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oe1(光电查) - 科学论文

64 条数据
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  • 一种基于图像的激光粉末床熔融羽流特征监测统计学习方法

    摘要： 金属增材制造工艺的工业突破主要集中于航空航天和医疗等高度监管领域，这些领域对零部件及工艺认证具有极高要求。因此，业界日益关注能在加工过程中实时监测缺陷与不稳定状态的工具——这类工具能从工艺初始阶段就捕捉异常。实时测量数据可视为工艺行为的"特征签名"和最终零件质量的间接指标。本研究基于这样的理念：激光粉末床熔融（LPBF）工艺的副产物可作为过程特征来设计统计监测方法。具体而言，本文提出通过原位红外（IR）视频成像监测材料蒸发及周围气体加热形成的羽流，以此监控LPBF工艺。随着工艺自然动态变化，羽流的形态会在连续帧间自然改变，这种羽流描述符的多模态模式限制了传统统计监测技术的有效性。为此，我们提出名为K图的非参数控制图方案，该方案能根据监测数据的动态变化模式自适应调整报警阈值。通过锌粉LPBF的实际案例研究，验证了该方法在检测不稳定状态初期的能力——尽管锌因生物医学应用潜力巨大，但其低熔沸点特性给LPBF工艺带来特殊质量挑战。对比分析突显了本方法相较于其他竞争技术的优势。

    关键词： 工艺羽流，金属增材制造，激光粉末床熔融，红外成像，在线监测，锌

    更新于2025-11-28 14:24:20

  • 生物可降解镁合金WE43的激光增材制造：微观结构详细分析

    摘要： WE43是一种以钇和钕为主要合金元素的镁合金，已成为成熟的生物可降解植入材料。该合金植入物通常通过粉末挤压及后续机加工制成，但对于更复杂的几何结构，激光粉末床熔融（LPBF）技术展现出良好应用前景。然而该工艺涉及的熔池凝固过程中极高冷却速率及后续热处理会引发显微组织剧烈变化，这种变化对力学性能和降解行为的影响机制尚不明确。本研究通过对比LPBF制备的WE43与铸造WE43，重点采用电子显微镜成像、基于能量色散X射线光谱的化学元素分布分析并结合电子衍射进行相鉴定，系统研究了LPBF工艺诱导的显微组织演变。我们识别出多种显微组织类型：激光熔池中心存在等轴晶区，熔池边界则呈现层状区和部分熔化区。层状区由沿镁基面排列的枝晶状层状结构组成，其间分布着富钕纳米级金属间化合物相。这些相表现为由Mg3Nd构成的球形颗粒和位于镁柱面、由Mg41Nd5形成的片状结构。钇元素既以固溶体形式存在，也存在于源自粉末颗粒表壳的氧化颗粒中。由于后续激光扫描对层状区的热影响，在显著晶粒生长后块体材料中形成了强织构特征。

    关键词： 快速凝固、微观结构、骨支架、电子显微镜、可生物降解植入物、WE43合金、激光粉末床熔融、镁

    更新于2025-11-21 11:20:48

  • 利用激光粉末床熔融技术通过粉末混合实现极高合金化金属的快速合金开发

    摘要： 通过金属增材制造（AM）技术设计新型合金是一个新兴的研究领域。目前金属AM采用预合金粉末，这类粉末不仅成本高昂，且在化学成分调整方面缺乏灵活性。本研究阐述了在激光粉末床熔融（LPBF）工艺中应用元素粉末混合技术实现快速合金开发的方法，该方案能通过快速制备不同化学成分的合金，为新型合金的设计与筛选提供敏捷且资源高效的途径。该方法在多主元合金（MPEAs，又称高熵合金HEAs）这一新型复杂化学材料体系中得到验证——由于存在大量潜在合金组合空间，MPEAs成为本方法的理想研究对象。研究首先开发了适用于含至少五种元素粉末混合料的LPBF工艺参数；其次探究了加工参数及由此产生的能量密度输入对制件均匀性的影响；通过光学显微镜、电子背散射衍射（EBSD）和能谱分析（EDS）进行显微组织表征，采用拉伸试验评估力学性能；最终通过制造具有吸能功能的几何复杂点阵结构，验证了粉末混合料在LPBF中的应用可行性。

