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輝銳集團(tuán)

株洲輝銳增材制造技術(shù)有限公司

中南區(qū)域性金屬零部件激光加工服務(wù)提供商

Case introduction

案例詳情

首頁(yè)8 >> 激光熔覆 >> 航空航天舊 >> 單晶材料激光熔覆服務(wù)

行業(yè)應(yīng)用

單晶材料激光熔覆服務(wù)

市場(chǎng)價(jià)： 0.00

價(jià)格： 0.00

01技術(shù)背景

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志，被喻為整個(gè)航空工業(yè)的桂冠，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪葉片則被喻為桂冠上的明珠。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率與高溫渦輪葉片的工作溫度和高溫抗蠕變性能直接相關(guān)。隨著航空工業(yè)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能和推重比要求的不斷提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的工作溫度進(jìn)一步上升，對(duì)合金的性能要求越來(lái)越高，鎳基高溫合金逐步向高溫性能更好的單晶發(fā)展，如Rene N5、CMSX-4、DD432等，目前已發(fā)展到第五代鎳基單晶高溫合金，每一代高溫合金的工作溫度大約比上一代提高25°C。伴隨材料發(fā)展而來(lái)的是對(duì)制造工藝的挑戰(zhàn)，如何利用直接金屬沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)單晶零件的修復(fù)與直接成型，逐漸成為研究熱點(diǎn)，而如何在修復(fù)成型的過(guò)程中，保證其單晶的屬性，避免雜晶的生成，是最大的挑戰(zhàn)。

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(zhǎng)方式向上生長(zhǎng)，形成細(xì)小柱狀枝晶微觀組織，通過(guò)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(duì)于熔池內(nèi)晶體分布的預(yù)測(cè)與控制，當(dāng)G/V的值高于臨界值時(shí)，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(duì)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(guò)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(guó)內(nèi)在鎳基單晶高溫合金激光增材修復(fù)方面的研究報(bào)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(duì)開(kāi)展了鎳基單晶材料的激光直接成型研究。通過(guò)理論建模與實(shí)驗(yàn)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(guò)程中熔池內(nèi)晶體的生長(zhǎng)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(zhǎng)行為和微觀組織分布的影響，為該技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)方向）
?熔覆層上表面會(huì)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(shí)，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(zhǎng)的單晶或定向結(jié)晶組織

圖1 熔覆層橫截面

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(zhǎng)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

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(shù)成果

目前輝銳已在單晶激光修復(fù)領(lǐng)域展開(kāi)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(shí)的結(jié)晶生長(zhǎng)方向。這兩項(xiàng)工藝參數(shù)都可以通過(guò)熔池監(jiān)控手段和圖像處理的方法實(shí)時(shí)進(jìn)行捕捉和測(cè)量。

圖3 熔池成像圖片

圖4 熔池溫度梯度圖（點(diǎn)擊放大）

采用鎳基粉末材料，在DD432上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了較好的成果，并在DD432的單晶葉片上進(jìn)行了工藝開(kāi)發(fā)測(cè)試。單晶葉片葉尖各部位的厚度有一定的差異，越厚，定向外延接長(zhǎng)越困難，主要為熔覆層單道厚度越大，工藝要求越嚴(yán)格，工藝窗口范圍越小。經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化研究，取得了以下激光熔覆單晶材料的成果：
● 實(shí)現(xiàn)最大單道熔覆寬度為1.8mm，且連續(xù)堆積可達(dá)10mm高度。
● 單層厚度可調(diào)節(jié)范圍0.15～0.5mm。
● 兩側(cè)雜晶量少于10%。

●結(jié)合界面在800℃時(shí)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(zhǎng)結(jié)合界面