上海大学：增材制造镍基单晶高温合金取得新突破！

近日，上海大学任忠鸣教授团队在增材制造镍基单晶高温合金领域取得新突破。相关成果在增材制造*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”为题发表，其中通讯作者为上海大学的王江教授、陈超越副教授，上海大学为*通讯单位，英国伦敦大学玛利皇后学院的C. Panwisawas副教授以及西班牙加泰罗尼亚理工大学的鹿旭飞博士为共同作者。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422007527

镍基单晶高温合金(Nickel-based single crystal superalloy, SX)因其消除了晶界，展现出了较高的抗蠕变和疲劳性能和热腐蚀性能等优异的高温力学性能，被广泛应用于现代航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片的制造。目前，镍基单晶高温合金构件仍主要通过定向凝固工艺制造，存在生产周期长、元素偏析严重、组织不均匀等因素。如何制备超细化枝晶结构和均质化组织的镍基单晶高温合金依旧是业界的难题。增材制造的出现为镍基单晶高温合金的制备提供了新思路，目前增材制造镍基单晶高温合金的研究重点主要集中在外延生长和开裂机理上，但对于组织和性能的研究却相对较少。

该团队采用定向能量沉积(Laser-directed energy deposition, L-DED)制备René N5镍基单晶高温合金的显微组织和力学性能，在不同激光功率下外延生长获得了低角晶界(Low-angle grain boundary, LAGB)分数高于98.5%的无裂纹单晶高温合金，并与铸态样品进行的对比。该团队研究发现，采用平顶激光束的平熔线可以抑制L-DED过程中杂散晶粒和高角度晶界(High-angle grain boundary, HAGB)的形成。显微组织观察表明，L-DED SX合金的一次枝晶臂间距(Primary dendrite arm spacing, PDAS)随激光功率的增加而增加，枝晶高度细化，PDAS约为20 ~ 30 μm，明显低于铸态样品(~350 μm)。

Re、W、Ta等难熔元素的偏析随着激光功率的增大而增大，1100W和1300W激光功率下SX试样的元素偏析较铸态试样低。在不同薄壁相同高度处，W、Re、Ta等难熔元素的偏析随激光功率的增大而明显加重。难熔元素的原子半径大，扩散速率低。不同薄壁相同高度处W、Re、Ta偏析明显加剧，Co、Cr、Al偏析变化不明显。在凝固过程中，Al和Ta作为γ′相的主要形成元素聚集在枝晶间区，导致析出的γ′相尺寸更大。由于枝晶间区γ′相的生长驱动力大于枝晶区，导致枝晶间区γ′相的生长速度更快。同时，枝晶间凝固时间较长，导致枝晶间区γ′相生长时间较长，从而使得枝晶间区γ′相的平均尺寸大于核心枝晶的平均尺寸。此外，Re在枝晶核心处聚集，延缓了γ′相的生长，使枝晶区域的γ′相更加均匀地靠近正方形。

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