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西安交通大學陳凱教授團隊：激光增材制造單晶鎳基高溫合金在磨損過程中的組織演變及其對耐磨性的影響

2025-03-19 15:30:13 作者：陳凱教授團隊來源：材料科學和技術分享至：

第一作者：任晨宇，陳凱，梁靜靜

通訊作者：陳凱，梁靜靜，李金國

通訊單位：西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室，中國科學院金屬研究所

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.048

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作者利用增材制造技術制備出具有單晶結構的鎳基高溫合金樣品，研究其磨損性能并與傳統鑄造方法制備的同牌號單晶合金樣品進行了對比。結果顯示增材制造樣品具有更加優異的耐磨性能，摩擦系數相比傳統鑄造合金降低了約20%，磨損率相比傳統鑄造樣品降低74.7%。通過對磨損組織的詳細表征與比對研究，發現增材制造單晶合金優異耐磨性能來源于其更加細小的γ?強化相和更高的位錯密度所帶來的高硬度。該工作為增材制造技術在榫頭修復與提性延壽領域的應用提供了實驗基礎與理論支撐。

背景介紹

鎳基高溫合金憑借優異的高溫力學性能，被廣泛應用于飛機發動機渦輪葉片的制備。然而，由于服役環境嚴苛，位于葉片與渦輪葉盤連接處的榫頭易在接觸位置發生磨損，影響葉片服役壽命。據統計，由榫頭磨損導致的發動機失效占航空發動機失效的17%。如果將榫頭磨損的葉片全部進行替換，將帶來嚴重的材料浪費與經濟負擔；因此，發展渦輪葉片榫頭的修復技術以恢復甚至提高其耐磨性能具有重大的經濟價值和工程意義。近年來發展起來的增材制造技術在單晶葉片的制造與修復領域展現了廣闊的應用前景，利用增材制造方法制備的金屬材料，其強度和韌性能夠匹配甚至優于傳統鑄造材料。然而，對于增材制造的單晶鎳基高溫合金，其耐磨性能相較于傳統鑄造合金到底孰優孰劣，目前仍存在較大爭議，而且很少有文獻關注增材制造單晶鎳基高溫合金在摩擦磨損過程中微觀組織結構的演化和塑性變形的機理。

本文亮點

針對單晶鎳基高溫合金榫頭磨損帶來的巨大損耗，提出并驗證了增材制造技術對受損榫頭修復的可行性，證明了增材制造單晶合金相比于傳統鑄造樣單晶合金具有更優異的耐磨性能。結合多種先進表征手段，研究了其磨損過程中的組織形貌、晶體取向、元素與缺陷分布、原子排布等變化，證明其優異的耐磨性能來源于增材制造單晶合金所具有的更高的硬度、更高的位錯密度和細化的γ?強化相。

圖文解析

本研究采用激光定向能量沉積技術制備增材制造單晶鎳基高溫合金試樣，設備示意圖如圖1(a)所示。成功制得具有良好單晶結構的高溫合金樣品，其枝晶微觀組織的光鏡照片和晶體取向分布的EBSD表征結果如圖1(b-c)。

圖1. (a) 激光增材制造過程示意圖，增材制造樣品的(b) 光鏡圖和(c) EBSD表征圖

分別對增材制造單晶合金和傳統鑄造合金進行銷盤旋轉對磨實驗。結果顯示增材制造樣品的磨痕深度與寬度均小于傳統鑄造樣品（圖2(a, b)），經統計增材制造樣品的磨損率為0.94 mm³ N^-1 m^-1，相比傳統鑄造樣品（3.71 mm³ N^-1 m^-1）降低74.7%。由于在磨損過程中，粗糙峰會最先接觸并發生磨損，因此研究粗糙峰對理解組織演化至關重要。為進一步了解磨損過程中的組織演化，作者對磨損組織進行提樣與表征，圖2(c)顯示了粗糙峰區域的提樣示意圖。

