渦輪葉片高能束增材再制造修復(fù)技術(shù)：理論,、工藝,、熔池,、組織,、缺陷及性能

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

單晶渦輪葉片高能束增材再制造是修復(fù)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(lǐng)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(diào)控機制、內(nèi)部冶金缺陷控制等科學(xué)問題和關(guān)鍵工藝尚未完全突破,。梳理了熔焊熔池內(nèi)凝固組織定向生長的理論發(fā)展,，基于已有的枝晶異質(zhì)形核和異向生長理論，構(gòu)建了單晶高能束修復(fù)的基礎(chǔ)原理框架,；詳細分析了"修復(fù)工藝-熔池特性-凝固組織"之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),，提出了保持單晶連續(xù)穩(wěn)定生長的工藝調(diào)控準則和熔池監(jiān)控方法；總結(jié)了修復(fù)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(diào)控手段,，凝練了單晶修復(fù)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(lǐng)域相關(guān)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(jié)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(jié)合高效的空芯冷卻設(shè)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(fù)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(yīng)力復(fù)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(zhì)量的修復(fù)與再制造技術(shù)，恢復(fù)損傷葉片的氣動外形,、微觀組織與力學(xué)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(fù),。近年來,，隨著金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展，基于增材原理的高能束再制造技術(shù)成為修復(fù)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(fù)雜型面結(jié)構(gòu),、特殊微觀組織,、苛刻使用載荷條件等因素，實施高能束修復(fù)不僅要考慮恢復(fù)葉片幾何形狀,、減少修復(fù)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(fù)作為航空發(fā)動機熱端部件特種加工領(lǐng)域的代表性技術(shù)，其中所蘊含的科學(xué)問題和關(guān)鍵工藝尚未完全突破,。研究單晶葉片高能束修復(fù)技術(shù),，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(guān)鍵熱端部件的制造和再制造應(yīng)用起到示范引領(lǐng)作用,。

圖 2 單晶渦輪葉片高能束修復(fù)示意圖

本文對單晶渦輪葉片高能束修復(fù)研究現(xiàn)狀進行綜述,。首先，從基礎(chǔ)凝固原理著手，總結(jié)了熔池內(nèi)單晶組織形成的理論發(fā)展歷程,；其次,，詳細討論了修復(fù)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(nèi)在關(guān)聯(lián),；再次,，對單晶高能束修復(fù)微觀組織、冶金缺陷和力學(xué)性能進行歸納總結(jié),，并介紹了國外航空發(fā)動機部件再制造相關(guān)的幾個重大研究計劃,；最后，基于國內(nèi)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(fù)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(zhuǎn)變(Columnar to Equiaxed Transition, CET[16])和有序-無序轉(zhuǎn)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(nèi)外學(xué)者開展了一系列理論研究，為實現(xiàn)單晶高能束修復(fù)奠定了堅實的基礎(chǔ),。

圖 3 單晶修復(fù)凝固現(xiàn)象[18]

1.1 柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變
柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變(CET)是由異質(zhì)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(yù)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(xué)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(jié)合該臨界條件，Hunt推導(dǎo)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(yīng)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(jié)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(guān)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(guān)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(dǎo)單晶表面高能束修復(fù)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(guān)系圖[22]

1.2 有序-無序轉(zhuǎn)變
有序-無序轉(zhuǎn)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(fù)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(guān)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(guān)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(guān)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(xué)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(zhì)對于單晶高能束修復(fù)有重要的指導(dǎo)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(chǔ)原理框架
基于已有的枝晶異質(zhì)形核和異向生長理論,，本課題組構(gòu)建了圖 7所示的單晶高能束修復(fù)基礎(chǔ)原理框架,，指導(dǎo)單晶渦輪葉片再制造工程應(yīng)用。受異質(zhì)形核和異向生長等凝固行為的影響,，修復(fù)區(qū)枝晶形貌(CET)和生長方向(OMT)均可能發(fā)生轉(zhuǎn)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(guān)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(jié)構(gòu)的對稱性，OMT效應(yīng)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(fù)需要解決的首要問題,。

圖 7 單晶高能束修復(fù)基礎(chǔ)原理框架

從構(gòu)建的基礎(chǔ)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(guān)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(nèi)部傳熱、傳質(zhì)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(fù)工藝參數(shù)密切相關(guān),。為此，需要厘清“修復(fù)工藝-熔池特性-凝固組織”之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),。通過“修復(fù)工藝-凝固組織”關(guān)聯(lián),，調(diào)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(guān)聯(lián),，發(fā)展修復(fù)過程監(jiān)測和閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)，保證單晶連續(xù)穩(wěn)定生長,。

2 修復(fù)工藝-凝固組織關(guān)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(fù)研究[29-37],，初步證明在合適的焊接參數(shù)下熔池內(nèi)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(fù)提供大量借鑒和指導(dǎo),。

2.1 高能束增材修復(fù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
高能束增材修復(fù)技術(shù)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(shù),，與焊接修復(fù)相比，增材修復(fù)具有熱影響區(qū)小,、精度高,、不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制等一系列優(yōu)點，特別適合于復(fù)雜型面部件的快速修復(fù),。按照送粉和鋪粉2種粉末供給方式,，高能束增材修復(fù)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(fù)；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(yù)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(shù)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(fù)技術(shù)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(xué)院運用DED-L技術(shù)對一代單晶渦輪葉片進行修復(fù),，是單晶高能束增材修復(fù)的首次嘗試[22]。2016年,，美國喬治亞理工學(xué)院在PBF-L的基礎(chǔ)上發(fā)展了SLE技術(shù),，專門用于航空發(fā)動機熱端部件增材修復(fù)，修復(fù)質(zhì)量接近工程應(yīng)用水平[11],。近年來,，以德國紐倫堡大學(xué)為代表的一些單位大力發(fā)展FPB-EB單晶成形技術(shù)，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(fù)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

