重磅！3D打印Ti-6Al-4V合金登頂《Science》!

來源：材料學網(wǎng)

導讀：多孔性缺陷是目前阻礙激光金屬增材制造技術廣泛采用的主要因素。當輸入過多的激光能量而形成不穩(wěn)定的蒸汽凹陷區(qū)(鎖孔)時，就會出現(xiàn)常見的孔隙。本文通過同時高速同步x射線成像和熱成像，再加上多物理場模擬，在Ti-6Al-4V激光粉末床融合中發(fā)現(xiàn)了兩種類型的小孔振蕩。利用機器學習，開發(fā)了一種檢測隨機小孔孔隙生成事件的方法，該方法具有亞毫秒級的時間分辨率和近乎完美的預測率。通過操作x射線成像實現(xiàn)的高度精確的數(shù)據(jù)標記，使其能夠展示一種能夠在在商業(yè)系統(tǒng)中使用的簡單實用的方法。

經(jīng)過30多年的深入研究和開發(fā)，激光粉末床聚變（LPBF）已經(jīng)從一種方便的快速原型工具發(fā)展到一種用于生產(chǎn)耐用金屬部件的制造技術。盡管一些行業(yè)現(xiàn)在完全接受LPBF，但其他行業(yè)在將其融入產(chǎn)品線時對質(zhì)量控制更加謹慎。作為一種主要的金屬增材制造（AM）技術，LPBF能夠制造具有復雜幾何形狀和精細特征的零件。然而，在LPBF作為一種顛覆性制造技術發(fā)揮其全部潛力之前，仍需要克服一些技術障礙。在典型的LPBF工藝中，使用高功率激光束局部熔化和固結金屬粉末，以逐層形成三維（3D）物體。打印過程中所涉及的極端熱條件會觸發(fā)瞬態(tài)現(xiàn)象和復雜的結構動力學。它們的相互作用常常導致結構缺陷，如孔隙度。一種常見的孔隙度是由蒸汽凹陷區(qū)的瞬時坍塌引起的，稱為鎖孔孔隙度。

在過量激光能量輸入（高功率和慢掃描速度）的條件下，金屬汽化施加反沖壓力，將熔池表面推下，形成一個狹窄而深的匙孔，在匙孔中發(fā)生多次激光反射和吸收事件。盡管這增加了金屬的整體激光吸收，并通過提高能量效率和增加構建速率而有利于制造過程，但匙孔壁上的不均勻激光吸收會產(chǎn)生局部熱點，并導致反沖壓力、蒸汽動態(tài)壓力、毛細管力和Marangoni力之間的不平衡。在不穩(wěn)定的匙孔條件下，氣泡會夾離鎖孔尖端，當氣泡被前進的凝固前沿捕獲時，一些氣泡最終會成為孔隙缺陷。對于給定材料的LPBF，功率速度（P-V）過程圖中的不穩(wěn)定鎖孔區(qū)可以用很小的不確定性來定義。將初始激光參數(shù)設置在不穩(wěn)定的鎖孔區(qū)域外有助于減輕鎖孔孔隙率的產(chǎn)生。然而，LPBF中涉及的多個因素仍然可以抵消激光熔化模式，并產(chǎn)生容易產(chǎn)生匙孔氣孔的條件，例如激光光斑大小、功率和掃描速度的漂移，以及導致局部過熱的掃描策略。因此，即使初始機器設置為打印特定材料而優(yōu)化，零件中仍可能存在鎖孔孔隙。

LPBF中匙孔生成的實時檢測不僅對于促進構建后部件的鑒定和問詢，而且對于開發(fā)能夠預測構建過程中局部變化需求的閉環(huán)控制系統(tǒng)也是至關重要的。光學和聲學傳感器通常被用作過程監(jiān)測器，并且已經(jīng)開發(fā)了數(shù)據(jù)分析方法來將過程特征與孔隙率相關聯(lián)。盡管學界取得了一些成功，特別是在機器學習的應用中，用于區(qū)分容易出現(xiàn)孔隙的條件和正常條件，但在局部和瞬間檢測鎖孔的產(chǎn)生仍然具有挑戰(zhàn)性。這個問題是因為匙孔產(chǎn)生的隨機性除了加工參數(shù)漂移的明顯原因之外，還有其他物理根源。在不穩(wěn)定匙孔條件下的激光掃描過程中，氣泡形成的確切位置是隨機的，哪些氣泡最終將成為孔隙缺陷，哪些氣泡將被鎖孔重新捕獲并消失，這是不確定的。
在此，美國弗吉尼亞大學的Tao Sun教授聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學Anthony D. Rollett利用同步高速同步輻射X射線和熱成像，發(fā)現(xiàn)了Ti-6Al-4V在不穩(wěn)定小孔條件下的兩種小孔振蕩模式。通過整合實驗數(shù)據(jù)、多物理場模擬和機器學習，開發(fā)了一種檢測匙孔生成的方法。該方法利用從匙孔區(qū)域發(fā)出的熱信號來預測孔隙生成，LPBF過程的X射線圖像為校準和驗證理論模型以及訓練機器學習算法提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎事實，并以亞毫秒的時間分辨率對粉末床和裸露基底樣品實現(xiàn)了近乎完美的檢測精度。相關研究成果以題“Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion”發(fā)表在學術頂刊Science上。

鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667

在阿貢國家實驗室高級光子源的32-ID-B束線進行了操作性實驗（圖1A）。高能x射線穿過單層粉末床或裸露基底樣品，以揭示地下結構動力學，設置了一個熱攝像機，以采集熔池的傾斜俯視圖。高斯分布和波長為1070nm的連續(xù)波模光纖激光器以不同的功率和速度沿單個直線掃描樣品。收集了來自單線熔化事件的全場x射線圖像（圖1C），空間分辨率為2至3 mm/像素，時間分辨率為0.1 ns至7.5 ms，幀速率為50 kHz至1.08 MHz。同時，收集了可見光至紅外光譜范圍內(nèi)熔體軌跡的熱圖像（圖1B），視角為38°至58°，空間分辨率為5至30 mm/像素，時間分辨率為0.3至5 ms，幀速率為50至200 kHz。

通過設置閾值，從鎖眼區(qū)域提取了平均發(fā)光強度，這將2D光學圖像濃縮為1D圖（圖1D）。這種數(shù)據(jù)壓縮可以大大減輕實時監(jiān)控中計算機存儲的負擔，因為高分辨率圖像可以立即用相機芯片處理。同時，1D時間序列信號有助于識別與鎖眼動力學相關的頻率相關特征。對分割的1D數(shù)據(jù)集進行小波分析，以創(chuàng)建尺度圖（圖1E），這揭示了時域中局部化的特征振蕩。將操作性x射線成像結果標記為“孔隙”和“非孔隙”的短窗口尺度圖輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN），用于預測鎖眼孔隙生成事件（圖1F和圖S3）。

圖1 LPBF中實時鎖孔孔隙率檢測

（A）Ti-6Al-4V掃描激光熔化同步同步x射線和熱成像實驗示意圖。（B）代表性角度俯視熱圖像。（C）代表性側視圖x射線圖像。（D）從熱圖像序列中提取的來自鎖眼區(qū)域的平均發(fā)射強度的典型時間序列信號[（B），虛線橢圓]。（E）對（D）中的時間序列信號進行小波分析。比例圖被分成幾個窗口，然后根據(jù)操作性x射線成像結果標記為“非孔隙”或“孔隙”。（F）以分段尺度圖作為輸入數(shù)據(jù)的機器學習方法。使用了CNN，它由一系列交替的卷積和池化層以及最終層組成。每個卷積層使用從訓練模型學習的濾波器從其前一層提取特征，以形成特征圖。然后，池化層對特征圖進行下采樣，以減少要學習的參數(shù)數(shù)量。CNN的最后一層將輸入比例圖分類為“非孔隙”或“孔隙”。

圖2 Ti-6Al-4V中的固有和微擾鎖孔振蕩

（A）沒有產(chǎn)生鎖孔的固有鎖孔振蕩的兆赫x射線圖像。（B）產(chǎn)生鎖孔的微擾鎖孔振蕩的兆赫x射線圖像。（C）固有鎖孔振蕩的熱圖像。（D）本征鎖孔振蕩的高速x射線圖像和相應的多物理模擬。（E）從（C）中的熱圖像序列中提取的鑰匙孔周圍的平均發(fā)光強度的時間序列信號。（F）與（E）中的時間序列信號相對應的比例圖。（G）微擾鎖孔振蕩的熱圖像。（H）微擾鎖孔振蕩的高速x射線圖像和相應的多物理模擬。（I） 從（G）中的熱圖像序列中提取的鑰匙孔周圍的平均發(fā)光強度的時間序列信號。（J）與（I）中的時間序列信號相對應的尺度圖。激光功率和速度分別為200W和400mm/s。（E）和（I）中的顏色標記指示具有（C）、（D）、（G）和（H）中所示的相應幀的數(shù)據(jù)點，這些幀具有相同顏色的邊界。

圖3 數(shù)據(jù)錯誤標記對預測率的影響

（A）鎖孔的原位標記時間t1示意圖，即氣泡擠壓鎖孔的瞬間。（B）圖示（A）中標記的同一孔隙的原位標記時間t2，即與最終孔隙位置相對應的人工力矩。（C）粉末床和平板樣品的實驗和模擬數(shù)據(jù)的原位標記時間t2與原位標記時間t1的函數(shù)。線性回歸用黑色虛線表示。由于t1和t2（~0.02 ms）的不確定性遠小于所考慮的時間尺度，因此該圖中未顯示誤差條。（D）機器學習預測精度的等值線圖是誤標率和標度圖窗口長度的函數(shù)。錯誤標記率的變量是通過在訓練數(shù)據(jù)中隨機分配一定比例的比例圖作為原位標記的反向標記來創(chuàng)建的。（E）原位、異位和校準異位標記的標度圖窗口長度函數(shù)的誤標記率。（F）相應的機器學習預測精度是尺度圖窗口長度的函數(shù)。（E）和（F）中的誤差條是10次重復訓練的標準差，表示將訓練數(shù)據(jù)劃分為訓練集和驗證集的隨機性。

本文描述的研究結果突出了操作性同步輻射x射線成像實驗的有利特征。它不僅為校準多物理模型提供了關鍵信息，還能夠發(fā)現(xiàn)與鎖孔孔隙度相關的獨特鎖孔振蕩行為。定量的理解為機器學習模型奠定了基礎，該模型可以從熱成像中檢測鎖孔的形成。利用操作性x射線成像獲得的地面真相，該方法能夠以100%的準確度和亞毫秒的時間分辨率檢測粉末床樣品中鎖孔的生成。對于那些使用同步加速器有限或無法使用同步加速器的人來說，這種方法可以通過兩種方式很容易地應用于LPBF系統(tǒng)，如前所述。離軸檢測方案和僅對1D數(shù)據(jù)序列的需求對于沒有預安裝同軸成像光學器件或高性能計算硬件的現(xiàn)有LPBF系統(tǒng)可能特別方便。通過檢查鎖孔和熔池的振蕩行為來檢測構建異常的策略是通用和實用的�；�于這一核心概念的過程監(jiān)控系統(tǒng)將促進金屬AM零件的鑒定和認證。