渦輪葉片高能束增材再制造修復技術：理論、工藝、熔池、組織、缺陷及性能
時間：2023-02-28 10:48 來源：材制造碩博聯(lián)盟 作者：admin 閱讀：次
單晶渦輪葉片高能束增材再制造是修復磨損、燒蝕和裂紋等損傷缺陷的主要方式，是航空發(fā)動機熱端部件特種加工領域最具挑戰(zhàn)性的工作之一，其中蘊含的外延生長組織接續(xù)與調控機制、內部冶金缺陷控制等科學問題和關鍵工藝尚未完全突破。梳理了熔焊熔池內凝固組織定向生長的理論發(fā)展，基于已有的枝晶異質形核和異向生長理論，構建了單晶高能束修復的基礎原理框架；詳細分析了"修復工藝-熔池特性-凝固組織"之間的內在關聯(lián)，提出了保持單晶連續(xù)穩(wěn)定生長的工藝調控準則和熔池監(jiān)控方法；總結了修復區(qū)γ'相等微觀組織以及熱裂紋、氣孔等冶金缺陷的演化規(guī)律和調控手段，凝練了單晶修復面臨的主要挑戰(zhàn)。此外，介紹了航空發(fā)動機熱端部件再制造領域相關的國外重大研究計劃，并對今后研究方向和發(fā)展趨勢進行總結和展望。
鎳基高溫合金是航空發(fā)動機渦輪葉片使用最為廣泛的材料[1]，按凝固組織形貌可分為等軸晶、定向晶和單晶，使役性能不斷提高[2](見圖 1)。單晶高溫合金(如無特殊說明文中單晶合金均指鎳基單晶高溫合金)消除了產(chǎn)生偏析的全部晶界和低熔點的晶界強化元素，具有較高的高溫強度、優(yōu)異的蠕變與疲勞抗力以及良好的抗氧化性、抗熱腐蝕性能[3-4]。以單晶合金為材料，結合高效的空芯冷卻設計和熱障涂層，可以滿足先進航空發(fā)動機高達1 800 ℃的渦輪前溫度要求。
單晶渦輪葉片的鑄造工序復雜、成品率低、含有大量貴重元素，因此價值較高。葉片在服役過程中會不可避免承受高周疲勞、蠕變伸長、環(huán)境與熱應力復合等因素影響，出現(xiàn)磨損、裂紋、表面燒蝕和腐蝕等問題[5]。如果采用新葉片替換僅存在微小鑄造缺陷、葉尖部分磨損/裂紋的葉片，將造成材料的極大浪費，經(jīng)濟上也難以承受。發(fā)展高效率、高精度和高質量的修復與再制造技術，恢復損傷葉片的氣動外形、微觀組織與力學性能，使其具備繼續(xù)服役的能力，對于實現(xiàn)發(fā)動機性能指標、降低使用和維護成本、提高裝備可靠性具有重要意義。
20世紀80年代以來，隨著三代戰(zhàn)機服役、民航業(yè)發(fā)展和中大型燃氣輪機的大量運用，美、歐、日等國開始研究采用激光、電弧和電子束等高能束進行葉片損傷修復。近年來，隨著金屬增材制造技術的發(fā)展，基于增材原理的高能束再制造技術成為修復磨損、燒蝕和裂紋等損傷葉片的主要方式[6-10]。然而，受限于單晶葉片復雜型面結構、特殊微觀組織、苛刻使用載荷條件等因素，實施高能束修復不僅要考慮恢復葉片幾何形狀、減少修復區(qū)冶金缺陷等問題，更大的挑戰(zhàn)在于保持單晶的完整性，從而滿足再次服役要求。如圖 2所示，單晶葉片高能束修復作為航空發(fā)動機熱端部件特種加工領域的代表性技術，其中所蘊含的科學問題和關鍵工藝尚未完全突破。研究單晶葉片高能束修復技術，不僅能促進理解熔焊凝固組織的深層次演化規(guī)律，還能對其他關鍵熱端部件的制造和再制造應用起到示范引領作用。
本文對單晶渦輪葉片高能束修復研究現(xiàn)狀進行綜述。首先，從基礎凝固原理著手，總結了熔池內單晶組織形成的理論發(fā)展歷程；其次，詳細討論了修復工藝和熔池特性對單晶生長的影響機理和研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了“工藝-熔池-組織”之間的內在關聯(lián)；再次，對單晶高能束修復微觀組織、冶金缺陷和力學性能進行歸納總結，并介紹了國外航空發(fā)動機部件再制造相關的幾個重大研究計劃；最后，基于國內外研究現(xiàn)狀，對今后的研究方向和發(fā)展趨勢進行展望。
1 理論發(fā)展歷程
在單晶合金高能束表面修復過程中，激光、電子束等移動熱源作用于基材表面形成微小熔池，熔池四周溫度較低的基材充當“散熱器”，能快速吸收熱量，促使熔體定向凝固(至少在熔池局部區(qū)域是定向的)。如果單晶基材與供給粉末的成分相近并且滿足一定的初熔，那么最先凝固熔體便會呈現(xiàn)外延生長趨勢[11]，即：外延組織的取向與單晶基材保持接續(xù)。盡管外延生長及其所獲得的定向柱晶是金屬增材制造(焊接)熔池凝固的典型特征之一[12-15]，但在某些非穩(wěn)定狀態(tài)下，外延組織會發(fā)生柱狀晶-等軸晶轉變(Columnar to Equiaxed Transition, CET[16])和有序-無序轉變(Oriented to Misoriented Transition, OMT[17])等形態(tài)變化[18](見圖 3)，限制了單晶組織的外延連續(xù)生長。針對這些凝固現(xiàn)象，自20世紀80年代起，國內外學者開展了一系列理論研究，為實現(xiàn)單晶高能束修復奠定了堅實的基礎。
1.1 柱狀晶-等軸晶轉變
柱狀晶-等軸晶轉變(CET)是由異質形核引起的枝晶形貌的改變。根據(jù)經(jīng)典的“成分過冷”(Constitutional Supercooling, CS[19])理論，CET受控于凝固前沿的成分過冷程度，而成分過冷取決于凝固前沿溫度梯度G和凝固速率V的比值。通常，較低的G/V值產(chǎn)生更多的CS。當液相過冷度超過形核所需過冷度時，等軸晶就能先于柱狀晶形核。這些等軸晶的取向各異且偏離基材晶向，通常被稱作“雜晶”。值得注意的是，成分過冷原理只能用于定性預測CET，即：較高的G或較小的V有利于形成柱狀晶。
1984年，Hunt[20]首次建立數(shù)學模型，定量分析發(fā)生CET所需的成分過冷度。Hunt認為，只有當枝晶尖端液相中的成分過冷度(等軸晶核體積分數(shù))ϕ < 0.66%時，才能保證柱狀晶的穩(wěn)定形核與生長。結合該臨界條件，Hunt推導出穩(wěn)態(tài)鑄造過程中發(fā)生CET的臨界溫度梯度。Hunt同時還指出，在高溫度梯度條件下，液相形核密度N0越大，越容易形成等軸晶。
1986年，Kurz等[21]在綜合考慮溫度擴散、速度分配和相變等效應后，建立枝晶快速定向凝固理論(KTG模型)，提出了基于凝固速度的界面穩(wěn)定性判據(jù)。該理論認為，隨著凝固速度增大，凝固界面經(jīng)歷“平界面→胞狀界面→枝晶界面→等軸晶界面”的形態(tài)變化，一旦速度接近或超過界面極限時，枝晶尖端半徑將急劇增大并發(fā)生CET。
1997—2001年，Gäumann等[22-24]結合KGT理論，將Hunt模型的使用條件從穩(wěn)態(tài)凝固(鑄造)推廣至快速凝固(焊接、增材制造等)，并建立了一個基于Gn/V值判斷單晶、多晶和雜晶等凝固模式的準則，即