2.2 定向能量沉積單晶修復(fù)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(fù)最主要的方式。2001年,，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(nèi)在關(guān)聯(lián)，分析了激光功率(P),、掃描速度(Vb),、預(yù)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(guān)系圖”指導(dǎo)單晶修復(fù)[22],。在此基礎(chǔ)上,，國內(nèi)外學(xué)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(guān)系圖”,。

圖 9 單晶修復(fù)工藝-組織關(guān)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(fù)區(qū)雜晶,，應(yīng)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(fù)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(dǎo)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,�,？偟膩碚f[22, 28, 38-39]，在保證基材部分重熔和增材成形的基礎(chǔ)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(zhì)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(yīng)間接提高了基材的溫度(等效于施加預(yù)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(fù)組織通常呈現(xiàn)不均的“鋸齒狀”,，合理選擇脈沖頻率至關(guān)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(fù)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(fù),，還可以通過合理設(shè)計沉積策略(沉積路徑、搭接率,、熔覆頭傾角和復(fù)合修復(fù)等)調(diào)控凝固組織,。研究表明[45-46]，在多層多道搭接修復(fù)過程中,，采用熔化道間隔往復(fù)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(guān)鍵，過大或過小的搭接率均容易導(dǎo)致雜晶增多[47-48],。對于葉尖接長修復(fù),，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(fù)掃描策略[49](見圖 10(c)),。此外,，通過調(diào)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?nèi)鄢匦螤詈湍�固前沿溫度梯度分��,，也可以促進單晶外延接續(xù)生長[50],。還有學(xué)者提出DED-L+激光表面重熔的復(fù)合修復(fù)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(fù)質(zhì)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(yù)熱溫度,、送粉速率,、基材晶向和合金成分。通常,，單晶增材修復(fù)應(yīng)當避免預(yù)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(fù),，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(fù)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(fù)過程中,，受凹形缺口散熱效應(yīng)的影響，熔池凝固前沿難以保持定向熱流,。如果不進行預(yù)熱處理,，極易出現(xiàn)雜晶和裂紋。鑒于此,，Rottwinkel等[55]利用預(yù)熱和水冷相結(jié)合的方式強制性改變?nèi)鄢責(zé)崃鞣较�,，在修�?fù)缺口四周施加850 ℃的預(yù)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(fù)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(nèi)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(dǎo)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(diào)控凝固組織的關(guān)鍵一環(huán),。通常,，單晶高能束修復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)時得到相似的結(jié)論：y軸旋轉(zhuǎn)能顯著改變CET發(fā)生位置(單晶高度比)，而x軸旋轉(zhuǎn)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(jié)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?qū)�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(fù)區(qū)的單晶特性(見圖 11(c)和圖 11(d)[64]),。盡管這些結(jié)論是基于激光重熔條件，但對DED工藝同樣有著重要的指導(dǎo)意義,。

圖 11 基材晶向?qū)δ�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(yīng)用了三代[69],，基于外延生長原理，單晶修復(fù)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(fù)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(fù)工藝窗口變窄,。理論上,，通過調(diào)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(fù)工藝窗口,。但相關(guān)研究只停留于仿真階段,，缺乏對增材修復(fù)專用材料的實質(zhì)性研究。

2.2.4 DED工藝調(diào)控準則
總的來說,，DED單晶修復(fù)技術(shù)的發(fā)展日趨完善,，保持單晶外延接續(xù)生長的工藝調(diào)控準則總結(jié)如下：

1) 采用較低的熱源功率、較高的掃描速度和較低的預(yù)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(shè)計主動冷卻和動態(tài)調(diào)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(yīng)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(nèi)外一些單位陸續(xù)開展了基于粉末床成形技術(shù)的單晶高溫合金修復(fù)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(xué)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(shù)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(xué)性能甚至超過CMSX-4鑄件,。2018年，法國格勒諾布爾大學(xué)采用極高的預(yù)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(diào)控PBF-EB的輸入功率、掃描速度,、掃描路徑,、預(yù)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(xué)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(guān)，凝固前沿?zé)崃髋c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(shù)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(diào)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(jié)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(fù)
美國喬治亞理工學(xué)院發(fā)展的激光掃描外延生長技術(shù),，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(shù)，SLE的單層鋪粉厚度超過10 mm,，需要足夠的預(yù)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(fù)

SLE工作過程如圖 13(b)所示[82],，單晶基材上預(yù)先鋪置一層金屬粉末,，激光沿y方向快速重復(fù)掃描完成預(yù)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(fù)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(yù)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(dǎo)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(fù)工藝窗口需要綜合考慮E和Q這2個關(guān)鍵量,。

2.4 高能束單晶增材修復(fù)技術(shù)對比
近20年來,，國內(nèi)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(nèi)在關(guān)聯(lián)。其中,，DED-L和SLE主要用于單晶修復(fù),，PBF-EB和PBF-L不僅具備修復(fù)能力，更有望實現(xiàn)單晶直接制造,。這些技術(shù)的工藝特點和主要挑戰(zhàn)總結(jié)如表 1所示,。

表 1 單晶高能束修復(fù)技術(shù)對比

對于單晶修復(fù)，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(fù),；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(shè)備相對復(fù)雜,、成形表面平整度調(diào)控難度較大，不適合用于缺口,、裂紋等微小損傷修復(fù),。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(yù)熱粉末床可實現(xiàn)極高的預(yù)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(yīng),，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(diào)控較為復(fù)雜，涉及前預(yù)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(dǎo)致成形精度較低,。

