金屬&合金增材制造中的可打印性圖的評估

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文介紹材料學(xué)頂刊《Acta Materialia》：金屬&合金增材制造中的可打印性圖的評估的相關(guān)研究內(nèi)容。

提出了一種方法來預(yù)測合金的可打印性，該方法取決于激光粉末床熔融增材制造。工藝空間中與鎖孔形成、成球和未熔合相關(guān)的區(qū)域被認(rèn)為是熔池幾何形狀的強(qiáng)函數(shù)，依次通過有限元熱模型針對激光功率和掃描速度的各種組合進(jìn)行計算，該模型結(jié)合了在形成鑰匙孔時從表面加熱到體積加熱的新型基于汽化的過渡。從有限元模擬中建立的工藝圖與Ni-5wt % Nb合金和等原子CoCrFeMnNi高熵合金的實驗一致，并表明化學(xué)成分對合金可打印性的強(qiáng)烈影響。另一方面，由于這種方法過于簡化，發(fā)現(xiàn)使用更簡單的Eagar-Tsai模型產(chǎn)生的可打印性圖與實驗不一致。通過在模擬輸出上訓(xùn)練的多元高斯過程替代模型的蒙特卡洛采樣，可以量化可打印性圖中的不確定性。使用所提出的方法生成的可打印性圖可用于選擇，并且可能用于增材制造的合金設(shè)計。

成果的Graphical abstract

1.引言：
盡管已知基于金屬的增材制造 (AM) 的獨(dú)特功能及其在過去二十年中取得的進(jìn)步，但要使其完全成熟，還需要彌合巨大的差距。一個主要的障礙是金屬AM制造零件的高度可變性，這對關(guān)鍵AM組件的質(zhì)量鑒定和認(rèn)證 (Q & C) 提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對Q & C工作的挑戰(zhàn)只是因為金屬AM只專注于少數(shù)幾個主要的合金類別，主要集中在鈦  (主要是Tie6Ale4V) 、鎳  (IN625，IN718)，不銹鋼 和最初設(shè)計成使用AM技術(shù)制造的其他合金系統(tǒng)，例如形狀記憶合金。

金屬AM零件的質(zhì)量和性能的高度可變性可以歸因于使用不同的加工方案、能量源（激光、電子書、電弧等）、原材料等。即使在考慮單一AM技術(shù)時：如激光粉末床熔合(L-PBF) -- 來自不同機(jī)器的使用的可變性，加工條件的固有變異性，局部熱歷史的差異，零件的幾何形狀和原料的形式會產(chǎn)生重大影響。金屬AM研究的早期階段集中于識別機(jī)器特定的工藝條件，該工藝條件能夠從常規(guī)合金原料生產(chǎn)出與鑄造或鍛造對應(yīng)的零件相當(dāng)?shù)男阅�。金屬AM的基本范例正在轉(zhuǎn)向強(qiáng)調(diào)控制的范例: 不再需要僅僅匹配傳統(tǒng)合金的性能。而是滿足特定應(yīng)用對關(guān)鍵AM組件進(jìn)行Q & C的性能。因此，加工路線 (AM參數(shù)，預(yù)處理或后處理) 選擇必須確保在可重復(fù)的基礎(chǔ)上滿足零件性能。

原位監(jiān)測方法已經(jīng)實現(xiàn)了相當(dāng)程度的復(fù)雜性，這些方法已經(jīng)超越了熔池動力學(xué)的實時測量，以監(jiān)測能量向材料的傳遞。原位監(jiān)測也已開始用作評估AM構(gòu)建質(zhì)量的一種方法。這種方法仍然存在相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因為與凝固過程相關(guān)的熱歷史的某些方面 (例如冷卻速率，熱梯度等) 仍然非常難以測量，盡管在中等凝固速率下的AM過程中已經(jīng)取得了進(jìn)展。

