采用電子束選區熔化（EBSM）工藝，通過精細的工藝控製，實現了選晶法製備不同尺寸IN738合金單晶體(ti) ，其中14 mm×14 mm×95 mm樣塊為(wei) 當前增材製造選晶法製備的最大尺寸單晶體(ti) 。所製備單晶體(ti) 的枝晶寬度約為(wei) 15 μm，遠小於(yu) 鑄造工藝製備單晶體(ti) 。15度以上大角度晶界的選晶高度約為(wei) 7.5 mm，2度以下小角度晶界的選晶高度約為(wei) 7.5 mm。

鎳基高溫合金單晶是航空發動機渦輪葉片的關(guan) 鍵材料，傳(chuan) 統製備工藝是鑄造，需要通過螺旋選晶法或者籽晶法製備。螺旋選晶法在螺旋選晶段完成選晶過程，所選出的單晶與(yu) 001方向存在夾角，籽晶法需要在單晶種子基礎上生長，長出的單晶與(yu) 單晶種子取向一致。近年來，為(wei) 實現短周期、結構複雜、降低成本等目標，采用增材製造製備難焊鎳基高溫合金成為(wei) 熱點。直接能量沉積工藝(DED)基於(yu) 單晶葉片修複的背景，最先實現增材製造單晶層的修複。DED製備單晶理論和籽晶法類似，需要依賴單晶基板，並在單晶基板上外延生長單晶體(ti) ，用於(yu) 製備小尺寸單晶修複層。通過選晶法不依賴單晶種子增材製造單晶是當前的難點，有望實現單晶零件的增材製造直接製備。

本文利用電子束選區熔化工藝，在不鏽鋼基板上增材製造製備當前最大尺寸IN738合金單晶體(ti) 。

如圖1a所示，成形采用蛇行掃描的方式，完成上一層後，下一層掃描方向旋轉90度。EBSM製備單晶過程如圖1b-g所示。從(cong) 圖1b-g中可以看出，在特定的掃描速度區間，15 mm（S1）、20 mm（S2）兩(liang) 個(ge) 試樣寬度的單晶製備效果均較好。當掃描速度大於(yu) 或小於(yu) 特定區間，成形單晶效果均不佳。在S1樣品中，單晶棒的寬度為(wei) 11 mm，在S2樣品中單晶棒的寬度14 mm，邊緣和外部區域為(wei) 雜晶。

圖1 成形掃描策略與(yu) EBSM製備IN738合金單晶組織表征: (a) 掃描策略; (b) S1, v=3 m/s; (c) S1,v=2 m/s; (d) S1, v =1 m/s; (e) S1, v= 0.6 m/s; (f) S2, v=0.8 m/s; (g) S2, v=0.7 m/s

綜上可知，EBSM製備IN738合金單晶組織的關(guan) 鍵參數是掃描速度，且單晶生長的工藝窗口很窄，這是因為(wei) 改變參數，熔池溫度梯度的方向隨之改變。溫度梯度和凝固速度的大小和方向僅(jin) 在特定工藝窗口內(nei) 促進單晶生長。

為(wei) 確認EBSM製備IN738合金單晶結構，在圖1f的兩(liang) 個(ge) 標識區域進行了EBSD觀察。區域1中的單晶組織如圖2所示。圖2a-c清析地顯示了單晶的存在。圖2d中顯示的球坐標投影進一步證實了單晶的存在。區域1的單晶寬度大於(yu) 14 mm。

圖2 單晶EBSD表征: (a) IPF-X, (b) IPF-Y, (c) IPF-Z, (d) 極圖

為(wei) 了解晶粒選擇的過程和機製，在多晶區和單晶區之間的過渡區2進行了EBSD測量，結果如圖3所示。從(cong) 圖3a-c可以看出，在試樣下部，柱狀晶粒較多，織構較強，而上部僅(jin) 存在單一晶粒。在由下部諸多柱狀晶粒向上部單晶過渡的過程中，存在晶粒取向的選擇。晶粒選擇的過程可以分為(wei) 幾個(ge) 階段。首先，在最初的幾層中，多晶不鏽鋼底板上各種取向的晶粒廣泛共存，外延生長的晶粒取向差較大；在沿成形方向的溫度梯度作用下，柱狀晶沿FCC金屬優(you) 勢生長方向[001]定向生長；進一步，這些柱狀晶開始在成形過程中競爭(zheng) 生長，隨著成形高度進一步增加，越來越多與(yu) 溫度方向不接近的晶粒因失去生長空間而被取代，直到最終單一晶粒被選擇出來。從(cong) 7.5 mm高度開始，取向偏差大於(yu) 15度的晶粒被優(you) 勢晶粒取代（圖3d），進一步，取向偏差大於(yu) 2度的晶粒在14.5 mm高度處被優(you) 勢晶粒取代（圖3e）。最後，[001]方向晶粒取代所有其他晶粒方向，在上部出現單晶。這一選晶過程是一個(ge) 動態的過程，存在於(yu) 成形全過程，而鑄造螺旋選晶隻在最初有選晶過程，之後不再對晶粒選擇。

圖3 區域2的EBSD表征: (a) IPF-X，(b) IPF-Y，(c) IPF-Z，(d) 15°晶界IPF-Z，(e) 2°晶界IPF-Z

鑄造單晶的枝晶寬度通常約為(wei) 200-400 μm。EBSM製備IN738合金單晶的枝晶組織表征如圖4所示。從(cong) 圖4a-b可以看出，通過實驗測量，一次枝晶臂間距（PDAS）為(wei) 15 μm左右。高倍率下的顯微結構圖像如圖4c-d所示，從(cong) 圖中可以清楚地觀察到析出相γ'和沿枝晶邊界析出的碳化物。γ'相析出比例較高，碳化物沿晶界排列。

圖4 枝晶組織表征: (a) 圖1e枝晶光鏡圖-15 μm，(b) 圖1h枝晶光鏡圖-15 μm，(c) 圖1e電鏡圖，(d) 圖1e高倍電鏡圖

通過對成形參數的控製，首次製備出15 mm、20 mm不同試樣寬度的IN738單晶體(ti) 。EBSM製備IN738合金單晶枝晶組織約為(wei) 15 μm，遠小於(yu) 鑄造IN738合金，組織偏析均勻，強化相析出比例高。但對於(yu) EBSM製備難焊鎳基高溫合金單晶的製備，當前還在試樣級別，需要進一步驗證選晶理論，成熟製備難焊鎳基高溫合金單晶組織，包括內(nei) 流道零件和複雜橫截麵零件，以達到增材製造難焊鎳基高溫合金單晶葉片的目的。