中科院高能物理所等：原位劳厄衍射观测镍单晶在增材制造中的微观结构演变

来源：中子科学实验室

增材制造（AM），被认为是制造技术领域的革命性突破。制造过程中，金属粉末在高能激光或电子束的作用下瞬间熔化，在短时间内形成微尺度熔池，可实现高达~107 Km-1的温度梯度与~107 Ks-14的冷却速率。目前，在特定制造参数条件下，基于单晶基体外延生长特性，利用高能激光，已成功制备单晶镍基高温合金。然而，目前通过增材制造获得稳定的微观结构以提供可靠的力学性能仍是重大挑战，因此对增材制造过程中材料微观结构演变机理的研究成为关键。

中国科学院高能物理研究所、中国科学院大学、中国航发北京航空材料研究院等团队，利用原位实时X射线劳厄衍射，研究了第二代镍基单晶高温合金CSMX-4在激光重熔过程中的微观结构演变，观测到熔池中晶体旋转以及杂晶（SG）形成的瞬态行为。结合热机械耦合有限元方法和分子动力学模拟，讨论了增材制造过程中局部加热异质性引起的材料变形梯度对晶体旋转的影响以及熔池底部杂晶的潜在来源。该工作以《In situ observation of crystal rotation in Ni-based superalloy during additive manufacturing process》为题发表于《Nature communications》期刊。该工作解决了传统手段无法原位表征增材制造的过程与微观结构，深入了晶体旋转和杂晶形成机制的理解，从而有助于优化增材制造方法，3D打印出拥有优异性能的单晶产品。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38727-8

激光重熔与原位表征系统
实验装置包括一块厚度为0.8毫米的镍基单晶高温合金基板，一个选择性激光熔化系统（SLM）和一个原位劳厄衍射实验系统。为表征基体材料初始与最终状态，使用光镜（OM）与EBSD进行表征。最终样品的OM图像（图1b）显示由熔池边界衍生出的外延晶粒拥有典型柱状晶特征，其拥有高密度的亚晶界。对比样品初始与最终状态的EBSD图像（图1c）显示沿枝晶生长方向存在明显的晶体学取向转变，初始状态与最终状态之间存在~1.9°的取向差。

图1 镍基单晶高温合金在激光重熔过程中的微观机构表征

激光重熔过程原位劳厄衍射表征
劳厄衍射技术可以实现超快时间原位分辨，因而可用于研究增材制造、动态加载等不可逆过程中材料的微观结构和组织演化规律，成为增材制造过程机理研究的重要工具。本研究利用原位劳厄衍射技术。作者利用超快X射线劳厄衍射对单晶样品在激光重熔过程中熔池的微观缺陷和组织的瞬态（毫秒级）演变。通过计算劳厄衍射斑点峰位与峰展宽，定量分析了材料在熔融与凝固过程中晶体旋转与位错演变等机理。

图2c中衍射斑点的重新出现，表示250 ms为凝固临界起点，并且发现枝晶的取向与基体相似，表示外延生长枝晶延续了基体的取向。图2d表示在光斑照射区域外延生长的终点，因为在后续表征时间内，衍射强度保持稳定，然而仍有零星衍射强度较低的衍射斑点出现（图2e），表示在该阶段有部分尺寸较小的杂晶析出。因此，可以认为在凝固过程中发生了外延生长晶粒向杂晶的转变。

图2 激光重熔过程中原位劳厄衍射图像

通过分析劳厄衍射斑实验数据，定量提取衍射角位移和衍射峰展宽（FWHM）随时间的变化。其中，图3a表示，重熔过程中摇摆曲线峰位变化，四个晶面首先沿Y轴逆时针旋转，再顺时针旋转。当250ms时，激光停止工作，熔池开始凝固，枝晶开始生长。此时，枝晶外延生长方向与初始基底之间的取向偏差急剧上升至~2.5°，然后非常缓慢地衰减至1.5°-1.9°。图3b，d表示χ与2θ方向上衍射斑点的FWHM随时间的变化。可以发现，在激光加热第一、二阶段，半高宽同时增加，在250ms后，即凝固阶段，开始降低，最终外延枝晶的半高宽大于初始基底。

图3 激光重熔过程中衍射峰的动态演化过程

晶体旋转和杂晶形成机理

l 晶体旋转机理
通过建立热机械耦合有限元模型，成功复现了在激光加热第一、二阶段中晶面的旋转与反转（图4e）以及在凝固、冷却过程中，晶面旋转的演化（图5b），该结果表明由于局部加热不均匀引起的变形梯度场是主导晶体旋转的机制。

通过分子动力学模拟，发现熔池不同位置的[001]晶面存在取向偏差（图5d），该偏差与温度场的分布趋势一致，因此表明外延枝晶与基体的取向差主要由于最大温度梯度决定。

图4 激光加热第一、二阶段中晶格旋转的热机械耦合有限元仿真结果

图5 凝固过程中晶格旋转的热机械耦合有限元仿真结果

杂晶形成机理
根据分子动力学模拟结果，以及衍射半高宽分析，可以认为增材制造过程中，杂晶形成机理如下：在凝固的初始状态下，可能由于杂质元素偏聚或激光扫描时局部加热/冷却异质性，外延晶粒周围有密集的位错分布。高密度位错作为优先形核点，导致形核率迅速增加和局部过冷。因此，细小晶粒在形核点迅速累积。同时，由于各种缺陷和各向异性的温度场，晶粒周围存在着复杂的各向异性的应力场。在位错和各向异性应力场的共同作用下，细小的亚晶粒从外延晶粒中捕获位错，并在释放应力的同时进行旋转，最后生长成拥有不同形貌与取向的杂晶。

图6 凝固过程中缺陷演化的分子动力学仿真

单晶增材制造
根据上述机理研究，作者提出以下在制备单晶中增材制造工艺的可能优化：

1. 通过降低位错的引入以及保持较低水平的过冷度，从而抑制杂晶的生成。

2. 通过降低变形梯度以及保持适当温度梯度，例如使用平顶光束、层间反向扫描策略，从而抑制晶体旋转。