Uncertainty Analysis of Microsegregation during Laser Powder Bed Fusion
增材制造中的质量控制可以通过目标量（QoI）的变化控制来实现。在这项工作中，我们选择显微组织的显微偏析作为我们的QoI。微观偏析是由溶质元素在激光粉末床熔合工艺期间在合金熔池固化期间形成的固-液界面上的空间再分布引起的。由于工艺和合金参数对微观结构特征的统计变化有贡献，因此必须对QoI进行不确定性分析。高通量相场模拟估计的固-液界面，增长的熔池凝固条件，估计从有限元模拟。从不同工艺和合金参数的模拟界面确定显微偏析。相关性、回归和替代模型分析用于量化不同来源的不确定性对生活质量变异性的贡献。我们发现，温度梯度和吉布斯-汤姆逊系数的贡献可以忽略不计，凝固速度，液体扩散系数和偏析系数的QOI相当大的贡献。累积分布函数和概率密度函数被用来分析凝固过程中的质量指数的分布。我们的方法，第一次，确定的不确定性来源和频率密度的质量在固化制度相关的增材制造。
2019-01-24 physics.app-ph
Effect of varying preheating temperatures in electron beam powder bed fusion: Part I Assessment of the effective powder cake thermal conductivity
使现有EB-PBF工艺参数适应新的粉末材料系统的主要障碍之一是控制预热条件，使得每层粉末导致足够的部分烧结以产生连贯的粉末饼。为了能够理解粉末烧结过程并使其适用于其他材料，我们必须查看粉末床的烧结程度和有效导热系数。深入了解这些特性将有助于定制预热条件，此外，在构建完成后更容易去除/去除复杂部件的粉末，而不会影响预热现象的优势。本研究评估了预热温度对原位粉饼性质的影响。采用三种不同的预热温度（650 °C、690 °C和730 °C）对Ti-6Al-4V粉末块进行预热，并且在每个独立构建中，制造独特的粉末捕获伪影，以便能够使用X射线计算机断层成像分析原位粉末块特性。得到了改变预热温度后的粉饼导热系数的解析模型。结果表明，在给定的预热温度下，粉饼的有效导热系数强烈地依赖于堆积密度、接触尺寸比和配位数。随着预热温度的升高，粉饼的堆积密度（从58.42%到61.87%）、接触尺寸比（从0.45到0.48）、配位数（从3.36到3.58）和有效导热系数（从1.75到2.11 W/m/K）均呈线性增加。
2021-07-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Quantitative analysis of thin metal powder layers via transmission X-ray imaging and discrete element simulation: Blade-based spreading approaches
铺展均匀致密的层对于使用粉末床增材制造（AM）制造高质量部件至关重要。刀片状工具通常用于散布粉末金属原料，特别是在激光粉末床熔合和电子束熔化中，其中粉末的特征在于30微米或更大的D50。随着由打印部件的逐层几何形状和表面形貌引入的边界条件的变化，铺展工具和粉末之间的随机相互作用导致层质量的空间变化，这仍然没有得到很好的理解。在这里，为了研究在代表粉末床AM的条件下的粉末铺展，我们采用模块化的机械化装置，用选择的刀片状铺展工具从中等和高度粘性的粉末中产生粉末层。粉末层有效深度的空间映射使用透射X射线成像，并通过统计方法的均匀性进行量化。我们首先比较层密度，或粉末层的有效深度，并表明，叶片几何形状与曲线轮廓导致增加材料沉积。其次，这种方法能够量化局部波动或层缺陷严重程度。例如，我们观察到，与45度刚性刀片相比，V形橡胶刀片的主要益处在于使刀片边缘能够局部偏转以消除大颗粒的条纹，同时还增加沉积。此外，我们采用自定义DEM模拟来阐明颗粒密度和表面能与伪材料方法的相反作用，其中惯性力和cohesion内聚力的平衡决定了宏观尺度的粉末流动性。对于特定的合金密度，我们发现了一个临界表面能，超过该临界表面能，当使用刀片进行粉末铺展时，层密度会大大受损。
2022-09-09 physics.app-ph
Post-Heat Treatment Design of High-Strength Low-Alloy Steels Processed by Laser Powder Bed Fusion
在这项研究中，通过了解工艺-组织-性能关系，对增材制造的含铜高强度低合金（HSLA）-100钢进行了后热处理设计。采用热等静压（HIP）工艺对经激光粉末床熔合（LPBF）处理的HSLA-100钢进行处理，使其气孔率从3%降至1%以下。采用淬火速率法设计了热等静压工艺参数，使热等静压后的马氏体转变量最大。然后，引入循环再结晶的后热处理步骤，以有效地细化晶粒，补偿HIP后的粗化组织。最后，通过显微组织表征和显微硬度优化回火。与完工的HSLA相比，在后热处理期间具有定制的微观结构的HSLA的屈服强度增加了两倍。
