镍基单晶高温合金因其在高温下的优异性能而被用作航空发动机及燃气轮机的叶片。然而，单晶叶片在高温高压及复杂燃烧室条件下可能产生各种形式的表面损伤。考虑单晶部件的高成本，因此非常需要开发有效的修复技术，其中激光熔覆技术是一种可靠且有希望的选择。

近年来通过激光熔覆技术实现单晶组织外延生长的研究集中在某一固定晶面改变激光扫描方向或选择不同晶面使用某一扫描方向来进行。对于激光修复表面损伤部件来说，可以在损伤部件上切割出不同的晶面。那么提出了一个问题：在哪些传统晶面上，以及沿着哪个扫描方向，杂晶形成能力最弱？这就需要系统研究在不同晶面上的杂晶形成能力（即CET，柱状晶-等轴晶转变）。

近期，西北工业大学物理科学与技术学院相变物理及新材料实验室通过关键实验与理论计算相结合的方式系统地研究了单晶高温合金在不同晶面的杂晶形成能力，论文以题为“A comparable study on stray grain susceptibilities on different crystallographic planes in single crystal superalloys”发表于金属材料领域国际顶刊《Acta Materialia》。论文第一作者为西工大郭嘉琛博士，通讯作者为西工大王楠教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116558

该项研究工作利用激光重熔技术对(001)、(011)和(111)晶面上的杂晶形成能力进行了对比研究。对于每一个平面，在确定初始基体取向后，使用了不同的激光扫描方向。研究确定了不同基体取向对杂晶形成能力的影响以及系统比较了三个传统晶面上的杂晶形成敏感度。结果表明，基体取向对(011)面和(111)面上的杂晶形成有显著影响，但对(001)面的影响较小；这三个晶面表现出不同的CET能力，对杂晶形成的抵抗能力以(111) < (001) < (011)的顺序在增强；为避免单晶高温合金激光重熔或激光修复过程中出现杂晶，选择(011)晶面上的[01-1]激光扫描方向是最佳选择; 除了激光功率、扫描速度和送粉速率之外，基体取向也将作为一个可调节的参数，可在加工过程中使用，以避免杂晶的形成。综上，该研究系统地研究了单晶高温合金在不同晶面的杂晶形成能力，并通过理论计算阐明了基体取向对于杂晶形成能力的潜在机制。

图1 熔池示意图，显示分别在（a）（001）、（b）（011）和（c）（111）晶面上改变角度和法向之间的关系，以及择优生长方向与x、y和z轴之间角度α、β和γ之间的关系。

图2 在(011)晶面上熔池横截面微观组织形貌及相对应的EBSD试验图。(a) ξ(011)= 0°, (b) ξ(011) = 30°,(c) ξ(011) = 60°and (d) ξ(011) = 90°。

图3 熔池内杂晶体积分数分布随基体取向变化。(a) (001) 面；(b) (011) 面；(c) (111)面。

图4 不同晶面内熔池杂晶平均体积分数分布随扫描方向的变化关系。

图5 等轴晶临界产生条件随基体取向变化之间关系图。

近年来，该课题组专注于单晶高温合金基体取向对杂晶形成能力的影响，相关研究工作还发表在《Acta Materialia》2015, 88: 283-292；《Acta Materialia》2016, 104：250-258；《Acta Materialia》2017, 126：302-312；《Journal of Alloys and Compounds》2019, 800：240-246等期刊上。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。