《Acta Materialia》：金屬增材制造參數(shù)優(yōu)化和性能提升的全新解決策略

來源:江蘇激光聯(lián)盟

現(xiàn)有的激光增材制造的工藝參數(shù)優(yōu)化比較費時和費錢，一種基于機器學(xué)習(xí)的參數(shù)優(yōu)化策略，不僅使得工藝參數(shù)的窗口擴大得到前所未有的的程度，同時還獲得了優(yōu)異的高強度和高韌性的綜合性能。這一研究成果發(fā)表在近期出版的頂刊《Acta Materialia》上。

在本研究中，來自新南威爾士大學(xué)的研究人員發(fā)展了一種基于高斯過程回歸的（ Gaussian process regression）機器學(xué)習(xí)策略來識別和優(yōu)化激光粉末床金屬打印（SLM）過程中的參數(shù)優(yōu)化。使用這一參數(shù)優(yōu)化策略，研究人員找到了一個新的參數(shù)優(yōu)化辦法和具有巨大的參數(shù)優(yōu)化空間，比以前的參數(shù)優(yōu)化策略要好得多且獲得了完全致密的AlSi10Mg 樣品（其相對密度為 ≥ 99%）。新優(yōu)化的激光加工參數(shù)（例如：激光功率和掃描速度）可以獲得以前所不能得到的高強度和高韌性的組合。結(jié)果表明，盡管 AlSi10Mg樣品呈現(xiàn)出相類似的Al-Si 共晶顯微組織（例如，胞狀的顯微結(jié)構(gòu)比較細(xì)小和晶粒比較粗大），他們在機械性能上呈現(xiàn)出巨大的差異，如顯微硬度為 (118 - 137 HV 10), 極限拉伸強度為 (297 - 389 MPa), 斷裂時的延伸率為 (6.3 - 10.3%), 斷裂強度為 (9.9 - 12.7 kJ/m2)等。其背后的原因歸因于不易察覺的細(xì)微的顯微組織的差別，這一差別進(jìn)一步的采用兩個新定義的基于掃描電鏡圖像所得到的幾個關(guān)鍵的顯微組織特征為基礎(chǔ)的形貌指數(shù)（即空間尺度指數(shù) Id 和形狀指數(shù) Is）進(jìn)行了揭示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了顯微組織的變化之外，SLM制造AlSi10Mg之后得到的亞晶胞的尺寸和胞邊界的形貌強烈的影響到材料的機械性能。本研究中所建立的這一辦法可以非常容易的應(yīng)用到SLM工藝過程中來優(yōu)化參數(shù)和機械性能，同時還可以廣泛的應(yīng)用到金屬和合金中或新設(shè)計的材料中。

△論文的 Graphical abstracts

隨著金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用范圍的日益增長和其重要性的不斷增加，尤其是激光金屬粉末床打�。⊿LM）技術(shù)的應(yīng)用，在科學(xué)界和工業(yè)界得到了廣泛的關(guān)注，而關(guān)于如何識別金屬增材過程中的的工藝參數(shù)的優(yōu)化窗口在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的提升成為成為一個新的熱點。由于SLM制造過程中復(fù)雜的物理過程和化學(xué)反應(yīng)，以及金屬增材制造過程中存在的不同金屬和合金的顯微組織——性能之間的關(guān)系，識別和優(yōu)化SLM過程中的參數(shù)優(yōu)化在過去主要依靠一個費時費錢的試錯過程和大量的檢測分析實驗過程來完成。一些比較理性的SLM制造過程中的參數(shù)優(yōu)化辦法已經(jīng)有人提出來了，包括經(jīng)驗激光能量密度的估計，熔池結(jié)構(gòu)分析和高可靠性的數(shù)值模擬技術(shù)等。優(yōu)化SLM制造過程的參數(shù)，就有可能獲得高品質(zhì)質(zhì)量的部件（即完全致密和無裂紋的產(chǎn)品），這已經(jīng)在包括Al，Ti，Ni基合金，鋼鐵材料以及金屬基復(fù)合材料，金屬玻璃，形狀記憶合金和高熵合金中得以實現(xiàn)。然而，其參數(shù)優(yōu)化過程依然存在較大的問題和面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)一個金屬或合金被用來設(shè)計成或要適用于SLM打印的時候。更為重要的是，當(dāng)前的參數(shù)優(yōu)化只是給出了一些有限的特定的設(shè)置和伴隨著一些特定的材料性能進(jìn)行了設(shè)計，而不是徹底的發(fā)揮出整個高致密度工藝參數(shù)的窗口，這一參數(shù)窗口也許會揭示出特定合金和金屬的一個寬廣范圍內(nèi)的理想性質(zhì)。這一缺乏魯棒性的參數(shù)優(yōu)化過程在當(dāng)前成為進(jìn)一步的發(fā)展SLM技術(shù)的一大障礙和發(fā)展具有特定用途和性能的材料設(shè)計的一大阻礙。最近，機械學(xué)習(xí)發(fā)展起來，成為SLM過程中優(yōu)化參數(shù)的一個新的手段。例如，Kamath & Fan提出的基于高斯過程回歸（Gaussian process regression (GPR) ）競爭模型來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，同傳統(tǒng)的辦法如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機器相比較，可以利用小的數(shù)據(jù)設(shè)置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。而且，Tapia 等人使用GPR預(yù)測單道熔池的深度和使用小范圍的輸入?yún)��?shù) (即：10 W 的激光功率范圍和 125 mm/s 掃描速度)來預(yù)測部件的密度，由此顯示出這一技術(shù)作為一種成本有效的辦法來解決SLM過程中的參數(shù)優(yōu)化問題。

