用平顶激光束通过选择性激光熔化制造纯镍单晶

长三角G60激光联盟导读

成果亮点：

使用SLM技术进行制造单晶结构；

采用平顶光且不使用单晶种子进行了实施；

参数优化的结果造成平面晶熔池的形成

均匀的近似-{001}<100>织构在较高的制造高度下得到阿实现；

抑制应变的积累对避免高角度晶界的形成是非常必要的。

成果摘要：

研究了在纯镍中用选择性激光熔化(SLM)制作单晶(SX)结构时有关平顶激光轮廓的相关内容。参数的优化导致平面熔池的形成。在>20mm的高建筑高度中，在没有单晶晶种的情况下获得了具有抑制的大角度晶界(HAGB)的均匀近{001}<100>织构。此外，平面熔体池抑制了几何上必需的位错积累，并防止了可能导致HAGB形成的应变诱发的连续动态再结晶。因此，在没有单晶晶种的情况下，成功地获得了具有均匀的近{001}<100>织构和抑制的HAGB的单晶结构。

成果的Graphical abstract

背景介绍

随着诸如喷气发动机的高温部件的使用增加，对通过添加制造制造的镍基超合金部件的需求也增加了。最近的 告表明，镍基单晶(SX)高温合金可以通过电子束熔炼成功制造，而无需使用单晶晶种。有一些关于使用选择性激光熔化(SLM)制造镍基单晶高温合金的 道。Chen等人通过使用建筑板证明了结构的制造可行性。在Sanchez-Mata等人的另一项研究中，演示了在直径为250微米的圆柱形样本内进行直径约为220微米的单晶制造，尽管没有说明建筑板或单晶晶种的信息。

选择性激光熔化过程中由顶层快速加热、有限的热导率和下层较低的温度引起的陡热梯度，使得控制缺陷和晶界(GB)、织构均匀性和应变抑制变得非常困难。扫描策略的复杂调整或单晶晶种的使用经常需要精确的结构控制。重复的热机械循环在建成的SLM产品中诱发高应变和位错密度，导致动态再结晶(DRX)和新晶粒的形成。因此，通过热梯度和应变诱发因素控制SLM产品中的晶粒结构对于实现单晶结构是至关重要的。

先前关于选择性激光熔化中微结构和织构控制的大多数研究利用了高斯光束。高斯能量通量随着远离光束半径的中心而减小，导致从中心到边缘的熔池穿透深度不同。相反，平顶激光器的使用已经被证明可以产生具有柱状生长的强纹理。平顶轮廓均匀地吸收激光光斑区域上的激光能量，从而改善熔化粉末的结合并改变熔池的几何形状。目前还没有使用平顶光束和大角度晶界(HAGB)抑制对微结构形成过程进行详细研究的 道。该研究展示了在选择性激光熔化中使用平顶光束轮廓来制造纯Ni的单晶结构，而不使用单晶构建板。这将通过在选择性激光熔化工艺中应用各种激光原理，特别是为了实现单晶结构，对实现期望的微结构和相关特性所需的工艺提供新的见解。

材料和方法

使用SLM 280 HL在氩气中进行选择性激光熔化制造。SLM装置包括光束直径(db)分别为700微米和80微米的平顶激光器和高斯激光器。使用尺寸为76×81×5mm，平均表面粗糙度为1.59μm的高纯度多晶镍板，对单个轨迹进行分析，以确定熔池的几何形状。该板未涂覆粉末层。用于产生轨迹的激光的功率(P)和扫描速度(v)分别在100-900W和100-1500mm/s之间变化。0.71–10.42J/mm2中的每道能量长度密度谱由公式得到：

轨道1、2和3分别采用500–140、600–100和300–600的激光功率(W)和扫描速度(mm/s)组合制造。平顶光束用于轨道1和2，而高斯光束用于轨道3。在垂直于扫描方向(SD)的构建方向(BD)-阴影方向(HD)平面上观察熔池的几何形状。因为对于纯金属来说，熔池边界几乎不明显，所以在本研究中，在单个熔融轨迹期间形成的熔池被认为是包含比整体更多拉长和粗化晶粒的区域。在BD-HD平面上，在中心点和距熔池边缘15%的熔池宽度处测量熔池深度。多层是基于观察到的熔池几何形状的P-v组合。影线间距(h)设置在70和200微米之间，而层厚保持在30μm。使用等式获得多层(EM)的能量密度范围为16.32–61.16J/mm3。

