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01技術(shù)背景

02激光熔覆單晶技術(shù)的發(fā)展

Kurz等在1997首先提出了外延激光金屬成型（epitaxial aser melting forming，E-LMF） 的概念，即熔池內(nèi)液態(tài)的單晶高溫合金從熔池底部以外延生長方式向上生長，形成細(xì)小柱狀枝晶微觀組織，通過控制固液凝固邊界的溫度梯度（G）和枝晶尖端的凝固速度（V），可以實(shí)現(xiàn)對于熔池內(nèi)晶體分布的預(yù)測與控制，當(dāng)G/V的值高于臨界值時，可獲得柱狀枝晶組織，避免雜晶（等軸晶）的形核生成。Kurz和他的團(tuán)隊在CMSX-4鎳基單晶的（100）面基板上，外延成型出了同種材料的多層單晶熔覆層。之后，又有學(xué)者實(shí)現(xiàn)了異種材料的外延激光金屬成型，即一種單晶材料可以通過激光直接沉積到另一種單晶材料的（100）面基板上，且延續(xù)了基板單晶的晶格取向。受限于材料與設(shè)備的特殊性，國內(nèi)在鎳基單晶高溫合金激光增材修復(fù)方面的研究報道較少。
    輝銳公司創(chuàng)始人齊歡博士在上海交大密西根聯(lián)合學(xué)院任教期間，曾帶領(lǐng)團(tuán)隊開展了鎳基單晶材料的激光直接成型研究。通過理論建模與實(shí)驗相結(jié)合的方法，研究了激光多道搭接熔覆鎳基單晶高溫合金過程中熔池內(nèi)晶體的生長機(jī)理和微觀組織分布，并分析了工藝參數(shù)（搭接率、搭接方式），以及基體表面晶格取向?qū)θ鄢貎?nèi)晶體生長行為和微觀組織分布的影響，為該技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)部件上的實(shí)際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

?研究表明，對單層熔覆單晶合金材料的橫截面進(jìn)行電鏡EBSD掃描發(fā)現(xiàn)，熔覆層下部大部分區(qū)域可形成延續(xù)基材晶體外延生長的定向結(jié)晶組織（下圖藍(lán)色區(qū)域，顏色代表結(jié)晶生長方向）
?熔覆層上表面會形成方向各異的雜晶組織（彩色區(qū)域）
?由以上觀察可得出多層熔覆時，熔覆層需有足夠熔深重熔下一層的雜晶區(qū)，形成連續(xù)生長的單晶或定向結(jié)晶組織

下圖為連續(xù)熔覆10層的單晶材料橫截面EBSD掃描圖片（顏色代表單晶生長方向）,在三種不同激光工藝條件下形成的組織結(jié)構(gòu)，其中(c)條件下形成了與基材晶體方向連續(xù)一致的多層單晶組織

圖2 熔覆層橫截面

03 輝銳激光熔覆單晶材料技術(shù)成果

目前輝銳已在單晶激光修復(fù)領(lǐng)域展開了一系列的研究。為控制單晶或定向結(jié)晶的關(guān)鍵工藝參數(shù)是控制熔池的冷卻速度和溫度梯度，其中冷卻速度決定了熔池的形狀，溫度梯度決定了熔池凝固時的結(jié)晶生長方向。這兩項工藝參數(shù)都可以通過熔池監(jiān)控手段和圖像處理的方法實(shí)時進(jìn)行捕捉和測量。

圖3 熔池成像圖片

圖4 熔池溫度梯度圖（點(diǎn)擊放大）

●結(jié)合界面在800℃時的高溫拉伸性能達(dá)到了基材的91%，熔覆層強(qiáng)度不低于基材的91%

圖5  DD432外延接長結(jié)合界面

圖6  DD432外延接長Rene142截面全貌圖

04 單晶葉片熔覆案例

圖7 熔覆過程照片  

圖8  葉片熔覆層滲透探傷

熔覆層外觀光滑、致密，無肉眼可見的裂紋、孔洞等缺陷。由于熔覆過程采用了兩種不同的工藝，在不同工藝熔覆的交界處形成了比較明顯的交界區(qū)。