能夠在實時檢測到缺陷形成的開始時調(diào)整過程條件的閉環(huán)控制系統(tǒng)仍然具有很高的挑戰(zhàn)性。然而，一些努力已經(jīng)嘗試使用較低分辨率，較低溫度的成像技術(shù)作為監(jiān)控AM過程的策略。這些技術(shù)可用于控制較長范圍的物理現(xiàn)象 (例如殘余應(yīng)力)，但是它們捕獲的熱梯度的時間和長度尺度太慢且數(shù)據(jù)量太大，無法提供足夠的數(shù)據(jù)來控制極快的現(xiàn)象 (例如熔池不穩(wěn)定性)。除了視覺成像外，聲學(xué)信號分析還顯示出檢測鑰匙孔和裂紋形成的一些潛力。監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展最終將導(dǎo)致對AM工藝的更好控制，特別是考慮到大多數(shù)金屬AM原料對AM工藝條件的變化具有相當(dāng)大的敏感性。

從材料的角度來看，公認(rèn)的發(fā)展程度較低，但可以說更有希望的前進(jìn)道路是首先設(shè)計對AM加工條件變化不太敏感的合金。從這種以材料為中心的觀點(diǎn)來看問題，不可避免地會導(dǎo)致對材料的 “可打印性” 的考慮，以及隨后如何定義這種度量的問題。

在本文中，我們提出了一種可打印性度量，該度量定義為激光粉末床融合 (L-PBF) 金屬AM工藝的工藝參數(shù)空間中的 (超) 體積。具體來說，我們試圖識別與無主要缺陷的構(gòu)建相關(guān)的激光功率與掃描速度空間中的區(qū)域，將我們的分析限制在單道上。我們通過首先使用COMSOL Multiphysics中的有限元方法對熔池尺寸進(jìn)行預(yù)測，以與合金無關(guān)的方式，根據(jù)熔池的幾何形狀來定義該可行性區(qū)域®傳熱模塊。熱模型包括與相相關(guān)的熱物理性質(zhì)，用于近似傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象，例如熔化，凝固，汽化和小孔形成。通過將熱物理性質(zhì)的最佳估計值與高保真熱模型相結(jié)合，我們預(yù)測了兩種合金的可打印性圖: Ni-5wt% Nb (NiNb) 合金作為IN718的二元代理，以及原型等原子CoCrFeMnNi高entroy合金 (HEA)。通過實驗將預(yù)測的可打印性圖與對過程空間的詳盡探索進(jìn)行比較。還研究了使用簡化的熱模型的影響以及熱物理特性中不確定性的影響。

2.關(guān)于金屬合金的可打印性

以簡化的方式，可以考慮控制給定合金可以打印的程度的兩種不同類型的因素: 合金本身的固有特征，例如凝固范圍，競爭的二次固相的存在等會影響打印材料的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)或織構(gòu)，而諸如工藝條件之類的外部因素會影響所制造零件的整體一致性。AM研究主要集中在尋找這些外在因素的有用組合，例如激光功率和速度，或線性能量密度，這是這兩個參數(shù)的比率。內(nèi)在/外在因素不僅受局部加工條件的影響，而且受合金的熱力學(xué)和熱物理特性的影響�？梢愿鶕�(jù)其可打印性來識別合金工藝空間中的可行區(qū)域，這可以被認(rèn)為是合金工藝組合對損害打印完整性的微觀/宏觀缺陷形成的抵抗力的全局指標(biāo)。盡管最近在這方面進(jìn)行了一些努力，但如何正確量化合金工藝組合的可打印性仍然存在問題。

例如，Mukerjee等人確定了不同的無量綱參數(shù)，這些參數(shù)用于估計合金工藝組合對熱誘導(dǎo)零件變形的敏感性，由于不同蒸發(fā)引起的成分異質(zhì)性，以及不完全的層間融合以及由于熔池不完全滲透到先前的層中而導(dǎo)致的孔隙率。這些可打印性指標(biāo)是由材料特性 (如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熱擴(kuò)散率、熱容等) 、工藝條件 (如線性能量密度) 以及熔池特性 (寬度、深度、體積、面積)，從而提供了一種評估工藝條件對特定合金配方的影響的方法。