使用MicrotracS3500激光衍射粒度分析仪估计镍粉(34.0微米)的平均粒度。图1显示了粒度分布。SD–HD平面采用90°旋转扫描策略进行激光扫描。将圆柱形样品，直径12毫米高30毫米，印刷在多晶不锈钢304板上。在这项研究中，粉末阶段没有加热。将所有样品切片并用320目和600目砂纸研磨，然后分别用用9微米、3微米和1微米金刚石和硅胶悬浮液机械抛光。使用扫描电子显微镜(SEM，JEOL JSM-7001F)和电子背散射衍射(EBSD)来表征样品的微观结构。EBSD分析覆盖了标清–高清横截面的最小面积为400×400微米，100×100微米，高清–BD横截面的最小面积为800×1200微米，步长分别为1.2微米、0.25微米和3微米。EBSD的数据是用TSL·OIM7和ATEX软件分析的。低角度晶界(LAGB)和HAGB的取向差分别为5°-15°和>15°。

图1.研究中使用的纯镍粉的粒度分布。

结果和讨论

图2至图4描绘了熔池轨迹观察。基于平顶的轨道表现出接近平面的熔体池底部，其深度相对于轨道宽度较浅。轨道1中的熔池深度和宽度(ET=5.10J/mm2)(图3a)经测量分别为20和143.67微米。具有较高ET(ET=8.57J/mm2)(图3a)的轨道2的深度和宽度分别为68.79微米和488.98微米。由于ET的差异，轨道1比轨道2表现出更平坦的几何形状，轨道2具有超高斯几何形状。

这通过熔池中心和边缘之间的深度差得到证实，如图2a和3a，与轨道2的±34微米相比，轨道1的深度差估计小于3微米。中心区域和边缘区域之间的熔池深度差异较小，这表明根据束斑中的热分布和随后的熔池几何形状之间的相关性，轨迹1中的激光功率扫描速度在熔池宽度上产生了更均匀的热分布。基于高斯的轨道3(ET=6.25J/mm2)与其144.48微米的宽度相比，呈现出148.06微米的更大深度(图4a)。随后形成了一个不均匀的熔池，在轨迹中心有很深的渗透，在边缘区域较浅，表明在高斯分布中有集中的热源。

图2.作为FT1基础的平顶轨道1的融合轨道的横截面。(a)扫描电镜图，(b)SEM-EBSD的反极图,(c)聚变径迹示意图。IPF图和纹理沿着BD轴设置。

图3.作为FT2基础的平顶轨道2的融合轨道的横截面。(a)扫描电镜图，(b)SEM-EBSD的反极图，(c)聚变径迹示意图。IPF图和纹理沿着BD轴设置。

图4.基于高斯轨迹3的融合轨迹的横截面作为G1的基础。(a)扫描电镜图，(b)SEM-EBSD的反极图，（c)聚变径迹示意图。IPF图和纹理沿着BD轴设置。

SEM-EBSD用于进一步表征样品特征。图2至图4表示了晶体方向与?100?的偏离。在本研究中，理想?001?方向和IPF沿BD设置为逐层凝固方向，因为常规定向凝固中的单晶结构沿凝固方向呈现?001?织构。如图2b–c所示，轨道1中的固化偏离?001?BD 18–26°。考虑到定向凝固单晶系统中的优选柱状?001?，沿着BD形成更接近?001?的织构的可行性是有利的。因此，当轨道2的蒸散量较高时，纹理转变为主要的?011?构型，如图3b–c。

熔池边缘较高的取向差约为35°，结合改变的熔池平面度，表明了使用平顶激光器获得平面熔池的合适参数组合的重要性。对于基于高斯分布的轨迹3，熔池边缘的取向差约为38.7°，明显大于熔池中心的取向差(例如14.9°和18.5°)如图4b–c所示。这表明了高斯光束中中心和熔池边缘之间的过渡凝固方向，意味着在多晶衬底上制造单晶结构或使用单晶衬底以保持基于高斯轨迹的晶体均匀性的过程中需要复杂的参数调整。

