《Journal of Materials Processing Technology》：Melt pool characteristics and microstructure evolution during laser-directed energy deposition of Ni-based superalloy on single-crystal substrates
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采用激光熔覆技术修复单晶镍基合金部件，通过正交实验优化参数，最大外延生长比为0.455。结合数值模拟分析熔池动态与热历史，揭示热梯度方向变化通过改变熔池几何曲率影响取向至无序转变（OMT）和柱状至等轴晶转变（CET），导致异晶形成。提出多层沉积策略维持连续外延生长，为异晶控制提供新机制。
Xuewei Yan|Wenxue Hu|Zhao Zhao|Zheng Chen|Dejian Sun|Qingyan Xu
郑州航空工业大学航空发动机学院，中国郑州450046
摘要
使用成本效益高的多晶合金修复单晶超合金部件是一个重要的冶金挑战，主要原因是在外延生长过程中难以抑制杂散晶粒的形成。本研究通过激光定向能量沉积技术在DD6单晶基板上沉积IN718合金。首先采用正交实验设计来优化加工窗口，实现了最大的外延比例0.455。为了揭示控制杂散晶粒形成的凝固机制，利用耦合热流模型分析了熔池动力学和热历史。在单层沉积过程中发现了一个关键的处理-微观结构关联：将重叠比例从35%增加到50%会导致杂散晶粒比例显著增加，这与传统预期相反。机制分析表明，这主要是由于熔池几何形状的变化；熔合边界的曲率改变重新定向了局部热梯度矢量，从而改变了定向到非定向转变以及柱状到等轴转变的趋势。基于这些机制洞察，开发了一种多层沉积策略以维持连续外延生长所需的热条件。这些发现为控制不同合金单晶部件的混合修复提供了关键的微观结构控制机制。
引言
镍基超合金因其高温强度、抗蠕变性和抗氧化或抗烧蚀性而在航空航天领域得到广泛应用[1]。然而，在镍基超合金涡轮叶片中，离心载荷可能导致多晶合金中的横向晶界提前失效，从而限制了其使用寿命[2]。因此，通过定向凝固消除晶界的单晶（SX）超合金被开发出来，以获得更好的性能[3]，[4]。然而，这些昂贵的SX涡轮叶片本身在恶劣环境中也容易受损[5]，这就需要有效的修复方法[6]，[7]。激光定向能量沉积（L-DED）提供了高精度的修复[8]。重要的是，使用价格较低的超合金作为修复材料在成本和多功能性方面具有优势，使其在延缓失效和降低成本方面具有重要意义。
为了在L-DED修复后保持或超过SX超合金部件的原始机械性能，沉积部件在凝固过程中应保持SX结构，即i) 保持其柱状树枝晶形态，ii) 沿着SX基材的主要凝固方向进行外延生长。然而，在L-DED沉积物中经常观察到等轴晶粒（也称为杂散晶粒，SGs），这些晶粒与柱状到等轴转变（CET）密切相关。CET的控制通常在标量凝固框架内进行解释，涉及热梯度（G）、凝固速率（R）及其比率G/R。较高的G/R通常被认为有利于促进外延柱状生长并推迟CET的发生[9]。此外，CET还受到定向到非定向转变（OMT）的强烈影响。OMT引起的不同[100]方向上柱状树枝晶的竞争性生长会导致错位树枝晶和晶界的形成。尽管OMT不改变整体晶体取向，但它增强了CET的倾向，尤其是在OMT交叉处。因此，抑制SGs的形成不仅依赖于减轻CET，还依赖于最小化OMT[10]，[11]。