2020-05-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A Testbed for Investigation of Selective Laser Melting at Elevated Atmospheric Pressure
通过激光粉末床熔合（L-PBF）的金属增材制造（AM）建立在激光焊接领域中建立的基础之上，包括气体和羽流动力学对焊接深度和质量的影响。L-PBF要求对激光与金属粉末床相互作用时发生的复杂热物理现象进行彻底的研究。特别地，熔池湍流和蒸发受到环境气体化学和压力的影响。本文介绍了高压激光熔化（HPLM）试验台的设计和验证，这可容纳裸金属板样品以及手动涂覆的单一粉末层，并在高达300 psig的操作。该试验台的开放式架构允许完全控制所有相关激光参数，以及构建区域的环境气压和气流。为了验证系统性能，对裸板和粉末上的代表性熔体轨迹和光栅进行了检查，初步分析得出结论，压力对熔池纵横比有显着影响。因此，HPLM系统能够仔细研究压力对常见L-PBF材料加工的影响，并且可以在未来应用于在环境压力下具有挑战性的材料，例如具有高蒸气压的材料。
2021-07-04 physics.app-ph
A spiral laser scanning routine for powder bed fusion inspired by natural predator-prey behavior
通过激光粉末床熔融（LPBF）进行的增材制造提供了材料的多功能性，复杂几何形状的能力，以及对机械性能和微观结构的控制。然而，实现高质量的输出需要考虑局部和全局热梯度的工艺参数。在这里，我们提出了一种新的扫描模式，以减轻由不均匀的加热和冷却引起的零件质量问题。一个自然启发的设计方法，以获得一个螺旋图案源于捕食者-猎物的行为，和功率优化例程应用于保持恒定的熔池深度。比较模拟的热历史的螺旋图案，以完善的锯齿形和螺旋扫描模式，我们建议，螺旋图案显着降低了整个扫描区域的温度的空间变化，而更大的区域仍然高于指定的阈值温度在扫描结束时。因此，螺旋模式是有前途的LPBF的易裂材料，并为未来的LPBF整体优化。
2021-11-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Inference of highly time-resolved melt pool visual characteristics and spatially-dependent lack-of-fusion defects in laser powder bed fusion using acoustic and thermal emission data
提出一种融合声学与光电二极管热发射数据的数据驱动监测方法，在1.0 ms窗口内推断熔池视觉形态并检测相邻扫描线间的空间相关LOF缺陷。
2023-12-11 physics.app-ph
MeltpoolINR: Predicting temperature field, melt pool geometry, and their rate of change in laser powder bed fusion
提出MeltpoolINR这一数据驱动的可微分神经网络模型，结合傅里叶特征编码与自动微分，隐式表示熔池边界为水平集，能预测激光粉末床熔融中的温度场、熔池几何形状及其变化率，精度优于现有卷积神经网络模型。
2024-11-27 physics.app-ph physics.comp-ph
Airborne acoustic emission enables sub-scanline keyhole porosity quantification and effective process characterization for metallic laser powder bed fusion
本文提出利用空气声发射结合轻量卷积神经网络，以亚扫描线级分辨率定量预测激光粉末床熔融中的小孔诱导孔隙，并实现工艺图中小孔区域边界的非侵入式推断。
2025-08-19 physics.app-ph
Quantitative analysis of thin metal powder layers via transmission X-ray imaging and discrete element simulation: Roller-based spreading approaches
