用平顶激光束通过选择性激光熔化制造纯镍单晶 _机械

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长三角G60激光联盟导读
本文报道了采用平顶光进行SLM制造纯Ni单晶合金的结果。
成果亮点：
使用SLM技术进行制造单晶结构；

采用平顶光且不使用单晶种子进行了实施；
参数优化的结果造成平面晶熔池的形成
均匀的近似-{001<100>织构在较高的制造高度下得到阿实现；
抑制应变的积累对避免高角度晶界的形成是非常必要的。
成果摘要：
研究了在纯镍中用选择性激光熔化(SLM)制作单晶(SX)结构时有关平顶激光轮廓的相关内容。参数的优化导致平面熔池的形成。在>20mm的高建筑高度中，在没有单晶晶种的情况下获得了具有抑制的大角度晶界(HAGB)的均匀近{001<100>织构。此外，平面熔体池抑制了几何上必需的位错积累，并防止了可能导致HAGB形成的应变诱发的连续动态再结晶。因此，在没有单晶晶种的情况下，成功地获得了具有均匀的近{001<100>织构和抑制的HAGB的单晶结构。

成果的Graphical abstract
背景介绍
随着诸如喷气发动机的高温部件的使用增加，对通过添加制造制造的镍基超合金部件的需求也增加了。最近的报告表明，镍基单晶(SX)高温合金可以通过电子束熔炼成功制造，而无需使用单晶晶种。有一些关于使用选择性激光熔化(SLM)制造镍基单晶高温合金的报道。 Chen等人通过使用建筑板证明了结构的制造可行性。在Sanchez-Mata等人的另一项研究中，演示了在直径为250微米的圆柱形样本内进行直径约为220微米的单晶制造，尽管没有说明建筑板或单晶晶种的信息。选择性激光熔化过程中由顶层快速加热、有限的热导率和下层较低的温度引起的陡热梯度，使得控制缺陷和晶界(GB)、织构均匀性和应变抑制变得非常困难。扫描策略的复杂调整或单晶晶种的使用经常需要精确的结构控制。重复的热机械循环在建成的SLM产品中诱发高应变和位错密度，导致动态再结晶(DRX)和新晶粒的形成。因此，通过热梯度和应变诱发因素控制SLM产品中的晶粒结构对于实现单晶结构是至关重要的。
先前关于选择性激光熔化中微结构和织构控制的大多数研究利用了高斯光束。高斯能量通量随着远离光束半径的中心而减小，导致从中心到边缘的熔池穿透深度不同。相反，平顶激光器的使用已经被证明可以产生具有柱状生长的强纹理。平顶轮廓均匀地吸收激光光斑区域上的激光能量，从而改善熔化粉末的结合并改变熔池的几何形状。目前还没有使用平顶光束和大角度晶界(HAGB)抑制对微结构形成过程进行详细研究的报道。该研究展示了在选择性激光熔化中使用平顶光束轮廓来制造纯Ni的单晶结构，而不使用单晶构建板。这将通过在选择性激光熔化工艺中应用各种激光原理，特别是为了实现单晶结构，对实现期望的微结构和相关特性所需的工艺提供新的见解。
材料和方法使用SLM 280 HL在氩气中进行选择性激光熔化制造。 SLM装置包括光束直径(db)分别为700微米和80微米的平顶激光器和高斯激光器。使用尺寸为76×81×5mm ，平均表面粗糙度为1.59μm的高纯度多晶镍板，对单个轨迹进行分析，以确定熔池的几何形状。该板未涂覆粉末层。用于产生轨迹的激光的功率(P)和扫描速度(v)分别在100-900W和100-1500mm/s之间变化。 0.71–10.42J/mm2中的每道能量长度密度谱由公式得到：
轨道1、2和3分别采用500–140、600–100和300–600的激光功率(W)和扫描速度(mm/s)组合制造。平顶光束用于轨道1和2 ，而高斯光束用于轨道3 。在垂直于扫描方向(SD)的构建方向(BD)-阴影方向(HD)平面上观察熔池的几何形状。因为对于纯金属来说，熔池边界几乎不明显，所以在本研究中，在单个熔融轨迹期间形成的熔池被认为是包含比整体更多拉长和粗化晶粒的区域。在BD-HD平面上，在中心点和距熔池边缘15%的熔池宽度处测量熔池深度。多层是基于观察到的熔池几何形状的P-v组合。影线间距(h)设置在70和200微米之间，而层厚保持在30μm 。使用等式获得多层(EM)的能量密度范围为16.32–61.16J/mm3 。

用平顶激光束通过选择性激光熔化制造纯镍单晶

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