西工大、湖大、金属所《MRL》：LPBF大尺寸近单晶IN738合金增材制造

面向航空发动机热端叶片对高温性能的严苛需求，高温合金单晶制备已成为该领域的核心技术之一。然而，传统单晶制造技术存在复杂结构成形困难、制备周期长等瓶颈。激光增材制造技术为解决这些问题提供了新路径。

近期，西北工业大学林鑫教授团队，联合湖南大学、中国科学院金属研究所及日本岛根大学，在激光粉末床熔融（LPBF）制备大尺寸高温合金近单晶方面取得突破。研究通过精确调控激光能量分布，实现对凝固过程热流的高自由度控制，有效抑制熔池不稳定流动与杂晶形成，在无籽晶条件下（多晶基板上），成功制备出目前最大尺寸（10×10×40 mm³）的无裂纹IN738高温合金（难焊型）大块近单晶。该成果为激光增材制造高温合金单晶构件的直接制造奠定了重要基础。

相关工作以题为“Bulk single-crystal-like IN738 alloy fabricated using laser powder bed fusion by controlling the thermal flow”的研究论文，发表在Materials Research Letters期刊上。论文通讯作者为西北工业大学林鑫教授、赵宇凡教授，第一作者为李翔宇博士。

高性能镍基高温合金（难焊型）被广泛应用于航空发动机和燃气轮机的热端叶片部件。其中，单晶结构能够消除高温蠕变和腐蚀的薄弱环节——晶界，从而显著提升部件在极端环境下的服役寿命。然而，基于籽晶与螺旋选晶的传统单晶制造方法存在良品率低、复杂结构成形难、周期长等问题。

近年来，激光增材制造被探索用于实现大尺寸块体单晶的直接成形。尽管激光增材制造易于获得沿建造方向具有强织构的柱状晶组织，但其在扫描方向上的晶粒取向控制仍存在困难，织构强度普遍不足。尤其对于水平幅面尺寸与高度均超过3毫米的大体积打印中，实现真正意义上的单晶或近单晶组织仍面临巨大挑战，目前尚未见成功的公开报道。

为应对上述挑战，研究团队创新引入空间光场调控作为新的参数维度，在高维工艺参数空间中探索并确定了适用于大块近单晶制备的工艺窗口。实验结果表明：采用整形光场后，试样中的大角度晶界比例由常规高斯光场下的70.98%降至29.81%，其中30°以上的大角度晶界占比更由43.65%显著降低至6.11%。通过圆形平顶光场与工艺参数的协同调控，实现了对凝固前沿热流矢量的精确控制，从而成功制备出无裂纹的大块近单晶组织。

总结与展望

本研究通过优化LPBF工艺，面向水平幅面尺寸10mm、高度40mm的大尺寸试样，首次同步实现了沿建造方向与扫描方向的强<100>织构，且大角度晶界占比显著降低（总体占比29.81%，其中30°以上仅占6.11%），标志着在增材制造近单晶组织方面取得重要进展。目前团队已进一步消除20°以上大角度晶界，未来将持续优化工艺，推动该技术向更大尺寸、更复杂结构的单晶构件制备方向发展。

本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持