各种工具可用于在粉末床增材制造方法中铺展金属、陶瓷和聚合物原料。当铺展具有有限流动性的粉末时，经常使用辊，如在包含细粒度或高表面能材料的粉末中出现的。在这里，我们研究了基于辊的粉末铺展粉末床AM使用一个专门建造的粉末铺展试验台的独特组合与粉末层深度的X射线映射的成熟方法。我们专注于名义上100微米厚的辊展Ti-6Al-4V和Al-10 Si-Mg粉末层的密度和均匀性。我们的研究结果表明，当旋转太快，辊施加的剪切力阻碍了高固有流动性的粉末，或由颗粒密度驱动的惯性力占主导地位的cohesion内聚力的致密和均匀的层的创建。辊反向旋转增强了内聚粉末层的均匀性，主要是通过减少流动粉末中的颗粒簇的影响，否则这些颗粒簇会导致深的沟槽状条纹。同伴离散元法（DEM）模拟进一步情境化的实验，通过隔离层属性的凝聚力的影响。结果表明，辊的运动参数可以施加额外的剪切力的流动粉末的战略水平，从而减轻高粘性原料的结块行为特征，同时保持高的层均匀性。
2022-09-09 physics.app-ph
A new heat source model for selective laser melting simulations based on energy distribution on the powder layer and the surface of substrate
为了更准确地预测选区激光熔化（SLM）过程中熔池的形状信息，提出了一种新的有限元温度场仿真模型。模拟使用一种新的热源模型，该模型考虑了粉末布局、基底表面和熔化后粉末层厚度变化对能量分布的影响。为了构建这种新的热源模型，首先提出了一种基于梯度下降和单变量搜索技术的改进优化方法来模拟粉末布局，然后跟踪并记录激光束在粉末和基底表面之间的传播，以获得能量分布。最后，根据激光能量在粉末层和基体表面之间的分布，将热源模型分为两部分：一种是基片表面热源模型为高斯分布，另一种是粉层热源模型为水平面上满足高斯分布，根据通过拟合获得的函数关系在深度方向上改变。此外，还分析了粉末层熔化后的厚度变化，并在热源模型中予以考虑。将粉体仿真结果与粉体散射实验结果进行了对比，验证了粉体模型的有效性。将温度场模拟结果与实验结果进行对比，结果表明，预测的熔池宽度相对误差为6.4%，连接宽度误差为9.6%，具有较好的精度，验证了温度场模拟模型的有效性。
2021-06-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Architectural bone parameters and the relationship to titanium lattice design for powder bed fusion additive manufacturing
钛（Ti）和Ti-6Al-4V晶格的增材制造（AM）已被提议用于骨植入物和增强器械。对于骨应用，Ti和Ti-6Al-4V具有良好的生物相容性、耐腐蚀性和疲劳强度;然而，与人体骨小梁和皮质骨的天然微观和介观结构相对应的Ti-6Al-4V晶格设计的最佳参数尚未得到充分理解。完成了一项全面的综述，以比较人骨中的天然晶格结构与Ti和Ti-6Al-4V晶格结构用于骨置换和修复的特性。Ti和Ti-6Al-4V的晶格孔隙率从15%到97%不等，大多数研究报告的孔隙率在50- 70%之间。皮质骨的孔隙率约为5-15%，孔隙率为50-70%的网格能够实现相当的刚度、压缩强度和屈服强度。报告的骨小梁孔隙率范围为70- 90%，骨小梁厚度为120-200 μm。现有的粉末床熔合技术已经产生了200-1669 μm的支柱和壁厚。这表明Ti和Ti-6Al-4V晶格结构的当前AM与骨小梁结构之间的重叠有限，表明利用晶格化复制天然骨小梁参数具有极大的挑战性。本综述通过确定Ti和Ti-6Al-4V晶格与骨微结构自然参数的对应关系，为知识体系做出贡献，并为解决粉末床融合技术公认的性能差距提供设计和AM建议的进一步指导。
2021-07-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Polymer-bonded magnets produced by laser powder bed fusion: Influence of powder morphology, filler fraction and energy input on the magnetic and mechanical properties
本研究对比了LPBF工艺中片状与球形SmFeN填料的性能，发现片状颗粒会垂直堆积方向排列，可低成本制备各向异性复合材料，同时明确了填料占比、形貌对磁性能的影响规律。
2022-10-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Spatial Mapping of Powder Layer Density for Metal Additive Manufacturing via X-ray Microscopy
