Prediction of Melt Pool Geometry for Laser Additive Manufacturing Based on Neural Network and Dimensional Analysis

激光熔化沉积（Laser melting deposition, LMD）是一种以激光为热源，基于分层制造原理将数字模型逐层加工成三维实体的先进制造技术，目前已经被广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医疗等领域。沉积过程中，金属材料在激光的辐射下熔化，形成熔池，冷却、快速凝固成形。熔池是金属增材制造瞬态变化的基本单元，其几何尺寸直接影响打印件的宏观尺寸和微结构，进而影响成形件的力学性能。对熔池几何尺寸的精准预测能够指导工艺参数的选择，从而为制备高精度、高性能打印件提供理论依据。但是，熔池的形成是一个短时、剧烈而复杂的非线性过程，在目前条件下建立精准的与实际熔池相匹配的物理模型对其尺寸进行预测是一项非常困难的任务，因此有必要开发数据驱动的统计学或半定量模型来指导、协助实时监测与反馈控制系统，以获得更加精准的成形结构件。本文针对LMD，通过机器学习和量纲分析建立了较高精度的熔池几何尺寸预测模型。全文的主要研究内容如下： 首先，通过机器学习方法建立了熔池几何尺寸的预测模型。建立了三个结构为&ldquo;3-4-1&rdquo;的误差反向传播（Backpropagation, BP）神经网络，通过改变成形过程的三个关键工艺参数（激光功率、扫描速度、送粉速率）对LMD-316L不锈钢材料的熔池的尺寸（包含熔池高度即熔高、熔池深度即熔深、熔池宽度即熔宽）进行了预测，引入了L2正则化和早停法防止模型过拟合。结果表明，BP神经网络模型预测精度较高，三个预测模型的平均相对误差分别为7.6%、8.82%和2.06%，且兼具较高的泛化能力。 其次，通过量纲分析方法对LMD的物理过程进行了分析，建立了适用于多种材料的熔池几何尺寸预测模型。该模型将熔池的形成过程分为能量输入和质量（粉末）输入两部分，用&Pi;定理得到了影响熔池几何尺寸的无量纲数。利用LMD进行了316L不锈钢和Inconel 625两种材料的单道成形实验，根据单道成形实验结果得到了无量纲数与无量纲熔池总高和熔高之间的定量关系，其中模型线性回归的决定系数分别为0.86和0.89，这表明利用量纲分析方法实现了对多材料熔池尺寸较高精度的预测。 最后，讨论了熔高预测模型的必要性、准确性和实用性。本文进行了单道多层薄壁熔高实验，验证了高精度的熔高预测模型能指导LMD层间抬高量的选择，验证了熔高预测的必要性。采用了新的工艺参数组合，进行了单道多层打印，将实际每层熔高和预测值进行比较，最终两个预测模型的平均相对误差分别为1.5%和3.2%，说明预测模型不仅能较为准确地预测熔池几何尺寸，指导工艺参数的选择，还能推广应用于复杂的实际打印模式。 综上所述，本文分别建立了精度和泛化能力较高的BP神经网络模型和精度较高地跨材料量纲分析模型，利用该模型对LMD的熔池几何尺寸进行了预测，预测模型能够指导工艺参数的选择，对制备高质量、高性能的打印件有重要意义。另外，本文还为建立基于数据驱动的模型来处理LMD中复杂的非线性问题提供了新思路。</p

激光熔化沉积制备316L不锈钢的电化学腐蚀及空化腐蚀性能

利用激光熔化沉积(LMD)制备了316L不锈钢样件,系统研究了激光功率、扫描策略、重熔及打印方向对成形件电化学腐蚀及空化腐蚀性能的影响,并与锻造316L的腐蚀与空化腐蚀特性进行了比较。用开路电位测量法和动电位极化法测试了各沉积态试样在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性能,并分析了不同工艺参数下LMD-316L不锈钢样品的空化腐蚀性能。与锻造316L的均匀等轴晶显微结构相比,打印态LMD-316L具有与工艺参数相关的非平衡微结构,即:大小角度晶界、晶粒、胞/枝晶亚结构、与工艺相关的缺陷等,LMD-316L不锈钢的晶粒尺寸远大于锻造316L,提高激光功率、打印方向从水平方向变为垂直打印时,材料的晶粒尺寸和枝晶臂间距均呈增大趋势,然而,重熔和90°旋转扫描策略处理后,材料的晶粒尺寸和枝晶臂间距变化趋势明显不同,显微硬度测试结果表明枝晶臂间距相比晶粒尺寸能够更好地解释显微硬度的变化规律。这种显著的微结构差异也导致了LMD-316L不锈钢的电化学及空化腐蚀性能明显不同于锻造316L。电化学腐蚀测试结果表明LMD-316L不锈钢的耐腐蚀性能远优于锻造316L,不同工艺参数下LMD-316L不锈钢样件的极化电阻R_p相比锻造316L提高了2～98倍,而腐蚀电流密度i_(corr)降低了1～2个数量级;超声振动空化系统测试结果表明LMD-316L不锈钢的抗空蚀能力优于锻造316L,但LMD-316L内孔洞、晶界等作为应力集中源会优先发生空化损伤,并在随后的空化腐蚀进程中呈现“突出状”并逐渐消失形成大量韧窝。材料的抗空化腐蚀能力主要取决于其局部力学性能,LMD-316L不锈钢的硬度显著高于锻造316L,因此其抗空蚀能力显著提高,然而由于LMD-316L不锈钢内部存在不均匀的微组织和与工艺相关的孔洞缺陷,导致LMD-316L不锈钢的显微硬度云图呈现空间不均匀分布的特点,因而LMD-316L不锈钢空化后的表面形貌在某些局部区域存在较为严重的空化损伤

激光选区熔化成形316L不锈钢工艺、微观组织、力学性能的研究现状

增材制造涉及快速的非平衡热过程，导致成形件中存在大量的亚稳相和缺陷，这些亚稳相和缺陷在构件服役过程中极易成为失效源。因此，打印态构件一般都要经过热处理才能充分发挥其潜在的性能优势。近年来，国内外许多研究机构在激光选区熔化(SLM)制备316L不锈钢方面取得了突破，SLM-316L不锈钢打印态的强度和韧性都远远超过锻件，这是因为材料内部形成了跨越6个数量级的非均匀层级结构(包括晶粒、缺陷、熔池、胞结构、纳米氧化物颗粒),这是增材制造通过其特殊的非平衡热过程调控材料微结构的结果。316L不锈钢具有面心立方结构，在冷却至室温过程中不发生固态相变，这种特性非常有利于开展基础研究，揭示增材制造材料跨尺度结构对其性能的影响规律。本文详细阐述了SLM-316L不锈钢成形在工艺、跨尺度结构及力学性能方面的研究现状，结合笔者的工作，阐明并分析了SLM-316L不锈钢具有高强高韧力学性能的主流学术观点，展望了该材料今后的重点研究方向