特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。鎖孔的危害及檢測(cè)的必要性
經(jīng)過三十多年的密集研究和開發(fā)，激光粉末床熔融(LPBF)已經(jīng)發(fā)展成為一種方便快捷、設(shè)計(jì)周期短的金屬增材制造技術(shù)。作為一種主要的金屬增材制造技術(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發(fā)揮其作為顛覆性制造技術(shù)的全部潛力之前，仍然需要克服一些技術(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化金屬粉末，逐層形成三維(3D)物體。打印過程中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)，往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷，如多孔性。其中一種常見的孔隙度是由蒸汽凹陷帶的瞬間坍塌引起的，稱為鎖孔孔隙度。鎖孔壁上不均勻的激光吸收產(chǎn)生了局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致反沖壓力、蒸汽動(dòng)壓、毛細(xì)力和馬蘭戈尼力之間的不平衡。在不穩(wěn)定的鎖孔條件下，氣泡將鎖孔尖端掐斷，部分氣泡被前進(jìn)的凝固前沿截留，最終成為孔隙缺陷。即使為打印某些材料而優(yōu)化了初始機(jī)器設(shè)置，零件中仍可能存在鎖孔孔隙。LPBF鎖孔生成的實(shí)時(shí)檢測(cè)不僅對(duì)于促進(jìn)建造后零件的詢問和鑒定至關(guān)重要，而且對(duì)于開發(fā)閉環(huán)控制系統(tǒng)至關(guān)重要，該系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)建造過程中局部變化的需求。光學(xué)和聲學(xué)傳感器通常被用作過程監(jiān)測(cè)器，數(shù)據(jù)分析方法已經(jīng)開發(fā)出來，將過程特征與孔隙度聯(lián)系起來。盡管該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些成功，特別是在機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用方面，在區(qū)分孔隙傾向條件和正常條件方面取得了一些成功，但在局部和瞬時(shí)檢測(cè)鎖眼孔隙的生成仍然具有挑戰(zhàn)性。問題本源是因?yàn)殒i孔孔隙生成的隨機(jī)性質(zhì)有其他物理根源，而不僅僅是處理參數(shù)漂移的明顯原因。在不穩(wěn)定鎖孔條件下的激光掃描中，氣泡形成的確切位置是隨機(jī)的，哪些氣泡最終會(huì)成為孔隙缺陷，哪些氣泡會(huì)被鎖孔重新捕獲并消失是不確定的。
解決方案
有鑒于此，美國弗吉尼亞大學(xué)Tao Sun等利用高速同步X射線和熱成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了Ti-6Al-4V在不穩(wěn)定鎖孔條件下的兩種鎖孔振蕩模式。后通過集成實(shí)驗(yàn)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(cè)鎖眼孔隙生成的方法。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)算法提供了數(shù)據(jù)豐富的地面真相。論文以《Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion》題發(fā)表在Science上。
研究結(jié)論
原位實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析在美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源的32-ID-B光束線上進(jìn)行了operando實(shí)驗(yàn)(圖1A)。高能X射線通過單層粉末床或裸基底樣品來揭示亞表面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。的高斯分布的連續(xù)波模式光纖激光器(波長1070 nm)以不同的功率和速度沿單一直線掃描樣品收集單軌道熔化事件的X射線圖像(圖1C)。同時(shí)在可見光到紅外光譜范圍內(nèi)采集了熔體軌跡的熱圖像(圖1B)。通過設(shè)置閾值，將二維光學(xué)圖像壓縮成一維圖(圖1D)。對(duì)分割的1D數(shù)據(jù)集進(jìn)行了小波分析，以創(chuàng)建尺度圖揭示時(shí)域局部的特征振蕩(圖1E)。將短窗尺度圖輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)，用于預(yù)測(cè)鎖孔孔隙生成事件(圖1F)。
圖 1：LPBF中的實(shí)時(shí)孔隙率檢測(cè)利用熱成像技術(shù)檢測(cè)小孔生成的方法是在觀察和理解小孔振蕩的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。研究將這兩種模式定義為本征振蕩和微擾振蕩。穩(wěn)定鎖孔和不穩(wěn)定鎖孔均存在本構(gòu)振蕩(圖2A-F)，是馬蘭戈尼力、表面張力和后坐力之間變化平衡的結(jié)果。在一個(gè)振蕩周期內(nèi)(圖2C-F)中，當(dāng)鎖孔邊緣開口最小時(shí)，鎖孔后壁直接暴露在入射激光束下，并被加熱至高溫(圖2C)。馬蘭戈尼力使熱液體對(duì)流(圖2D)。熔池表面的液體流動(dòng)擴(kuò)大了鎖孔的開口并使其冷卻。當(dāng)大部分熱液向后流動(dòng)時(shí)，鎖孔溫度降至最低，開孔達(dá)到最大。此后，由于鎖孔周圍的溫度梯度大大減小，馬朗戈尼力變得可以忽略不計(jì)。近紅外(NIR)相機(jī)收集的鎖孔熱信息作為本征振蕩的指標(biāo)(圖2)：不穩(wěn)定鎖孔條件下的本振機(jī)制與穩(wěn)定鎖孔條件下的本振機(jī)制相同。在不穩(wěn)定的鎖孔條件下，本征振蕩不是造成鎖孔孔隙產(chǎn)生的原因。這是因?yàn)榧词箍赡軙?huì)有暫時(shí)的鎖眼塌陷和氣泡產(chǎn)生，本然振蕩所涉及的強(qiáng)大的向前液體流動(dòng)可以將氣泡推向前進(jìn)的激光，并使其被快速鉆開的鎖眼捕獲。