均匀的粉末散布是通过粉末床增材制造（AM）创建一致的高质量部件的必要条件，其中层密度和均匀性是粉末特性、散布运动学和机械边界条件的复杂函数。由扩散过程的随机性质驱动的颗粒堆积密度的高空间变化阻碍了这些层属性的光学询问。因此，我们提出的透射X射线成像作为一种方法，直接映射的有效深度的粉末层在工艺相关的规模和分辨率。具体而言，我们研究了标称50-250微米厚度的层，通过将商业上获得的Ti-6Al-4V、316 SS和Al-10 Si-Mg粉末分散到精确深度模板中而产生。我们发现，粉末层填充分数可以预测从相结合的相对厚度的层相比，平均粒度，和流动性评估宏观尺度粉末休止角。功率谱密度分析作为一种工具，用于量化缺陷的严重程度作为一个功能的形态，并使层的均匀性和稀疏性的单独考虑。最后，传播研究使用多层模板，提供洞察粒子如何与先前沉积的材料和边界条件的突然变化相互作用。实验结果还比较了一个专门建立的离散元法（DEM）粉末传播模拟框架，澄清层的均匀性和密度，以及颗粒运动在粉末床在传播过程中的粘合剂和重力的竞争作用。
2021-03-24 physics.app-ph
An image-based transfer learning approach for using in situ processing data to predict laser powder bed fusion additively manufactured Ti-6Al-4V mechanical properties
本研究提出一种基于图像的迁移学习方法，利用原位光电二极管信号和预训练DCNN提取特征，高精度预测激光粉末床熔融Ti-6Al-4V的强度与延展性，为实时闭环控制提供可能。
2024-02-22 physics.app-ph
Phase Transformations During Continuous Cooling in Inconel 718 Alloys Manufactured by Laser Powder Bed Fusion and Suction Casting
了解合金在连续冷却过程中的相变对于后处理设计和优化非常重要。在这项工作中，连续冷却转变（CCT）图的Inconel 718合金的激光粉末床熔化（LPBF）和吸铸在不同的均匀化条件下的发展。与所报告研究中的可用CCT图不同，未观察到伽马双撇和伽马撇沉淀。NbC和δ被确定为从γ基体冷却后的沉淀物。重要的是，均质化时间和制造方法被发现会影响NbC颗粒附近的基体中的Nb均匀性，从而显著影响具有高Nb含量的δ相的沉淀过程。在具有高Nb均匀性的合金中，形核过程主要贡献于沉淀，而在具有低Nb均匀性的合金中，沉淀主要与生长过程相关。在0.1 K/s的冷却速度下，亚晶形成，并可导致样品中的最高硬度。本文的研究为Inconel 718合金冷却过程中的工艺-组织-性能关系的研究提供了新的视角，对合金后处理策略的制定具有一定的参考价值。
2022-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Green laser powder bed fusion based fabrication and rate-dependent mechanical properties of copper lattices
由周期性固体框架和孔隙组成的晶格结构由于其高比强度和大变形而可用于能量吸收应用。然而，这些结构通常遭受屈服后软化，这源于可用材料选择的有限塑性。本研究的目的是解决这个问题，通过制造由延展性纯铜（Cu）制成的晶格结构。首次采用绿光（λ = 515 nm）激光粉末床熔融（L-PBF）制备了Cu晶格结构。结构和显微结构分析证实，晶格结构由定义明确的晶胞组成，并显示出致密的显微结构。在~0.001 /s ~~1000 /s的应变速率范围内研究了该合金的变形行为。应力-应变曲线表现出平滑和连续的变形，没有任何屈服后软化，这可以归因于铜的内在力学性能。与死后显微镜检查相关联，纯铜晶格结构的率相关的变形行为进行了研究和合理化。目前的工作表明，复杂的铜结构可以制造L-PBF与绿色激光和韧性金属制成的晶格结构是适合于动态加载应用。
2022-10-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A Framework for Simulating the Path-level Residual Stress in the Laser Powder Bed Fusion Process
针对激光粉末床熔融（LPBF）路径级残余应力模拟计算成本高的难题，提出基于路径级热历史、引入有效热应变概念的高效模拟框架，经高保真结果验证后，探究了热历史与层形状对残余应力的影响。