3 熔池特性-凝固組織關(guān)聯(lián)研究
根據(jù)圖 8所示的單晶高能束修復(fù)基礎(chǔ)理論框架,，建立“熔池特性-凝固組織”之間的關(guān)聯(lián)，不僅能加深理解單晶修復(fù)組織演化機制,，還能指導(dǎo)發(fā)展熔池監(jiān)控系統(tǒng),、提高外延接續(xù)組織的穩(wěn)定性。

3.1 溫度場
熔池溫度場決定熔池的幾何形狀和凝固前沿溫度梯度,，對凝固組織有著極為重要的影響,。通常，可采用Rosenthal[88]解析法或有限元仿真[28, 66, 89-90]獲得熔池的三維溫度場分布,。Rosenthal解析法基于許多簡單的假設(shè)(如：穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),、忽略熔化熱和熱損失、熔池沒有對流等),，使用方便快捷,，但計算精度較低；有限元仿真能綜合考慮傳熱,、傳質(zhì)和熔體流動的耦合作用對溫度場的影響,，仿真結(jié)果與實驗吻合度高，但計算時間較長,。如圖 14所示,，一旦獲得熔池的溫度場及其三維形狀，就可以根據(jù)凝固前沿的溫度梯度Ghkl和凝固速率Vhkl確定CET,。

圖 14 熔池固液界面凝固參數(shù)三維分布[28]

不同于鑄造凝固平面界上均勻恒定的Gn,、Vn值，焊接/增材制造凝固前沿界面上Gn,、Vn的分布與熔池形狀及其所處的位置密切相關(guān),。本課題組研究表明，熔池尾部溫度梯度Gl,，移動速度Vb和凝固前沿寬長比w/l是控制CET的關(guān)鍵熔池特征量,。其中：Gl、Vb決定Gn,、Vn的分布大小,，w/l影響Gn、Vn的分布趨勢,。如圖 15所示,，較小的熔池寬長比(w/l)和較高的尾部溫度梯度-凝固速度比(Gl3.4/Vb)有助于促進柱狀晶生長，減少等軸晶,。

圖 15 熔池特性-凝固組織關(guān)系圖

對于低掃描速度DED，熔池形狀參量w/l對CET的影響不大,，必須保證足夠大的尾部溫度梯度Gl才能避免形成雜晶,；而對于高掃描速度PBF,，熔池尾部參量Gl3.4/Vb對CET的影響相對較小，控制形狀參量w/l十分關(guān)鍵,。減小w/l(淺而長的熔池)雖然能夠提高成形單晶的體積分數(shù),，但卻導(dǎo)致頂部雜晶趨勢增大，如果熔池熔深不足以重熔頂部雜晶,，就會破壞單晶外延接續(xù)生長,。課題組還基于熔池溫度場分布規(guī)律，提出了調(diào)控熔池特性的工藝策略：增大熱源功率和預(yù)熱溫度能夠同時減小w/l和Gl,，而增大掃描速度可以減小w/l卻不影響Gl的大小,。

3.2 流場
在增材修復(fù)和制造等快速凝固過程中，熔池內(nèi)劇烈的溫度變化致使熔體密度和表面張力存在區(qū)域性差異,，引發(fā)多種類型的流動[91-93],。其中，由浮力/重力驅(qū)動的對流稱為自然對流,，而由表面張力梯度驅(qū)動的對流稱為馬蘭戈尼對流(又稱熱毛細對流),。在極高的表面溫度梯度條件下，馬蘭戈尼流是主要的對流模式,，驅(qū)動流體由熔池溫度最高的中心位置向四周流動,。

熔池流場有利于促進傳熱傳質(zhì)，進而改變?nèi)鄢匦螤钜约澳�固前沿界面的溫度梯��,。根�?jù)經(jīng)典的Rosenthal傳熱模型,，快速移動熔池的溫度場呈“淚滴”狀分布，熔池底部區(qū)域等溫線密集,，溫度梯度最大,。但在馬蘭戈尼效應(yīng)作用下，熔池表面的大量熱量將隨對流傳至底部,，顯著降低熔池底部的溫度梯度[28],。此外，課題組在研究DED-L單晶搭接修復(fù)時發(fā)現(xiàn),，搭接效應(yīng)導(dǎo)致熔池傾斜,，熔體在重力作用下的流動削弱了豎向溫度梯度，促進雜晶形成[94],。

另一方面,，熔體流動可能會造成枝晶破碎和元素偏析，增加枝晶尖端附近液相的形核密度,。Acharya等[82]針對SLE單晶增材修復(fù)開展“溫度場-流場-凝固組織”關(guān)聯(lián)研究,，結(jié)果表明：熔池內(nèi)部“渦結(jié)構(gòu)”(見圖 16(a))對流能打破枝晶生長，破碎的枝晶充當形核核子，促進雜晶形成,。此外,，在具有超高溫度梯度、超快冷卻速率和超小尺寸等特性的PBF熔池內(nèi)部,，劇烈的熱毛細對流導(dǎo)致凝固生長界面震蕩失穩(wěn),，形成獨特的亞晶粒胞狀/帶狀結(jié)構(gòu)。相比PBF熔池,，DED熔池的表面溫度梯度較低,，熔體對流現(xiàn)象相對緩和。這種流場條件雖然不太可能造成枝晶破碎,，但卻致使枝晶生長偏離初始方向[53],，形成小角度晶界(見圖 16(b))。有研究表明[95-96],，給熔池施加適當方向的外部電磁場,，可以削弱熔體流動、提高外延生長趨勢,。

圖 16 熔池流場

3.3 熔池監(jiān)控
在單晶高能束修復(fù)過程中,，由于持續(xù)熱輸入引起的熔池溫度變化不可避免。此外,，熱源功率衰減,、送粉/鋪粉不均勻和熔化道擾動等異常情況也會造成熔池擾動。即便設(shè)置恒定的修復(fù)工藝參數(shù),，也很難保證熔池的穩(wěn)定性以及凝固組織的一致性,。因此，需要發(fā)展熔池在線監(jiān)控技術(shù),，提高修復(fù)質(zhì)量,。

