近日，上海大學任忠鳴教授團隊在增材制造鎳基單晶高溫合金領域取得新突破。相關成果在增材制造*期刊《Additive Manufacturing》（IF=11.632）上以“Microstructure characteristics of a René N5 Ni-based single-crystal superalloy prepared by laser-directed energy deposition”為題發表，其中通訊作者為上海大學的王江教授、陳超越副教授，上海大學為*通訊單位，英國倫敦大學瑪利皇后學院的C. Panwisawas副教授以及西班牙加泰羅尼亞理工大學的鹿旭飛博士為共同作者。
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422007527
鎳基單晶高溫合金(Nickel-based single crystal superalloy, SX)因其消除了晶界，展現出了較高的抗蠕變和疲勞性能和熱腐蝕性能等優異的高溫力學性能，被廣泛應用于現代航空發動機和燃氣輪機的渦輪葉片的制造。目前，鎳基單晶高溫合金構件仍主要通過定向凝固工藝制造，存在生產周期長、元素偏析嚴重、組織不均勻等因素。如何制備超細化枝晶結構和均質化組織的鎳基單晶高溫合金依舊是業界的難題。增材制造的出現為鎳基單晶高溫合金的制備提供了新思路，目前增材制造鎳基單晶高溫合金的研究重點主要集中在外延生長和開裂機理上，但對于組織和性能的研究卻相對較少。
該團隊采用定向能量沉積(Laser-directed energy deposition, L-DED)制備René N5鎳基單晶高溫合金的顯微組織和力學性能，在不同激光功率下外延生長獲得了低角晶界(Low-angle grain boundary, LAGB)分數高于98.5%的無裂紋單晶高溫合金，并與鑄態樣品進行的對比。該團隊研究發現，采用平頂激光束的平熔線可以抑制L-DED過程中雜散晶粒和高角度晶界(High-angle grain boundary, HAGB)的形成。顯微組織觀察表明，L-DED SX合金的一次枝晶臂間距(Primary dendrite arm spacing, PDAS)隨激光功率的增加而增加，枝晶高度細化，PDAS約為20 ~ 30 μm，明顯低于鑄態樣品(~350 μm)。
Re、W、Ta等難熔元素的偏析隨著激光功率的增大而增大，1100W和1300W激光功率下SX試樣的元素偏析較鑄態試樣低。在不同薄壁相同高度處，W、Re、Ta等難熔元素的偏析隨激光功率的增大而明顯加重。難熔元素的原子半徑大，擴散速率低。不同薄壁相同高度處W、Re、Ta偏析明顯加劇，Co、Cr、Al偏析變化不明顯。在凝固過程中，Al和Ta作為γ′相的主要形成元素聚集在枝晶間區，導致析出的γ′相尺寸更大。由于枝晶間區γ′相的生長驅動力大于枝晶區，導致枝晶間區γ′相的生長速度更快。同時，枝晶間凝固時間較長，導致枝晶間區γ′相生長時間較長，從而使得枝晶間區γ′相的平均尺寸大于核心枝晶的平均尺寸。此外，Re在枝晶核心處聚集，延緩了γ′相的生長，使枝晶區域的γ′相更加均勻地靠近正方形。