2024-04-10 cs.CE physics.app-ph
Cyclic plasticity and fatigue damage of CrMnFeCoNi high entropy alloy fabricated by laser powder-bed fusion
CrMnFeCoNi高熵合金是高度可打印的，并且具有巨大的结构应用潜力。然而，在以往的研究中，没有显着的讨论循环塑性和疲劳损伤。本研究提供了重要的见解打印过程之间的联系，凝固组织，循环塑性和疲劳损伤演变的合金制造的激光粉末床融合。基于热力学的预测（通过扫描透射电子显微镜（STEM）能量色散X射线光谱（EDX）验证）表明，在所有考虑的打印参数中，Cr、Co和Fe分配到凝固单元的核心，而Mn和Ni分配到单元边界。位错滑移和形变孪晶都是导致塑性形变的主要原因。然而，前者被认为是循环塑性的单一主导机制。表面光洁度有助于显著延迟裂纹萌生，并导致未熔合孔隙成为裂纹萌生的主要来源。最重要的是，扫描策略显著影响晶粒排列和晶粒尺寸，导致对疲劳裂纹扩展的显著影响;特别是，在具有0°旋转的曲折扫描策略中观察到最高的裂纹扩展阻力，这归因于大多数柱状晶粒和沿着裂纹扩展路径的最小晶界间距。
2020-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Knowledge of Process-Structure-Property Relationships to Engineer Better Heat Treatments for Laser Powder Bed Fusion Additive Manufactured Inconel 718
在通过激光粉末床熔融增材制造（AM）生产并经受标准、直接时效和改进的多步热处理的Inconel 718（IN 718）的微观结构内量化位错结构、化学偏析、{γ ^{\prime}、{γ^{ \prime \prime }}、δ沉淀物和Laves相。此外，还记录了仍附着在构造板上的热处理样本与移除的样本的标准热处理。不同的微观结构对室温强度和断裂伸长率的影响。从这些工艺结构性质关系得到的知识用于设计AM-IN 718的在1020 ℃下15分钟的超固溶线固溶退火，随后在720 ℃下老化24小时热处理，其消除Laves和δ相，保留AM特定位错胞，其显示出通过MC碳化物颗粒稳定，并沉淀出致密的{γ^{ \prime }和{γ^{ \prime \prime }}纳米颗粒群。这种“针对AM-IN 718热处理进行优化”的结果是，相对于锻造/增材制造，然后是行业标准热处理IN 718，其性能更优越：无论完工表面光洁度还是机加工表面光洁度，屈服强度、极限强度和断裂伸长率分别相对增加7/10%、2/7%和23/57%。
2019-10-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Demonstration of a laser powder bed fusion combinatorial sample for high-throughput microstructure and indentation characterization
使用具有快速测量的组合样品的高通量实验可以用于以减少的时间、成本和努力提供过程-结构-性质信息。开发这些工具和方法对于增材制造至关重要，因为随着原料材料、增材机器和后处理的进步，增材制造经常需要新的工艺-结构-性能信息。在这里，我们展示了商业激光粉末床熔融系统上生产的组合样品的设计和使用，以研究镍高温合金625的60种不同工艺条件：三种不同条件下的五种激光功率和四种激光扫描速度。组合样品进行了表征，使用光学和电子显微镜，X射线衍射，和压痕，以估计的孔隙率，晶粒尺寸，晶体结构，第二相沉淀，和硬度。压痕和孔隙率结果与常规样品进行了比较。组合样品中的较小尺寸区域（3 mm X 4 mm）与具有类似孔隙率（<0.03%）的较大常规样品（20 mm X 20 mm）相比具有较低的硬度。尽管存在这种差异，但组合样品的晶粒尺寸、晶体结构和孔隙率与激光功率和扫描速度的关系以及硬度与应力消除条件的关系仍存在有意义的趋势。
2021-08-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Cyclic Re-austenitization of Copper-bearing High-Strength Low-Alloy Steels Fabricated by Laser Powder Bed Fusion
