受加熱技術(shù)的限制，短期內(nèi)難以有新的飛躍；并且單晶渦輪葉片內(nèi)部的空心復(fù)雜結(jié)構(gòu)也為傳統(tǒng)制備工藝提出了更嚴(yán)苛的要求。

激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)是基于粉末床逐點(diǎn)逐道逐層熔化微細(xì)金屬粉末的增材制造（3D打印）技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高致密任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速成形。由于高能量激光的光斑尺寸小（80~150 μm），熔池內(nèi)部的溫度梯度高（103~105 K/cm）, 并且其凝固熱量自上而下方向性傳遞，這些優(yōu)勢為熔池內(nèi)的晶體外延生長提供了有利的冶金條件，也為制備大尺寸單晶組織甚至渦輪葉片提供了新的技術(shù)思路。

由于熔池是SLM成形過程的最小單元，因此探究單道熔池的微觀組織特征對(duì)單晶復(fù)雜構(gòu)件的成形具有重要的理論支撐作用。

創(chuàng)新工作

圍繞粉末床激光增材制備單晶組織的可行性，結(jié)合貴陽航發(fā)精密鑄造有限公司的應(yīng)用需求，華中科技大學(xué)魏青松教授課題組利用激光選區(qū)熔化技術(shù)成形了DD91鎳基單晶高溫合金的單條熔道，研究了激光功率和掃描速度對(duì)單道形貌、晶體取向和微觀組織的影響規(guī)律，并進(jìn)一步探討了裂紋、雜晶等缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，為SLM制備大尺寸單晶組織奠定了基礎(chǔ)。

研究采用自主研發(fā)的SLM150設(shè)備，粉末和基板分別為DD91第四代鎳基單晶高溫合金粉末和SRR99第一代鎳基單晶高溫合金棒材，均由中國科學(xué)院金屬所研發(fā)。在單晶基板上成形出35條不同工藝參數(shù)（激光功率245~305 W，掃描速度500~1100 mm/s）的單道，如圖1所示。

圖1 （a）單道激光掃描示意圖；（b）成形參數(shù)設(shè)置；（c）單道實(shí)物圖

研究發(fā)現(xiàn)，在290~305 W和500~700 mm/s的工藝窗口內(nèi)，熔化道連續(xù)平穩(wěn)且光滑平直，熔池扁平規(guī)則，可為單晶組織的穩(wěn)定生長提供保障。

當(dāng)熔池與單晶基板冶金良好時(shí)，熔池內(nèi)晶體能夠延續(xù)基板的取向沿[001]定向外延生長，如圖2所示。即：在粉末面心立方晶體結(jié)構(gòu)、元素成分屬性、熔池的高溫度梯度和單向傳熱方向的綜合作用下，單晶實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定生長。

圖2 不同工藝參數(shù)下的熔池EBSD晶體取向

如圖3所示，從單個(gè)熔池的微觀組織可以看出，熔池的底部、兩側(cè)和中部都出現(xiàn)了細(xì)小柱狀晶沿[001]定向生長的現(xiàn)象，一次枝晶臂間距為0.6~0.8 μm，但熔池頂部存在細(xì)小胞狀晶，即柱狀晶的生長方向由[001]轉(zhuǎn)變?yōu)閇100]，這與熔池頂部的散熱方向改變有關(guān)。此外，部分熔化道也存在著與掃描方向垂直的凝固裂紋，與材料本身的高Al含量和激光的快凝固速率有關(guān)。

圖3 激光功率為260W、掃描速度為500 mm/s時(shí)的熔池微觀形貌和組織

后續(xù)工作

團(tuán)隊(duì)后續(xù)將開展不同工藝參數(shù)（如層厚、掃描策略等）對(duì)多道搭接、多層堆積的微觀組織演變規(guī)律和裂紋抑制機(jī)理，同時(shí)研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的晶體生長調(diào)控方法，致力于實(shí)現(xiàn)單晶特殊組織和復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成形。

課題組介紹

華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院魏青松教授課題組長期從事增材制造新材料、新工藝和新裝備的研發(fā)與應(yīng)用等方面研究。面向航空航天、生物醫(yī)療和模具等領(lǐng)域復(fù)雜化、個(gè)性化和整體化制造需求，重點(diǎn)研究激光選區(qū)熔化金屬增材制造和陣列式噴射增材制造技術(shù)。

通信作者簡介

魏青松，華中科技大學(xué)“華中學(xué)者”特聘教授，博士生導(dǎo)師，校學(xué)術(shù)前沿青年團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。主持了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家兩機(jī)專項(xiàng)課題等國家、省部級(jí)和企業(yè)科研任務(wù)20余項(xiàng)。在Acta Materialia等國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文150余篇，獲評(píng)ESI熱點(diǎn)/高被引論文8篇，主編專著/教材4部、參編4部，授權(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng)。