01技术背景
航空发动机是体现一个国家科技、工业和国防实力的重要标志，被喻为整个航空工业的桂冠，而航空发动机高温涡轮叶片则被喻为桂冠上的明珠。航空发动机的整体效率与高温涡轮叶片的工作温度和高温抗蠕变性能直接相关。随着航空工业对于航空发动机性能和推重比要求的不断提高，航空发动机热端部件的工作温度进一步上升，对合金的性能要求越来越高，镍基高温合金逐步向高温性能更好的单晶发展，如Rene N5、CMSX-4、DD432等，目前已发展到第五代镍基单晶高温合金，每一代高温合金的工作温度大约比上一代提高25°C。伴随材料发展而来的是对制造工艺的挑战，如何利用直接金属沉积技术实现单晶零件的修复与直接成型，逐渐成为研究热点，而如何在修复成型的过程中，保证其单晶的属性，避免杂晶的生成，是最大的挑战。
02激光熔覆单晶技术的发展
Kurz等在1997首先提出了外延激光金属成型（epitaxial aser melting forming，E-LMF） 的概念，即熔池内液态的单晶高温合金从熔池底部以外延生长方式向上生长，形成细小柱状枝晶微观组织，通过控制固液凝固边界的温度梯度（G）和枝晶尖端的凝固速度（V），可以实现对于熔池内晶体分布的预测与控制，当G/V的值高于临界值时，可获得柱状枝晶组织，避免杂晶（等轴晶）的形核生成。Kurz和他的团队在CMSX-4镍基单晶的（100）面基板上，外延成型出了同种材料的多层单晶熔覆层。之后，又有学者实现了异种材料的外延激光金属成型，即一种单晶材料可以通过激光直接沉积到另一种单晶材料的（100）面基板上，且延续了基板单晶的晶格取向。受限于材料与设备的特殊性，国内在镍基单晶高温合金激光增材修复方面的研究报道较少。
辉锐公司创始人齐欢博士在上海交大密西根联合学院任教期间，曾带领团队开展了镍基单晶材料的激光直接成型研究。通过理论建模与实验相结合的方法，研究了激光多道搭接熔覆镍基单晶高温合金过程中熔池内晶体的生长机理和微观组织分布，并分析了工艺参数（搭接率、搭接方式），以及基体表面晶格取向对熔池内晶体生长行为和微观组织分布的影响，为该技术在航空发动机部件上的实际应用提供了理论基础。
•研究表明，对单层熔覆单晶合金材料的横截面进行电镜EBSD扫描发现，熔覆层下部大部分区域可形成延续基材晶体外延生长的定向结晶组织（下图蓝色区域，颜色代表结晶生长方向）
•熔覆层上表面会形成方向各异的杂晶组织（彩色区域）
•由以上观察可得出多层熔覆时，熔覆层需有足够熔深重熔下一层的杂晶区，形成连续生长的单晶或定向结晶组织
图1 熔覆层横截面
下图为连续熔覆10层的单晶材料横截面EBSD扫描图片（颜色代表单晶生长方向）,在三种不同激光工艺条件下形成的组织结构，其中(c)条件下形成了与基材晶体方向连续一致的多层单晶组织
图2 熔覆层横截面
Liu, H, Qi. Effects of substrate crystallographic orientations on crystal growth and microstructure formation in laser powder deposition of nickel-based superalloy [J]. Acta Materialia, 2015, 87: 248-58.
03 辉锐激光熔覆单晶材料技术成果
目前辉锐已在单晶激光修复领域展开了一系列的研究。为控制单晶或定向结晶的关键工艺参数是控制熔池的冷却速度和温度梯度，其中冷却速度决定了熔池的形状，温度梯度决定了熔池凝固时的结晶生长方向。这两项工艺参数都可以通过熔池监控手段和图像处理的方法实时进行捕捉和测量。
图3 熔池成像图片
图4 熔池温度梯度图（点击放大）
采用镍基粉末材料，在DD432上进行实验，获得了较好的成果，并在DD432的单晶叶片上进行了工艺开发测试。单晶叶片叶尖各部位的厚度有一定的差异，越厚，定向外延接长越困难，主要为熔覆层单道厚度越大，工艺要求越严格，工艺窗口范围越小。经过工艺优化研究，取得了以下激光熔覆单晶材料的成果：
● 实现最大单道熔覆宽度为1.8mm，且连续堆积可达10mm高度。
● 单层厚度可调节范围0.15～0.5mm。
● 两侧杂晶量少于10%。
●结合界面在800℃时的高温拉伸性能达到了基材的91%，熔覆层强度不低于基材的91%
图5 DD432外延接长结合界面
图6 DD432外延接长Rene142截面全貌图
04 单晶叶片熔覆案例
图7 熔覆过程照片
图8 叶片熔覆层渗透探伤
熔覆层外观光滑、致密，无肉眼可见的裂纹、孔洞等缺陷。由于熔覆过程采用了两种不同的工艺，在不同工艺熔覆的交界处形成了比较明显的交界区。
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