学术动态 | 林鑫教授团队《Addit. Manuf.》发表研究成果：凝固界面形貌驱动的激光粉末床熔融单晶外延失稳

激光粉末床熔融（L-PBF）具有高温度梯度、微小熔池等典型凝固特征，有利于晶体定向外延生长与局部微观组织调控，在单晶高温合金直接成形方面展现出重要潜力。然而，在复杂动态凝固条件下其凝固界面形貌持续高动态演化，易引发杂晶形成、杂晶跨层生长及晶体取向偏差累积，严重制约单晶外延生长的稳定性。近日，西北工业大学林鑫教授团队揭示了凝固界面形貌驱动的单晶外延失稳机制，厘清了凝固界面倾角与杂晶形成、杂晶跨层生长及晶体取向偏差累积之间的内在关联，并提出了适配单晶强稳定外延生长的调控策略，为L-PBF单晶高温合金的稳定外延生长与组织设计提供了新的理论依据和技术路径。相关研究成果以“Instability in Single-Crystal Epitaxy during Laser Powder Bed Fusion Driven by Solidification Interface Morphology”为题，在国际增材制造领域权威期刊《Additive Manufacturing》上发表。论文通讯单位为西北工业大学凝固技术全国重点实验室，通讯作者为林鑫教授、赵宇凡教授，第一作者为彭逸琦博士。

单晶高温合金凭借优异的高温力学性能和组织稳定性，是航空发动机等先进动力装备关键热端部件实现高性能与长寿命服役的重要材料。激光粉末床熔融（L-PBF）具有高温度梯度、微小熔池及快速凝固等典型特征，有利于晶体定向外延生长和局部微观组织定点控制，为实现高温合金单晶复杂构件高自由度一体化成形提供了重要潜力。

然而，L-PBF熔池内部凝固条件具有显著的时空动态特性，凝固界面形貌持续演化并与晶体生长方向发生复杂耦合，使单晶外延生长难以维持稳定状态，易诱发杂晶形成、杂晶跨层生长及晶体取向偏差累积等外延失稳现象，严重制约了L-PBF单晶高温合金成形，是实现单晶高温合金高质量、可控化增材制造亟待突破的关键瓶颈。

研究团队揭示了凝固界面形貌驱动的单晶外延失稳机制，发现凝固界面相对于晶体外延生长方向的界面倾角，是决定单晶外延稳定性的关键因素。研究表明，杂晶形成受凝固方向性（熔池外轮廓界面倾角决定）与凝固参数标量（温度梯度与凝固速率大小）之间的竞争控制：浅熔池凝固参数分布较为集中，杂晶主要形成于凝固方向与外延生长方向偏差角大的区域，而深熔池凝固方向较一致，杂晶主要形成于低温度梯度区域；同时，熔池底部界面倾角决定杂晶与外延枝晶在跨层生长过程之间的竞争生长关系，使杂晶表现为跨层生长或被截断。进一步研究发现，熔池拖尾界面倾角会诱发道间搭接区域的晶体水平取向偏转，并在逐层外延过程中持续累积，最终形成沿构建方向发展的纵向晶界。

上述研究将杂晶形核、杂晶跨层演化与取向偏转累积统一于凝固界面形貌调控这一核心机制，突破了仅从凝固参数标量解释凝固组织演化的常规认识，以凝固界面形貌为切入点，揭示了高动态凝固过程中热流矢量对局域微观组织演化及宏观单晶外延稳定性的影响机制，为实现L-PBF单晶高温合金外延生长的稳定控制提供了理论基础。

研究突破了传统以凝固参数标量表征和解释局部微观组织演化的认识范式，揭示了激光增材制造高动态凝固条件下凝固方向性与界面形貌对单晶外延稳定性的主导作用，建立了宏观单晶外延失稳现象与凝固界面驱动局部组织演化之间的内在联系，阐明了界面形貌驱动的杂晶形成、杂晶跨层竞争生长及晶体取向偏转累积三类典型单晶失稳行为的作用机制。据此，进一步提出面向稳定单晶外延生长的界面形貌主动调控策略，实现了由控制工艺参数向调控凝固界面的方法转变，为L-PBF无籽晶单晶高温合金的稳定成形及复杂单晶构件制造提供了新的理论基础和技术路径。

林鑫，西北工业大学教授/博导，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，担任“增材制造与激光制造”国家重点专项专家组副组长，全国增材制造标准化技术委员会委员，中国机械工程学会增材制造技术分会副主任，中国金属学会增材制造分会副主任，中国材料研究学会增材制造材料专业委员会副主任，中国有色金属学会增材制造技术专业委员会副主任等。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，授权发明专利70余项，制定国家标准20余项，合作出版专著/编著6部。在Acta Mater.、Addit. Manuf.、Adv. Sci.、Nat. Commun.等国际高水平期刊发表论文600余篇，他引20000余次。曾任Addit. Manuf.副主编，现任Adv. Light Mater.和Smart Manuf.副主编。近五年连续入选Elsevier中国高被引学者名单、斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。在SciVal的Top Authors中，在增材制造与腐蚀学科领域近三年、近五年、近十年皆排名第一，在激光增材制造细分领域近三年排名全球第一、高温合金增材制造细分领域近十年排名全球第一。

赵宇凡，西北工业大学教授、博士生导师。国家级青年人才、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。于Adv. Sci.、Addit. Manuf.、J. Mater. Sci. Technol.等本领域高水平期刊发表论文50余篇，授权国家发明专利10余项。

图文 | 彭逸琦

编辑 | 冯芳

责编 | 何峰

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