基于FT1的参数(EM=43.07J/mm3)，图5展示了使用平顶梁实现单晶结构的可行性。因此，观察到{001}<100>和{011}<100>之间的竞争晶粒生长，直到6mm的高度。微结构显示出均匀的立方{001}<100>织构，在增加的构造高度(>15mm)的中心具有抑制的HAGB，在距边缘1.5mm处具有均匀的微结构。在本研究中，具有{001}<100>结构的被抑制的HAGB被保持到30mm的最高建筑高度。

图5.IPF图和纹理在平顶制造的FT1的不同位置。

在选择性激光熔化中使用平顶光束构建单晶结构的可行性得到了清楚的证明，因为FT1是基于轨道1中使用的激光功率-扫描速度组合。我们未来的研究将提出选择性激光熔化过程中晶粒选择的详细机制，特别关注FT1的参数。

图6.基于来自轨迹1的平面能量分布的平顶构建的FT1的IPF图和纹理(a–d)，基于来自轨迹2的超高斯能量分布的FT2，(e–h)。基于来自轨迹3的高斯能量分布的高斯构建G1，(i–l)。(a)、(e)和(i)显示了垂直于BD的横截面上的IPF图，相应的纹理分别显示在(c)、(g)和(k)中。(b)、(f)、(i)显示了在BD的横截面上的IPF图，相应的纹理分别显示在(d，h，l)中。所有的指规数都是沿着BD轴设定的。

图6示出了分别与轨道1、2和3相关的FT1、FT2和G1的多层微结构。FT1呈现出均匀的{001}<100>织构(图6a–d),表明FCC晶胞在BD中保持接近0°的取向差，潜热传递从顶部区域沿熔池发生

因为在选择性激光熔化中没有成核屏障，所以微结构是作为凝固期间外延生长的结果而形成的，除非在熔体池中有高密度的成核位置，例如细颗粒。成核屏障的缺乏归因于选择性激光熔化工艺的高冷却速率，这防止了随机的独立成核。因此，在本研究中没有观察到等轴晶粒的形成。同时，外延生长的晶粒结构由热梯度和生长速率决定。选择性激光熔化熔池的固液界面的热梯度测量值介于106-108K/m之间。这种高温梯度有利于平面或蜂窝状晶粒的形成。此外，浅熔池的低凝固速率是由具有最高熔池温度的点和熔池熔合线边界之间的小距离造成的。因此，平顶轮廓的浅熔池可以获得较高的热梯度和较低的凝固速率，这导致平面外延凝固结构的形成。

凝固期间外延晶粒生长的方向由热梯度和潜热的方向决定，其与热源反向平行。这表明，尽管FCC晶体倾向于在?001?取向上生长，但生长平面取决于固液界面，受热梯度方向的影响。

该固液界面的生长方向几乎垂直于选择性激光熔化中的熔池熔合线。随后，平坦的熔体池底部导致固/液界面在BD平面中更接近0°。在该研究中，观察到FT1中单晶结构的织构在图6c中的箭头附近，表明相对于BD的偏差为8°。这发生在扫描过程中的SD中。

在选择性激光熔化工艺中，BD–SD平面上的熔池尾部存在一定程度的取向错误是不可避免的。此外，在SD–HD平面上，平顶轮廓的圆形形状导致晶粒生长方向相对于SD沿着熔池尾料的熔池边界的错向分布。因此，从熔池底部相对于BD的最终晶粒生长方向可以偏离一定程度，例如本研究中的8°。更多细节和进一步讨论将在另一份 告中提供。因此，在本研究中，在没有单晶种的样品中心获得了单晶结构。

对应于轨道2的FT2微结构(EM=61.16J/mm3)呈现出单晶高斯结构(图6e–h)。类似地，对应于轨迹3的G1(EM=46.16J/mm3)呈现出接近均匀的{011}<100>结构(图6i–l)。这些发现表明FCC晶胞在BD平面上经历了一个45°的旋转。尽管是单晶结构，但仍观察到大量的HAGB。与高斯或超高斯熔池一样，固液界面向熔池底部移动。因此，由于这种移动，从熔池中心到边缘区域发生了竞争性晶粒生长。

