鎳基單晶高溫合金因其在高溫下的優異性能而被用作航空發動機及燃氣輪機的葉片。然而，單晶葉片在高溫高壓及複雜燃燒室條件下可能產生各種形式的表面損傷。考慮單晶部件的高成本，因此非常需要開發有效的修復技術，其中雷射熔覆技術是一種可靠且有希望的選擇。
近年來通過雷射熔覆技術實現單晶組織外延生長的研究集中在某一固定晶面改變雷射掃描方向或選擇不同晶面使用某一掃描方向來進行。對於雷射修復表面損傷部件來說，可以在損傷部件上切割出不同的晶面。那麼提出了一個問題：在哪些傳統晶面上，以及沿著哪個掃描方向，雜晶形成能力最弱？這就需要系統研究在不同晶面上的雜晶形成能力（即CET，柱狀晶-等軸晶轉變）。
近期，西北工業大學物理科學與技術學院相變物理及新材料實驗室通過關鍵實驗與理論計算相結合的方式系統地研究了單晶高溫合金在不同晶面的雜晶形成能力，論文以題為「A comparable study on stray grain susceptibilities on different crystallographic planes in single crystal superalloys」發表於金屬材料領域國際頂刊《Acta Materialia》。論文第一作者為西工大郭嘉琛博士，通訊作者為西工大王楠教授。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116558
該項研究工作利用雷射重熔技術對(001)、(011)和(111)晶面上的雜晶形成能力進行了對比研究。對於每一個平面，在確定初始基體取向後，使用了不同的雷射掃描方向。研究確定了不同基體取向對雜晶形成能力的影響以及系統比較了三個傳統晶面上的雜晶形成敏感度。結果表明，基體取向對(011)面和(111)面上的雜晶形成有顯著影響，但對(001)面的影響較小；這三個晶面表現出不同的CET能力，對雜晶形成的抵抗能力以(111) < (001) < (011)的順序在增強；為避免單晶高溫合金雷射重熔或雷射修復過程中出現雜晶，選擇(011)晶面上的[01-1]雷射掃描方向是最佳選擇; 除了雷射功率、掃描速度和送粉速率之外，基體取向也將作為一個可調節的參數，可在加工過程中使用，以避免雜晶的形成。綜上，該研究系統地研究了單晶高溫合金在不同晶面的雜晶形成能力，並通過理論計算闡明了基體取向對於雜晶形成能力的潛在機制。
圖1 熔池示意圖，顯示分別在（a）（001）、（b）（011）和（c）（111）晶面上改變角度和法向之間的關係，以及擇優生長方向與x、y和z軸之間角度α、β和γ之間的關係。
圖2 在(011)晶面上熔池橫截面微觀組織形貌及相對應的EBSD試驗圖。(a) ξ(011)= 0°, (b) ξ(011) = 30°,(c) ξ(011) = 60°and (d) ξ(011) = 90°。
圖3 熔池內雜晶體積分數分布隨基體取向變化。(a) (001) 面；(b) (011) 面；(c) (111)面。
圖4 不同晶面內熔池雜晶平均體積分數分布隨掃描方向的變化關係。
圖5 等軸晶臨界產生條件隨基體取向變化之間關係圖。
近年來，該課題組專注於單晶高溫合金基體取向對雜晶形成能力的影響，相關研究工作還發表在《Acta Materialia》2015, 88: 283-292；《Acta Materialia》2016, 104：250-258；《Acta Materialia》2017, 126：302-312；《Journal of Alloys and Compounds》2019, 800：240-246等期刊上。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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