微擾振蕩僅發(fā)生在不穩(wěn)定鎖孔條件下(圖2)。不穩(wěn)定的鎖孔具有鎖孔壁上高度動(dòng)態(tài)的突出結(jié)構(gòu)。匙孔前壁上的突起有兩個(gè)影響：i)突起物使其正下方的液體不被入射激光直接加熱。因此，突出物上方和下方的液體之間產(chǎn)生了很大的溫差，形成了復(fù)雜的流動(dòng)模式。馬蘭戈尼力驅(qū)使熱液體向上和向后移動(dòng)，使鎖孔邊緣打開(圖2H)。ii)凸起將入射激光反射到鎖孔后壁的中上區(qū)域，形成局部熱點(diǎn)，鎖孔底部反沖壓力減小。這兩種效應(yīng)都增加了鎖孔壁坍塌的幾率(圖2B)。一旦發(fā)生坍塌，新的鎖孔直接暴露在激光下，該鎖孔的溫度升高(圖2G)。然后，高反沖壓力迅速向下推鎖孔。同時(shí)，馬蘭戈尼力將熱液體從新生鎖孔底部輸送到后緣，促進(jìn)了鉆孔過程。在此過程中，鎖孔前壁出現(xiàn)了一個(gè)新的突起，開始了新的擾動(dòng)振蕩周期。高頻微擾振蕩是Ti-6Al-4V中產(chǎn)生鎖孔氣孔的另一個(gè)原因。一旦鑰匙孔倒塌，鑰匙孔的下部從上部分離，出現(xiàn)作為一個(gè)氣泡掐掉鑰匙孔尖端。然后通過新的鎖孔將氣泡向下和向后推(圖2B)。當(dāng)氣泡遠(yuǎn)離鎖孔時(shí)，其運(yùn)動(dòng)主要受熔池內(nèi)流體流動(dòng)的控制。很少有孔隙能夠通過流向熔池表面或循環(huán)回鎖孔而逸出，而大多數(shù)孔隙被前進(jìn)的凝固前沿捕獲并成為孔隙缺陷。機(jī)器學(xué)習(xí)輔助鎖眼孔隙檢測(cè)本征振蕩和微擾振蕩的不同頻率使我們能夠以高保真和高分辨率探測(cè)鎖孔。研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)，使用標(biāo)記的尺度圖片段來訓(xùn)練CNN算法，將測(cè)試數(shù)據(jù)分類為“孔隙”和“非孔隙”情況。使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)高預(yù)測(cè)率的一個(gè)關(guān)鍵因素是準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)標(biāo)注。錯(cuò)標(biāo)率越大，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的性能越差(圖3)。不同于先前研究，本研究的operando同步加速器x射線成像實(shí)驗(yàn)中，不僅可以測(cè)量小孔的最終位置，還可以測(cè)量氣泡形成的確切時(shí)刻(圖3)。數(shù)據(jù)線性回歸結(jié)果表明，非原位標(biāo)記可導(dǎo)致孔隙發(fā)生時(shí)間的不確定性增加~0.4 ms，導(dǎo)致預(yù)測(cè)率顯著降低(圖3F)。通過校準(zhǔn)模擬，優(yōu)化的熱成像方案和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研究展示了兩種不需要額外的同步加速器實(shí)驗(yàn)的實(shí)用方法：第一種是通過添加0.4 ms來校準(zhǔn)前位置標(biāo)記的時(shí)間，以更好地表示鎖孔孔隙形成的時(shí)刻。時(shí)間戳的校準(zhǔn)降低了誤標(biāo)率(圖3E)，顯著提高了預(yù)測(cè)精度(圖3F)。第二種是使用校準(zhǔn)良好的模擬來訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，平板和粉末床樣品的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別為85%和87%。顯然，第二種方法預(yù)測(cè)粉末床樣品中孔隙的生成更加困難。這種差異強(qiáng)調(diào)了開發(fā)更復(fù)雜的LPBF模型的必要性，其中應(yīng)該考慮控制粉末運(yùn)動(dòng)和蒸汽羽流動(dòng)力學(xué)的物理。
圖 3：數(shù)據(jù)錯(cuò)誤標(biāo)記對(duì)預(yù)測(cè)率的影響
結(jié)語
研究通過operando X射線成像獲得的孔隙特征，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了以100%的精度和亞毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率檢測(cè)粉末床樣品中鎖孔孔的生成。離軸檢測(cè)方案和僅需要1D數(shù)據(jù)序列，對(duì)于沒有預(yù)先安裝同軸成像光學(xué)或高性能計(jì)算硬件的現(xiàn)有LPBF系統(tǒng)特別方便。通過檢測(cè)鎖孔和熔池的振蕩行為來檢測(cè)結(jié)構(gòu)異常的策略具有通用性和實(shí)用性。研究相信建立在這一核心概念上的過程監(jiān)控系統(tǒng)將促進(jìn)金屬AM零件的資格和認(rèn)證。ZHONGSHUREN et al. Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion. Science. 2023, 379: 89-94.DOI：10.1126/science.add4667https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667
