ZGH451 镍基高温合金的激光粉末床熔融：通过调控熔池形貌和重熔深度实现近定向凝固微观组织

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Laser powder bed fusion of ZGH451 nickel-based superalloy: Achieving near-directionally solidified microstructure by tailoring melt pool morphology and remelting depth

　　

•采用高斯激光LPBF制备了近定向凝固ZGH451高温合金
•通过调控熔池形貌和再熔深度消除了野晶
•样品实现了≤7.1°的平均枝晶偏转角和>95%的等轴晶粒比例
•耦合模拟揭示了非定向区域非线性演化规律
•提出了跨层定向生长的无量纲几何判据

引言

作为航空发动机和燃气涡轮的核心热端部件，涡轮叶片通常由镍基高温合金制造。这些部件需要在高温（900-1400℃）下承受蠕变-疲劳载荷。对于此类部件，<001>取向的柱状树枝晶的定向生长使晶界优先平行于主应力轴排列，有效抑制了长期服役过程中的裂纹萌生，从而提高了材料的高温力学性能和使用寿命[1]。虽然传统定向凝固铸造工艺已实现工程应用，但在制造具有复杂内部冷却通道的性能优良涡轮叶片时，面临芯模制造困难、成品率低以及对偏析高度敏感等挑战[2]。因此，迫切需要引入新型制造技术。激光粉末床熔融（LPBF）[3]因其逐线扫描、逐层打印的成形特点，在复杂结构的整体制造方面具有显著优势。此外，LPBF极高的温度梯度（高达103-10? K/mm）和超快冷却速率（高达10?-10? K/s）[4]使其在制备定向凝固微观组织方面具有巨大潜力[5]。这些特性为LPBF技术在高性能涡轮叶片制造中提供了广阔的应用前景。

然而，目前LPBF技术广泛采用高斯激光作为热源，其激光光斑中心能量密度较高但边缘能量密度较低[6]。这种不均匀的能量分布导致凝固前沿热流方向不一致，容易在熔道两侧诱导出偏离<001>方向的野晶形成[6]。高斯激光热源引起的熔道边缘晶粒生长方向偏离现象已在多项研究中得到证实：Ozkan等[7]发现在LPBF制备IN718合金过程中，由于熔道两侧复杂的热流，在双向扫描策略下制备的样品呈现出<011>和<001>取向周期性交替的多晶结构；Ishimoto等[8]发现在制备Ti-15Mo-5Zr-3Al合金时，虽然通过采用90°层间旋转的激光扫描策略获得了具有强<001>择优取向的织构，但柱状晶在熔道重叠区域生长过程中仍因复杂热流的干扰而偏离构建方向（BD）。这些研究表明，高斯光束固有的能量分布不可避免地会在熔道边界和重叠区域产生复杂的热流。这种发散的区域热场使得难以维持垂直温度梯度，从而限制了传统LPBF中的定向凝固。

通过光束整形技术实现激光光斑能量均匀分布，进而构建更一致的单向热流和温度梯度，已成为目前LPBF领域制备定向凝固微观组织的主要技术路线。例如，Jodi等[9]和Guo等[10]分别在纯镍和Co-Al-W合金的LPBF过程中利用平顶光束，成功制备了具有优良定向生长特征的柱状晶微观组织，其<001>择优取向平行于BD。Li等[11]利用平顶光束LPBF系统制备IN738合金，通过激光调控热流并设计层间扫描策略，成功制备了具有显著定向生长特征的柱状晶微观组织，低角度晶界（LAGBs）比例超过70%。Gao等[12]利用方形平顶激光制备DZ125高温合金，通过显著提高垂直温度梯度，成功制备了具有强[001]织构的柱状晶微观组织，并将LAGBs比例提高至80.45%。Grünewald等[13]利用高斯-环形复合光束进行316 L不锈钢的LPBF制备，发现高斯光束与环形光束之间的能量比是决定晶粒生长方向的关键因素：能量比为1:9时有利于形成<001>取向平行于BD的定向柱状晶微观组织。总体而言，光束整形技术是目前LPBF领域制备定向柱状晶的主流且有效的方法。然而，由于大多数商用LPBF设备标配高斯激光，光束整形策略往往需要修改现有的光路系统，这可能导致制造成本增加，并在一定程度上限制了该技术在当前工业生产中的普适性。此外，需要注意的是，当前大多数光束整形方案倾向于产生比传统高斯光束（通常为50-80μm[3]）更大的激光光斑尺寸。例如，Gao等[12]使用的方形平顶光束边长为150μm，Li等[11]使用的圆形平顶光束直径为200μm。虽然这种放大的光斑尺寸有利于微观组织控制，但不可避免地会在一定程度上降低打印零件的空间分辨率和尺寸精度，从而对高度复杂几何特征的制备构成挑战。

