重磅,！3D打印Ti-6Al-4V合金登頂《Science》!

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：多孔性缺陷是目前阻礙激光金屬增材制造技術(shù)廣泛采用的主要因素。當(dāng)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(jī)器學(xué)習(xí)，開發(fā)了一種檢測隨機(jī)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(yù)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(biāo)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(shù)。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(jǐn)慎,。作為一種主要的金屬增材制造（AM）技術(shù)，LPBF能夠制造具有復(fù)雜幾何形狀和精細(xì)特征的零件,。然而,，在LPBF作為一種顛覆性制造技術(shù)發(fā)揮其全部潛力之前，仍需要克服一些技術(shù)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(jié)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)動力學(xué),。它們的相互作用常常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dǎo)致反沖壓力,、蒸汽動態(tài)壓力、毛細(xì)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(dāng)氣泡被前進(jìn)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(shè)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(dǎo)致局部過熱的掃描策略。因此,，即使初始機(jī)器設(shè)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(jìn)構(gòu)建后部件的鑒定和問詢,，而且對于開發(fā)能夠預(yù)測構(gòu)建過程中局部變化需求的閉環(huán)控制系統(tǒng)也是至關(guān)重要的,。光學(xué)和聲學(xué)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(guān)聯(lián),。盡管學(xué)界取得了一些成功,，特別是在機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)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(jī)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(jī)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(xué)的Tao Sun教授聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學(xué)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(jī)器學(xué)習(xí),，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(yù)測孔隙生成，LPBF過程的X射線圖像為校準(zhǔn)和驗證理論模型以及訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)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(guān)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(xué)術(shù)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(jìn)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(jié)構(gòu)動力學(xué)，設(shè)置了一個熱攝像機(jī),，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(shè)置閾值,，從鎖眼區(qū)域提取了平均發(fā)光強(qiáng)度，這將2D光學(xué)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(jī)存儲的負(fù)擔(dān),，因為高分辨率圖像可以立即用相機(jī)芯片處理。同時,，1D時間序列信號有助于識別與鎖眼動力學(xué)相關(guān)的頻率相關(guān)特征,。對分割的1D數(shù)據(jù)集進(jìn)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(jié)果標(biāo)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(luò)（CNN），用于預(yù)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(cè)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(qiáng)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(jìn)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(jié)果標(biāo)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(jī)器學(xué)習(xí)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(xùn)練模型學(xué)習(xí)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(jìn)行下采樣，以減少要學(xué)習(xí)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(yīng)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(qiáng)度的時間序列信號,。（F）與（E）中的時間序列信號相對應(yīng)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(yīng)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(qiáng)度的時間序列信號。（J）與（I）中的時間序列信號相對應(yīng)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(biāo)記指示具有（C）、（D）,、（G）和（H）中所示的相應(yīng)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(biāo)記對預(yù)測率的影響

（A）鎖孔的原位標(biāo)記時間t1示意圖,，即氣泡擠壓鎖孔的瞬間,。（B）圖示（A）中標(biāo)記的同一孔隙的原位標(biāo)記時間t2，即與最終孔隙位置相對應(yīng)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(biāo)記時間t2與原位標(biāo)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(yuǎn)小于所考慮的時間尺度,，因此該圖中未顯示誤差條,。（D）機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測精度的等值線圖是誤標(biāo)率和標(biāo)度圖窗口長度的函數(shù)。錯誤標(biāo)記率的變量是通過在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中隨機(jī)分配一定比例的比例圖作為原位標(biāo)記的反向標(biāo)記來創(chuàng)建的,。（E）原位,、異位和校準(zhǔn)異位標(biāo)記的標(biāo)度圖窗口長度函數(shù)的誤標(biāo)記率。（F）相應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)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(fù)訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)差,，表示將訓(xùn)練數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集和驗證集的隨機(jī)性,。

本文描述的研究結(jié)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(zhǔn)多物理模型提供了關(guān)鍵信息,，還能夠發(fā)現(xiàn)與鎖孔孔隙度相關(guān)的獨特鎖孔振蕩行為,。定量的理解為機(jī)器學(xué)習(xí)模型奠定了基礎(chǔ)，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(zhǔn)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(yīng)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(yù)安裝同軸成像光學(xué)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(gòu)建異常的策略是通用和實用的,。基于這一核心概念的過程監(jiān)控系統(tǒng)將促進(jìn)金屬AM零件的鑒定和認(rèn)證,。