圖1 圖像處理過程的展示

▲圖解：原始的SEM照片首先轉(zhuǎn)換成二元圖像。胞內(nèi)的點均移除（紅色的圓圈區(qū)域）和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中小的斷點則固定（紅色的矩形區(qū)域）。每一個閉環(huán)的黑色胞被處理成為分析的單元區(qū)域

除了密度之外，SLM的工藝參數(shù)優(yōu)化同時需要考慮關(guān)鍵準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)的機械性能，如拉伸性能，斷裂的韌性，疲勞抗力等。廣泛的研究觀察到同一合金和金屬在采用不同的工藝參數(shù)進(jìn)行制造，制造的密度 (> 99%)均達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)時，其機械性能呈現(xiàn)出顯著不同的區(qū)別。例如，LSM制造的AlSi10Mg p合金部件，在相對密度> 99%的時候，其極限拉伸強度會從168 到 455 MPa之間進(jìn)行變化。其背后的原因歸因于不同的顯微組織，但其背后的更詳細(xì)的原因卻仍然沒能很好的理解，需要對其顯微組織——性能之間的關(guān)于進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖2 GPR結(jié)果的形象展示

▲圖解：a 符號表示用于訓(xùn)練的在導(dǎo)致打印失效時激光功率和掃描速度的離散參數(shù)相對密度的平均和標(biāo)準(zhǔn)誤差。導(dǎo)致打印失效（如匙孔和未熔合）的工藝參數(shù)給予排除，一些失效的打印的例子在插入的圖中給予說明。b GPR預(yù)測的相對密度的均值的表面反應(yīng)。外推誤差大相對大的則可以在兩個角落中發(fā)現(xiàn)，此時沒有訓(xùn)練的數(shù)據(jù)是有效的。

在本研究中，來自新南威爾士大學(xué)的研究人員為大家展示了一個新的SLM的參數(shù)優(yōu)化和操控獲得理想機械性能的AlSi10Mg 合金的典型范例。這一新的研究策略結(jié)合了高斯過程回歸（Gaussian process regression (GPR)）和二元形態(tài)直方圖圖像處理兩種技術(shù)來識別這一鋁合金的SLM加工的參數(shù)優(yōu)化。兩個最為關(guān)鍵的SLM參數(shù)，即激光功率P和掃描速度V，均被參數(shù)通過GPR輸入來構(gòu)建工藝參數(shù)和相對密度之間的關(guān)系，這就使得可以實現(xiàn)高致密度的AlSi10Mg合金的參數(shù)優(yōu)化窗口得以實現(xiàn)。制造的樣品采用幾個新發(fā)現(xiàn)的獲得高致密度鋁合金的SLM參數(shù)，得到的樣品呈現(xiàn)出前所未有的的機械性能的組合（高強度和高韌性）。關(guān)鍵顯微組織特征和機械性能之間的關(guān)系通過優(yōu)化的工藝窗口來確定，特別的，使用主成分分析(principal components analysis,PCA)技術(shù)，對采用掃描電鏡得到的10個顯微特征形貌的照片減少至兩個新的顯微組織描述的指數(shù)，稱之為空間尺度指數(shù)（dimensional-scale index (Id) ）和形狀指數(shù) shape index (Is)。盡管這一研究主要聚焦在AlSi10Mg 鋁合金上，這一新的研究策略也同樣適合應(yīng)用于其他金屬和合金的SLM的工藝參數(shù)優(yōu)化和機械性能的設(shè)計。

圖3

▲圖解：a 隨著激光功率和掃描速度變化時相對密度的曲線圖。能量密度線（點線）表示基于公式得到的同一能量密度。黃色的區(qū)域表示新識別的采用機器學(xué)習(xí)可以獲得相對密度 > 99%的工藝參數(shù)，其識別得到的工藝參數(shù)比以前的辦法得到的工藝參數(shù)范圍要寬（以前識別的工藝參數(shù)為灰色的陰影區(qū)域）。一套5個新的參數(shù)設(shè)置，以黃色的星來表示，從新確立的優(yōu)化的工藝參數(shù)窗口中被認(rèn)為是有效的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行選擇和用于隨后的顯微組織和機械性能的研究。b 5個有效的數(shù)據(jù)點測量得到的相對密度同采用GPR模型進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果的對比。誤差表示為標(biāo)準(zhǔn)誤差。所有5個樣品的測量得到的相對密度為 99.2% 和 99.4%，通過紅色的帶來顯示。

