金属合金增材制造中的可打印性图的评估(2)
时间：2022-12-27 09:22 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
3.1.1 对于Ni-5wt.%Nb图的边界不确定性
有限元模型中包含的其他物理结果是以增加参数数量为代价的。为了确定这些参数中的哪一个对预测的可打印性图影响最大，我们将不确定性从关键的热物理属性传播到可打印性地图本身的打印区域边界，如图6所示的围绕每个边界的阴影区域。
参数按其对边界的影响顺序排列，其中液体电导率KL影响最大，KV影响最小。比较每个地图内的相对边界厚度时，可以进行一些有趣的观察。例如，与锁孔和缺失边界相比，KS对球边界具有相对较强的影响。这可以解释为Ks对熔体池的长度而不是宽度或深度具有更强的影响。相反，as = l优先影响锁孔和缺失边界，这意味着它不会影响熔池长度。av的主要影响是对锁孔边界的影响，这与其在锁孔形成过程中近似提高激光吸收率的方法的实现一致。
在比较不同参数之间的边界不确定性时，KL显然对所有边界影响最大。不幸的是，KL是理解最少的电导率值，并且在文献中发现的不同有限元模型之间差异很大。此问题源于普遍缺乏液态金属合金的实验电导率测量，以及有限元模型中参数的人为增加，以替代熔池内的对流传热。蒸气电导率值KV和KVz的影响较小，是为不确定性传播提供的输入值范围相对较窄的结果。
图7 Ni–Nb合金在15%的门槛值时预测得到的可打印图
除了从模型输入传播的不确定性外，还存在与阈值标准值本身相关的不确定性。为了理解这些不确定性对可打印性预测的总体形态的影响，在阈值 ± 15% 处计算映射，得到图7中看到的6个曲线图。
3.2 CoCrFeMnNi高熵合金的可打印性图
用于预测Ni5wt% Nb合金的可打印性图的相同过程应用于等原子CoCrFeMnNi高熵合金系统。在图8中可以看到所得到的可打印性图。这些图与上面的Ni-5wt % Nb图具有相同的一般拓扑结构，但是区域的间距和相对尺寸完全不同，并且在确定用于AM的合适协议时进一步突出了合金和工艺参数空间之间的强耦合。
图8 CoCrFeMnNi高熵合金利用可打印图得到的预测的熔池形貌
图8-0 在能量为 0.25 J/mm的时候原位合金化后的熔池所得到的PF图
图8-1三层后得到的IPF图和平均晶粒
与Ni-5wt% Nb合金相反，对hea的研究不那么全面，仅在加工空间的狭窄区域研究其可打印性。虽然没有那么多的单轨观测值可以通过实验准确地指示每个打印区域的位置，但在有限元图中，对球区域的预测明显过高。从在Ni-5wt % Nb系统中进行的不确定性分析中吸取教训，这可以归因于该系统的液体电导率的不确定性。然而，锁孔和缺乏融合边界的预测与实验确定的形态非常吻合，在图8中显示为不同颜色和形状的标记。
图9 CoCrFeMnNi高熵合金在采用有限元和Eagar-Tsai模型预测所得到的精度情况
同样，由于Ni-5wt.% Nb案例中讨论的相同原因，有限元模型的预测能力优于Eagar-Tsai模型。在Eagar-Tsai模型中，对材料性能和物理学的假设过于简单，导致熔池尺寸无法在整个工艺空间中精确校准。这一点通过图9中所示的两个模型的预测-实际比较得到进一步证实。熔池宽度明显被高估，而熔池深度被Eagar-Tsai模型预测不足。宽度比较还显示了有限元模型能够捕获实验确定的80e90mm处的熔池宽度极限的能力。这归因于有限元模型通过包含气相转变以及随后将激光更深地渗透到基板中而从表面加热过渡到体积加热的能力。
3.3 打印性的比较