首次对增材制造的高强度低合金（HSLA）钢进行循环再结晶，以通过减小原奥氏体晶粒（PAG）尺寸来细化显微组织。在这项工作中，HSLA-100钢处理激光粉末床融合（LPBF）技术进行了几个周期的再结晶淬火法。每个循环的显微组织表征揭示了贝氏体、马氏体和马氏体/奥氏体（M/A）岛的存在。通过对复热曲线和显微组织的分析发现，复热处理后，PAG尺寸减小，马氏体开始转变温度（Ms）降低，贝氏体转变量减少，残余奥氏体含量增加。同时，最高的显微硬度以及组成相的峰值纳米硬度在第2次循环时实现。相反，从第3次循环，显微硬度，以及组成相的纳米硬度，被发现由于PAG尺寸的增加而降低。这种行为与在实现峰值细化之后达到饱和极限的一般趋势相反。研究发现，残余奥氏体可以作为钉扎颗粒，阻碍PAG边界移动，其分数被发现从第3循环减少。因此，在第三次循环之后PAG尺寸的增加可以归因于有效钉扎颗粒的不稳定，以在再结晶期间阻碍PAG边界移动。
2020-06-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Magneto-active composites with locally tailored stiffness produced by laser powder bed fusion
本研究提出单步激光粉末床熔融工艺，通过调控局部激光参数实现磁活性复合材料刚度在2-22MPa范围内的定制，制备的梯度结构驱动器性能优于均质结构，还展示了其在个性化磁响应支架等生物医学领域的应用潜力。
2023-12-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Laser Powder Bed Fusion of anisotropic Nd-Fe-B bonded magnets utilizing an in situ mechanical alignment approach
本研究提出利用原位机械取向方法，通过激光粉末床熔融一步制造各向异性Nd-Fe-B粘结磁体，无需磁场源，实现了最高0.78的取向度及优异的磁性能。
2023-05-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Effect of homogenization on precipitation behavior and strengthening of 17-4PH stainless steel fabricated using laser powder bed fusion
有效的后热处理对于在增材制造（AM）部件中实现高性能所需的微观结构至关重要。本文研究了均匀化对17-4PH钢组织-性能关系的影响。在17-4PH钢中观察到NbC、氧化物和ε-Cu的析出。为了设计最佳的后热处理，在1050 ° C下进行不同时间的均质化，然后在482 ° C下老化1小时。结果表明，均质化1小时后再进行时效处理，由于马氏体和原奥氏体晶粒细化，导致强度和塑性的最佳组合。热处理后的合金的拉伸性能得到了改善，超过了传统制造的17-4PH钢。通过对合金微观组织的综合分析，推测合金中的非共格ε-Cu析出相在均匀化过程中溶解，随后在时效过程中以共格富Cu团簇的形式重新析出。本研究表明，使用后热处理改变沉淀行为是一个有效的途径，以显着提高AM合金的机械性能。
2021-12-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Solidification Characteristics of Laser-Powder Bed Fused AlSi10Mg: Role of Building Direction
研究了激光-粉末床熔合（LPBF）成形方向对AlSi 10 Mg合金显微组织演变的影响。如实验制造的零件所示，构建方向可以影响凝固行为并促进胞状枝晶微结构中的形态转变。建立了AlSi 10 Mg合金激光加工过程的热模型，系统地研究了激光加工条件对熔池热特性的影响，为激光加工AlSi 10 Mg合金提供了指导。然后，我们采用了多序参量相场模型，研究LPBF-AlSi 10 Mg在稀释极限的微观结构演变，使用水平和垂直建设方向作为输入的底层热条件。这里采用的相场模型的目的是模拟凝固，允许考虑到形态学现象，包括柱状等轴过渡（CET）从孕育剂颗粒的异相成核。相场模型首先验证对先前开发的稳态CET理论的Hunt \cite{hunt1984steady}的预测。然后，它是用于在瞬态条件下研究微观结构的演变，揭示了形核率是显着较高的水平建造的样品，由于较大的成分过冷度，这是与实验观察相一致。我们进一步量化的局部冷却条件的建设方向的影响，从而对晶粒形态。
2020-03-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Impact of Surface and Pore Characteristics on Fatigue Life of Laser Powder Bed Fusion Ti-6Al-4V Alloy Described by Neural Network Models
