01技術背景
02激光熔覆單晶技術的發(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），可以實現對于熔池內晶體分布的預測與控制，當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，又有學者實現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。受限于材料與設備的特殊性，國內在鎳基單晶高溫合金激光增材修復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)合學院任教期間，曾帶領團隊開展了鎳基單晶材料的激光直接成型研究。通過理論建模與實驗相結合的方法，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晶體的生長機理和微觀組織分布，并分析了工藝參數（搭接率、搭接方式），以及基體表面晶格取向對熔池內晶體生長行為和微觀組織分布的影響，為該技術在航空發(fā)動機部件上的實際應用提供了理論基礎。
?研究表明，對單層熔覆單晶合金材料的橫截面進行電鏡EBSD掃描發(fā)現，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晶組織（下圖藍色區(qū)域，顏色代表結晶生長方向）
?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構，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
Liu, H, Qi. Effects of substrate crystallographic orientations on crystal growth and microstructure formation in laser powder deposition of nickel-based superalloy [J]. Acta Materialia, 2015, 87: 248-58.
03 輝銳激光熔覆單晶材料技術成果
圖3 熔池成像圖片
圖4 熔池溫度梯度圖（點擊放大）
● 實現最大單道熔覆寬度為1.8mm，且連續(xù)堆積可達10mm高度。
● 單層厚度可調節(jié)范圍0.15～0.5mm。
● 兩側雜晶量少于10%。
●結合界面在800℃時的高溫拉伸性能達到了基材的91%，熔覆層強度不低于基材的91%
圖5 DD432外延接長結合界面
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)。
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