在单轨沉积过程中，熔池从底部到顶部的凝固条件不同，G/R比率沿此方向减小，这促进了CET以及上部区域SGs的形成。优化加工参数是调节熔池内热条件的有效方法，从而影响CET。Zeng等人[12]使用L-DED在DD6基板上沉积合金X，并报告称较高的粉末进料速率和激光功率可以抑制CET，而扫描速度的影响可以忽略不计。相比之下，Liu等人[13]得出了相反的结论，表明增加激光功率会促进CET并降低外延生长的高度。此外，Gao等人[14]指出，热输入的综合参数而非单个工艺参数主要控制CET引起的SGs形成。OMT对应于由于生长方向不同而产生的主要树枝晶生长方向的变化，这受到熔池几何形状和基材取向的控制。Anderson等人[15]证明，在G达到最小值的OMT收敛区域，沿固液界面的G/R比率最低，使其成为CET最易发生的部位。他们的进一步研究表明，通过消除或减少凝固前沿的OMT可以有效地抑制CET，从而减轻SGs的形成。在多轨和多层沉积中，不同位置的热场变得高度不均匀，使得CET和OMT的控制变得更加具有挑战性[16]，[17]。尽管如此，一些先前的研究表明，采用较大的轨道重叠通常是有益的，因为它在几何上增加了重熔体积，改善了相邻轨道之间的结合，并有助于去除预先存在的SGs[18]，[19]。
尽管已经付出了大量努力来阐明工艺条件与凝固结构之间的关联，但仍有几个关键问题尚未解决。大多数实验和数值研究建立了工艺参数与局部估计的标量量（如G-R、冷却速率和熔池形态）之间的联系，并将这些联系到晶粒形态和CET行为[20]，[21]。尽管这种基于标量的框架已被证明对于定义SX修复的经验性加工窗口有效，但它本质上将G视为一个大小，而没有明确考虑其矢量特性，特别是在多轨沉积的复杂重叠区域。此外，G的矢量特性对OMT的影响，以及OMT促进的CET的影响，在多轨和多层沉积中仍不够清楚。此外，在这种配置中，SGs的比例受到重熔过程的强烈控制，该过程可以去除前一轨道或层中形成的SGs，但同时可能促进新SGs在新鲜沉积轨道中的形成。然而，在多轨和多层L-DED过程中，对SGs去除和SGs形成在重叠区域之间的竞争关注较少。
在这种背景下，本研究旨在系统地表征熔池行为，并阐明L-DED修复过程中的微观结构演变机制。首先通过基于正交实验设计的单轨沉积优化了工艺参数。然后使用COMSOL Multiphysics?建立了三维数值模型来分析熔池内的耦合热流现象。通过结合实验观察和数值模拟，研究了热条件对熔池几何形状和SGs形成的影响。此外，对于单层沉积，使用三维凝固前沿框架定量评估了G方向对OMT、CET及相关SGs形成的影响，从而提供了关于不同填充合金修复SX超合金的过程-熔池-微观结构关联的总体见解。最后，实施了一种多层沉积策略以维持连续外延生长所需的热条件，并仔细讨论了多层沉积过程中控制SGs形成的关键驱动力。本研究的结果为L-DED在航空发动机叶片维护和修复中的应用提供了实际指导，并支持未来的工艺优化和发展。
材料与样品制备
作为沉积层材料使用了IN718粉末，其化学成分列于表1中。图1显示了IN718粉末的形态特征和尺寸分布。可以看出，IN718粉末具有高球形度，且没有可检测到的卫星颗粒（图1(a)）。IN718粉末的颗粒直径主要分布在53至150微米之间，平均直径约为80.12微米。此外，从图1(b)中还可以看出
通过单轨实验优化工艺参数
进行单轨实验以优化关键工艺参数，包括激光功率、扫描速度和粉末进料速率。图6显示了单轨样品的横截面形态，而Taguchi正交表和数据列在表4中。可以看出，所有单轨样品在所有参数条件下都完全致密且没有明显的缺陷，如孔隙或裂纹。外延生长的一个关键特征
结论
本研究系统地研究了在DD6单晶基板上激光定向能量沉积IN718超合金过程中的熔池特性和微观结构演变。通过结合实验观察和数值模拟分析了工艺参数对熔池形态和微观结构的影响。特别是，热梯度方向在控制定向到非定向转变、柱状到等轴转变中的作用
CRediT作者贡献声明
Xuewei Yan：概念化、写作——审阅与编辑、可视化、项目管理、资金获取。Wenxue Hu：方法论、写作——初稿、形式分析、调查、数据管理、软件、验证。Zhao Zhao：方法论、写作——审阅与编辑。Zheng Chen：写作——审阅与编辑。Dejian Sun：资源、写作——审阅与编辑。Qingyan Xu：写作——审阅与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了河南省科技发展计划（编号：242102220086）、郑州航空工业大学科研团队计划（编号：25ZHTD01004）和郑州航空工业大学实验室开放计划（编号：ZHSK25–58）的财政支持。