University of Notre Dame（圣母大学）；Johnson & Johnson（强生）；Rolls-Royce Corporation（罗尔斯·罗伊斯公司）
在这项研究中，研究了表面粗糙度和孔隙特征对激光粉末床熔合（LPBF）Ti-6Al-4V零件疲劳寿命的影响。使用相同的激光功率但不同的扫描速度打印197个疲劳条。这些作用导致微尺度孔隙的几何形状的变化，并且使用微计算机断层成像来表征这种变化。为了在疲劳棒中产生表面粗糙度的差异，对一半样品进行喷砂处理，另一半进行机加工。疲劳行为进行了分析，相对于表面粗糙度和统计的孔隙。对于喷砂处理的样品，在LPBF策略中的轮廓激光扫描导致了具有不同特征的表面和内部孔的孔耗尽区隔离。对于机械加工的样品，其中表面孔类似于内部孔，疲劳寿命与平均孔径和垂直于应力方向的平面中的投影孔面积高度相关。最后，使用脱落神经网络（DONN）的机器学习模型建立了表面和孔隙特征与疲劳数据（logN）之间的联系，并证明了良好的预测精度。除了预测疲劳寿命外，DONN还可以估计预测的不确定性。
2021-08-28 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.app-ph
Automated Segmentation and Analysis of Microscopy Images of Laser Powder Bed Fusion Melt Tracks
University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出基于U-Net的图像分割神经网络，用于自动识别和测量激光粉末床熔融熔道尺寸，在62张跨设备图像上训练后分类准确率超99%，并提取熔池高度、宽度和润湿角。
2024-10-01 cs.CV physics.app-ph
The influence of beam focus during laser powder bed fusion of a high reflectivity aluminium alloy -- AlSi$_{10}$Mg
与其他常用合金相比，铝合金的LPBF与许多挑战相关，因为它们具有更高的反射率和热导率。在这项工作中，工艺图，温度预测模型，XCT，和金相用于建立在AlSi $_{10}$ Mg响应的基础上的高反射率铝合金的工艺参数优化标准，使用57个不同的工艺参数组合- 21个使用聚焦高斯激光束和36个使用发散光束。对于聚焦光束直径<100 μm的LPBF系统，通过散焦到LPBF构建板上方的位置获得的发散光束主要导致传导模式熔池，而聚焦光束导致过渡和小孔模式熔池。传导模式熔化有助于避免小孔模式缺陷，从而产生密度> 99.98%的部件。此外，聚焦光束的激光功率和速度设置的分析模型引导选择有助于稳定过渡熔化模式中的熔池和飞溅动态，从而能够获得接近传导模式密度（~99.98%）的密度值。在这项工作中，导出了无量纲的锁眼数（Ke），以确定不同的区域的传导（Ke 0-12），过渡（Ke 12-20），和锁眼（Ke > 20）模式熔化在LPBF的AlSi $_{10}$。观察到约0.4的熔池纵横比（熔池深度与宽度的比率）是AlSi $_{10}$的传导和过渡/小孔模式熔池之间的阈值，不同于常规假设的0.5。最后，与传导模式熔池相比，观察到过渡/小孔模式熔池的推断的激光吸收率值（从实验熔池）高出>40%。这项工作展示了一个无量纲的过程图方法，以获得近全致密的部分，可以推广为LPBF的高反射率合金。
2022-08-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Coercivity enhancement of selective laser sintered NdFeB magnets by grain boundary infiltration
激光粉末床熔融是一种成熟的增材制造方法，可用于生产网状Nd-Fe-B烧结磁体。然而，低矫顽力一直是激光粉末床熔融处理Nd-Fe-B磁体的缺点之一。在这项工作中，我们已经证明，晶界扩散过程中使用低熔点Nd-Cu，Nd-Al-Ni-Cu，和Nd-Tb-Cu合金的选择性激光烧结NdFeB磁体可以导致显着提高的矫顽力从0.65 T到1.5 T。详细的微观结构研究表明，富Nd晶界相的形成，在Nd 2Fe 14 B晶粒表面引入富Tb壳层，并保持晶粒尺寸在纳米级是导致大的矫顽力增强的原因。
2019-03-06 physics.app-ph
Laser-scanning of induction-melted Al alloys: are they representative of additively manufactured ones?
