机器|激光粉末床熔合中成分和相图特征对适印性和微观结构的影响：合金系统加工图的开发和比较（一）( 二 ) 机器

Laves相的Ostwald熟化会降低材料的力学性能，从而导致韧脆转变。必须延迟Laves相的粗化，以确保IC的长寿命。 Laves相也在标度以下分离（图7.12）；这与它们对硅的亲和力一起，可能是IC电性能退化的另一个原因。

为了绘制工艺图并建立L-PBF工艺参数与凝固微观结构之间的关系，必须首先确定导致全零件致密化的一系列参数。工艺参数的选择对AM零件的密度有重要影响。 AM期间孔隙形成的机制已经很清楚，但缓解策略仍处于发展阶段。过去，高密度零件制造的参数优化是通过在广泛的参数空间中打印大块零件来实现的。最近，提出了几种利用熔池尺寸预测的方法，以减少确定提高全零件密度的参数的实验试验。
更正式地说，投影面积是投影到垂直于撞击速度矢量的平面上的飞机面积。如果飞机前部、顶部和侧面区域AF、AT和AS分别由单位法向量n?F、n?T和n?S定向，如图：飞机区域图和飞机相对于下落碎片的运动。
Seede等人将一个通过单轨实验校准的分析模型和一个基于几何体的图案填充间距方程结合起来，以构建包括三个关键L-PBF参数的处理图：激光功率、激光扫描速度和图案填充间距。经证明，这些工艺图包括生产新开发的低合金钢全致密零件的最佳参数范围，并取得了较高的成功。该框架已针对几种不同的合金系统进行了全部或部分验证，包括钢、镍基合金和形状记忆合金。进一步开发包括凝固微观结构成分的这些加工图将在LPBF期间提供加工参数和开发微观结构之间的直接联系，并允许对额外制造零件的微观结构进行优化，以及系统地比较各种合金成分的印刷适性和微观结构的能力。
人们对设计新合金以应对增材制造带来的复杂挑战有着浓厚的兴趣。为了开发新的合金，了解成分和材料性能变化如何影响额外制造的零件至关重要。目前的工作利用参数优化框架，结合实验单轨微观偏析数据，以开发L-PBF中致密化和微观结构的处理图。然后为四种二元镍基合金（即Ni-20at%Cu、Ni-5at%Al、Ni-5at%Zr和Ni-8.8at%Zr）绘制了加工图，以分别表示二元同晶、弱溶质分配、强溶质分配和共晶合金化条件。
定量波长色散光谱（WDS）观察了单轨和块体实验，以验证加工图，并阐明材料性能和合金化条件对L-PBF印刷适性和微观结构的影响。通过利用本研究中生成的数据集，使用机器学习方法开发了一个经验模型，以准确预测枝晶微观偏析结构，作为L-PBF工艺参数和易于获取的材料特性输入的函数。
2.实验方法
2.1. 合金选择
目前还没有公认的标准来开发或选择适合AM的合金系统。然而，可以从焊接文献和快速凝固研究中获得见解。枝晶凝固的微观偏析是一个关键挑战，它会导致AM中的凝固开裂和不良相形成。这种现象取决于凝固前沿的速度和平衡分配系数（ke）。平衡分配系数是合金系统中固体和液体溶质浓度的比率（ke=Cs/Cl）。在非平衡快速凝固条件下，如L-PBF中的典型情况，分配系数与速度有关。这表明，如文献所示，通过提高激光扫描速度来提高凝固速度有望减少微观偏析。
上图a显示了不同位错速度下，在距离滑移面一个原子间距离的平面上的动态浓度。当流速达到102 nm/s时，其总体形状和最大浓度值仍接近平衡值。此外，就在移动位错之前形成耗尽。在较高的速度时，最大浓度降低，形成尾部。对应的应力-速度关系如图b所示。当速度为v1 = 70 nm/s时，应力增加到τx 。 Cottrell和Jaswon(1949)表明，该临界速度为12 kTD/mbΔΩ量级，其中D为溶质扩散系数。
然而，以足够高的速度加工某些合金以完全解决枝晶凝固可能是不可行的。在设计AM合金时，平衡分配系数可用于控制微观偏析。一种带有K的合金≈ 1可能不需要高打印速度，因为预计不会发生微偏析。因此，可以使用简单的平衡相图特征来选择不会出现溶质捕获的潜在合金系统。类似地，共晶合金凝固成两个固相，而不经过液固两相区，这将避免微观偏析。
随着冷却速度的增加，共晶凝固过程中生长的耦合相变得更加细化，通常表现出优异的机械性能。多组分商用合金的微观结构复杂性和合金成分的差异，使得难以对不同合金系统的印刷适性进行全面分析。出于这些原因，选择以下四种二元合金作为L-PBF加工的简单模型合金系统，以评估合金成分、相图特征和材料物理性能在AM期间印刷适性和微观结构演变中的作用。这些合金的二元相图如图1所示，使用CALPHAD Thermo Calc软件计算的相关材料性能见表1 。

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