鉴于目前光束整形方法存在的局限性，许多研究人员尝试通过常规高斯激光条件下的工艺参数优化来调控凝固环境，从而增强晶粒的定向生长。例如，Carter等[14]为CM247LC高温合金设计了非旋转光栅扫描策略，在一定程度上保持了层间定向热流，获得了具有一定定向特征的柱状晶微观组织。然而，微观组织中仍存在大量偏离BD的晶粒。Lam等[15]采用90°和67°层间旋转角，减少了高斯激光LPBF制备的IN738LC合金中的大角度晶界，增强了晶粒的择优取向。Gao等[16]对DZ125高温合金采用+2 mm离焦距离的离焦LPBF工艺，通过调控激光能量分布和熔池形貌，成功促进了柱状晶的连续外延生长，改善了微观组织的方向性（LAGBs比例>70%），但样品中仍存在明显的野晶。总体而言，在高斯激光框架下现有的工艺参数调控策略，虽然在一定程度上增强了高温合金的定向生长，但其实际微观组织仍远未达到工业对定向凝固微观组织的要求（本文中统一称为枝晶偏转角，即树枝晶生长方向与构建方向之间的夹角，必须<15°[17]，[18]）。因此，开发一种能够在高斯激光条件下确保合金理想定向凝固的新型工艺策略，对于实现高性能涡轮叶片的整体制造具有重要的意义。

通过传统高斯激光LPBF实现定向凝固微观组织仍面临重大挑战，因为熔道边缘会形成野晶。为解决这一问题并避免对现有光学系统进行复杂改造，本文阐明了跨层定向生长的基本机制，提出了"熔池形貌与再熔深度协同调控"的工艺控制策略，有效消除了野晶，获得了平均枝晶偏转角≤7.1°、低角度晶界比例超过95%的近定向凝固微观组织。为将这些发现转化为实用的预测工具，本文提取了实现跨层定向晶粒生长的无量纲几何判据（d/h+b/h<1，其中d为"非再熔区域"的深度，b为"非再熔区域"的深度，h为熔道深度），并通过改变光斑间距和层间旋转角的扩展实验验证了该判据的准确性。这些结果弥补了现有工艺差距，为使用标准高斯激光制造高定向性高温合金部件提供了一条可行的途径。

分段摘要

材料与工艺参数

本研究选用专为涡轮叶片增材制造设计的ZGH451镍基高温合金作为实验材料[19]，[20]。其名义成分为4.30 wt.%Al，1.22 wt.%Ti，5.50 wt.%Ta，26 wt.%（Co+Cr+W+Mo），0.01 wt.%C，0.01 wt.%B，1.50 wt.%Hf，余量为Ni。ZGH451粉末的形貌和粒径分布如图1所示。所有粉末颗粒均为近球形，伴有少量卫星

单熔道纵向横截面

图7展示了不同激光功率和扫描速度下形成的单熔道长轴横截面的金相图像。可以观察到，当激光功率相对较低（≤175 W）时，熔道深度和宽度均随扫描速度降低而逐渐增加。在这些激光功率条件下，熔道整体深度较浅，熔道横截面呈现平缓的碗状形态，表明

高斯激光LPBF条件下的晶粒演化机制

熔道内的晶粒生长行为直接受凝固过程中局部温度场的影响。根据经典凝固理论，柱状树枝晶的生长方向由固-液界面处局部最大温度梯度的方向控制[34]。以20μm层厚为例，不同激光条件下单熔道稳态时的温度梯度分布为

结论

结合实验表征与温度场和晶粒生长模拟，本研究阐明了采用传统高斯光束在ZGH451合金LPBF中跨层定向生长的机制。主要结论如下：

（1）野晶的形成与高斯激光束非均匀热场在熔道边缘诱发的"非定向区域"密切相关。在没有足够的层间再熔情况下，这些区域将

作者贡献声明

Li Meng：验证、监督。Xiaoyan Zeng：资源、项目管理。Qiao Zhong：方法、调查。Beibei Zhu：验证、正式分析。Xiaoze Yue：调查、数据管理。Kaiwen Wei：写作-审阅与编辑、资源。Jia Chen：方法、调查。Rinsen Zhou：写作-原稿撰写、可视化、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到中国国家科技重大专项（项目编号：Y2019-VII-0011-0151）的资助。所有物理和化学测试均由华中科技大学分析测试中心完成。

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