Mukherjee等人使用其可打印性標(biāo)準(zhǔn)。研究了AM (IN718，SS316，Ti64)中使用的一些最常見的金屬合金，發(fā)現(xiàn)其可打印性指標(biāo)與諸如熱變形等不同類型問題的存在之間存在一些相關(guān)性，對于三種不同的加工條件，孔隙率或缺乏成分控制 (由于不同的蒸發(fā))。這種方法對于逐點(diǎn)評估可打印性很有用，但是它不能表征合金在激光功率和掃描速度的所有組合中的整體可打印性。因此，它不能考慮諸如過程可變性之類的問題。在一項相關(guān)的 (較早的) 工作中，Juechter等人研究了選擇性電子束熔化 (SEBM) 的處理空間，其目標(biāo)是識別掃描速度和線性能量密度的組合，該組合導(dǎo)致最小的孔隙率和由于差分蒸發(fā)而減少的成分變化。通過現(xiàn)場熱監(jiān)測和制造后表征的結(jié)合，Scime和Beuth  最近開發(fā)了一種將熔池缺陷映射到激光功率和掃描速度的方法，并將此類缺陷的發(fā)生率與熔池幾何形狀的主要特征相關(guān)聯(lián)。

最終在AM期間凝固結(jié)構(gòu)的質(zhì)量取決于熔池的特性，因此可以合理地預(yù)期，基于熔池幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)可用于建立熔池相關(guān)缺陷的閾值，如未熔合、球化和鎖孔形成，這是LPBF中一些最主要的缺陷模式。當(dāng)入射能量不足以將基板熔化到相當(dāng)大的深度時，就會發(fā)生熔合不足，這可能導(dǎo)致在構(gòu)建部件內(nèi)產(chǎn)生大的和/或非常尖銳的空隙。球形是由熔體池的毛細(xì)管驅(qū)動的不穩(wěn)定性引起的凝固軌道的大小和形狀的周期性振蕩，這種振蕩導(dǎo)致表面變化，從而影響后續(xù)層加工過程中的粉末擴(kuò)散，并導(dǎo)致空隙形成。鍵槽是由于直接在激光下的強(qiáng)烈汽化產(chǎn)生的反沖壓力而在熔池表面形成凹陷。起球的標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)焊接和激光加工中使用的標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)建。通過比較熔池深度和粉末層厚度，可以確定熔池缺乏閾值，而通過考慮熔池的長寬比，可以考慮關(guān)鍵孔形成的開始。

從可行的過程空間中消除超出上述標(biāo)準(zhǔn)的既定閾值的過程參數(shù)組合，并將剩余區(qū)域視為可打印區(qū)域或可打印性圖。該剩余區(qū)域/體積的尺寸和形狀可以用作設(shè)計適用于AM的合金的標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，較大的預(yù)測成功構(gòu)建區(qū)域表明某些感興趣的合金對工藝參數(shù)的變化不敏感。這種方法可能非常重要，因為它暗示了在實驗活動開始之前以及在每次昂貴的合成和表征迭代期間建立給定合金的可打印性圖的可能性。

除了可打印區(qū)域的基于尺寸的設(shè)計度量之外，在離該可打印區(qū)域邊界最遠(yuǎn)的點(diǎn)選擇工藝條件 (即穩(wěn)健設(shè)計) 提供了最大限度的保護(hù)，使其免受機(jī)器加工條件固有的可變性 。不是消除或減少可變性，而是將感興趣的設(shè)計參數(shù)引導(dǎo)到可變性對構(gòu)建的成功結(jié)果影響較小的區(qū)域。機(jī)器參數(shù) (例如激光功率和掃描速度) 的可變性可以通過基于預(yù)測或測量的不確定性的恒定值偏移直接納入邊界。通過使用基于替代模型的不確定性量化來實現(xiàn)熱物理特性中的不確定性。

在這項工作中，我們探索了通過將高保真熱模型與兩種不同合金系統(tǒng)的熱物理性能值的最佳估計相結(jié)合而構(gòu)建的基于熔池幾何的標(biāo)準(zhǔn)的使用。選擇Ni-5wt % 的Nb二元合金，因為它可以被認(rèn)為是IN718的替代，特別是關(guān)于Nb偏析成樹枝狀區(qū)域。由于少量的Nb，預(yù)計該合金的熱物理性質(zhì)與Ni的熱物理性質(zhì)相對接近，因此預(yù)計這些性質(zhì)的值的不確定性將較小。另一方面，選擇了CoCrFeMnNi高熵合金，因為HEAs由于其相穩(wěn)定性特性di.e.凝固時次級固相競爭的減少和擴(kuò)散動力學(xué)的顯著降低可能成為金屬AM的非常重要的原料。

