重磅｜中科院金属所最新顶刊！金属增材制造实现倾斜晶粒原位调控，解锁构件 “形貌微观组织一体化叠加设计” 新范式！镍基高温合金 LPBF 取得机理突破！

01、文章导读

摘要：金属增材制造中实现晶粒生长方向的原位调控，是一项基础性却悬而未决的难题，制约着构件宏观外形与内部微观组织的一体化叠加设计技术发展。本文利用与几何特征耦合的工艺参数，首次在激光粉末床熔融（LPBF）工艺中制备出倾斜晶粒。结合多物理场仿真与 “单晶籽晶” 实验，揭示倾斜晶粒背后的驱动力作用机制。研究发现：逐层打印过程中成形区域会形成非对称温度熔池流动耦合场；不同方向的外场会共同作用，调控倾斜晶粒的晶体取向及其占比。更重要的是，在倾斜微观组织中发现了以往增材制造领域未曾报道的独特晶粒竞争生长机制。基于驱动力分解得到的研究结果，提出一套指导三维倾斜晶粒设计的科学思路；面向工程应用，阐明了实现不同倾斜角度晶粒的工艺设计判据与优化建议。该研究为 LPBF 构件的倾斜晶粒设计提供深度理论支撑，为新一代金属构件的形貌组织叠加设计开辟新路径。

02、部分图文

文章主要亮点

亮点1：国际首次在 LPBF 中可控制备倾斜柱状晶粒通过改变搭接间距、激光功率这类几何关联型工艺参数，在镍基高温合金中获得 <110>、<001>、<111 > 三类取向的倾斜晶粒，晶粒可偏离成形方向发生偏转。搭接间距越小、激光功率越高，晶粒倾斜角度越大。

亮点2：多物理仿真 + 单晶籽晶实验，完成驱动力方向分解厘清温度梯度、熔池流动分别在 X（扫描）、Y（搭接）、Z（成形）三个方向的贡献：YZ 平面晶粒偏转主要受温度梯度主导；X 扫描方向熔池流动带来的驱动力作用强度甚至高于温度梯度，刷新传统认知。

亮点3：发现全新**“台阶效应” 竞争生长机制**<001> 取向晶粒整体倾斜角大于内部胞状亚晶，来源于 < 001 > 与 < 110 > 取向胞晶之间的竞争生长，熔池边界形成周期性台阶，逐层累积放大晶粒偏转角度，一定程度补偿 LPBF 形核不可控带来的组织不均。

亮点4：提出倾斜晶粒成形定量判据 —— 熔池底部重叠率 R≥60%熔池底部重叠率是倾斜晶粒能否形成的先决条件；熔池曲率决定倾斜角度大小；二者相互耦合，大倾斜角对工艺窗口提出严苛要求。

亮点5：面向航空发动机空心叶片工程应用拓扑优化空心叶片取消内部支撑后，会带来晶粒取向与构件受力不匹配问题。将倾斜晶粒与拓扑优化叶片叠加设计，可让晶界匹配离心受力方向，提升高温服役性能；该原理对其他立方晶系合金具备普适性。

图1  LPBF 中与几何特征相关的工艺参数示意图。

图2 叠加晶界分布的反极图，展示不同激光功率、搭接间距下晶体织构与晶粒形貌变化。

图3  (ac) 倾斜微观组织在 3 个正交截面上的反极图（激光工艺：功率 220 W，搭接间距 0.04 mm）；(d1d2) 从图 3a 提取得到不同倾斜角度倾斜晶粒的反极图；(d3) 倾斜晶粒角度测量示意图；(e) 同一视场下的扫描电镜照片，展示 3 种取向晶粒的细节特征。

图4 用于提取凝固参数的截面示意图以及本文采用的各类观测视角。

图5 功率 220 W、搭接间距 0.04 mm 条件下温度流体耦合场。(a,b) 不同时刻下第 2、3 道熔道 YZ 截面；红线代表等温线（单位 K），彩色箭头代表熔体流动方向与流速；虚线方框代表重熔后保留的成形区域；方框内红色箭头代表当前时刻温度梯度方向。(c,d) 不同时刻第 2、3 道熔道 XZ 截面，其余说明同 (a,b)。

图6 激光功率 180~340 W、搭接间距固定 0.04 mm 下的温度流体耦合场。(a,b) 4.69 ms 时刻第 2 道熔道分别在 YZ、XZ 截面；图内其余说明同图 5。(c) 多道激光熔化条件下熔池宽度、深度统计，符号为仿真结果，线条为实验数据。(d) YZ 与 XZ 截面不同激光功率下熔池底部曲率测量结果。

图7  X、Y、Z 三个方向不同时刻温度梯度幅值以及熔体流动速度对比。

图8 基于单晶基底初始籽晶取向变化，外延生长占比反映 X、Y、Z 三个方向驱动力大小。(a) 外场驱动力对面心立方晶体结构稳定性的作用示意图。(be) 籽晶织构，分别对应 {001}_z<100>_x、{001}_z<110>_x、{011}_z<100>_x、{011}_z<110>_x；每幅图左下角附带晶体旋转示意图。

图9  LPBF 倾斜微观组织中柱状晶粒与胞状枝晶生长示意图。(a)<001 > 与 < 110 > 取向枝晶竞争生长，在熔池边界产生 “台阶”。(b) 这些台阶造成柱状晶粒倾斜角度大于内部胞状枝晶。

图10  (a) 高熔池底部重叠率 R，保证倾斜晶粒持续外延生长；(b) 低重叠率 R，在熔池底部产生杂晶。附带对应位置金相照片。

图11  (a) 熔池底部重叠率 (R) 和曲率对晶粒是否发生倾斜的影响；(b) 晶粒倾斜角度和熔池底部曲率的对应关系。

图12  将倾斜晶粒微观组织叠加到拓扑优化高温合金空心叶片上，有望提升构件设计与使用性能。

03、结论/展望

1、倾斜晶粒晶体取向由熔池内部驱动力状态与形核位置共同决定：熔池侧边处温度梯度相对成形方向偏转 30°40°，主导形成占比最高的近 <110> 取向柱状晶粒；熔池中心形核，温度梯度偏转 10°20°，促进近 < 001 > 取向晶粒；熔池侧边形核叠加流场扰动，生成占比较少的 < 111 > 取向倾斜晶粒。

2、<110>、<111 > 取向倾斜晶粒，晶粒偏转角度与胞状枝晶角度基本一致。而 < 001 > 取向柱状晶粒倾斜角度显著大于其内部胞状亚晶。根源是 < 001 > 与 < 110 > 取向胞晶发生竞争生长，稳定侧向流场促使胞晶向 Y 方向优先生长，在熔池边界形成大量 “台阶”；多层累积后，使 < 001 > 晶粒获得更大倾斜角。

3、Y、Z 方向枝晶偏转主要由温度梯度控制；X 扫描方向，熔池流动场的驱动力作用强于温度梯度。该结论为后续三维空间可控设计倾斜晶粒提供理论指引。

4、LPBF 工艺参数通过改变熔池行为调控倾斜晶粒演化：熔池底部重叠率 R≥60% 是形成倾斜晶粒的必要门槛条件；晶粒倾斜角度由熔池曲率与重叠率共同决定。熔池边界越陡峭、道间重叠越高，倾斜角度越大。高曲率会降低重叠率，因此想要实现大倾斜角度，对激光工艺条件要求更加严苛。（来源：长三角G60激光联盟）