GnV=a[−4πN03ln(1−ϕ)−−−−−−√3⋅1n+1]n（1）
式中：a和n為材料相關的常數(shù)；N0為液相形核密度，N0主要取決于合金成分，熔池的流動也可能影響其大小，但一般可看作是材料相關的常數(shù)。因此，對于給定成分的單晶合金，CET的發(fā)生取決于Gn/V的大小。如果將ϕ < 0.66%代入式(1)，則可得到臨界值KCET。當Gn/V < KCET時，單晶保持定向生長；反之，則會產(chǎn)生雜晶[22](見圖 4)。Gäumann等提出的CET模型，由于其簡潔性和普適性，成為指導單晶表面高能束修復最重要的理論之一。
1.2 有序-無序轉變
有序-無序轉變(OMT)是由異向生長引起的主枝晶方向的改變。1989年，Rappaz等[25]在開展Fe-15Ni-15Cr單晶合金電子束焊接修復時，建立幾何模型闡釋OMT的形成機制。通常認為，枝晶沿擇優(yōu)取向上的某個擇優(yōu)方向生長。對于立方系鎳基單晶合金，<100>取向是其擇優(yōu)取向，包含[100]、[010]、[001]、[100]、[010]和[001]這6個擇優(yōu)方向。枝晶擇優(yōu)方向的選擇遵循最小速度準則，即
|Vhkl|=min(|V<100>|)（2）
式中：V< 100>為枝晶沿擇優(yōu)取向的生長速率；Vhkl為枝晶生長速率；[hkl]為枝晶生長方向。如果熔池凝固前沿存在多個選擇方向，就會發(fā)生OMT。
OMT限制了擇優(yōu)方向上枝晶生長速率Vhkl和溫度梯度分量Ghkl的分布。根據(jù)圖 5(a)所示的幾何關系，可得
|Vn|=|Vb|cosθ（3）
|Vhkl|=|Vn|cosψhkl（4）
|Ghkl|=|Gn|cosψhkl（5）
式中：Vb為熱源移動速度；Vn為凝固界面推進速度；Gn為凝固界面溫度梯度；2個關鍵角θ和Ψhkl分別為凝固界面法向(熱流方向)與熱源移動方向(x軸正向)、枝晶生長方向(hkl)之間的夾角(見圖 5(b))。θ角的大小可由熔池形狀確定，凝固前沿單位法向n可表示為
n=[|Gx|/|Gn|,|Gy|/|Gn|,|Gz|/|Gn|]（6）
式中：Gx、Gy和Gz分別為Gn在熔池移動方向x、寬度方向y和垂直方向z的分量。由于熱源移動方向單位向量x=[1,0,0]，則有：
cosθ=n⋅x=|Gx|/|Gn|（7）
另一個角ψhkl的大小取決于熔池形狀和基材晶向，根據(jù)最小速度準則可知：ψhkl=min(ψ< 100>)，即：枝晶生長方向是與熱流最接近的擇優(yōu)方向。如果將枝晶生長方向的單位向量記作uhkl，那么有：
cosψhkl=n⋅uhkl（8）
OMT的發(fā)生取決于2個關鍵因素：熔池幾何形狀和基材晶體方向。2004—2005年，Liu和DuPont[26-27]建立熔池三維數(shù)學模型，細致分析了這2個因素對枝晶生長的影響，包括擇優(yōu)方向、生長面積和速度分布等。理論上，通過精準控制熔池形狀和基材晶向，能夠有效抑制甚至消除OMT。例如，對于(001)/[100]晶向，如果控制熔池的熔化角小于45°，則可以實現(xiàn)單一[001]枝晶的定向生長。此外，Liu和DuPont[26]研究表明，熔池凝固前沿OMT交匯點處，枝晶相對生長速率Vhkl/Vb最大(見圖 6)。2010年，Anderson等[28]進一步研究發(fā)現(xiàn)，在OMT交匯點位置，溫度梯度沿枝晶生長方向的分量Ghkl最小。這就意味著OMT交匯點的G/V比最小，是熔池固液前沿界面上最容易出現(xiàn)CET的位置。這條性質對于單晶高能束修復有重要的指導意義：減少或者消除熔池凝固前沿的OMT交匯點，有利于抑制CET、促進單晶定向生長。
1.3 基礎原理框架
基于已有的枝晶異質形核和異向生長理論，本課題組構建了圖 7所示的單晶高能束修復基礎原理框架，指導單晶渦輪葉片再制造工程應用。受異質形核和異向生長等凝固行為的影響，修復區(qū)枝晶形貌(CET)和生長方向(OMT)均可能發(fā)生轉變。CET取決于熔池固液界面溫度梯度Ghkl、枝晶生長速率Vhkl等凝固參數(shù)，保持單晶完整性的關鍵在于控制Ghkln/Vhkl < KCET；OMT取決于熔池形狀和基材晶向，由于立方系晶體結構的對稱性，OMT效應并不會破壞單晶的<100>取向，但卻改變了擇優(yōu)方向上Ghkl和Vhkl分布，進而影響CET趨勢。因此，如何避免CET是單晶高能束表面修復需要解決的首要問題。
從構建的基礎原理框架可以看出，熔池溫度場對CET有著極為重要的影響，它同時決定熔池幾何形狀和凝固前沿溫度梯度，進而影響Ghkl和Vhkl這2個關鍵凝固參數(shù)的大小和分布。在外部熱源和供給材料(基材、粉材)相互作用下，熔池內部傳熱、傳質和熔體流動等行為最終決定了熔池的溫度分布，而這些熔池行為則與熱源和材料等修復工藝參數(shù)密切相關。為此，需要厘清“修復工藝-熔池特性-凝固組織”之間的內在關聯(lián)。通過“修復工藝-凝固組織”關聯(lián)，調控熔池溫度場分布，尋找適合單晶定向外延生長的工藝窗口；通過“熔池特性-凝固組織”關聯(lián)，發(fā)展修復過程監(jiān)測和閉環(huán)調控系統(tǒng)，保證單晶連續(xù)穩(wěn)定生長。
2 修復工藝-凝固組織關聯(lián)
美國橡樹嶺國家實驗室自1989年起開展了一系列單晶材料焊接修復研究[29-37]，初步證明在合適的焊接參數(shù)下熔池內凝固組織可以實現(xiàn)單晶定向生長，為后續(xù)發(fā)展單晶高能束增材修復提供大量借鑒和指導。
2.1 高能束增材修復技術發(fā)展現(xiàn)狀
高能束增材修復技術是20世紀80年代中期發(fā)展起來的基于數(shù)字化離散堆積思想的新型材料成形技術，與焊接修復相比，增材修復具有熱影響區(qū)小、精度高、不受零件結構和材料限制等一系列優(yōu)點，特別適合于復雜型面部件的快速修復。按照送粉和鋪粉2種粉末供給方式，高能束增材修復可分為2大類[12]：定向能量沉積(Directed Energy Deposition, DED)，利用激光(Laser, L)或等離子弧(Plasma Arc, PA)等熱源將同步送給的金屬粉末熔化，經(jīng)快速凝固和逐層沉積，實現(xiàn)金屬零件的制造和修復；粉末床熔融(Powder Bed Fusion, PBF)，利用激光、電子束(Electron Beam, EB)等熱源輻照預先鋪覆好的金屬薄粉，將其局部熔化再經(jīng)冷卻凝固后成形。按照激光、電子束和等離子弧等高能束類型，這2大類增材技術又可細分為DED-L、DED-PA、FPB-L和FPB-EB等。