圖1 本文中所用到的測試可打印性的總括圖

圖1-0 輸入?yún)��?shù)-打印、分析總圖

圖2 使用有限元進(jìn)行模擬的示意圖

圖2-0 不同手段用于熔池的測量分析： (a) 原位X射線影像技術(shù)；in situ synchrotron x-ray imaging； (b)原為紅外熱成像技術(shù) in situ infrared thermal imaging at two different temperature ranges； (c) FEM為基礎(chǔ)的模擬； (d) 光學(xué)金相分析技術(shù)

圖3.預(yù)測Ni-5wt % Nb合金熔池形態(tài)區(qū)域的可打印性圖。預(yù)測區(qū)域如下: 質(zhì)量良好 (藍(lán)色，G)，鍵槽 (綠色，鍵)，球 (紫色，球) 和缺乏融合 (橙色，LOF)。在整個過程參數(shù)空間中，通過遵循與預(yù)測區(qū)域相同的配色方案的不同形狀的標(biāo)記來指示實驗觀察到的形態(tài)�？招暮吞畛錁�(biāo)記分別指示數(shù)據(jù)是來自Exp1還是Exp2。在右側(cè)可以看到每個區(qū)域的四個代表性熔池橫截面。在這種情況下，由于恒定的材料特性和對相變效應(yīng)的忽視，Eagar-Tsai的預(yù)測基本上沒有信息。

圖3-0 不同參數(shù)下得到的橫截面示意圖

圖3-1 不同參數(shù)下得到的缺陷結(jié)果： (a) 未熔合；(b) 球化；(c) 匙孔和(d) 未熔化的粉末顆粒

圖4 使用有限元和Eagar-Tsai模型預(yù)測的得到的Ni-5wt.%Nb合金的熔池深度和寬度  

第二個實驗 (圖3和6中的Exp2) 打印在Ni-5wt % Nb的基板上，該基板本身被打印并且隨后在1100 + C下均化1小時，然后風(fēng)冷)，以消除其AM微觀結(jié)構(gòu)，以便更容易看到單軌熔池。這些軌道的長度是10毫米的，軌道之間的間距為1毫米。使用電火花加工 (EDM) 對單個軌道的橫截面進(jìn)行線切割。將樣品拋光至0.25毫米，然后在膠體二氧化硅中振動拋光。

圖5 In 718合金的實驗所得到的熔池形貌圖

3. 結(jié)果和討論
在增材制造中，與其他制造技術(shù)一樣，對加工材料的可行條件的理解是極其重要的。本節(jié)介紹并討論從上述方法預(yù)測Ni-5wt的可打印性。%Nb和CoCrFeMnNi HEA，并將得到的圖譜與作為本工作一部分進(jìn)行的這些合金的工藝參數(shù)空間的系統(tǒng)實驗研究進(jìn)行了比較。重要的是要強(qiáng)調(diào)的是，過程參數(shù)空間的實驗研究沒有以任何方式用于擬合計算方法中使用的材料特性或模型參數(shù)或預(yù)測的可打印性圖的后續(xù)構(gòu)造。

通過將可打印性標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于本文開發(fā)的有限元模型的熔池尺寸預(yù)測，構(gòu)造了下圖中標(biāo)記為有限元的地圖。將相同的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于Eagar-Tsai熔池尺寸預(yù)測以進(jìn)行比較。通過上述標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識的每個過程參數(shù)區(qū)域的代表性熔池形態(tài)的橫截面圖像也顯示在每組地圖旁邊的這些圖中。觀察到的每個實驗軌跡的形態(tài)都由不同顏色和形狀的標(biāo)記指示。

在對每種合金的預(yù)測和實驗進(jìn)行比較之后，分析了根據(jù)3.3.3中討論的方法確定的有限元模型關(guān)鍵參數(shù)的邊界不確定性圖。每個圖中的邊界寬度的比較表明了每個熱物理參數(shù)的相對重要性，并確定了有限元模型及其假設(shè)的潛在改進(jìn)來源。

