單晶高溫合金相比多晶材料具有更好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和抗疲勞性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片等。增材制造技術(shù)不僅可以對單晶葉片進(jìn)行修復(fù)，在單晶葉片的制造領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。金屬增材制造過程是典型的超快、動態(tài)、非可逆過程，HEPS結(jié)構(gòu)動力學(xué)線站建設(shè)團(tuán)隊(duì)基于BSRF開發(fā)了金屬增材制造原位表征平臺，利用時間分辨Laue衍射技術(shù)，動態(tài)捕捉到鎳基單晶外延生長過程中的瞬態(tài)晶體轉(zhuǎn)向和雜晶生長過程，解決了傳統(tǒng)手段無法原位表征增材制造“中間過程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)”的困難;并結(jié)合有限元模擬及分子動力學(xué)仿真，揭示了高斯光束不均勻加熱所帶來的局域變形、與晶體轉(zhuǎn)向及雜晶形核之間的內(nèi)在聯(lián)系，為航空發(fā)動機(jī)單晶葉片激光增材制造及修復(fù)過程中晶體取向控制提供了重要理論依據(jù)。
此實(shí)驗(yàn)的開展也為在第四代同步輻射光源上建設(shè)結(jié)構(gòu)動力學(xué)線站、開展超快X射線探測進(jìn)行了技術(shù)儲備和方法驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)動力學(xué)線站是HEPS特色線站之一，主要聚焦于增材制造、動態(tài)加載等不可逆過程的超快時間分辨原位、實(shí)時動態(tài)表征，研究先進(jìn)材料從制造到服役全周期過程中的微觀缺陷和組織演變規(guī)律，可將超快X射線探測的時間分辨率由目前的1ms提升到400ps，有望在金屬增材制造及其他激光加工領(lǐng)域發(fā)揮出更大的應(yīng)用價值。
中科院高能所博士研究生張東升、中國航發(fā)航材院劉偉高級工程師為論文的共同第一作者，中科院高能所張兵兵副研究員、陶冶研究員、中物院流體物理所陳森助理研究員為論文的共同通訊作者。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、高能同步輻射光源項(xiàng)目、中科院青促會以及國家自然科學(xué)基金委的支持。
圖1，鎳基單晶高溫合金激光快速熔凝過程中的X射線Laue衍射時間序列圖譜
圖2，凝固階段晶體轉(zhuǎn)向機(jī)理的有限元模擬和分子動力學(xué)仿真結(jié)果