進入21世紀以來，單晶高能束修復技術的發(fā)展大致經(jīng)歷了激光定向能量沉積(DED-L)、激光外延掃描(Scanning Laser Epitaxy, SLE)和電子束粉末床熔融(FPB-EB)等3個階段(見圖 8)。2001年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院運用DED-L技術對一代單晶渦輪葉片進行修復，是單晶高能束增材修復的首次嘗試[22]。2016年，美國喬治亞理工學院在PBF-L的基礎上發(fā)展了SLE技術，專門用于航空發(fā)動機熱端部件增材修復，修復質量接近工程應用水平[11]。近年來，以德國紐倫堡大學為代表的一些單位大力發(fā)展FPB-EB單晶成形技術，試圖實現(xiàn)單晶渦輪葉片直接增材制造[12]。
2.2 定向能量沉積單晶修復工藝
以激光為熱源的定向能量沉積(DED-L)又稱激光熔覆，是單晶高能束修復最主要的方式。2001年，洛桑聯(lián)邦理工學院以第二代單晶高溫合金CMSX-4為對象，系統(tǒng)研究了DED-L工藝參數(shù)與CET的內在關聯(lián)，分析了激光功率(P)、掃描速度(Vb)、預熱溫度(T0)和光斑直徑(Db)等對凝固組織的影響規(guī)律，首次建立圖 9所示的“工藝-組織關系圖”指導單晶修復[22]。在此基礎上，國內外學者進一步探索了包括熱源和材料等眾多工藝參數(shù)對凝固組織的影響規(guī)律，補充完善“工藝-組織關系圖”。
2.2.1 熱源參數(shù)對凝固組織的影響
熱源參數(shù)包括熱源功率、掃描速度和熱源特性等，其中功率和速度是控制CET最常用熱源參數(shù)。增大功率會減小整個熔池凝固前沿的溫度梯度，從而促進等軸晶的形核。因此，為減少修復區(qū)雜晶，應當降低熱源的輸入功率。相比熱源功率，掃描速度對凝固組織的影響較為復雜。當熱源功率較大時，增大掃描速度有利于減少雜晶。而當熱源功率較小時，起初增大速度對溫度梯度的影響很小，但卻導致凝固速率增大。因此，Ghkln/Vhkl減小，容易出現(xiàn)雜晶。當掃描速度繼續(xù)增加時，溫度梯度隨之增大，此時溫度梯度對Ghkln/Vhkl比的影響超過了凝固速率，從而抑制雜晶產(chǎn)生。總的來說[22, 28, 38-39]，在保證基材部分重熔和增材成形的基礎上，較小的熱源熱輸入(較小的熱源功率或較大的掃描速度)有利于減少雜晶、保持單晶的完整性。
熱源特性取決于熱源類型(激光、等離子弧等)和工作模式(連續(xù)、脈沖等)，從本質上影響熔池的溫度分布規(guī)律，對凝固組織影響顯著。通常，DED-L采用連續(xù)激光作為熱源，使用連續(xù)激光能提高沉積效率和組織一致性，但連續(xù)能量輸入容易造成熱積累，增大熱裂紋趨勢。此外，熱積累效應間接提高了基材的溫度(等效于施加預熱)，促進雜晶產(chǎn)生。采用準連續(xù)激光則能很好地解決上述問題[40-42]，但由于熔池的脈沖震蕩，修復組織通常呈現(xiàn)不均的“鋸齒狀”，合理選擇脈沖頻率至關重要(見圖 10(a)[40])。研究表明，適當提高脈沖頻率有利于緩解“鋸齒狀”組織分布、增加柱狀晶的生長高度。除激光外，高能束等離子弧也可用作定向能量沉積的熱源。相比DED-L，DED-PA熔池較淺，更容易形成柱狀晶，但熱影響區(qū)相對較大[43-44]。
2.2.2 沉積策略對凝固組織的影響
對于DED-L單晶修復，還可以通過合理設計沉積策略(沉積路徑、搭接率、熔覆頭傾角和復合修復等)調控凝固組織。研究表明[45-46]，在多層多道搭接修復過程中，采用熔化道間隔往復沉積的策略有利于抑制氣孔和裂紋等缺陷，同時還能最大程度地保持熱流方向的一致性，減少層間組織差異(見圖 10(b)[45])。搭接率的選取也十分關鍵，過大或過小的搭接率均容易導致雜晶增多[47-48]。對于葉尖接長修復，采用激光單向掃描策略能降低熱積累，單晶成形效果優(yōu)于往復掃描策略[49](見圖 10(c))。此外，通過調整熔覆頭傾角(例如，將熔覆頭朝激光移動方向傾斜一定的角度)改變熔池形狀和凝固前沿溫度梯度分布，也可以促進單晶外延接續(xù)生長[50]。還有學者提出DED-L+激光表面重熔的復合修復方法[51]，激光重熔用以去除部分頂部雜晶、平整熔化道表面，進而提高修復質量。但為避免2次激光掃描造成的過量熱輸入，重熔工藝一般采用比熔覆更小的，且隨時間線性減少的激光功率。
2.2.3 材料參數(shù)對凝固組織的影響
材料參數(shù)包括預熱溫度、送粉速率、基材晶向和合金成分。通常，單晶增材修復應當避免預熱，因為較低的基板溫度能提高熔池凝固前沿的溫度梯度，從而增大Ghkln/Vhkl比。對于葉尖接長修復，通過施加主動冷卻降低成形過程熱積累[52-54]，能使每層熔覆完全重熔前一層殘留的頂部雜晶，促進修復區(qū)單晶的外延接續(xù)生長(見圖 10(d)[52])。但在葉片缺口修復過程中，受凹形缺口散熱效應的影響，熔池凝固前沿難以保持定向熱流。如果不進行預熱處理，極易出現(xiàn)雜晶和裂紋。鑒于此，Rottwinkel等[55]利用預熱和水冷相結合的方式強制性改變熔池熱流方向，在修復缺口四周施加850 ℃的預熱，抑制橫向熱流；同時在缺口底部合適位置施加水冷，加強縱向熱流，從而保持了修復區(qū)組織的單晶完整性。
送粉速率對CET的影響主要體現(xiàn)在3個方面[38, 56-57]。首先，增大送粉量會減少熔池吸收的熱量，致使熔池內未完全熔化的粉末顆粒增多。這些未熔顆粒充當異相核子，增加了凝固前沿附近的等軸晶形核密度，促進產(chǎn)生雜晶；其次，隨著送粉量的增大，每層熔高增加，但熔深減小，導致后續(xù)熔覆難以完全重熔前一層的頂部雜晶；最后，在高功率條件下，供給粉末能夠充分熔化，增大送粉量有反而利于降低熱輸入，提高單晶外延生長的能力(見圖 10(e)[56])。
合理選擇基材晶向(包括基材晶面和掃描晶向)是調控凝固組織的關鍵一環(huán)。通常，單晶高能束修復選擇(001)/[100]晶體方向[17, 58-59]，即熱源沿(001)晶面的[100]晶向移動。這種晶向條件下，熔池坐標系(x-y-z)與晶向坐標系重合。如果將基材繞x/[100]、y/[010]或z/[001]軸旋轉某個角度ξi(i=x, y, z)，則可獲得其他晶向條件(見圖 11(a)[60])。Wang等研究表明[60-61]：x或z軸旋轉雖然可以改變Ghkl和Vhkl的大小，但熔池凝固前沿總會存在至少一個OMT交匯點，因而對CET的整體趨勢影響不大；而y軸旋轉則可以將OMT交匯點移至凝固前沿上具有高Ghkl和低Vhkl的位置，當ξy=±45°時甚至可以完全消除OMT交匯點，從而有效抑制CET(見圖 11(b)[61])。Liu和Qi[62]在研究DED-L單晶增材修復時得到相似的結論：y軸旋轉能顯著改變CET發(fā)生位置(單晶高度比)，而x軸旋轉主要影響OMT模式(單晶生長方向)。近年來，Guo等[63-64]進一步研究(001)、(011)和(111)3種典型晶面上的晶向選擇對CET的影響，結果表明：相比最常用的(001)晶面，在(011)和(111)晶面上改變掃描晶向對CET的影響顯著；3種晶面抑制CET的能力由大到小依次為(111) < (001) < (011)；(011)/[01-1]晶向條件最有利于保持修復區(qū)的單晶特性(見圖 11(c)和圖 11(d)[64])。盡管這些結論是基于激光重熔條件，但對DED工藝同樣有著重要的指導意義。