目前，常用的熔池監(jiān)控手段包括CCD/CMOS相機,、紅外熱像儀/高溫計和光電二極管/光譜儀等[97-100],，分別用以實時采集熔池的形貌尺寸、溫度信息和輻射強度,。其中,，對熔池溫度和形貌的監(jiān)測是控制單晶定向生長的關(guān)鍵。Rottwinkel等[101]采用高溫計對DED-L單晶修復(fù)實施在線監(jiān)控,，通過監(jiān)控熔池溫度并反饋調(diào)控激光功率,，維持熔池溫度穩(wěn)定在1 400 ℃左右，保證成形過程具有較低的熱輸入,。Huarte-Mendicoa等[102]使用CMOS相機實時采集熔池的幾何形貌,，認為維持穩(wěn)定的熔池短軸長度有利于單晶生長。Bansal[103]發(fā)展了基于紅外熱成像儀的SLE單晶增材修復(fù)熔池監(jiān)控系統(tǒng)，通過機器視覺算法提取熔池尺寸,、形狀和平均溫度等關(guān)鍵特征,，并建立閉環(huán)反饋控制模型，提高單晶成形的穩(wěn)定性,。

上述研究表明，發(fā)展過程監(jiān)測和反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于建立監(jiān)測特征量與粉末冶金參數(shù),、修復(fù)工藝參數(shù)和微觀組織結(jié)構(gòu)之間的直接聯(lián)系,。但這種聯(lián)系往往是高度非線性的，很難用一個基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型來描述,。近年來,，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的機器學(xué)習(xí)技術(shù)迅猛發(fā)展，特別適用于處理高維度大數(shù)據(jù)[70, 104],。因此,，借助機器學(xué)習(xí)算法，厘清“工藝-熔池(監(jiān)控信號)-組織”之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián),，發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動的加工過程監(jiān)測和質(zhì)量閉環(huán)調(diào)控,，是實現(xiàn)高質(zhì)量單晶修復(fù)的發(fā)展方向。

4 組織,、缺陷和性能
成形部件具備優(yōu)異的使用性能是單晶渦輪葉片高能束修復(fù)的最終目標,，保持單晶組織的完整性(無雜晶)是實現(xiàn)該目標的必要前提。除此之外,，其他凝固組織形貌(一次枝晶間距和析出強化γ′相等)以及裂紋,、氣孔等成形缺同樣影響部件的性能。

4.1 組織形貌
修復(fù)過程快速移動熔池在復(fù)雜溫度場和熱循環(huán)條件下,，快速凝固形成非平衡相與組織,，與基體鑄態(tài)近平衡組織有顯著不同。其中,，一次枝晶間距(Primary Dendrite Arm Spacing, PDAS)用于表征枝晶尺寸,，是單晶/定向凝固合金重要的凝固組織特征之一。PDAS與溫度梯度G和凝固速度V的乘積GV密切相關(guān),，GV值越大,，PDAS越小[105-107]。較小的PDAS(微細柱晶)不僅能夠減少元素偏析和二次相析出,，還有助于抑制形成孔隙裂紋,，從而提高部件的力學(xué)性能。如圖 17(a)所示[79],，由于增材修復(fù)/制造的高G,、高V特性，修復(fù)區(qū)單晶PDAS相比鑄態(tài)基材顯著減小。

圖 17 不同區(qū)域微觀組織形貌

γ′-Ni3(Al, Ti)相是鎳基單晶高溫合金的主要強化相,，在凝固組織中通常以γ′相和γ基體共格形態(tài)存在,。γ′相的形貌、尺寸和數(shù)量(體積分數(shù))很大程度上決定合金的蠕變,、疲勞等力學(xué)性能,。增材熱影響區(qū)經(jīng)歷反復(fù)熱循環(huán)，雖未經(jīng)歷熔化過程,，但其內(nèi)應(yīng)力水平顯著增加,。反復(fù)熱循環(huán)作用下的局部內(nèi)應(yīng)力將在γ相通道內(nèi)產(chǎn)生大量位錯，致使基材和沉積區(qū)γ′相的形貌尺寸存在較大差異,。如圖 17(b)所示[108],，鑄態(tài)單晶基材γ′相尺寸較大、呈立方狀均勻分布,，而沉積區(qū)γ′相尺寸較小,、呈球狀不均勻分布。此外,，γ′相的形貌尺寸還隨增材高度的變化而變化,。在高溫服役環(huán)境下，這種細小且不均勻γ′相的穩(wěn)定性差,，可借助熱處理恢復(fù)為均勻立方狀粒子[109-110],。

除了γ′強化相，鎳基單晶合金常見的微觀組織還包括γ-γ′共晶,、碳化物和密排拓撲相(TCP)等析出相[18, 87, 111-112],。相比鑄態(tài)組織，增材微觀組織中γ-γ′共晶和碳化物的尺寸均有所減小,，γ-γ′共晶通常呈網(wǎng)狀或島狀分布,，而碳化物以塊狀或鏈狀分布為主。TCP脆性相通常富含Re和W等難熔元素,，危害合金的抗蠕變性能,，通過調(diào)控增材工藝或?qū)嵤�熱處理可以消除TCP相。

