金屬合金增材制造中的可打印性圖的評估(2)
時間：2022-12-27 09:22 來源：長三角G60激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
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果是以增加參數數量為代價的。為了確定這些參數中的哪一個對預測的可打印性圖影響最大，我們將不確定性從關鍵的熱物理屬性傳播到可打印性地圖本身的打印區域邊界，如圖6所示的圍繞每個邊界的陰影區域。
參數按其對邊界的影響順序排列，其中液體電導率KL影響最大，KV影響最小。比較每個地圖內的相對邊界厚度時，可以進行一些有趣的觀察。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的影響。相反，as = l優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一致。
在比較不同參數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是理解最少的電導率值，并且在文獻中發現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金屬合金的實驗電導率測量，以及有限元模型中參數的人為增加，以替代熔池內的對流傳熱。蒸氣電導率值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果。
圖7 Ni–Nb合金在15%的門檻值時預測得到的可打印圖
除了從模型輸入傳播的不確定性外，還存在與閾值標準值本身相關的不確定性。為了理解這些不確定性對可打印性預測的總體形態的影響，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
用于預測Ni5wt% Nb合金的可打印性圖的相同過程應用于等原子CoCrFeMnNi高熵合金系統。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撲結構，但是區域的間距和相對尺寸完全不同，并且在確定用于AM的合適協議時進一步突出了合金和工藝參數空間之間的強耦合。
圖8 CoCrFeMnNi高熵合金利用可打印圖得到的預測的熔池形貌
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確地指示每個打印區域的位置，但在有限元圖中，對球區域的預測明顯過高。從在Ni-5wt % Nb系統中進行的不確定性分析中吸取教訓，這可以歸因于該系統的液體電導率的不確定性。然而，鎖孔和缺乏融合邊界的預測與實驗確定的形態非常吻合，在圖8中顯示為不同顏色和形狀的標記。
圖9 CoCrFeMnNi高熵合金在采用有限元和Eagar-Tsai模型預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，有限元模型的預測能力優于Eagar-Tsai模型。在Eagar-Tsai模型中，對材料性能和物理學的假設過于簡單，導致熔池尺寸無法在整個工藝空間中精確校準。這一點通過圖9中所示的兩個模型的預測-實際比較得到進一步證實。熔池寬度明顯被高估，而熔池深度被Eagar-Tsai模型預測不足。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
除了在每張圖內進行內部比較外，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域。可打印區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域指示對兩個處理參數的相同靈敏度，而在HEA情況下，細長的打印區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，基于現有證據和計算框架，我們可以很容易地得出結論，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果
4.總結和結論
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果吻合良好。僅對較小的修改，將框架應用于兩種截然不同的合金系統的一致性和準確性，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，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，從而為合金設計提供了合理的路線，降低了對AM過程中機器可變性的敏感性。
但是，在可以在設計框架中使用預測的合金可打印性之前，必須對所提出的方法進行進一步驗證�？梢酝ㄟ^更準確地預測不確定性來提高此可打印性框架的預測能力。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進行貝葉斯校準來更準確地定義圍繞這些邊界的不確定性 [43]。這將導致為手頭的特定問題專門定義的輸入值分布。在考慮計算合金設計時，此選項不一定可行，因為根據定義，正在優化的合金從未經過實驗測試。然而，在優化之前更好地定義不確定性會增加成功的機會。
除了更好地理解不確定性之外，可打印區域邊界的準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，這種模型復雜性的增加將導致計算費用的增加，可能會排除其在迭代優化方案中的使用。考慮到這一點，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確的Eagar-Tsai方法與包含流體動力學的緩慢但更準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結果；
通過利用圖3和圖8中的藍色可打印區域的尺寸和形狀的定量測量作為設計度量，可以將合金的組成和所得的可打印性之間的直接連接結合到迭代優化方案中。例如，可以通過使用這樣的優化方案來確定將使可打印區域的尺寸最大化的合金組成的調整，來提高現有合金對加工參數和環境條件變化的魯棒性。開發一種更精確的方法來連接組成和相相關的熱物理性質 (即比上述Ni-5wt中使用的混合規則模型更復雜。% Nb案例)，如果優化擴展到稀釋溶液近似值可以達到的區域之外，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的結果
我們想指出的是，定義可打印區域只是優化加工零件性能的第一步。一旦定義了可打印區域，就可以通過優化其他重要材料現象 (例如凝固前沿形態，二次相演化和合金成分的蒸發控制) 來確定該區域內特定工藝參數集的選擇。此外，當在可打印區域本身內進行優化時，如圖6所示對邊界位置中的不確定性進行量化是重要的，并且可以提供關于最有效的不確定性量化練習的進一步輸入，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，
(責任編輯：admin)
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