合金成分對凝固組織的影響主要體現(xiàn)在2個方面[65-68]：①決定合金的固液相溫度差(過冷度)，影響形核密度；②決定合金的熱震抗力，影響裂紋敏感性。目前，單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展和應用了三代[69]，基于外延生長原理，單晶修復往往采用與基材牌號相同或成分相近合金粉末。但現(xiàn)有的單晶合金凝固溫度范圍較大、合金元素含量多，因此具有較高的裂紋敏感性，不能完全滿足修復要求。此外，二代及以后的鎳基單晶合金通常添加錸(Re)、鉿(Hf)等難熔貴金屬元素，這就要求使用具有更大熱輸入的工藝參數(shù)，致使修復工藝窗口變窄。理論上，通過調控合金成分降低柱狀晶形核所需的過冷度，能夠在較小的溫度梯度下實現(xiàn)外延生長并有效抑制裂紋，從而放寬單晶修復工藝窗口。但相關研究只停留于仿真階段，缺乏對增材修復專用材料的實質性研究。
2.2.4 DED工藝調控準則
總的來說，DED單晶修復技術的發(fā)展日趨完善，保持單晶外延接續(xù)生長的工藝調控準則總結如下：
1) 采用較低的熱源功率、較高的掃描速度和較低的預熱溫度等工藝參數(shù)，避免過量的熱輸入。
2) 通過優(yōu)化沉積策略、設計主動冷卻和動態(tài)調節(jié)參數(shù)等方式，降低增材過程熱積累。
3) 合理選擇基材晶面和掃描晶向，減少由OMT效應引起的雜晶。
2.3 粉末床熔融單晶成形工藝
自2016年以來，國內外一些單位陸續(xù)開展了基于粉末床成形技術的單晶高溫合金修復和直接制造研究。相比DED，PBF熔池固液界面的溫度梯度更大、冷卻速率更快[70]，具備直接成形單晶的能力。
2.3.1 粉末床電子束單晶增材制造
德國埃朗根-紐倫堡大學在單晶高溫合金直接制造方面開展了卓有成效的研究[71-76]，采用PBF-EB技術成功制備了直徑約8.5 mm、高度約60 mm的CMSX-4單晶柱體，其高溫力學性能甚至超過CMSX-4鑄件。2018年，法國格勒諾布爾大學采用極高的預熱溫度(約1 020 ℃)成功在多晶基板上成形無裂紋單晶塊體[77](見圖 12)。這些研究表明，通過精準調控PBF-EB的輸入功率、掃描速度、掃描路徑、預熱溫度和掃描間距等工藝參數(shù)，底層取向各異的晶粒能夠在競爭生長逐漸趨于定向，并最終形成單晶。然而，這種類似“選晶”的晶粒競爭生長機理尚不清晰。有學者認為[78]，晶粒的競爭生長行為與熔池形狀(熱流方向)密切相關，凝固前沿熱流與增材方向之間的夾角越大，“選晶”效率越高。
相比PBF-EB，PBF-L制備單晶的案例較少。Yang等[79]采用PBF-L技術在SRR99單晶基板上形成高度約2 mm的單晶外延生長區(qū)，但隨著成形高度的增加，外延生長區(qū)晶向偏離角度逐漸增大并產(chǎn)生裂紋。德國SLM Solutions公司以In718鎳基合金為粉料，通過改變激光熱源的能量密度分布，實現(xiàn)大面積單晶組織的PBF-L成形。盡管Solutions公司并未公開報道更多的工藝細節(jié)，改變激光的輪廓形狀及其能量密度分布確實能起到調控單晶組織的作用。Roehling[80]和Shi[81]等對比研究了圓形、橫向橢圓形和縱向橢圓形3種不同形狀的激光對PBF-L凝固組織形貌的影響，結果表明：縱向橢圓形激光有利于柱狀晶外延生長，而橫向橢圓形激光則容易形成等軸晶。
2.3.2 激光外延掃描單晶增材修復
美國喬治亞理工學院發(fā)展的激光掃描外延生長技術，能夠在CMSX-4[18, 82-84]、René N5[85-86]和René 142[87]等多種牌號的單晶基體上形成高度1.5 mm、寬度6 mm、長度35 mm的單晶外延生長區(qū)(見圖 13(a))。不同于傳統(tǒng)的PBF-L技術，SLE的單層鋪粉厚度超過10 mm，需要足夠的預熱才能保證熔池完全潤濕基板，從而滿足外延生長條件。
SLE工作過程如圖 13(b)所示[82]，單晶基材上預先鋪置一層金屬粉末，激光沿y方向快速重復掃描完成預熱，待穩(wěn)定的線狀熔池形成后，激光按光柵掃描模式以一定的掃描間距向x方向推進。其中，激光功率(P)、掃描速度(Vs)、掃描間距(SS)、鋪粉厚度(tp)和初始重復掃描次數(shù)(N)是SLE的主要工藝參數(shù)，這些參數(shù)決定了激光掃描能量密度E=P/(VsSStp)和預熱能量Q=PN/Vs。
增大E有利于提高成形高度和表面平整度，但卻削弱了熔池垂直方向的溫度梯度，導致單晶生長比例(柱狀晶高度與成形高度之比)下降。增大Q能夠減少因融合不良引起的孔隙缺陷，但同樣也會削弱豎向溫度梯度，限制單晶外延生長的高度。因此，確定SLE單晶修復工藝窗口需要綜合考慮E和Q這2個關鍵量。
2.4 高能束單晶增材修復技術對比
近20年來，國內外先后開展DED-L、SLE、PBF-EB和PBF-L等單晶增材成形工藝研究，探索“工藝參數(shù)-凝固組織”之間的內在關聯(lián)。其中，DED-L和SLE主要用于單晶修復，PBF-EB和PBF-L不僅具備修復能力，更有望實現(xiàn)單晶直接制造。這些技術的工藝特點和主要挑戰(zhàn)總結如表 1所示。
對于單晶修復，SLE相比DED-L的優(yōu)勢在于：①打破同軸送粉對運動速度的限制，從而能夠以數(shù)百mm/s的掃描速度實施增材修復；②避免由送粉沖擊引起的形核核子增加和熔池紊流，抑制雜晶的產(chǎn)生。但SLE設備相對復雜、成形表面平整度調控難度較大，不適合用于缺口、裂紋等微小損傷修復。對于單晶直接增材制造，PBF-EB的發(fā)展前景更好。相比PBF-L，其優(yōu)勢在于：①采用無機械慣性磁場實現(xiàn)電子束高速掃描(最大掃描速度可達8 000 m/s)，通過電子束快速預熱粉末床可實現(xiàn)極高的預熱溫度(1 000 ℃以上)，能夠形成近似“平面狀”的熔池。熔池主熱流方向與增材方向基本保持一致，有利于促進柱狀晶外延接續(xù)生長；②電子束的束斑面積大、能量密度低，能夠有效避免孔匙(keyhole)效應，在逐層成形過程中維持較為穩(wěn)定的凝固條件。但PBF-EB的工藝調控較為復雜，涉及前預熱、成形熔化和后保溫等3個階段的工藝策略。此外，PBF-EB通常采用較大尺寸的束斑，導致成形精度較低。