4.2 成形缺陷
4.2.1 熱裂紋
高Al+Ti含量(＞5%)鎳基單晶高溫合金的焊接性差,，增材成形存在熱裂紋難題,，主要包括凝固裂紋和液化裂紋2個方面[113]。凝固裂紋產(chǎn)生于熔池固液兩相糊狀區(qū)(脆性溫度區(qū)間),，與凝固過程后期形成的網(wǎng)狀縮孔結(jié)構(gòu)有關(guān)[108](見圖 18),。即，固態(tài)枝晶既被連續(xù)的液膜分隔,，又存在相互之間的接觸,，在收縮應(yīng)力作用下網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被撕裂[114-115],。液化裂紋是熔化道臨近的熱影響區(qū)，由于增材熱循環(huán)作用,，晶界上γ-γ′共晶,、粗大γ′相、碳化物和Laves相等低熔點相被重新熔化成液膜,，在收縮力作用下沿晶開裂[116],。

圖 18 凝固縮孔結(jié)構(gòu)示意圖[108]

熱裂紋的形成取決于2個條件：①形成液膜；②足夠的熱應(yīng)力,。在單晶增材成形過程中,，CET、OMT和枝晶偏斜等凝固行為將破壞單晶特性并形成晶界,，由晶界兩側(cè)晶體取向差引入的熱裂紋是近年來的研究熱點。研究表明[117-119]：晶界角大小影響部件的局部裂紋敏感性,。單晶和低晶界角區(qū)域的界面能低,、穩(wěn)定性好，因此裂紋敏感性低,；而高晶界角處枝晶間殘留的脆性液膜增多,，界面能顯著提高，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和開裂[120],。如圖 19所示,，DED-L單晶增材樣品不同區(qū)域(R20、R30和R40)均觀察到明顯的高角度晶界裂紋,。也有學(xué)者研究晶界類型對抗裂紋性能的影響,，結(jié)果表明[121]：相比發(fā)散型晶界(沿增材方向)，收斂型晶界能夠促進枝晶聯(lián)結(jié),，有利于抑制裂紋的萌生和擴展,。此外，在成分偏析作用下,，Al,、Ti、Ta和Re等元素遷移至晶界,，一方面阻礙液相填充枝晶間空隙,，另一方面削弱周圍晶體的強度，進而增大熱裂紋趨勢[108, 121],。成分偏析還可能導(dǎo)致低熔點B元素在晶界富集,，增大凝固溫度區(qū)間和液膜存活時間，促進形成熱裂紋[122-123],。

圖 19 高角度晶界裂紋[120]

綜上所述,，通過緩解熱應(yīng)力,、消除高角度晶界和降低成分偏析能有效抑制增材熱裂紋，常用的手段主要包括：優(yōu)化工藝參數(shù),、調(diào)控合金成分和熱等靜壓處理等,。對于DED-L單晶增材修復(fù)，過小或過大的搭接率,、掃描速度和熱源功率均不利于抑制熱裂紋[120],；通過基材預(yù)熱、降低熱輸入以及增大熔覆頭傾角等方式緩解應(yīng)力集中,，能夠?qū)崿F(xiàn)單晶無裂紋增材修復(fù)[108, 124],；對于PBF-EB單晶增材修復(fù)，采用較小的功率和速度參數(shù)獲得細小的枝晶結(jié)構(gòu),，能夠增加晶界面積,、降低元素偏析，提高部件的抗裂紋性能[123],。然而,，對于某些焊接性極差的鎳基高溫合金，調(diào)控增材工藝始終無法避免熱裂紋,，優(yōu)化合金粉末的元素配比是唯一選擇,。Harrison等[125]在不影響粉末總體成分配比的前提下，適當增加固溶強化元素,、減少夾雜元素,，能有效減少微裂紋。

4.2.2 孔隙
孔隙缺陷按形成機制可分為3類[12, 126]：① keyhole氣孔,，高功率熱源容易形成“匙孔”狀熔池,，孔隙的形成與熔池底部失穩(wěn)塌陷、金屬蒸汽滯留有關(guān),，通常呈圓形,；②滯留氣孔，熔池內(nèi)滯留的氣體在凝固過程中來不及逸出形成微小的圓形孔洞,，滯留氣體可能來自粉末夾雜氣,、保護氣和金屬蒸汽等；③融合不良氣孔,，熱輸入不足導(dǎo)致粉末未完全熔化,、基材(先前熔化層)熔深不夠，形成不規(guī)則長條狀的孔洞缺陷,。

由于孔隙缺陷是金屬增材制造存在的普遍性問題,，專門針對單晶合金的相關(guān)研究較少。課題組[94]在開展DED-L單晶高能束修復(fù)時發(fā)現(xiàn),，當采用有利于單晶生長的低激光功率時,，熔化道表面兩側(cè)極易形成尺寸較大的氣孔缺陷(見圖 20(a)),，并伴隨裂紋的產(chǎn)生(見圖 20(b))。借助先進的原位高速攝像技術(shù),，課題組清晰觀察到熔池表面流動和氣泡運動等復(fù)雜行為(見圖 20(c)),，認為表面氣孔缺陷是由于未爆炸氣泡滯留熔體造成的，氣泡滯留位置取決于熔池表面流動和熔池邊界運動的共同作用,。

圖 20 單晶修復(fù)表面氣孔缺陷[94]

調(diào)控增材工藝是減少孔隙缺陷,、提高成形致密度的主要途徑[127]�,？梢酝ㄟ^減小熱源功率,、增大掃描速度和重熔等方式減少keyhole氣孔。對于融合不良引起的氣孔缺陷,，減小搭接率(掃描間距)和送粉量(鋪粉厚度)是主要調(diào)控方式,，也可以通過增大熱源功率、減少小掃描速度和重熔等方式降低孔隙率,。而對于滯留氣體形成的微小氣孔,，可以借助熱等靜壓等后處理方式加以消除。

4.3 力學(xué)性能
鎳基高溫合金增材成形部件的性能與增材技術(shù)類型,、工藝參數(shù)、熱處理條件,、幾何型面和測試狀態(tài)等密切相關(guān),。一般而言，其力學(xué)性能介于同種材料鑄件和鍛件之間,。由于單晶渦輪葉片增材修復(fù)/制造的難度極大,，國內(nèi)外關(guān)于單晶成形部件性能的報道并不多，且基本以試驗件的性能評估為主,。