圖2. (a) 傳統鑄造與(b) 增材制造樣品磨痕橫截面和三維形貌圖，

相比于傳統鑄造樣品粗糙峰表面發生了多晶化，增材制造樣品的粗糙峰處形成了獨特的梯度結構。圖3全面的展示了增材制造合金樣品的未磨損處、磨痕處和粗糙峰處三個區域的微觀組織結構。未磨損的增材制造組織整體保持了單晶結構（圖3(a)）。磨痕處（圖3(b)）組織在距離表面約百納米區域發生了取向偏轉，在該層下方仍保持了良好的單晶結構。在粗糙峰區域的梯度組織中（圖3(c1-c4)），沿著<001>方向其組織從單晶演變到多晶，且越靠近表面組織越細化，最頂層形成了約2 μm的納米晶層。

圖3. 增材制造樣品在 (a) 未磨損、(b) 磨痕區域、(c) 粗糙峰區域的明場像及SAED圖；(b1-b2)與(c1-c4)分別為(b)、(c)圖中距離表面不同距離組織的SAED圖與明場像

結合高分辨透射電鏡的表征，在增材制造樣品粗糙峰區域的多晶區域（距表面2-5.5 μm）觀察到大量位錯（圖4(a)與(a1)），這會促進高角晶界產生并導致組織多晶化（圖4(b)與(b1)）。隨著粗糙峰表面微觀組織中晶界和位錯密度的增加，氧原子的擴散和氧化反應被激活。XPS結果顯示磨損表面大部分元素發生了氧化（圖3(c)），在距粗糙峰表面<2 μm的區域中檢測到了鎳的氧化物（圖4(d, e)）。

圖4. (a, b) 增材制造樣品粗糙峰中距表層2-5.5 μm區域組織的高分辨圖與對應區域的IFFT圖，(c) 磨損表面不同元素的XPS譜，(d) 距表層<2 μm區域明場像與(e) 對應區域的EDS圖

納米壓痕測試結果顯示，增材制造樣品的硬度相比于傳統鑄造樣品提高了24%。經分析，增材制造樣品的硬化一部分來源于增材制造樣品中較高的位錯密度（圖5(a, b)），另一部分來源于較小的γ?強化相尺寸（圖5(c)）。根據 Archard’s law可知，材料的硬度與磨損體積成反比，由此可知增材制造樣品的磨損率相比傳統鑄造樣品更低。

圖5. (a) 傳統鑄造與(b) 增材制造樣品的初始位錯密度，

上述結果表明，增材制造樣品在摩擦磨損過程中形成的粗糙峰組織具有獨特的梯度納米結構，其演化示意圖總結如圖6所示。該梯度結構以額外的細晶強化、第二相強化和應變硬化方式進一步提升了增材制造樣品的耐磨性能。

圖6. 增材制造樣品中磨損引發的粗糙峰處組織演變示意圖

總結與展望

綜上所述，本研究利用激光定向能量沉積增材制造方法成功制備了取向控制良好、冶金缺陷密度低的SRR99單晶鎳基高溫合金，探究了相同對磨條件下增材制造與傳統鑄造單晶合金組織演化的微觀機制，揭示了增材制造合金優異耐磨性能的結構根源，建立了單晶合金組織演變與耐磨性能之間的關系，為增材制造技術應用于單晶渦輪葉片榫頭的修復提供了有力支撐。

作者介紹

陳凱

西安交通大學教授

西安交通大學陳凱教授團隊長期從事同步輻射微束衍射技術的軟硬件開發，并利用該先進表征方法實現結構功能一體化材料的應力與微觀組織調控及性能優化（研究領域及方向詳見下圖）。陳凱教授2012年入選國家級青年人才，2013年起擔任國家級大科學裝置上海同步輻射光源專家組成員，2024年起擔任陜西省材料及熱處理學會理事長，曾主持國家自然科學基金、兩機專項課題，并在Science、Advanced Materials等國際知名雜志發表SCI論文80余篇。

聯系方式：kchenlbl@gmail.com

引用本文

Chenyu Ren, Kai Chen, Jingjing Liang, R. Lakshmi Narayan, Upadrasta Ramamurty, Jinguo Li, Microstructural evolution and its influence on the wear resistance of a laser directed energy deposited Ni-based single crystal superalloy, J. Mater. Sci. Technol. 205 (2025) 127-138.

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