鎳基高溫合金是航空發(fā)動機渦輪葉片使用最為廣泛的材料[1]，按凝固組織形貌可分為等軸晶、定向晶和單晶，使役性能不斷提高[2](見圖 1)。單晶高溫合金(如無特殊說明文中單晶合金均指鎳基單晶高溫合金)消除了產(chǎn)生偏析的全部晶界和低熔點的晶界強化元素，具有較高的高溫強度、優(yōu)異的蠕變與疲勞抗力以及良好的抗氧化性、抗熱腐蝕性能[3-4]。以單晶合金為材料，結合高效的空芯冷卻設計和熱障涂層，可以滿足先進航空發(fā)動機高達1 800 ℃的渦輪前溫度要求。
圖 1 航空發(fā)動機渦輪葉片凝固組織[2]
單晶渦輪葉片的鑄造工序復雜、成品率低、含有大量貴重元素，因此價值較高。葉片在服役過程中會不可避免承受高周疲勞、蠕變伸長、環(huán)境與熱應力復合等因素影響，出現(xiàn)磨損、裂紋、表面燒蝕和腐蝕等問題[5]。如果采用新葉片替換僅存在微小鑄造缺陷、葉尖部分磨損/裂紋的葉片，將造成材料的極大浪費，經(jīng)濟上也難以承受。發(fā)展高效率、高精度和高質量的修復與再制造技術，恢復損傷葉片的氣動外形、微觀組織與力學性能，使其具備繼續(xù)服役的能力，對于實現(xiàn)發(fā)動機性能指標、降低使用和維護成本、提高裝備可靠性具有重要意義。
20世紀80年代以來，隨著三代戰(zhàn)機服役、民航業(yè)發(fā)展和中大型燃氣輪機的大量運用，美、歐、日等國開始研究采用激光、電弧和電子束等高能束進行葉片損傷修復。近年來，隨著金屬增材制造技術的發(fā)展，基于增材原理的高能束再制造技術成為修復磨損、燒蝕和裂紋等損傷葉片的主要方式[6-10]。然而，受限于單晶葉片復雜型面結構、特殊微觀組織、苛刻使用載荷條件等因素，實施高能束修復不僅要考慮恢復葉片幾何形狀、減少修復區(qū)冶金缺陷等問題，更大的挑戰(zhàn)在于保持單晶的完整性，從而滿足再次服役要求。如圖 2所示，單晶葉片高能束修復作為航空發(fā)動機熱端部件特種加工領域的代表性技術，其中所蘊含的科學問題和關鍵工藝尚未完全突破。研究單晶葉片高能束修復技術，不僅能促進理解熔焊凝固組織的深層次演化規(guī)律，還能對其他關鍵熱端部件的制造和再制造應用起到示范引領作用。
圖 2 單晶渦輪葉片高能束修復示意圖
本文對單晶渦輪葉片高能束修復研究現(xiàn)狀進行綜述。首先，從基礎凝固原理著手，總結了熔池內單晶組織形成的理論發(fā)展歷程；其次，詳細討論了修復工藝和熔池特性對單晶生長的影響機理和研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了“工藝-熔池-組織”之間的內在關聯(lián)；再次，對單晶高能束修復微觀組織、冶金缺陷和力學性能進行歸納總結，并介紹了國外航空發(fā)動機部件再制造相關的幾個重大研究計劃；最后，基于國內外研究現(xiàn)狀，對今后的研究方向和發(fā)展趨勢進行展望。
1 理論發(fā)展歷程
在單晶合金高能束表面修復過程中，激光、電子束等移動熱源作用于基材表面形成微小熔池，熔池四周溫度較低的基材充當“散熱器”，能快速吸收熱量，促使熔體定向凝固(至少在熔池局部區(qū)域是定向的)。如果單晶基材與供給粉末的成分相近并且滿足一定的初熔，那么最先凝固熔體便會呈現(xiàn)外延生長趨勢[11]，即：外延組織的取向與單晶基材保持接續(xù)。盡管外延生長及其所獲得的定向柱晶是金屬增材制造(焊接)熔池凝固的典型特征之一[12-15]，但在某些非穩(wěn)定狀態(tài)下，外延組織會發(fā)生柱狀晶-等軸晶轉變(Columnar to Equiaxed Transition, CET[16])和有序-無序轉變(Oriented to Misoriented Transition, OMT[17])等形態(tài)變化[18](見圖 3)，限制了單晶組織的外延連續(xù)生長。針對這些凝固現(xiàn)象，自20世紀80年代起，國內外學者開展了一系列理論研究，為實現(xiàn)單晶高能束修復奠定了堅實的基礎。
圖 3 單晶修復凝固現(xiàn)象[18]
1.1 柱狀晶-等軸晶轉變
柱狀晶-等軸晶轉變(CET)是由異質形核引起的枝晶形貌的改變。根據(jù)經(jīng)典的“成分過冷”(Constitutional Supercooling, CS[19])理論，CET受控于凝固前沿的成分過冷程度，而成分過冷取決于凝固前沿溫度梯度G和凝固速率V的比值。通常，較低的G/V值產(chǎn)生更多的CS。當液相過冷度超過形核所需過冷度時，等軸晶就能先于柱狀晶形核。這些等軸晶的取向各異且偏離基材晶向，通常被稱作“雜晶”。值得注意的是，成分過冷原理只能用于定性預測CET，即：較高的G或較小的V有利于形成柱狀晶。
1984年，Hunt[20]首次建立數(shù)學模型，定量分析發(fā)生CET所需的成分過冷度。Hunt認為，只有當枝晶尖端液相中的成分過冷度(等軸晶核體積分數(shù))ϕ < 0.66%時，才能保證柱狀晶的穩(wěn)定形核與生長。結合該臨界條件，Hunt推導出穩(wěn)態(tài)鑄造過程中發(fā)生CET的臨界溫度梯度。Hunt同時還指出，在高溫度梯度條件下，液相形核密度N0越大，越容易形成等軸晶。
1986年，Kurz等[21]在綜合考慮溫度擴散、速度分配和相變等效應后，建立枝晶快速定向凝固理論(KTG模型)，提出了基于凝固速度的界面穩(wěn)定性判據(jù)。該理論認為，隨著凝固速度增大，凝固界面經(jīng)歷“平界面→胞狀界面→枝晶界面→等軸晶界面”的形態(tài)變化，一旦速度接近或超過界面極限時，枝晶尖端半徑將急劇增大并發(fā)生CET。
1997—2001年，Gäumann等[22-24]結合KGT理論，將Hunt模型的使用條件從穩(wěn)態(tài)凝固(鑄造)推廣至快速凝固(焊接、增材制造等)，并建立了一個基于Gn/V值判斷單晶、多晶和雜晶等凝固模式的準則，即
GnV=a[−4πN03ln(1−ϕ)−−−−−−√3⋅1n+1]n（1）
式中：a和n為材料相關的常數(shù)；N0為液相形核密度，N0主要取決于合金成分，熔池的流動也可能影響其大小，但一般可看作是材料相關的常數(shù)。因此，對于給定成分的單晶合金，CET的發(fā)生取決于Gn/V的大小。如果將ϕ < 0.66%代入式(1)，則可得到臨界值KCET。當Gn/V < KCET時，單晶保持定向生長；反之，則會產(chǎn)生雜晶[22](見圖 4)。Gäumann等提出的CET模型，由于其簡潔性和普適性，成為指導單晶表面高能束修復最重要的理論之一。
圖 4 凝固組織形貌與溫度梯度、凝固速率關系圖[22]