    关键词： 多主元合金、高熵合金、增材制造、快速合金开发、粉末混合物、激光粉末床熔融

    更新于2025-11-21 11:01:37

  • 激光粉末床熔融中热历史与匙孔孔隙率的相关性

    摘要： 增材制造有望彻底改变金属零部件的生产方式，它能制造出具有复杂几何形状的近净成形零件并减少材料浪费。目前，由于缺陷控制难度大，增材制造的零部件面临合格认证挑战。这促使大量研究致力于更好地理解和改进工艺控制——由此产生了大量原位测量技术，用于将缺陷与关键材料质量指标相关联。本研究开发了机器学习方法，用于探究激光粉末床熔融中多种打印条件下热历史与亚表面孔隙率之间的关联。通过高速红外成像获取非标准化表面温度（以黑体辐射形式呈现），并利用同步辐射X射线成像观察样品截面中的孔隙形成情况。为展示这些特征参数的预测能力，我们建立了四种统计机器学习模型，将温度历史与激光熔融Ti-6Al-4V粉末的亚表面孔隙形成相关联。

    关键词： 原位测量、匙孔孔隙、机器学习、激光粉末床熔融、X射线成像

    更新于2025-09-23 15:21:01

  • [IEEE NAECON 2019 - 美国电气电子工程师学会国家航空航天与电子会议 - 美国俄亥俄州代顿市（2019年7月15日-19日）] 2019年IEEE国家航空航天与电子会议(NAECON) - 基于卷积神经网络和红外断层扫描的激光粉末床熔融原位过程监测

    摘要： 增材制造（AM）是航空电子、生物医学、汽车和制造业等多个领域不断发展的技术方向。过去15年间，金属打印的激光粉末床熔融（LPBF）技术呈现出显著增长态势。由于该工艺生产的许多零部件（如生物医学植入物）属于高风险产品，其质量成为行业关注重点。为此，我们设计了一台配备原位传感器的LPBF设备来监控制造过程。通过图像处理与机器学习算法，能够高效分析海量数据并评估零部件质量，验证特定内部几何结构及制造缺陷。本研究采用计算机辅助设计（CAD）构建的含多尺寸（0.75-3.5毫米）特征几何体（正方形、圆形、三角形）的多层试件，基于选择性激光熔化（SLM）设备的红外（IR）图像进行特征检测。通过图像去噪预处理，结合主成分分析（PCA）进一步降噪，再运用卷积神经网络（CNN）识别特征并判定异常类别（该类别数据源自CAD图像构建的数据集）。经此自动化流程，共检测、分类并验证了300个几何元素与制造文件的匹配性。此外，系统还检测并保存了若干制造异常供终端用户核查。

    关键词： 激光粉末床熔融（LPBF）、主成分分析（PCA）、红外图像（IR）、卷积神经网络（CNN）、增材制造（AM）、计算机辅助设计（CAD）

    更新于2025-09-23 15:21:01

  • 金属激光粉末床熔融中的平均晶粒尺寸与晶粒长宽比：建模与实验

    摘要： 增材制造（AM）工艺导致3D打印零件力学性能存在高度不确定性，这是阻碍该工艺更广泛应用的主要因素之一。为解决这一问题，本研究提出了一种针对激光粉末床熔融（LPBF）工艺的新型高时效性微观结构预测算法。该算法结合熔池建模与实验设计方法，用于预测EOS M280 LPBF系统加工材料（包括铁基合金和IN625镍基合金）的微观结构（晶粒尺寸/长径比）。通过实验数据和文献数据的成功验证，证明该方法能有效优化不同LPBF粉末体系及设备参数。