美國喬治亞理工學(xué)院的研究表明,，SLE單晶增材修復(fù)區(qū)的顯微硬度相比基材提高約10%[18, 112]。中國科學(xué)院金屬研究所采用DED-L修復(fù)DD32單晶合金,，經(jīng)標準熱處理后,，修復(fù)試樣在1 000 ℃/280 MPa條件下拉伸性能優(yōu)于鑄件[128]。德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究院采用改進的PBF-L設(shè)備在極高的預(yù)熱溫度下(＞1 000 ℃)實現(xiàn)了René N5單晶材料的René 142定向凝固組織修復(fù),，孔隙率小于0.2%,，凝固組織<001>方向外延生長晶向偏離度 < 7°，修復(fù)后在980 ℃下蠕變強度大于MAR-M-247LC定向凝固材料,。德國紐倫堡大學(xué)采用PBF-EB制備CMSX-4單晶棒,，熱處理后的低周疲勞和蠕變等力學(xué)性能接近甚至優(yōu)于同等條件的CMSX-4鑄件，當然這與增材成形單晶棒的截取測試位置有關(guān)[74, 75],。

上述結(jié)果表明,，單晶增材成形試樣的部分力學(xué)性能優(yōu)異,，但缺乏大量全面的力學(xué)性能考核數(shù)據(jù)，距離實現(xiàn)單晶渦輪葉片高能束修復(fù)工程化應(yīng)用的目標仍有不少挑戰(zhàn),。

4.4 高性能單晶增材成形的主要挑戰(zhàn)
高性能單晶增材修復(fù)的主要挑戰(zhàn)之一在于確定合適的工藝窗口,，兼顧柱晶定向生長(無雜晶)、無裂紋和致密成形(孔隙率低)3個條件,，從而確保獲得優(yōu)異的使用性能(見圖 21),。

圖 21 單晶修復(fù)工藝窗口

然而，這3個條件對應(yīng)的工藝調(diào)控方法往往相互矛盾,，致使增材工藝窗口較窄,。以DED-L單晶增材修復(fù)為例，一般認為較小的激光功率,、較大的掃描速度和較低的預(yù)熱溫度有利于促進單晶定向生長,。但如果激光功率太小、掃描速度太快則難以成形,，而基板過冷則會增大熱裂紋趨勢,。因此，需要綜合考慮增材工藝與雜晶/裂紋/孔隙的耦合關(guān)系,，在保持單晶定向生長和抑制成形缺陷之間尋找平衡點,。

高性能單晶增材修復(fù)的另一大挑戰(zhàn)在于設(shè)計熱處理制度，調(diào)控析出相形貌和尺寸,，恢復(fù)力學(xué)性能,。主要包含2個階段：一是在修復(fù)前對長期服役組織退化的葉片開展熱處理，二是在修復(fù)后對增材成形區(qū)域開展熱處理,。

修復(fù)前熱處理的難點在于：渦輪葉片具有復(fù)雜的氣膜冷卻結(jié)構(gòu),，葉片不同區(qū)域的服役環(huán)境(熱應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)離心力等)相差較大,，致使退化組織存在區(qū)域性差異,。課題組[129]在研究葉片長期服役微觀組織退化機制后，通過調(diào)整標準熱處理制度,，實現(xiàn)對球化,、筏化γ′相的部分恢復(fù)，但距離完全恢復(fù)退化組織至新葉片水平仍有不小差距(見圖 22),。

圖 22 服役渦輪葉片性恢復(fù)熱處理[129]

修復(fù)后熱處理的難點在于：由于增材制造過程引入較高的殘余應(yīng)力和大量位錯缺陷,，如果直接進行標準固溶熱處理工藝，γ′相完全溶解使得高密度位錯幾乎可以不受阻礙地運動,，很容易產(chǎn)生再結(jié)晶形核和晶粒長大,，破壞單晶的完整性[130]。因此,，有必要研究單晶增材成形再結(jié)晶的內(nèi)在機制和沉積區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)在熱處理過程中演化的規(guī)律,，進而提出抑制再結(jié)晶的熱處理工藝,，避免再結(jié)晶的同時降低沉積層的位錯密度、調(diào)節(jié)微觀組織,，提高修復(fù)后材料性能,。

5 國外單晶渦輪葉片再制造重大研究計劃
根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，航空發(fā)動機的維修費用可占到飛機總使用費用的8%,，其中50%的發(fā)動機維修費用為葉片維修費用,，尤其是核心機(高壓壓氣機、高壓渦輪)的葉片更換和再制造費用,。歐美發(fā)達國家早已認識到航空發(fā)動機再制造修復(fù)技術(shù)的重要意義和巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益,，美、德等國在軍用和民用噴氣發(fā)動機葉片部件修復(fù)技術(shù)的研究中投入巨額資金,，突破新材料,、新結(jié)構(gòu)的修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。其中,，多個航空發(fā)動機再制造重大研究計劃涉及單晶渦輪葉片,，可為國內(nèi)相關(guān)研究工作的開展提供借鑒和指導(dǎo)。