3.1 Ni-5wt % Nb合金的可打印性圖

圖3.預(yù)測Ni-5wt % Nb合金的熔池形態(tài)區(qū)域的可打印性圖。使用基于FE的熔體池在不同加工條件下的幾何特征預(yù)測來確定頂部可打印性圖。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，在預(yù)期的主要缺陷類型 (或不存在缺陷) 之后標(biāo)記不同的區(qū)域。在低功率和 (通常) 高速下，很明顯，主要缺陷是缺乏融合 (淺棕色/橙色)。在相對較低的掃描速度和高功率下，預(yù)測的主要缺陷是keyhosing (綠色)。另一方面，在處理空間的高掃描速度-高功率區(qū)域中，由于熔池基于毛細(xì)管的不穩(wěn)定性，主要缺陷是成球 (洋紅色)。因此，功率掃描速度空間中的所謂可打印區(qū)域 (藍(lán)色) 是從功率掃描速度空間中減去這三個容易出現(xiàn)缺陷的區(qū)域而產(chǎn)生的。從圖中可以明顯看出，在這項工作中研究的Ni-5wt % Nb合金的預(yù)測和實際測量的可打印性圖之間總體上存在可接受的一致性水平，其中大多數(shù)實驗點(diǎn)都落在正確的預(yù)測區(qū)域內(nèi)。但是，在鑰匙孔和球形邊界附近也有一些例外。實驗觀察到的鎖孔和優(yōu)質(zhì)熔池結(jié)果之間有清晰的界限，但預(yù)測邊界的斜率太水平。有限元模型也將兩個實驗觀察到的球形條件錯誤地分類為可打印的。鎖孔和球形邊界附近的這些錯誤分類可能是由于缺乏自由表面流體流動模型，該模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測激光穿透，粘度和表面張力效應(yīng)，這在鍵槽和球形現(xiàn)象中很重要。

除了對Ni-5wt.% Nb可打印性圖的模型和總體實驗結(jié)果進(jìn)行比較之外，我們還注意到，在Ni5wt.% Nb圖中的鑰匙孔和球形邊界附近的兩組實驗觀察值之間也存在較小的分歧。最明顯的差異是在Exp1數(shù)據(jù)集 (空心標(biāo)記，圖3) 中觀察到良好的單軌比具有球形形態(tài)的兩條單軌更高的激光功率和相似的掃描速度 (P/200W，v/1275毫米 = s) (P/178W，exp2數(shù)據(jù)集中的v¼ 1154毫米 = s和p？178W，v¼ 1515毫米 = s) (固體標(biāo)記，圖3)。在增材制造中，與其他制造技術(shù)一樣，對加工材料的可行條件的理解是極其重要的。本節(jié)介紹并討論從上述方法預(yù)測Ni-5wt的可打印性。%Nb和CoCrFeMnNi HEA，并將得到的圖譜與作為本工作一部分進(jìn)行的這些合金的工藝參數(shù)空間的系統(tǒng)實驗研究進(jìn)行了比較。

與有限元熱模型相反，Eagar-Tsai模型在這些可打印性標(biāo)準(zhǔn)下幾乎沒有預(yù)測能力。它大大高估了缺失區(qū)域的大小，并且無法完全識別鑰匙孔和球形區(qū)域。這種基于Eagar-Tsai的可打印性圖的無信息性是由于模型本身的兩個關(guān)鍵簡化假設(shè): i) 恒定的熱物理性質(zhì)和ii) 在所有處理條件下的僅表面能量沉積。這些假設(shè)使模型無法捕獲相變現(xiàn)象以及在鍵槽過程中向激光穿透的過渡。結(jié)果是無法預(yù)測對熔池穩(wěn)定性和本文使用的可打印性標(biāo)準(zhǔn)如此關(guān)鍵的熔池長寬比的急劇變化。這也使得Eagar-Tsai模型很難在整個參數(shù)空間上同時校準(zhǔn)到深度和寬度；

在圖4中的預(yù)測-實際曲線中可以看到一個問題。在圖4中可以觀察到Eagar-Tsai (ET) 和相對于實驗的有限元熱模型的性能的進(jìn)一步檢驗，這表明，對于這組材料參數(shù)，ET模型高估了熔池寬度，低估了熔池深度。由于該模型假定恒定的熱物理性質(zhì) (r，Cp，k)，因此對其中任何一個的更改將均勻地影響熔池的尺寸，并且對寬度進(jìn)行校準(zhǔn)將最終使深度預(yù)測進(jìn)一步誤入歧途。一次更改多種熱物理特性可提供更大的靈活性，但效果仍然有限。相比之下，有限元模型具有與相相關(guān)的熱物理特性，并包括其他傳熱考慮因素，例如從表面加熱到體積加熱的過渡，如方法論部分所述。這允許在更廣泛的過程參數(shù)空間范圍內(nèi)進(jìn)行更精確的預(yù)測，并導(dǎo)致更好的寬度預(yù)測和與深度測量的非常好的一致性，也可以在圖4中看到。

