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(shí)，就會(huì)出現(xiàn)常見的孔隙。本文通過同時(shí)高速同步x射線成像和熱成像，再加上多物理場(chǎng)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(cè)隨機(jī)小孔孔隙生成事件的方法，該方法具有亞毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率和近乎完美的預(yù)測(cè)率。通過操作x射線成像實(shí)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(jiǎn)單實(shí)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(shí)對(duì)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(huì)觸發(fā)瞬態(tài)現(xiàn)象和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)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(shí)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(gè)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(huì)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，并導(dǎo)致反沖壓力、蒸汽動(dòng)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(huì)夾離鎖孔尖端，當(dāng)氣泡被前進(jìn)的凝固前沿捕獲時(shí)，一些氣泡最終會(huì)成為孔隙缺陷。對(duì)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(gè)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(shí)時(shí)檢測(cè)不僅對(duì)于促進(jìn)構(gòu)建后部件的鑒定和問詢，而且對(duì)于開發(fā)能夠預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)鎖孔的產(chǎn)生仍然具有挑戰(zhàn)性。這個(gè)問題是因?yàn)槌卓桩a(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(guó)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、多物理場(chǎng)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)，開發(fā)了一種檢測(cè)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(hào)來預(yù)測(cè)孔隙生成，LPBF過程的X射線圖像為校準(zhǔn)和驗(yàn)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(shí)，并以亞毫秒的時(shí)間分辨率對(duì)粉末床和裸露基底樣品實(shí)現(xiàn)了近乎完美的檢測(cè)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)光子源的32-ID-B束線進(jìn)行了操作性實(shí)驗(yàn)（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(dòng)力學(xué)，設(shè)置了一個(gè)熱攝像機(jī)，以采集熔池的傾斜俯視圖。高斯分布和波長(zhǎng)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(gè)直線掃描樣品。收集了來自單線熔化事件的全場(chǎng)x射線圖像（圖1C），空間分辨率為2至3 mm/像素，時(shí)間分辨率為0.1 ns至7.5 ms，幀速率為50 kHz至1.08 MHz。同時(shí)，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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控中計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的負(fù)擔(dān)，因?yàn)楦叻直媛蕡D像可以立即用相機(jī)芯片處理。同時(shí)，1D時(shí)間序列信號(hào)有助于識(shí)別與鎖眼動(dòng)力學(xué)相關(guān)的頻率相關(guān)特征。對(duì)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(shí)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(cè)鎖眼孔隙生成事件（圖1F和圖S3）。

圖1 LPBF中實(shí)時(shí)鎖孔孔隙率檢測(cè)

（A）Ti-6Al-4V掃描激光熔化同步同步x射線和熱成像實(shí)驗(yàn)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(shí)間序列信號(hào)[（B），虛線橢圓]。（E）對(duì)（D）中的時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行小波分析。比例圖被分成幾個(gè)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(gè)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(duì)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(shí)間序列信號(hào)。（F）與（E）中的時(shí)間序列信號(hào)相對(duì)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(shí)間序列信號(hào)。（J）與（I）中的時(shí)間序列信號(hào)相對(duì)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(diǎn)，這些幀具有相同顏色的邊界。

圖3 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤標(biāo)記對(duì)預(yù)測(cè)率的影響

（A）鎖孔的原位標(biāo)記時(shí)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(shí)間t2，即與最終孔隙位置相對(duì)應(yīng)的人工力矩。（C）粉末床和平板樣品的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)的原位標(biāo)記時(shí)間t2與原位標(biāo)記時(shí)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(shí)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(cè)精度的等值線圖是誤標(biāo)率和標(biāo)度圖窗口長(zhǎng)度的函數(shù)。錯(cuò)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(zhǎng)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(cè)精度是尺度圖窗口長(zhǎng)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(cè)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(shí)間分辨率檢測(cè)粉末床樣品中鎖孔的生成。對(duì)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(cè)方案和僅對(duì)1D數(shù)據(jù)序列的需求對(duì)于沒有預(yù)安裝同軸成像光學(xué)器件或高性能計(jì)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(cè)構(gòu)建異常的策略是通用和實(shí)用的�；�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。