【南京工业大学】激光粉末床熔融调控搭接行为,难焊接镍基高温合金实现类单晶织构定制

摘要

控制镍基高温合金凝固行为以获得定制化晶体织构或单晶结构，是制备高温极端工况高性能构件的关键。增材制造（尤其是激光粉末床熔融，LPBF）具备独特的微观组织设计能力。本研究提出基于搭接的调控策略，在难焊接 IN738LC 镍基高温合金 LPBF 成形中，实现任意三维取向的类单晶织构。通过调整扫描间距（HS）与层厚（LT） 调控熔池形貌与搭接率，在不改变扫描策略的条件下，成功制备出 **<001>∥成形方向（BD）、<311>∥BD、<110>∥BD** 三种典型织构。结合热场与温度梯度分布的计算流体力学（CFD）模拟，揭示了外延生长与竞争晶粒选择驱动织构演变的机制。该工作为 LPBF 制备类单晶镍基高温合金构件提供新途径，推动织构控制与增材制造的深度融合。

主要亮点

1. 无扫描策略变更实现织构定制
     仅通过调控层厚与扫描间距，即可在难焊接 IN738LC 合金中获得三种强取向类单晶织构，工艺灵活性大幅提升。
2. 裂纹抑制与织构控制协同实现
     成形试样近无裂纹，致密度最高达 99.8%，突破 “织构调控易开裂” 的行业瓶颈。
3. 搭接行为–熔池形貌–织构关联机制
     阐明搭接率、熔池角度、温度梯度方向对外延生长与竞争晶粒选择的调控规律。
4. 数值模拟与实验精准耦合
   CFD 模拟复现熔池演化与温度梯度分布，为织构调控提供定量理论支撑。
5. 明确工艺–组织映射关系
     温度梯度（G）对扫描间距敏感，凝固速率（R）对层厚敏感，为工艺优化提供明确指导。

图 1 搭接率与熔池角度、外延生长定义示意图

(a) 搭接率与熔池角度定义：水平搭接率 = 1−W₂/W₁；垂直搭接率 = 1−D₂/D₁；熔池角度 α 为 AB 曲线中点切线与水平方向夹角。(b) 水平与垂直外延生长判定：水平外延生长为晶粒 Y 向最大长度大于扫描间距；垂直外延生长为晶粒 Z 向最大长度大于层厚。

图 2 不同工艺试样缺陷特征

(a–d) 层厚 20 μm，扫描间距 40–100 μm 试样；(e–h) 层厚 40 μm，扫描间距 40–100 μm 试样；(i–l) 层厚 60 μm，扫描间距 40–100 μm 试样；(m) 致密度统计；(n) 裂纹密度统计。

图 3 不同工艺熔池截面金相图

(a–d) 层厚 20 μm，扫描间距 40–100 μm；(e–h) 层厚 40 μm，扫描间距 40–100 μm；(i–l) 层厚 60 μm，扫描间距 40–100 μm；黄色虚线为熔池边界。

图 4 搭接率随层厚与扫描间距变化规律

(a) 垂直方向搭接率；(b) 水平方向搭接率；(c–d) 9 号试样（层厚 60 μm，扫描间距 40 μm）XZ/YZ 面熔池边界。

图 5 不同工艺试样 YZ 面 EBSD 反极图（沿成形方向投影）

(a–d) 层厚 20 μm，扫描间距 40–100 μm；(e–h) 层厚 40 μm，扫描间距 40–100 μm；(i–l) 层厚 60 μm，扫描间距 40–100 μm。

图 6 对应图 5 的 {001} 极图

(a–d) 层厚 20 μm，扫描间距 40–100 μm；(e–h) 层厚 40 μm，扫描间距 40–100 μm；(i–l) 层厚 60 μm，扫描间距 40–100 μm。

图 7 典型试样 EBSD 特征

(a) 2 号试样（<001>∥BD 织构）；(b) 5 号试样（<311>∥BD 织构）；(c) 9 号试样（<110>∥BD 织构）；(a₁–c₁) 晶界分布（蓝色低角度晶界，红色高角度晶界）；(a₂–c₂) 对应极图。

图 8 熔池形貌模拟与实验对比

(a–c) 层厚 40 μm，扫描间距 40/60/80 μm 熔池截面模拟；(d–f) 扫描间距 60 μm，层厚 20/40/60 μm 熔池截面模拟；(g) 模拟与实验熔池形貌对比；(h) 熔池角度随工艺参数变化。

图 9 熔池角度与晶粒生长取向关系

(a) 枝晶生长方向随熔池角度变化；(b) 三种典型熔池形貌下晶粒取向示意图（红色空心箭头为温度梯度方向）。

图 10 外延晶粒占比统计

(a) 垂直外延晶粒占比；(b) 水平外延晶粒占比；(c) 搭接率对外延晶粒占比的影响。

图 11 层厚 40 μm、不同扫描间距下外延生长行为

(a) 扫描间距 40 μm；(b) 扫描间距 60 μm；(c) 扫描间距 80 μm；蓝色箭头为枝晶生长轨迹，红色箭头为温度梯度方向。

图 12 扫描间距 40 μm、不同层厚下外延生长行为

(a) 层厚 20 μm；(b) 层厚 40 μm；(c) 层厚 60 μm；蓝色箭头为枝晶生长轨迹，红色箭头为温度梯度方向。

图 13 扫描间距 60 μm、不同层厚下外延生长行为

(a) 层厚 20 μm；(b) 层厚 40 μm；(c) 层厚 60 μm；蓝色箭头为枝晶生长轨迹，红色箭头为温度梯度方向。

图 14 凝固组织选择图谱

(a) 熔池数据采集点示意图；(b) 不同工艺下从搭接界面到熔池顶部的组织选择图谱。

图 15 典型织构晶粒竞争生长行为

(a) <001 > 织构试样；(b) <311 > 织构试样；(c) <110 > 织构试样；(a₁–c₁) SEM 图；(a₂–c₂) 对应 IPF 图；(a₃–c₃) 竞争生长示意图。