雖然到目前為止給出的結(jié)果表明預(yù)測的可打印性區(qū)域和獨(dú)立的實驗確定的熔池幾何圖之間有很好的一致性，但可以通過將這些結(jié)果與Scime和Beuth [25] 的結(jié)果進(jìn)行比較來進(jìn)一步驗證所提出的框架。Scime和Beuth的動機(jī)是開發(fā)一個框架，用于識別L-PBF處理的因科鎳合金718中的熔池特征指示違法形成。他們使用原位熱監(jiān)測與制造后表征相結(jié)合，以建立工藝條件和熔池特性之間的關(guān)系 (通過機(jī)器學(xué)習(xí))。值得注意的是，他們確定了與當(dāng)前工作中使用的特性完全相同的特性 (球形，缺乏融合，鎖孔形成)，并獨(dú)立得出了構(gòu)建預(yù)測的可打印性圖的結(jié)果。通過比較圖3和5，可以看出，預(yù)測的Ni-5wt.% Nb可打印性圖與由Scime和Beuth [25] 確定的可打印性圖之間的一致性非常好，顯示出相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，甚至就可行的實際位置呈現(xiàn)合理的定量一致性，鍵槽，缺乏融合和球形區(qū)域。與來自不同研究小組和l-pbf系統(tǒng) (EOS M290) 的實驗結(jié)果達(dá)成的協(xié)議突出了本文計算方法的通用性。理想情況下，采用參考文獻(xiàn)中描述的實驗方法。[25] 可以與該框架的計算方法相結(jié)合，創(chuàng)建單個協(xié)同工作流程，以迭代優(yōu)化可打印性�，F(xiàn)有合金的實驗過程表征將為該計算框架提供信息，然后將其用于搜索有希望的合金修改，以在設(shè)計過程的下一次迭代測試一下。

圖6 Monte Carlo為基礎(chǔ)的不確定擴(kuò)展所得到的不確定的邊界結(jié)果

圖6-0 不同合金預(yù)測得到的結(jié)果：(a) 316L 不銹鋼；(b) Cantor合金；(c) Inconel 718合金；(d) Haynes 282合金；(e) 銅； (f) Ta-Mo，Tantalum (g) Molybdenum,和(h) W（Tungsten）

3.1.1 對于Ni-5wt.%Nb圖的邊界不確定性

有限元模型中包含的其他物理結(jié)果是以增加參數(shù)數(shù)量為代價的。為了確定這些參數(shù)中的哪一個對預(yù)測的可打印性圖影響最大，我們將不確定性從關(guān)鍵的熱物理屬性傳播到可打印性地圖本身的打印區(qū)域邊界，如圖6所示的圍繞每個邊界的陰影區(qū)域。

參數(shù)按其對邊界的影響順序排列，其中液體電導(dǎo)率KL影響最大，KV影響最小。比較每個地圖內(nèi)的相對邊界厚度時，可以進(jìn)行一些有趣的觀察。例如，與鎖孔和缺失邊界相比，KS對球邊界具有相對較強(qiáng)的影響。這可以解釋為Ks對熔體池的長度而不是寬度或深度具有更強(qiáng)的影響。相反，as = l優(yōu)先影響鎖孔和缺失邊界，這意味著它不會影響熔池長度。av的主要影響是對鎖孔邊界的影響，這與其在鎖孔形成過程中近似提高激光吸收率的方法的實現(xiàn)一致。

在比較不同參數(shù)之間的邊界不確定性時，KL顯然對所有邊界影響最大。不幸的是，KL是理解最少的電導(dǎo)率值，并且在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的不同有限元模型之間差異很大。此問題源于普遍缺乏液態(tài)金屬合金的實驗電導(dǎo)率測量，以及有限元模型中參數(shù)的人為增加，以替代熔池內(nèi)的對流傳熱。蒸氣電導(dǎo)率值KV和KVz的影響較小，是為不確定性傳播提供的輸入值范圍相對較窄的結(jié)果。