圖4  

▲圖解：a 使用5個工藝參數(shù)組合制造的AlSi10Mg 鋁合金的Al-Si胞晶和共晶的顯微組織的SEM照片。b 光學(xué)金相照片。c 熔池結(jié)構(gòu)的SEM照片。d 熔池邊界的顯微組織，具有細(xì)小的，粗大的區(qū)域和熱影響區(qū)。e SLM制造的AlSi10Mg合金在熔池中心區(qū)域典型的顯微組織為黑色的α-Al 基體，被白色的Si析出相所修飾。對于圖片 b-d，只有樣品P355作為所有5個樣品的代表進(jìn)行展示。f 采用5個加工參數(shù)進(jìn)行激光增材制造的樣品的EBSD圖片。顏色的代碼表示晶體的方向。

圖5. 早期文獻(xiàn)中SLM制造的 AlSi10Mg鋁合金的UTS和延伸率的總結(jié)以及同采用當(dāng)前方法得到的結(jié)果的對比

▲圖解：箭頭示意的指出了早期通過熱處理之后的結(jié)果，而圓形的星號則表示的是當(dāng)前取得的結(jié)果取得了前所未有的結(jié)果，即高的令人理想的性能，且沒有經(jīng)過熱處理就可以獲得。

取得的主要研究成果

在這一研究中，采用基于高斯過程回歸（Gaussian process regression (GPR)）和二元形態(tài)直方圖圖像的機器學(xué)習(xí)的策略來識別SLM過程中的工藝參數(shù)窗口來制造出完全致密的 AlSi10Mg鋁合金以及SLM工藝參數(shù)，顯微組織和機械性能也進(jìn)行了研究，如下為主要結(jié)論：

(1)高斯過程回歸（GPR）替代模型是一種行之有效的模型，構(gòu)建了激光功率和掃描速度同制造高致密的 AlSi10Mg鋁合金之間關(guān)系的有效模型。這一模型使得識別大范圍內(nèi)的工藝參數(shù)優(yōu)化窗口在獲得相對的高致密度 (≥ 99%)方面比以前任何時候都要寬。這一參數(shù)優(yōu)化策略不是僅僅提供一個特定的參數(shù)優(yōu)化設(shè)置，一個優(yōu)化的工藝窗口預(yù)測高致密度的曲線圖可以利用該模型來進(jìn)行預(yù)測其相對密度。這一辦法提供了設(shè)計SLM制造具有一定顯微組織的AlSi10Mg合金且提供了巨大的潛力空間，導(dǎo)致理想的性能也能獲得，諸如高強度和韌性，這是以前所不能實現(xiàn)的。

(2)兩個新的形貌特征表征辦法，即空間尺度指數(shù)（ dimensional-scale index (Id) ）和形狀尺度指數(shù)（ shape index (Is)），曾經(jīng)被利用主成分分析(principal components analysis,PCA)來分析10個顯微組織的形貌特征，可以很好的表征SLM制造的AlSi10Mg鋁合金的亞晶粒顯微結(jié)構(gòu)。而且，Id和工藝參數(shù)（主要是激光功率和掃描速度）之間的關(guān)系被提出用來通過對工藝參數(shù)的控制來實現(xiàn)定制顯微組織。

(3)采用優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行SLM制造的 AlSi10Mg鋁合金的機械性能，發(fā)現(xiàn)主要取決于能量密度，而不同的激光功率和掃描速度的組合將會導(dǎo)致微小的變化。得到的樣品的機械性能的差別主要歸因于不同的晶粒尺寸和亞晶粒顯微組織的形貌的差異。其斷裂樣品的韌性尺寸同熔池區(qū)域中的亞晶粒結(jié)構(gòu)的尺寸相關(guān)聯(lián)，這一發(fā)現(xiàn)提供了部件的低裂紋擴展同弱的熔池邊界相關(guān)聯(lián)的證據(jù)。

圖6

▲圖解：拉伸測試樣品的側(cè)視圖 (a) 和測試樣品的斷裂韌性 (b) 表明裂紋同熔池結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；斷裂形貌顯示了對樣品代號為E38和 E70的樣品均具有典型的具有韌窩的韌性斷裂。斷裂韌性樣品的裂紋擴展的EBSD照片和熔池采用虛線給予表示(c).


文章來源:Machine-learning assisted laser powder bed fusion process optimization for AlSi10Mg: New microstructure description indices and fracture mechanisms,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.010,Acta Materialia，Volume 201, December 2020, Pages 316-328