面向航空发动机热端叶片对高温性能的严苛需求，高温合金单晶制备已成为该领域的核心技术之一。然而，传统单晶制造技术存在复杂结构成形困难、制备周期长等瓶颈。激光增材制造技术为解决这些问题提供了新路径。
近期，西北工业大学林鑫教授团队，联合湖南大学、中国科学院金属研究所及日本岛根大学，在激光粉末床熔融（LPBF）制备大尺寸高温合金近单晶方面取得突破。研究通过精确调控激光能量分布，实现对凝固过程热流的高自由度控制，有效抑制熔池不稳定流动与杂晶形成，在无籽晶条件下（多晶基板上），成功制备出目前最大尺寸（10×10×40 mm³）的无裂纹IN738高温合金（难焊型）大块近单晶。该成果为激光增材制造高温合金单晶构件的直接制造奠定了重要基础。
相关研究工作以题为“Bulk single-crystal-like IN738 alloy fabricated using laser powder bed fusion by controlling the thermal flow”的研究论文，发表在Materials Research Letters期刊上。论文通讯单位为西北工业大学凝固技术全国重点实验室，通讯作者为西北工业大学凝固技术全国重点实验室林鑫教授、赵宇凡教授，第一作者为李翔宇博士。
论文链接：
https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2563357
文章导读：
高性能镍基高温合金（难焊型）被广泛应用于航空发动机和燃气轮机的热端叶片部件。其中，单晶结构能够消除高温蠕变和腐蚀的薄弱环节——晶界，从而显著提升部件在极端环境下的服役寿命。然而，基于籽晶与螺旋选晶的传统单晶制造方法存在良品率低、复杂结构成形难、周期长等问题。
近年来，激光增材制造被探索用于实现大尺寸块体单晶的直接成形。尽管激光增材制造易于获得沿建造方向具有强织构的柱状晶组织，但其在扫描方向上的晶粒取向控制仍存在困难，织构强度普遍不足。尤其对于水平幅面尺寸与高度均超过3毫米的大体积打印中，实现真正意义上的单晶或近单晶组织仍面临巨大挑战，目前尚未见成功的公开报道。
为应对上述挑战，研究团队创新引入空间光场调控作为新的参数维度，在高维工艺参数空间中探索并确定了适用于大块近单晶制备的工艺窗口。实验结果表明：采用整形光场后，试样中的大角度晶界比例由常规高斯光场下的70.98%降至29.81%，其中30°以上的大角度晶界占比更由43.65%显著降低至6.11%。通过圆形平顶光场与工艺参数的协同调控，实现了对凝固前沿热流矢量的精确控制，从而成功制备出无裂纹的大块近单晶组织。
总结：
研究通过优化LPBF工艺，面向水平幅面尺寸10mm、高度40mm的大尺寸试样，首次同步实现了沿建造方向与扫描方向的强<100>织构，且大角度晶界占比显著降低，总体占比29.81%，其中30°以上仅占6.11%，标志着在增材制造近单晶组织方面取得重要进展。目前团队已进一步消除20°以上大角度晶界，未来将持续优化工艺，推动该技术向更大尺寸、更复杂结构的单晶构件制备方向发展。
研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。
通讯作者简介：
林鑫 教授
西北工业大学教授，博士生导师，国家级领军人才，英国皇家学会牛顿学者。任西北工业大学教育实验学院院长，金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室主任，国家“增材制造与激光制造”重点研发计划项目专家副组长、首席科学家，国家新材料产业发展战略咨询委员会学术委员，中国热处理学会高能密度热处理技术委员会副主任等。2000年于西北工业大学获得工学博士学位，随后在香港理工大学从事博士后研究，后入职西北工业大学。长期开展金属增材制造专用材料设计、关键技术、软件与装备研发、重大工程应用方面的工作。近年来，团队先后承担国家重大科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家及省部级重大重点科研项目20 余项，在国际高水平期刊发表论文600余篇，他引17000余次，授权发明专利60余项，制定国家标准30余项。
赵宇凡 教授
西北工业大学教授、博士生导师，西北工业大学凝固技术全国重点实验室副主任，隶属金属增材制造与创新设计团队。国家级青年人才（QM）、秦创原引用高层次创新创业人才、西工大翱翔海外学者。担任中国有色金属学会增材制造技术专业委员会委员、机械工程学会增材制造技术分会青年委员、日本粉体粉末冶金协会3D打印技术委员会委员、JMST等3本SCI期刊青年编委。主要针对金属增材制造成形质量和组织控制所涉及的科学基础和技术提升关键问题开展研究。在理论分析和优化实验基础上，建立了针对增材制造原材料输送、熔化、凝固各环节的多尺度多物理场耦合数值模拟架构；发展了材料-载能束动态交互机制、非平衡近快速冶金行为、组织形成机理等科学基础。
学校主页