2003年,，歐盟開展了為期3年的AROSTAEC研究項目,，采用先進的葉片再制造技術(shù)，替代以手工打磨為主的修復(fù)技術(shù),，并致力于實現(xiàn)維修企業(yè)跨空間,、跨區(qū)域的合作；德國MTU等已經(jīng)掌握葉片部件修復(fù)的相關(guān)技術(shù),，認為葉片頂端磨損量在1~5 mm內(nèi)具有修復(fù)利用價值，采用激光熔覆結(jié)合自適應(yīng)磨削加工的修復(fù)方法,，葉片修復(fù)后的精度和性能非常好,；德國ALSTOM電力科技中心建立了定向凝固葉片修復(fù)的工藝生產(chǎn)線，修復(fù)ALSTOM GT26發(fā)動機葉片尖端,，熔覆層高度接近2 mm,，修復(fù)出來的零件接近最終要求的形狀，修復(fù)的葉片已通過發(fā)動機測試,，工作時間超過2 800 h,。

歐盟于2006—2010年啟動了FANTASIA計劃，全稱為“航空發(fā)動機復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的柔性,、近凈成形加工制造和維修技術(shù)計劃”,。研究對象是基于DED-L和PBF-L的風(fēng)扇/壓氣機/渦輪轉(zhuǎn)子部件先進制造與修復(fù)技術(shù)，目標是服務(wù)于羅·羅,、透博梅卡,、AVIO等企業(yè),，形成高質(zhì)量的先進制造與修理工藝和裝備，減少至少40%的航空發(fā)動機零件維修費用和周轉(zhuǎn)周期,。在該計劃中,，成功采用DED-L修復(fù)航空發(fā)動機ReneN5單晶材料導(dǎo)向葉片外環(huán)磨損問題，通過控制熱輸入和過程主動冷卻而實現(xiàn)單晶組織連續(xù)外延生長,，并抑制變形和微裂紋產(chǎn)生,；該項目同時運用PBF-L技術(shù)修復(fù)Mar-M-247合金導(dǎo)向葉片，采用高達1 150 ℃的預(yù)熱和熱等靜壓工藝可以有效避免表面和內(nèi)部裂紋,。

德國于2010年在弗朗霍夫創(chuàng)新中心框架下啟動了TurPro計劃[131](見圖 23),，全稱為“高能效燃氣渦輪發(fā)動機綜合制造技術(shù)”，針對航空發(fā)動機/燃機的壓氣機和渦輪葉片修復(fù)開展研究,，成員包括羅·羅,、MTU、西門子等單位,。其研究目標為：減少發(fā)動機維修,、修理和大修費用，發(fā)展激光增材制造高性能零部件,，提高潤滑系統(tǒng)和被動減震系統(tǒng)性能,；利用激光增材制造技術(shù)實施渦輪葉片葉邊和葉尖局部維修；結(jié)合初始設(shè)計和生產(chǎn),，研究利用激光增材制造技術(shù)直接替換損傷葉片,；研究利用激光增材制造技術(shù)直接制造葉片，尤其是在單晶葉片基體上制備復(fù)雜精細結(jié)構(gòu),。

圖 23 TurPro研究計劃[131]

德國科學(xué)基金會從2010年開始資助漢諾威萊布尼茨大學(xué)開展合作研究中心項目“復(fù)雜高價值部件維修技術(shù)”(CRC 871)研究,，重點對航空發(fā)動機渦輪葉片(2010—2014年)維修技術(shù)基礎(chǔ)和適應(yīng)性工藝開展探索性研究，發(fā)展了包括“檢查與狀態(tài)評估-修復(fù)過程模擬-修復(fù)后功能及壽命模擬-不同修理工藝評價”在內(nèi)的全套修理流程[132](見圖 24),。CRC 871項目共包含4個專題,，旨在形成渦輪葉片修復(fù)示范生產(chǎn)線。專題1：葉片檢查和狀態(tài)評估,，主要包括渦輪葉片無損檢測,、多尺度形貌測量、排氣溫度場分析,、燃燒室故障分析和故障件可靠拆卸等內(nèi)容,；專題2：修復(fù)工藝與修復(fù)后葉片性能關(guān)聯(lián)研究，主要包括靈巧修復(fù)單元,、復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)損傷特性,、近凈成形渦輪葉片修復(fù)工藝、隨機結(jié)構(gòu)分析、單晶葉片激光焊接,、鈦合金整體葉盤弧焊等內(nèi)容,；專題3：材料特性和修復(fù)后自適應(yīng)加工研究，主要包括修復(fù)后自適應(yīng)加工流程設(shè)計,、復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的快速測量,、修復(fù)引起的失調(diào)、葉片的氣動彈性,、裂紋擴展特性等,；專題4：修復(fù)過程的綜合控制研究，主要包括修復(fù)全流程系統(tǒng)建模,、修復(fù)后驗收標準,、葉片形態(tài)差異耦合分析、修理示范生產(chǎn)線驗證等,。

圖 24 “復(fù)雜高價值部件維修技術(shù)”研究計劃[132]

此外,，德國科學(xué)基金會還資助魯爾大學(xué)、紐倫堡大學(xué)和德國航空航天中心等多家單位開展“從原子到渦輪葉片：新一代單晶高溫合金科學(xué)基礎(chǔ)研究”(SFB/TR 103),，重點探索鎳基單晶合金“成分-工藝-組織-性能”各要素之間的關(guān)聯(lián),，涵蓋從原子層面的基礎(chǔ)材料理論到宏觀層面的渦輪葉片制造等一系列科學(xué)和工程問題。目前,，項目已進行至第三研究周期(2020—2023年),，預(yù)期將在鎳基單晶合金設(shè)計、創(chuàng)新工藝技術(shù),、高通量微觀結(jié)構(gòu)表征和多尺度材料建模等4個專業(yè)領(lǐng)域取得重大研究進展,。在單晶制造工藝方面，該計劃特別發(fā)展了基于PBF-EB的快速成形技術(shù),，驗證了單晶渦輪葉片增材制造的可行性,。下一步將繼續(xù)完善基礎(chǔ)凝固理論并優(yōu)化增材工藝策略，旨在實現(xiàn)定向性好,、無裂紋,、形狀復(fù)雜渦輪葉片的高性能增材制造。

