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）( 三 ) 机器

图1 四种合金的二元相图:Ni-20 at% Cu Ni-5 at% Al Ni-5 at% Zr Ni-8.8 at% Zr[44
， [45
， [46
。红色虚线表示每个相图中的合金成分。 (如需解释此图图例中对颜色的引用，读者可参考本文的网页版本。 )
表1 本研究中使用的四种合金的材料性能：Ni-20at%Cu、Ni-5at%Al、Ni-5at%Zr和Ni-8.8at%Zr 。本表中的数值使用CALPHAD Thermo Calc软件计算。

Ni-20at%Cu：选择Ni-Cu合金是因为其完全同晶系统。由于其非统一分配系数（ke=0.74）和中等凝固范围（20 K），预计该合金将出现微观偏析。该合金在凝固过程中缺乏第二相形成，这与下文所选多相合金系统的微观结构发展形成对比。

Ni-5at%Al和Ni-5at%Zr：为了研究合金的分配系数对AM微观结构均匀性的影响，选择了两种具有等效二元成分Ni95X5（at%）的镍基合金，其中X为溶质元素。由于溶质分配的显著差异， Ni-Al和Ni-Zr系统是测试分配系数效应的理想选择。由于Ni-5 at%Al的液相线和固相线在所有温度下几乎相同，并且其ke=0.96 ，因此预计Ni-5 at%Al几乎不会出现微观偏析。然而，由于较大的冻结范围（172k）和较低的分配系数（ke=0.11），预计Ni-5at%Zr合金中会出现显著的微观偏析。

Ni-8.8at%Zr：选择Ni-Zr系统的该成分是为了研究和对比L-PBF处理条件对共晶合金的影响，并与先前选择的合金进行比较。共晶合金表现出在凝固前沿之前交换质量的两相之间的耦合生长。在快速凝固条件下，非耦合固相的形核可以控制微观结构的形成。这种效应被称为异常生长，是由于凝固时间尺度变得太短，以致无法在凝固前沿之前发生有效扩散[48
， [49
。如果不发生这种情况，则预计不会在共晶合金中观察到微观偏析。相反，由于L-PBF工艺的高冷却速率特性，可能会出现精细的层状结构。

2.2. 工艺参数优化
为了确定激光功率扫描速度参数空间中的一个区域，该区域绕过了四种合金中每种合金的孔隙形成，实现了Seede等人提出的参数优化框架。该框架使用计算成本低廉的Eagar Tsai（E-T）分析热模型，对整个参数空间的熔池尺寸进行低保真预测。然后，利用这些初始预测对激光功率扫描速度空间进行采样，并进行单轨实验，对模型进行统计校准，以获得更高的预测精度。为此，在整个参数空间内，采用基于网格的采样策略对46个单轨试验进行采样，并在图2中显示为标记。
图2 Ni-20 (% Cu)、Ni-5 (% Al)、Ni-5 (% Zr)和Ni-8.8 (% Zr)的L-PBF工艺参数图。这些图包含了不同的锁孔准则(W/D≤1.21.52.0) ，以确定哪个准则最适合，以及由2.2节中讨论的校正后的Eagar - Tsai (ET)模型预测的缺乏融合准则(D≤0.667 t) 。利用支持向量机分类器绘制出适合单轨实验的球区。实验分类的单轨显示出锁孔、缺乏融合、球化和良好的轨道特征，在这些地图上用不同的符号和颜色标记，表明与ET模型预测良好匹配。 D:熔池深度， W:熔池宽度， t:粉层厚度。 (如需解释此图图例中对颜色的引用，读者可参考本文的网页版本。 )
选择激光功率(P) -扫描速度(v)采样空间的边界为(Pmin Pmax) = {71 260 W ，(vmin vmax) ={0.05 2.5 m/s 。将Pmax和vmax的值设置为机器限制，选择vmin是为了避免扫描速度过于缓慢。在E-T模型预测的合金熔体温度(Ni-5 at% Al)中， Pmin被选择为在vmin下达到熔体池深度等于一层厚度所需的最低功率。然后将参数空间划分为两个区域进行基于网格的单轨采样。在vmin = 0.05 m/s和v = 1.3 m/s之间采样30条单轨，其余16条单轨在v = 1.3 m/s和vmax = 2.5 m/s之间采样。第一个区域采样的密度更大，因为它预计包含所有合金系统的最优可印性区域。根据这些缺陷机构的特征，从俯视图和横截面显微图上对锁孔和球团单轨进行定性分类。
以前的研究使用熔池深度=层厚度的标准对缺乏单一轨道的融合进行分类。然而， Zhang等人报道，高密度打印仍然可以在这个缺乏融合的区域实现，这表明有必要放松这一限制。由于需要打印多个单轨和至少几层以形成缺乏融合孔隙度，单轨缺乏融合准则具有一定的任意性，因此我们选择一个不太保守的值来扩展功能性可打印区域。
根据实验测量结果，以熔池深度≤0.667 ×层厚(D≤0.667 t)为标准，对缺乏熔合的单轨进行分类。这个值被选中作为所需的最小单线深度穿透固体印刷电路板10层基于假设层印在底物的有效高度等于粉填料密度×层厚度和相对粉填料密度~ 60% 。

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