1.2 有序-無序轉變
有序-無序轉變(OMT)是由異向生長引起的主枝晶方向的改變。1989年，Rappaz等[25]在開展Fe-15Ni-15Cr單晶合金電子束焊接修復時，建立幾何模型闡釋OMT的形成機制。通常認為，枝晶沿擇優(yōu)取向上的某個擇優(yōu)方向生長。對于立方系鎳基單晶合金，<100>取向是其擇優(yōu)取向，包含[100]、[010]、[001]、[100]、[010]和[001]這6個擇優(yōu)方向。枝晶擇優(yōu)方向的選擇遵循最小速度準則，即
|Vhkl|=min(|V<100>|)（2）
式中：V< 100>為枝晶沿擇優(yōu)取向的生長速率；Vhkl為枝晶生長速率；[hkl]為枝晶生長方向。如果熔池凝固前沿存在多個選擇方向，就會發(fā)生OMT。
OMT限制了擇優(yōu)方向上枝晶生長速率Vhkl和溫度梯度分量Ghkl的分布。根據(jù)圖 5(a)所示的幾何關系，可得
|Vn|=|Vb|cosθ（3）
|Vhkl|=|Vn|cosψhkl（4）
|Ghkl|=|Gn|cosψhkl（5）
圖 5 枝晶生長幾何模型
式中：Vb為熱源移動速度；Vn為凝固界面推進速度；Gn為凝固界面溫度梯度；2個關鍵角θ和Ψhkl分別為凝固界面法向(熱流方向)與熱源移動方向(x軸正向)、枝晶生長方向(hkl)之間的夾角(見圖 5(b))。θ角的大小可由熔池形狀確定，凝固前沿單位法向n可表示為
n=[|Gx|/|Gn|,|Gy|/|Gn|,|Gz|/|Gn|]（6）
式中：Gx、Gy和Gz分別為Gn在熔池移動方向x、寬度方向y和垂直方向z的分量。由于熱源移動方向單位向量x=[1,0,0]，則有：
cosθ=n⋅x=|Gx|/|Gn|（7）
另一個角ψhkl的大小取決于熔池形狀和基材晶向，根據(jù)最小速度準則可知：ψhkl=min(ψ< 100>)，即：枝晶生長方向是與熱流最接近的擇優(yōu)方向。如果將枝晶生長方向的單位向量記作uhkl，那么有：
cosψhkl=n⋅uhkl（8）
OMT的發(fā)生取決于2個關鍵因素：熔池幾何形狀和基材晶體方向。2004—2005年，Liu和DuPont[26-27]建立熔池三維數(shù)學模型，細致分析了這2個因素對枝晶生長的影響，包括擇優(yōu)方向、生長面積和速度分布等。理論上，通過精準控制熔池形狀和基材晶向，能夠有效抑制甚至消除OMT。例如，對于(001)/[100]晶向，如果控制熔池的熔化角小于45°，則可以實現(xiàn)單一[001]枝晶的定向生長。此外，Liu和DuPont[26]研究表明，熔池凝固前沿OMT交匯點處，枝晶相對生長速率Vhkl/Vb最大(見圖 6)。2010年，Anderson等[28]進一步研究發(fā)現(xiàn)，在OMT交匯點位置，溫度梯度沿枝晶生長方向的分量Ghkl最小。這就意味著OMT交匯點的G/V比最小，是熔池固液前沿界面上最容易出現(xiàn)CET的位置。這條性質對于單晶高能束修復有重要的指導意義：減少或者消除熔池凝固前沿的OMT交匯點，有利于抑制CET、促進單晶定向生長。
圖 6 OMT對枝晶生長速率和方向的影響[26]
1.3 基礎原理框架
基于已有的枝晶異質形核和異向生長理論，本課題組構建了圖 7所示的單晶高能束修復基礎原理框架，指導單晶渦輪葉片再制造工程應用。受異質形核和異向生長等凝固行為的影響，修復區(qū)枝晶形貌(CET)和生長方向(OMT)均可能發(fā)生轉變。CET取決于熔池固液界面溫度梯度Ghkl、枝晶生長速率Vhkl等凝固參數(shù)，保持單晶完整性的關鍵在于控制Ghkln/Vhkl < KCET；OMT取決于熔池形狀和基材晶向，由于立方系晶體結構的對稱性，OMT效應并不會破壞單晶的<100>取向，但卻改變了擇優(yōu)方向上Ghkl和Vhkl分布，進而影響CET趨勢。因此，如何避免CET是單晶高能束表面修復需要解決的首要問題。
圖 7 單晶高能束修復基礎原理框架
從構建的基礎原理框架可以看出，熔池溫度場對CET有著極為重要的影響，它同時決定熔池幾何形狀和凝固前沿溫度梯度，進而影響Ghkl和Vhkl這2個關鍵凝固參數(shù)的大小和分布。在外部熱源和供給材料(基材、粉材)相互作用下，熔池內部傳熱、傳質和熔體流動等行為最終決定了熔池的溫度分布，而這些熔池行為則與熱源和材料等修復工藝參數(shù)密切相關。為此，需要厘清“修復工藝-熔池特性-凝固組織”之間的內在關聯(lián)。通過“修復工藝-凝固組織”關聯(lián)，調控熔池溫度場分布，尋找適合單晶定向外延生長的工藝窗口；通過“熔池特性-凝固組織”關聯(lián)，發(fā)展修復過程監(jiān)測和閉環(huán)調控系統(tǒng)，保證單晶連續(xù)穩(wěn)定生長。
2 修復工藝-凝固組織關聯(lián)
美國橡樹嶺國家實驗室自1989年起開展了一系列單晶材料焊接修復研究[29-37]，初步證明在合適的焊接參數(shù)下熔池內凝固組織可以實現(xiàn)單晶定向生長，為后續(xù)發(fā)展單晶高能束增材修復提供大量借鑒和指導。
2.1 高能束增材修復技術發(fā)展現(xiàn)狀
高能束增材修復技術是20世紀80年代中期發(fā)展起來的基于數(shù)字化離散堆積思想的新型材料成形技術，與焊接修復相比，增材修復具有熱影響區(qū)小、精度高、不受零件結構和材料限制等一系列優(yōu)點，特別適合于復雜型面部件的快速修復。按照送粉和鋪粉2種粉末供給方式，高能束增材修復可分為2大類[12]：定向能量沉積(Directed Energy Deposition, DED)，利用激光(Laser, L)或等離子弧(Plasma Arc, PA)等熱源將同步送給的金屬粉末熔化，經(jīng)快速凝固和逐層沉積，實現(xiàn)金屬零件的制造和修復；粉末床熔融(Powder Bed Fusion, PBF)，利用激光、電子束(Electron Beam, EB)等熱源輻照預先鋪覆好的金屬薄粉，將其局部熔化再經(jīng)冷卻凝固后成形。按照激光、電子束和等離子弧等高能束類型，這2大類增材技術又可細分為DED-L、DED-PA、FPB-L和FPB-EB等。
進入21世紀以來，單晶高能束修復技術的發(fā)展大致經(jīng)歷了激光定向能量沉積(DED-L)、激光外延掃描(Scanning Laser Epitaxy, SLE)和電子束粉末床熔融(FPB-EB)等3個階段(見圖 8)。2001年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院運用DED-L技術對一代單晶渦輪葉片進行修復，是單晶高能束增材修復的首次嘗試[22]。2016年，美國喬治亞理工學院在PBF-L的基礎上發(fā)展了SLE技術，專門用于航空發(fā)動機熱端部件增材修復，修復質量接近工程應用水平[11]。近年來，以德國紐倫堡大學為代表的一些單位大力發(fā)展FPB-EB單晶成形技術，試圖實現(xiàn)單晶渦輪葉片直接增材制造[12]。