目前,，國外羅·羅,、GE等企業(yè)已建立單晶渦輪葉片高能束增材修復(fù)生產(chǎn)線,，主要對葉尖損傷部位進行接長修復(fù),。但由于技術(shù)封鎖，相關(guān)修復(fù)工藝以及修復(fù)葉片質(zhì)量未見公開報道,。中國近年來也發(fā)布了一批航空發(fā)動機熱端部件再制造領(lǐng)域的重大研究計劃,，但迄今為止并未完全掌握以單晶渦輪葉片為代表的熱端部件修理能力。基于國外公開報道的重大研究計劃,，國內(nèi)發(fā)展單晶渦輪葉片修復(fù)有如下建議：

1) 加強基礎(chǔ)研究,，突破雜晶控制、修復(fù)區(qū)組織演化和元素偏析等關(guān)鍵科學(xué)問題,。

2) 完善加工體系,，建立涵蓋修復(fù)前、中,、后各階段的標準化的修復(fù)加工體系,。

3) 緊跟發(fā)展前沿，探索鎳基單晶乃至新一代鈦鋁單晶葉片增材制造工藝,。

6 展望

6.1 建立智能化單晶葉片修復(fù)加工體系
航空發(fā)動機單晶渦輪葉片服役損傷修復(fù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程,，包括損傷分析、可修復(fù)性評價,、剩余壽命評估,、綠色前處理、修復(fù)工藝實施,、性能恢復(fù)熱處理,、外形修整加工、質(zhì)量檢驗和性能考核等多個環(huán)節(jié),。目前對渦輪葉片的修復(fù)大量依賴一線工人經(jīng)驗,，通常是“一件一策”，沒有明確的技術(shù)體系和標準,，缺乏修復(fù)過程質(zhì)量監(jiān)控手段,，造成修復(fù)合格率相對較低，修復(fù)葉片大批量裝機使用存在困難,。為了提高修復(fù)工藝穩(wěn)定性和修復(fù)質(zhì)量,，需要研究建立全流程、分層級,、標準化的修復(fù)加工體系,，對各個修復(fù)環(huán)節(jié)的工藝策略和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行有效采集和積累；建立大數(shù)據(jù)支撐的工藝標準,，對葉片修理的各個環(huán)節(jié)提供可參考的數(shù)據(jù)支持,，將人工經(jīng)驗變?yōu)閿?shù)據(jù)而提高修復(fù)工藝可靠性和產(chǎn)品合格率；全過程監(jiān)控修復(fù)流程將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),，劃分邊緣端(終端)與云端的處理存儲結(jié)構(gòu),，進行邊緣端計算和云端計算的結(jié)合數(shù)據(jù)處理模式，建立快速決斷,、快速信息處理的反饋機制,，實現(xiàn)修復(fù)質(zhì)量可追溯可反查，形成葉片智能修復(fù)示范生產(chǎn)能力。

6.2 發(fā)展粉末床電子束單晶葉片直接制造技術(shù)
單晶葉片的制備主要采用籽晶法或選晶法,，鑄造工序復(fù)雜,、成品率相對不高。PBF-EB技術(shù)具有真空環(huán)境,、預(yù)熱溫度高和掃描速度快等優(yōu)勢,，在不需要籽晶的條件下，僅憑借晶粒競爭生長就能制備尺寸較大的單晶塊體,，是實現(xiàn)單晶葉片直接制造最具潛力的方式,。但目前PBF-EB熱穩(wěn)定控制難度很大，需要精準調(diào)控包括前預(yù)熱,、成形熔化和后保溫等3個階段的工藝策略,，才能避免熱裂紋、保持單晶的完整性,。因此,，需要探索快速非平衡凝固晶粒競爭生長和裂紋形成機制，指導(dǎo)工藝實踐,；開展增材專用合金粉末研究,，提高材料的熱震抗力、減少形核,，放大單晶成形工藝窗口,；發(fā)展復(fù)雜型面單晶葉片增材制造工藝，提出穩(wěn)定熔池?zé)崃�,、維持單晶取向的調(diào)控方法,；改進現(xiàn)有PBF-EB設(shè)備，開發(fā)粉床溫度監(jiān)控系統(tǒng),，提高成形過程的熱穩(wěn)定性,。

6.3 探索鈦鋁單晶葉片增材成形工藝
鎳基單晶渦輪葉片經(jīng)過三代發(fā)展，其承溫能力和力學(xué)性能幾乎被開發(fā)到極致,。鈦鋁(Ti-Al)合金作為耐高溫合金具有許多優(yōu)良的性能,，強度高、穩(wěn)定性好,，密度卻只有傳統(tǒng)鎳基合金的一半,，能提高20%的燃油效率。但該合金有兩大不足：一是室溫拉伸塑性低,，部件加工,、裝配都非常困難；二是高溫強度不足,，限制了其不能在更高的溫度范圍替代鎳基高溫合金,。開發(fā)Ti-Al單晶合金能有效克服這兩大難題，而且其獨特的片層狀晶體結(jié)構(gòu)非常適合用于以承受單向應(yīng)力為主的發(fā)動機渦輪葉片,�,；�于鎳基單晶合金增材成形的��(jīng)驗，理論上可以通過增材制造實現(xiàn)Ti-Al合金定向凝固片層取向控制,。但同時也存在較大的技術(shù)挑戰(zhàn),，因為片層組織取向不僅取決于凝固初始相的生長取向，還與后續(xù)包晶轉(zhuǎn)變和固態(tài)相變有關(guān),。因此,，探索Ti-Al單晶葉片增材制造工藝，突破初始凝固和固態(tài)相變2個階段的組織調(diào)控,，是未來航空發(fā)動機熱端部件特種加工的重點發(fā)展方向,。