除了在每张图内进行内部比较外，本研究中两种材料之间的可打印性直接比较也可以提供有价值的见解。从预测和实验来看，很明显，在L-PBF条件下，Ni-5wt % Nb比CoCrFeMnNi HEA具有更大的可打印区域。可打印区域的形状和方向也可以告诉我们材料对激光功率或扫描速度变化的敏感性。在Ni-5wt % Nb情况下，更多的等轴可打印区域指示对两个处理参数的相同灵敏度，而在HEA情况下，细长的打印区域指示对激光功率的比扫描速度更高的灵敏度。考虑到这一点，基于现有证据和计算框架，我们可以很容易地得出结论，在这种情况下，Ni-5wt % Nb合金是更可打印的合金。
图10 (a) 热传导模式；(b) 匙孔模式的示意图和在扫描速度为 300 W & 600 mm/s的条件下得到的单道SEM图和原位合金化的示意图结果
4.总结和结论
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可打印性图与实验结果吻合良好。仅对较小的修改，将框架应用于两种截然不同的合金系统的一致性和准确性，这有力地表明该方法适用于多种材料。这很重要，因为这表明可以通过识别成功的加工参数，使用所提出的计算方法来先验评估任意合金作为AM原料的适用性，从而为合金设计提供了合理的路线，降低了对AM过程中机器可变性的敏感性。
但是，在可以在设计框架中使用预测的合金可打印性之前，必须对所提出的方法进行进一步验证。可以通过更准确地预测不确定性来提高此可打印性框架的预测能力。如果先验地存在特定合金的实验熔池测量，则可以通过对模型的热物理参数进行贝叶斯校准来更准确地定义围绕这些边界的不确定性 [43]。这将导致为手头的特定问题专门定义的输入值分布。在考虑计算合金设计时，此选项不一定可行，因为根据定义，正在优化的合金从未经过实验测试。然而，在优化之前更好地定义不确定性会增加成功的机会。
除了更好地理解不确定性之外，可打印区域边界的准确性还可以通过包括其他物理特性 (例如自由表面流体流动建模) 来提高。然而，这种模型复杂性的增加将导致计算费用的增加，可能会排除其在迭代优化方案中的使用。考虑到这一点，这项工作中提出的基于有限元的热模型代表了快速但不太准确的Eagar-Tsai方法与包含流体动力学的缓慢但更准确的模型之间的良好中间立场。
图11 在300 W & 600 mm/s,的条件下得到的 (a) IPF图和 (b)EDS结果；
通过利用图3和图8中的蓝色可打印区域的尺寸和形状的定量测量作为设计度量，可以将合金的组成和所得的可打印性之间的直接连接结合到迭代优化方案中。例如，可以通过使用这样的优化方案来确定将使可打印区域的尺寸最大化的合金组成的调整，来提高现有合金对加工参数和环境条件变化的鲁棒性。开发一种更精确的方法来连接组成和相相关的热物理性质 (即比上述Ni-5wt中使用的混合规则模型更复杂。% Nb案例)，如果优化扩展到稀释溶液近似值可以达到的区域之外，则需要考虑用。
图12 . (a) 在150 W & 600 mm/s 和扫描间距为 60 μm的条件下得到的单层样品的IPF图. (b)不同扫描间距下的平行晶粒生长的示意图； (c) 高P & v和 (d) 低 P & v的结果
我们想指出的是，定义可打印区域只是优化加工零件性能的第一步。一旦定义了可打印区域，就可以通过优化其他重要材料现象 (例如凝固前沿形态，二次相演化和合金成分的蒸发控制) 来确定该区域内特定工艺参数集的选择。此外，当在可打印区域本身内进行优化时，如图6所示对边界位置中的不确定性进行量化是重要的，并且可以提供关于最有效的不确定性量化练习的进一步输入，以基于特定感兴趣量对给定合金的可打印性图中的方差的影响来执行。
文章来源：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
参考资料：
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，
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