近日，中科院高能所多学科中心、高能同步辐射光源（HEPS）结构动力学线站团队，与中国航发北京航空材料研究院、中国工程物理研究院合作，依托北京同步辐射装置（BSRF）3W1线站开发了金属增材制造原位表征平台，开展了镍基单晶高温合金增材过程中晶体转向行为的研究。相关工作以“In situ observation of crystal rotation in Ni-based superalloy during additive manufacturing process”为题，发表于5月23日上线的《自然·通讯》杂志（Nature Communications (2023) 14: 2961）。
单晶高温合金相比多晶材料具有更好的高温强度、抗蠕变和抗疲劳性能，广泛应用于航空发动机及燃气轮机涡轮叶片等。增材制造技术不仅可以对单晶叶片进行修复，在单晶叶片的制造领域也展现出巨大的应用前景。金属增材制造过程是典型的超快、动态、非可逆过程，HEPS结构动力学线站建设团队基于BSRF开发了金属增材制造原位表征平台，利用时间分辨Laue衍射技术，动态捕捉到镍基单晶外延生长过程中的瞬态晶体转向和杂晶生长过程，解决了传统手段无法原位表征增材制造“中间过程、内部结构”的困难；并结合有限元模拟及分子动力学仿真，揭示了高斯光束不均匀加热所带来的局域变形、与晶体转向及杂晶形核之间的内在联系，为航空发动机单晶叶片激光增材制造及修复过程中晶体取向控制提供了重要理论依据。
此实验的开展也为在第四代同步辐射光源上建设结构动力学线站、开展超快X射线探测进行了技术储备和方法验证。结构动力学线站是HEPS特色线站之一，主要聚焦于增材制造、动态加载等不可逆过程的超快时间分辨原位、实时动态表征，研究先进材料从制造到服役全周期过程中的微观缺陷和组织演变规律，可将超快X射线探测的时间分辨率由目前的1ms提升到400ps，有望在金属增材制造及其他激光加工领域发挥出更大的应用价值。
中科院高能所博士研究生张东升、中国航发航材院刘伟高级工程师为论文的共同第一作者，中科院高能所张兵兵副研究员、陶冶研究员、中物院流体物理所陈森助理研究员为论文的共同通讯作者。上述工作得到了国家重点研发计划、高能同步辐射光源项目、中科院青促会以及国家自然科学基金委的支持。
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38727-8
图1，镍基单晶高温合金激光快速熔凝过程中的X射线Laue衍射时间序列图谱
图2，凝固阶段晶体转向机理的有限元模拟和分子动力学仿真结果
附件下载：