圖7  Ni–Nb合金在15%的門檻值時預(yù)測得到的可打印圖

除了從模型輸入傳播的不確定性外，還存在與閾值標(biāo)準(zhǔn)值本身相關(guān)的不確定性。為了理解這些不確定性對可打印性預(yù)測的總體形態(tài)的影響，在閾值 ± 15% 處計算映射，得到圖7中看到的6個曲線圖。

3.2 CoCrFeMnNi高熵合金的可打印性圖

用于預(yù)測Ni5wt% Nb合金的可打印性圖的相同過程應(yīng)用于等原子CoCrFeMnNi高熵合金系統(tǒng)。在圖8中可以看到所得到的可打印性圖。這些圖與上面的Ni-5wt % Nb圖具有相同的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是區(qū)域的間距和相對尺寸完全不同，并且在確定用于AM的合適協(xié)議時進(jìn)一步突出了合金和工藝參數(shù)空間之間的強(qiáng)耦合。

圖8 CoCrFeMnNi高熵合金利用可打印圖得到的預(yù)測的熔池形貌

圖8-0 在能量為 0.25 J/mm的時候原位合金化后的熔池所得到的PF圖

圖8-1三層后得到的IPF圖和平均晶粒

與Ni-5wt% Nb合金相反，對hea的研究不那么全面，僅在加工空間的狹窄區(qū)域研究其可打印性。雖然沒有那么多的單軌觀測值可以通過實驗準(zhǔn)確地指示每個打印區(qū)域的位置，但在有限元圖中，對球區(qū)域的預(yù)測明顯過高。從在Ni-5wt % Nb系統(tǒng)中進(jìn)行的不確定性分析中吸取教訓(xùn)，這可以歸因于該系統(tǒng)的液體電導(dǎo)率的不確定性。然而，鎖孔和缺乏融合邊界的預(yù)測與實驗確定的形態(tài)非常吻合，在圖8中顯示為不同顏色和形狀的標(biāo)記。

圖9 CoCrFeMnNi高熵合金在采用有限元和Eagar-Tsai模型預(yù)測所得到的精度情況

同樣，由于Ni-5wt.% Nb案例中討論的相同原因，有限元模型的預(yù)測能力優(yōu)于Eagar-Tsai模型。在Eagar-Tsai模型中，對材料性能和物理學(xué)的假設(shè)過于簡單，導(dǎo)致熔池尺寸無法在整個工藝空間中精確校準(zhǔn)。這一點(diǎn)通過圖9中所示的兩個模型的預(yù)測-實際比較得到進(jìn)一步證實。熔池寬度明顯被高估，而熔池深度被Eagar-Tsai模型預(yù)測不足。寬度比較還顯示了有限元模型能夠捕獲實驗確定的80e90mm處的熔池寬度極限的能力。這歸因于有限元模型通過包含氣相轉(zhuǎn)變以及隨后將激光更深地滲透到基板中而從表面加熱過渡到體積加熱的能力。

3.3 打印性的比較

除了在每張圖內(nèi)進(jìn)行內(nèi)部比較外，本研究中兩種材料之間的可打印性直接比較也可以提供有價值的見解。從預(yù)測和實驗來看，很明顯，在L-PBF條件下，Ni-5wt % Nb比CoCrFeMnNi HEA具有更大的可打印區(qū)域�？纱蛴�區(qū)域的形狀和方向也可以告訴我們材料對激光功率或掃描速度變化的敏感性。在Ni-5wt % Nb情況下，更多的等軸可打印區(qū)域指示對兩個處理參數(shù)的相同靈敏度，而在HEA情況下，細(xì)長的打印區(qū)域指示對激光功率的比掃描速度更高的靈敏度�？紤]到這一點(diǎn)，基于現(xiàn)有證據(jù)和計算框架，我們可以很容易地得出結(jié)論，在這種情況下，Ni-5wt % Nb合金是更可打印的合金。

圖10 (a) 熱傳導(dǎo)模式；(b) 匙孔模式的示意圖和在掃描速度為 300 W & 600 mm/s的條件下得到的單道SEM圖和原位合金化的示意圖結(jié)果

4.總結(jié)和結(jié)論

本文提出的有限元模型和基于熔池尺寸的方法得到的L-PBF可打印性圖與實驗結(jié)果吻合良好。僅對較小的修改，將框架應(yīng)用于兩種截然不同的合金系統(tǒng)的一致性和準(zhǔn)確性，這有力地表明該方法適用于多種材料。這很重要，因為這表明可以通過識別成功的加工參數(shù)，使用所提出的計算方法來先驗評估任意合金作為AM原料的適用性，從而為合金設(shè)計提供了合理的路線，降低了對AM過程中機(jī)器可變性的敏感性。