Carnegie Mellon University（卡内基梅隆大学）
本研究通过感应熔融样品的多路径激光扫描，模拟快速固结以替代定制粉末生产，分析了Al-Ni-Zr-Er合金的微观结构与机械性能，发现其微观结构相似但性能略有下降。
2025-01-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The influence of Bi2O3 glass powder in silver paste on the fabrication of ohmic contacts and its potential effectiveness in solar cells and integrated circuits on p-type silicon substrates
目前的工作严格调查的影响，低熔点玻璃上的金属接触的制造，与铋基氧化物玻璃和丝网印刷银接触用于集成电路（IC），太阳能电池和传感器的应用的目标。在这项研究中，新的电极接触制造的丝网印刷复合浆料组成的主要银粉，Bi 2 O3玻璃粉，和非环状粘合剂，然后在带式炉中烧制的浆料。采用X射线衍射（XRD）和转移长度法（TLM）分析了不同腐蚀条件下复合膜在830 ~ 890 °C烧成后的微观结构。通过差热分析（DTA）、扫描电镜（SEM）、电子探针X射线微区分析（EPMA）、二次离子质谱（SIMS）和透射电镜（TEM）等测试手段，研究了Bi 2 O3玻璃对银浆性能的影响。以确定Bi 2 O3与银混合的效果以及所得金属接触在IC制造中的功效。据观察，添加剂，Bi 2 O3玻璃，控制的银到玻璃中的熔融，影响银微晶的沉淀。此外，在烧成温度的增加引起的Ag微晶的过度生长和电流泄漏，和Ag微晶的尺寸和Bi 2 O3玻璃中的关系被确认。
2020-08-23 physics.app-ph
Spreading of highly cohesive metal powders with transverse oscillation kinematics
本文提出一种用于高粘结性金属粉末铺展的横向振荡运动学方法，通过DEM-FEM模拟与X射线成像实验验证，发现该方法能实现高堆积分数且均匀连续的粉末层，并显著减少裂纹缺陷。
2025-04-26 cs.CE physics.app-ph
Interplay between powder catchment efficiency and layer height in self-stabilized laser metal deposition
在激光金属沉积（LMD）中，沉积轨迹的高度可以在层内和层之间变化，从而在工艺演变期间引起显著偏差。先前的工作已经表明，在某些条件下，发生自稳定机制，保持有规律的高度增长和恒定的零件和沉积喷嘴之间的间隔距离。在这里，我们分析粉末捕集效率和沉积高度稳定性之间的联系。为此，开发了一种监测系统，以研究在不同的工艺条件下的沉积，使用内联测量的试样重量与层的高度信息与同轴光学三角测量相结合。分析模型被用来估计的沉积效率在实时的高度监测和工艺参数，这是通过直接的质量测量验证。结果表明，轨迹高度稳定与粉末捕集效率的降低有关，粉末捕集效率由熔池相对于粉末锥和激光束的相对位置决定。对于给定的一组参数，可以估计对峙距离，以实现最高的粉末捕集效率和通过构建方向的规则高度。
2021-11-27 physics.app-ph
Thermophysical Phenomena in Metal Additive Manufacturing by Selective Laser Melting: Fundamentals, Modeling, Simulation and Experimentation
在金属材料的许多增材制造（AM）工艺中，选择性激光熔化（SLM）可以说是最通用的，因为它有潜力实现复杂的几何形状以及定制的微观结构。然而，SLM工艺的复杂性，以及对粉末和工艺参数与零件性能的预测关系的需要，要求进一步发展计算和实验方法。本文综述了SLM的基本物理现象，特别强调了相关的热行为。模拟和实验方法进行了讨论，根据三个主要类别。首先，宏观方法的目的是回答在组件级的问题，并考虑例如在SLM中普遍存在的残余应力或尺寸变形效应的确定。其次，介观方法集中在检测缺陷，如过度的表面粗糙度，残余孔隙度或夹杂物，发生在介观长度尺度的个别粉末颗粒。第三，微观方法研究了SLM工艺引起的高温度梯度和极端加热和冷却速率导致的冶金微观结构演变。考虑所有这三种长度尺度上的物理现象是强制性的，以建立在许多应用中实现高零件质量所需的理解，并充分利用SLM和相关金属AM工艺的潜力。
2017-09-04 cs.CE physics.app-ph
Particle Inertia-Driven Pore Formation over Material Property Effects in Laser Powder-blown Directed Energy Deposition
Texas A&M University（德克萨斯农工大学）；Colorado School of Mines（科罗拉多矿业学院）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
本研究通过原位X射线成像揭示LP-DED中颗粒惯性（高韦伯数）主导大孔隙形成，能量密度增加加深颗粒穿透并增大孔隙，为控制孔隙率提供物理依据。
2026-09-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.flu-dyn
Two-dimensional heat transfer and melt flow in the laser-impact zone at selective laser melting of thin walls -- II: Modeling
本文为薄壁选择性激光熔化建立二维传热与熔体流动CFD模型，揭示熔池涡流特征及混合不足现象，并提出误差在10%以内的熔池深度解析模型，发现熔深与线能量密度成正比，有助于优化SLM工艺。
2024-09-26 physics.app-ph physics.flu-dyn