圖 8 單晶高能束修復技術發(fā)展脈絡
2.2 定向能量沉積單晶修復工藝
以激光為熱源的定向能量沉積(DED-L)又稱激光熔覆，是單晶高能束修復最主要的方式。2001年，洛桑聯(lián)邦理工學院以第二代單晶高溫合金CMSX-4為對象，系統(tǒng)研究了DED-L工藝參數(shù)與CET的內在關聯(lián)，分析了激光功率(P)、掃描速度(Vb)、預熱溫度(T0)和光斑直徑(Db)等對凝固組織的影響規(guī)律，首次建立圖 9所示的“工藝-組織關系圖”指導單晶修復[22]。在此基礎上，國內外學者進一步探索了包括熱源和材料等眾多工藝參數(shù)對凝固組織的影響規(guī)律，補充完善“工藝-組織關系圖”。
圖 9 單晶修復工藝-組織關系圖[22]
2.2.1 熱源參數(shù)對凝固組織的影響
熱源參數(shù)包括熱源功率、掃描速度和熱源特性等，其中功率和速度是控制CET最常用熱源參數(shù)。增大功率會減小整個熔池凝固前沿的溫度梯度，從而促進等軸晶的形核。因此，為減少修復區(qū)雜晶，應當降低熱源的輸入功率。相比熱源功率，掃描速度對凝固組織的影響較為復雜。當熱源功率較大時，增大掃描速度有利于減少雜晶。而當熱源功率較小時，起初增大速度對溫度梯度的影響很小，但卻導致凝固速率增大。因此，Ghkln/Vhkl減小，容易出現(xiàn)雜晶。當掃描速度繼續(xù)增加時，溫度梯度隨之增大，此時溫度梯度對Ghkln/Vhkl比的影響超過了凝固速率，從而抑制雜晶產(chǎn)生。總的來說[22, 28, 38-39]，在保證基材部分重熔和增材成形的基礎上，較小的熱源熱輸入(較小的熱源功率或較大的掃描速度)有利于減少雜晶、保持單晶的完整性。
熱源特性取決于熱源類型(激光、等離子弧等)和工作模式(連續(xù)、脈沖等)，從本質上影響熔池的溫度分布規(guī)律，對凝固組織影響顯著。通常，DED-L采用連續(xù)激光作為熱源，使用連續(xù)激光能提高沉積效率和組織一致性，但連續(xù)能量輸入容易造成熱積累，增大熱裂紋趨勢。此外，熱積累效應間接提高了基材的溫度(等效于施加預熱)，促進雜晶產(chǎn)生。采用準連續(xù)激光則能很好地解決上述問題[40-42]，但由于熔池的脈沖震蕩，修復組織通常呈現(xiàn)不均的“鋸齒狀”，合理選擇脈沖頻率至關重要(見圖 10(a)[40])。研究表明，適當提高脈沖頻率有利于緩解“鋸齒狀”組織分布、增加柱狀晶的生長高度。除激光外，高能束等離子弧也可用作定向能量沉積的熱源。相比DED-L，DED-PA熔池較淺，更容易形成柱狀晶，但熱影響區(qū)相對較大[43-44]。
圖 10 修復工藝對凝固組織的影響
2.2.2 沉積策略對凝固組織的影響
對于DED-L單晶修復，還可以通過合理設計沉積策略(沉積路徑、搭接率、熔覆頭傾角和復合修復等)調控凝固組織。研究表明[45-46]，在多層多道搭接修復過程中，采用熔化道間隔往復沉積的策略有利于抑制氣孔和裂紋等缺陷，同時還能最大程度地保持熱流方向的一致性，減少層間組織差異(見圖 10(b)[45])。搭接率的選取也十分關鍵，過大或過小的搭接率均容易導致雜晶增多[47-48]。對于葉尖接長修復，采用激光單向掃描策略能降低熱積累，單晶成形效果優(yōu)于往復掃描策略[49](見圖 10(c))。此外，通過調整熔覆頭傾角(例如，將熔覆頭朝激光移動方向傾斜一定的角度)改變熔池形狀和凝固前沿溫度梯度分布，也可以促進單晶外延接續(xù)生長[50]。還有學者提出DED-L+激光表面重熔的復合修復方法[51]，激光重熔用以去除部分頂部雜晶、平整熔化道表面，進而提高修復質量。但為避免2次激光掃描造成的過量熱輸入，重熔工藝一般采用比熔覆更小的，且隨時間線性減少的激光功率。
2.2.3 材料參數(shù)對凝固組織的影響
材料參數(shù)包括預熱溫度、送粉速率、基材晶向和合金成分。通常，單晶增材修復應當避免預熱，因為較低的基板溫度能提高熔池凝固前沿的溫度梯度，從而增大Ghkln/Vhkl比。對于葉尖接長修復，通過施加主動冷卻降低成形過程熱積累[52-54]，能使每層熔覆完全重熔前一層殘留的頂部雜晶，促進修復區(qū)單晶的外延接續(xù)生長(見圖 10(d)[52])。但在葉片缺口修復過程中，受凹形缺口散熱效應的影響，熔池凝固前沿難以保持定向熱流。如果不進行預熱處理，極易出現(xiàn)雜晶和裂紋。鑒于此，Rottwinkel等[55]利用預熱和水冷相結合的方式強制性改變熔池熱流方向，在修復缺口四周施加850 ℃的預熱，抑制橫向熱流；同時在缺口底部合適位置施加水冷，加強縱向熱流，從而保持了修復區(qū)組織的單晶完整性。
送粉速率對CET的影響主要體現(xiàn)在3個方面[38, 56-57]。首先，增大送粉量會減少熔池吸收的熱量，致使熔池內未完全熔化的粉末顆粒增多。這些未熔顆粒充當異相核子，增加了凝固前沿附近的等軸晶形核密度，促進產(chǎn)生雜晶；其次，隨著送粉量的增大，每層熔高增加，但熔深減小，導致后續(xù)熔覆難以完全重熔前一層的頂部雜晶；最后，在高功率條件下，供給粉末能夠充分熔化，增大送粉量有反而利于降低熱輸入，提高單晶外延生長的能力(見圖 10(e)[56])。
合理選擇基材晶向(包括基材晶面和掃描晶向)是調控凝固組織的關鍵一環(huán)。通常，單晶高能束修復選擇(001)/[100]晶體方向[17, 58-59]，即熱源沿(001)晶面的[100]晶向移動。這種晶向條件下，熔池坐標系(x-y-z)與晶向坐標系重合。如果將基材繞x/[100]、y/[010]或z/[001]軸旋轉某個角度ξi(i=x, y, z)，則可獲得其他晶向條件(見圖 11(a)[60])。Wang等研究表明[60-61]：x或z軸旋轉雖然可以改變Ghkl和Vhkl的大小，但熔池凝固前沿總會存在至少一個OMT交匯點，因而對CET的整體趨勢影響不大；而y軸旋轉則可以將OMT交匯點移至凝固前沿上具有高Ghkl和低Vhkl的位置，當ξy=±45°時甚至可以完全消除OMT交匯點，從而有效抑制CET(見圖 11(b)[61])。Liu和Qi[62]在研究DED-L單晶增材修復時得到相似的結論：y軸旋轉能顯著改變CET發(fā)生位置(單晶高度比)，而x軸旋轉主要影響OMT模式(單晶生長方向)。近年來，Guo等[63-64]進一步研究(001)、(011)和(111)3種典型晶面上的晶向選擇對CET的影響，結果表明：相比最常用的(001)晶面，在(011)和(111)晶面上改變掃描晶向對CET的影響顯著；3種晶面抑制CET的能力由大到小依次為(111) < (001) < (011)；(011)/[01-1]晶向條件最有利于保持修復區(qū)的單晶特性(見圖 11(c)和圖 11(d)[64])。盡管這些結論是基于激光重熔條件，但對DED工藝同樣有著重要的指導意義。