    关键词： 激光粉末床熔融、增材制造、微观结构、工艺优化、分析模型

    更新于2025-09-23 15:21:01

  • 将激光粉末床熔融Ti-6Al-4V中基于衍射的应变与宏观应力相关联

    摘要： 激光粉末床熔融（LPBF）生产工艺常导致零件产生较大残余应力（RS）。目前亟需无损检测技术来测定残余应力，但通过衍射技术可靠量化宏观残余应力（即构件层面的应力）仍是重大挑战，因为基于衍射的应变与宏观残余应力之间的关联并非显而易见。本研究通过原位同步辐射衍射实验，确定了LPBF Ti-6Al-4V材料中这种关联。我们将实验结果与常用模型进行对比，以确定所谓的衍射弹性常数（DECs）。研究表明，LPBF材料的衍射弹性常数与锻造合金不同，这源于其微观结构和力学性能的差异。我们还发现，现有模型仅在无需高精度残余应力值时可用于计算衍射弹性常数。若必须考虑微观结构特性（如增材制造材料的情况），则需要采用全新的方法。

    关键词： 同步辐射衍射、激光粉末床熔融、残余应力、Ti-6Al-4V合金、衍射弹性常数

    更新于2025-09-23 15:21:01

  • Ti6Al4V合金激光粉末床熔融制造过程中的热动力学计算评估及相关微观结构演变

    摘要： 尽管激光粉末床熔融（LPBF）增材制造工艺产生的合金近非平衡微观结构正被快速报道，但整个过程的可解释热动力学却鲜少研究。为利用该增材制造工艺实现构建材料的理想性能，理解与之相关的热动力学至关重要。为此，我们基于有限元法开发了三维热动力学模型，以关联增材制造Ti6Al4V合金中演变的微观结构。该计算模型得出了单层多次激光扫描及多层堆叠构建整体部件时特定位置经历的热分布模式。X射线分析证实构建平面内存在(002)织构的针状马氏体(α′)相。通过计算预测增材制造Ti6Al4V合金不同方向(X、Y和Z)的热梯度大小，有助于理解原始β晶粒中针状马氏体晶粒形貌与取向的演变。合金的扫描电镜观察揭示了马氏体相内析出相的独特形貌，而其存在机制则通过预测热历史得以阐明。

    关键词： 热动力学、增材制造、微观组织演变、激光粉末床熔融、Ti6Al4V合金

    更新于2025-09-23 15:21:01

  • 激光粉末床熔融增材制造过程及高能密度激光焊接中孔隙形成机制的直接观测

    摘要： 激光粉末床熔融（LPBF）是一种能够制造传统工艺无法实现的复杂几何形状部件的3D打印技术。然而，打印过程中形成的气孔会损害部件的力学性能，严重阻碍其广泛应用。本研究报道了LPBF过程中观察到的六种气孔形成机制。我们的结果再次证实了三种已知机制——匙孔诱导气孔、原料粉末导致的气孔以及激光熔化时因挥发性物质汽化或微小封闭气体膨胀沿熔合边界形成的气孔。同时发现三种新机制：(1) 表面波动捕获的气孔；(2) 浅凹坑区波动导致的气孔；(3) 裂纹引发的气孔。这些发现为LPBF过程中的气孔形成机制提供了直接证据和深入见解，可指导气孔消除/缓解方法的开发。由于本研究涉及的某些激光加工条件与高能密度激光焊接情况相似，该结果对激光焊接也具有参考价值。

    关键词： 孔隙形成、激光粉末床熔融、X射线成像、激光焊接、增材制造

    更新于2025-09-23 15:21:01

  • 通过激光粉末床熔融技术制备的Ti-50 wt% Ta合金的微观结构

    摘要： 由于具有高生物相容性和耐腐蚀性，Ti-Ta合金在生物医学领域得到了广泛研究。本工作通过激光粉末床熔融（LPBF）技术，采用机械混合粉末制备出近全致密、原位合金化的Ti-50 wt% Ta样品。随着暴露时间增加（即激光能量密度提高），不溶性Ta颗粒几乎完全溶解，最终形成Ti-50 wt% Ta合金。LPBF工艺的高冷却速率导致成分过冷，从而形成胞状和枝晶结构。在LPBF成形的Ti-50 wt% Ta合金中同时观察到残余β相和α″相。α″相存在于胞状结构边界区域——该处钽含量不足以完全抑制体心立方（bcc）晶格转变，但能有效抑制β相→α′相转变。

    关键词： 细胞状和枝晶结构、相变、Ti-Ta合金、激光粉末床熔融、微观偏析

    更新于2025-09-23 15:21:01