这可以在轨道2和3上进一步观察到，与在熔池边缘较高的取向误差角相比，轨道2和3在熔池中心呈现较低的取向误差角(图3c和4)。例如在{001}<100>和{011}<100>之间即图6j中的蓝色箭头处，G1的几个区域观察到更明显的竞争生长模式。HAGB的形成是超高斯或高斯熔合线的竞争的、非均匀生长的结果。在没有竞争生长的情况下，当这些{011}<100>枝晶的生长前沿在中心线相交时，形成HAGB，导致中心线HAGB。

图7 平顶构建的(a–c)FT1、(d–f)FT2和(g–I)高斯构建的G1的核平均取向差(KAM)图和线矢量取向差。(b)、(e)、(h)中的区域分别取自(a)、(d)和(g)中显示的标记区域。(c)、(f)和(I)中的线矢量取向差分别从(b)、(e)和(h)中所示的梯度色箭头获得。

据 道，位错积累，特别是以GNDS的形式积累，会导致HAGBs，从而通过DRX形成新的晶粒。因此，必须调节位错积累以获得单晶结构。在选择性激光熔化工艺中，逐层加工的热机械循环会产生位错和应变累积。图7显示了HD–BD平面中FT1、FT2和G1的内核平均取向差(KAM)图。FT1、FT2和G1的GND分别为0.71×1014、1.07×1014和1.28×1014/m2，建立在Nye张量的基础上使用Pantleon的模型，在{111}<110>FCC滑移系统上采用了18种几何位错组态。

FT1和FT2的GND分布相似，与面积无关。FT1区域1和2的GND分别为0.90×1014和0.89×1014/m2。在FT2中，区域3和4之间的GND差异可以忽略不计，分别为0.99×1014和0.77×1014/m2。在G1和代表熔池中心的5区观察到不均匀的GND分布，其GND值为1.70×1014/m2。G1第6区熔池边缘的GND值为0.67×1014/m2。制造过程中产生的应变和残余应力受到选择性激光熔化中每层经历的热机械循环的影响。Mukherjee等人用数值证明了增加热机械循环次数会导致更高的变形。由于高斯熔池的非均匀热分布，熔池深度在中心较大，并向边缘逐渐减小。

因此，基于高斯的轨迹的熔池中心接收额外的热机械循环。假设在每个热机械循环的高热梯度-非重熔区附近产生位错，熔池中心的位错密度更高。对于顶部平坦的试样，熔池越平坦，沿熔池的热机械循环越均匀，导致应变累积越均匀。这些发现表明熔池的几何形状对织构的形成和位错的产生有影响，为今后的研究提供了广阔的空间。

图8 对高温合金的模拟结果

从G1中LAGB继续形成HAGB表明，HAGB或新晶粒形成可能是由于亚晶界通过应变和位错的逐渐增加逐渐转变为HAGB，这一过程称为连续动态再结晶(CDRX)。在选择性激光熔化工艺中观察到CDRX，这是快速凝固和重复热机械循环期间的局部加热-冷却工艺产生的应变的结果。G1的线矢量分布图揭示了点到原点取向差的逐渐增加，如图7h中的梯度色箭头，表明通过取向差成核形成HAGBs(图7i)。此外，在FT2中观察到在相同GB上连接到LAGBs的HAGBs的形成。

沿着图7e中的梯度色箭头的错误取向增量(图7f)比在G1中不明显，并且CDRX的出现在FT2中不明显。由于HAGB被抑制到最小值，FT1中的取向误差增量可以忽略不计。FT1中CDRX的患病率可降至最低。因此，可以推断，由平顶梁形成的浅-均匀熔体池受益于两个方面:(1)生长方向接近BD(在本研究中相对于BD的偏差为8°)，以及(2)可以最小化由特定点的过度热机械循环导致的应变累积。随后，在FT1中观察到的点(1)和(2)有助于在没有单晶晶种的情况下形成具有低HAGB的均匀织构{001}<100>。

图9 不同平顶光的光束形状对匙孔和传导的影响。

结论

在本研究中，通过用平顶光束优化平面熔体池，使用没有单晶晶种的选择性激光熔化，获得了包含具有抑制的HAGBs的纯镍的均匀近{001}<100>单晶结构。平面熔体池有助于维持沿BD的几乎均匀的近{001}<100>生长，同时也防止了可能导致CDRX诱导的HAGB形成的应变积累。可以预见，由平顶梁形成的平面熔体池在不使用单晶晶种的情况下实现单晶结构，将在未来的工作中用于更广泛的金属和合金。

参考资料：

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