圖 11 基材晶向對凝固組織的影響
合金成分對凝固組織的影響主要體現(xiàn)在2個方面[65-68]：①決定合金的固液相溫度差(過冷度)，影響形核密度；②決定合金的熱震抗力，影響裂紋敏感性。目前，單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展和應用了三代[69]，基于外延生長原理，單晶修復往往采用與基材牌號相同或成分相近合金粉末。但現(xiàn)有的單晶合金凝固溫度范圍較大、合金元素含量多，因此具有較高的裂紋敏感性，不能完全滿足修復要求。此外，二代及以后的鎳基單晶合金通常添加錸(Re)、鉿(Hf)等難熔貴金屬元素，這就要求使用具有更大熱輸入的工藝參數(shù)，致使修復工藝窗口變窄。理論上，通過調控合金成分降低柱狀晶形核所需的過冷度，能夠在較小的溫度梯度下實現(xiàn)外延生長并有效抑制裂紋，從而放寬單晶修復工藝窗口。但相關研究只停留于仿真階段，缺乏對增材修復專用材料的實質性研究。
2.2.4 DED工藝調控準則
總的來說，DED單晶修復技術的發(fā)展日趨完善，保持單晶外延接續(xù)生長的工藝調控準則總結如下：
1) 采用較低的熱源功率、較高的掃描速度和較低的預熱溫度等工藝參數(shù)，避免過量的熱輸入。
2) 通過優(yōu)化沉積策略、設計主動冷卻和動態(tài)調節(jié)參數(shù)等方式，降低增材過程熱積累。
3) 合理選擇基材晶面和掃描晶向，減少由OMT效應引起的雜晶。
2.3 粉末床熔融單晶成形工藝
自2016年以來，國內外一些單位陸續(xù)開展了基于粉末床成形技術的單晶高溫合金修復和直接制造研究。相比DED，PBF熔池固液界面的溫度梯度更大、冷卻速率更快[70]，具備直接成形單晶的能力。
2.3.1 粉末床電子束單晶增材制造
德國埃朗根-紐倫堡大學在單晶高溫合金直接制造方面開展了卓有成效的研究[71-76]，采用PBF-EB技術成功制備了直徑約8.5 mm、高度約60 mm的CMSX-4單晶柱體，其高溫力學性能甚至超過CMSX-4鑄件。2018年，法國格勒諾布爾大學采用極高的預熱溫度(約1 020 ℃)成功在多晶基板上成形無裂紋單晶塊體[77](見圖 12)。這些研究表明，通過精準調控PBF-EB的輸入功率、掃描速度、掃描路徑、預熱溫度和掃描間距等工藝參數(shù)，底層取向各異的晶粒能夠在競爭生長逐漸趨于定向，并最終形成單晶。然而，這種類似“選晶”的晶粒競爭生長機理尚不清晰。有學者認為[78]，晶粒的競爭生長行為與熔池形狀(熱流方向)密切相關，凝固前沿熱流與增材方向之間的夾角越大，“選晶”效率越高。
圖 12 電子束粉末床單晶增材成形[77]
相比PBF-EB，PBF-L制備單晶的案例較少。Yang等[79]采用PBF-L技術在SRR99單晶基板上形成高度約2 mm的單晶外延生長區(qū)，但隨著成形高度的增加，外延生長區(qū)晶向偏離角度逐漸增大并產(chǎn)生裂紋。德國SLM Solutions公司以In718鎳基合金為粉料，通過改變激光熱源的能量密度分布，實現(xiàn)大面積單晶組織的PBF-L成形。盡管Solutions公司并未公開報道更多的工藝細節(jié)，改變激光的輪廓形狀及其能量密度分布確實能起到調控單晶組織的作用。Roehling[80]和Shi[81]等對比研究了圓形、橫向橢圓形和縱向橢圓形3種不同形狀的激光對PBF-L凝固組織形貌的影響，結果表明：縱向橢圓形激光有利于柱狀晶外延生長，而橫向橢圓形激光則容易形成等軸晶。
2.3.2 激光外延掃描單晶增材修復
美國喬治亞理工學院發(fā)展的激光掃描外延生長技術，能夠在CMSX-4[18, 82-84]、René N5[85-86]和René 142[87]等多種牌號的單晶基體上形成高度1.5 mm、寬度6 mm、長度35 mm的單晶外延生長區(qū)(見圖 13(a))。不同于傳統(tǒng)的PBF-L技術，SLE的單層鋪粉厚度超過10 mm，需要足夠的預熱才能保證熔池完全潤濕基板，從而滿足外延生長條件。
圖 13 激光外延掃描單晶增材修復
SLE工作過程如圖 13(b)所示[82]，單晶基材上預先鋪置一層金屬粉末，激光沿y方向快速重復掃描完成預熱，待穩(wěn)定的線狀熔池形成后，激光按光柵掃描模式以一定的掃描間距向x方向推進。其中，激光功率(P)、掃描速度(Vs)、掃描間距(SS)、鋪粉厚度(tp)和初始重復掃描次數(shù)(N)是SLE的主要工藝參數(shù)，這些參數(shù)決定了激光掃描能量密度E=P/(VsSStp)和預熱能量Q=PN/Vs。
增大E有利于提高成形高度和表面平整度，但卻削弱了熔池垂直方向的溫度梯度，導致單晶生長比例(柱狀晶高度與成形高度之比)下降。增大Q能夠減少因融合不良引起的孔隙缺陷，但同樣也會削弱豎向溫度梯度，限制單晶外延生長的高度。因此，確定SLE單晶修復工藝窗口需要綜合考慮E和Q這2個關鍵量。
2.4 高能束單晶增材修復技術對比
近20年來，國內外先后開展DED-L、SLE、PBF-EB和PBF-L等單晶增材成形工藝研究，探索“工藝參數(shù)-凝固組織”之間的內在關聯(lián)。其中，DED-L和SLE主要用于單晶修復，PBF-EB和PBF-L不僅具備修復能力，更有望實現(xiàn)單晶直接制造。這些技術的工藝特點和主要挑戰(zhàn)總結如表 1所示。
表 1 單晶高能束修復技術對比
對于單晶修復，SLE相比DED-L的優(yōu)勢在于：①打破同軸送粉對運動速度的限制，從而能夠以數(shù)百mm/s的掃描速度實施增材修復；②避免由送粉沖擊引起的形核核子增加和熔池紊流，抑制雜晶的產(chǎn)生。但SLE設備相對復雜、成形表面平整度調控難度較大，不適合用于缺口、裂紋等微小損傷修復。對于單晶直接增材制造，PBF-EB的發(fā)展前景更好。相比PBF-L，其優(yōu)勢在于：①采用無機械慣性磁場實現(xiàn)電子束高速掃描(最大掃描速度可達8 000 m/s)，通過電子束快速預熱粉末床可實現(xiàn)極高的預熱溫度(1 000 ℃以上)，能夠形成近似“平面狀”的熔池。熔池主熱流方向與增材方向基本保持一致，有利于促進柱狀晶外延接續(xù)生長；②電子束的束斑面積大、能量密度低，能夠有效避免孔匙(keyhole)效應，在逐層成形過程中維持較為穩(wěn)定的凝固條件。但PBF-EB的工藝調控較為復雜，涉及前預熱、成形熔化和后保溫等3個階段的工藝策略。此外，PBF-EB通常采用較大尺寸的束斑，導致成形精度較低。
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