但是，在可以在設(shè)計框架中使用預(yù)測的合金可打印性之前，必須對所提出的方法進(jìn)行進(jìn)一步驗證�？梢酝ㄟ^更準(zhǔn)確地預(yù)測不確定性來提高此可打印性框架的預(yù)測能力。如果先驗地存在特定合金的實驗熔池測量，則可以通過對模型的熱物理參數(shù)進(jìn)行貝葉斯校準(zhǔn)來更準(zhǔn)確地定義圍繞這些邊界的不確定性 [43]。這將導(dǎo)致為手頭的特定問題專門定義的輸入值分布。在考慮計算合金設(shè)計時，此選項不一定可行，因為根據(jù)定義，正在優(yōu)化的合金從未經(jīng)過實驗測試。然而，在優(yōu)化之前更好地定義不確定性會增加成功的機(jī)會。

除了更好地理解不確定性之外，可打印區(qū)域邊界的準(zhǔn)確性還可以通過包括其他物理特性 (例如自由表面流體流動建模) 來提高。然而，這種模型復(fù)雜性的增加將導(dǎo)致計算費(fèi)用的增加，可能會排除其在迭代優(yōu)化方案中的使用�？紤]到這一點(diǎn)，這項工作中提出的基于有限元的熱模型代表了快速但不太準(zhǔn)確的Eagar-Tsai方法與包含流體動力學(xué)的緩慢但更準(zhǔn)確的模型之間的良好中間立場。

圖11 在300 W & 600 mm/s,的條件下得到的 (a) IPF圖和 (b)EDS結(jié)果；

通過利用圖3和圖8中的藍(lán)色可打印區(qū)域的尺寸和形狀的定量測量作為設(shè)計度量，可以將合金的組成和所得的可打印性之間的直接連接結(jié)合到迭代優(yōu)化方案中。例如，可以通過使用這樣的優(yōu)化方案來確定將使可打印區(qū)域的尺寸最大化的合金組成的調(diào)整，來提高現(xiàn)有合金對加工參數(shù)和環(huán)境條件變化的魯棒性。開發(fā)一種更精確的方法來連接組成和相相關(guān)的熱物理性質(zhì) (即比上述Ni-5wt中使用的混合規(guī)則模型更復(fù)雜。% Nb案例)，如果優(yōu)化擴(kuò)展到稀釋溶液近似值可以達(dá)到的區(qū)域之外，則需要考慮用。

圖12 . (a)  在150 W & 600 mm/s 和掃描間距為 60 μm的條件下得到的單層樣品的IPF圖. (b)不同掃描間距下的平行晶粒生長的示意圖；  (c) 高P & v和 (d) 低 P & v的結(jié)果　

我們想指出的是，定義可打印區(qū)域只是優(yōu)化加工零件性能的第一步。一旦定義了可打印區(qū)域，就可以通過優(yōu)化其他重要材料現(xiàn)象 (例如凝固前沿形態(tài)，二次相演化和合金成分的蒸發(fā)控制) 來確定該區(qū)域內(nèi)特定工藝參數(shù)集的選擇。此外，當(dāng)在可打印區(qū)域本身內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化時，如圖6所示對邊界位置中的不確定性進(jìn)行量化是重要的，并且可以提供關(guān)于最有效的不確定性量化練習(xí)的進(jìn)一步輸入，以基于特定感興趣量對給定合金的可打印性圖中的方差的影響來執(zhí)行。

文章來源：Assessing printability maps in additive manufacturing of metal alloys，Acta Materialia，Volume 176, 1 September 2019, Pages 199-210，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.07.005

參考資料：

1.Predictive process mapping for laser powder bed fusion: A review of existing analytical solutions, Current Opinion in Solid State and Materials Science，Volume 26, Issue 6, December 2022, 101024,
https://doi.org/10.1016/j.cossms.2022.101024
2. In-situ alloyed CoCrFeMnNi high entropy alloy: Microstructural development in laser powder bed fusion，Journal of Materials Science & Technology，Volume 123, 1 October 2022, Pages 123-135，

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.11.083，