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冶金、机械模型及机器学习在金属打印中的应用

本文为大家展示了金属打印在冶金以及利用机械模型和机器学习等方面的先进应用 ， 以及这些手段在拓展金属增材制造方面所起的作用 。 本文为第二部分 。
机械模型
机械模型可以对工艺过程中的变量如温度场和速度场、冷却速率和凝固参数等在增材制造过程中不易测量的量进行计算 。 这些模型提供了增材制造打印部件在工艺参数变化和原材料的热物理性质发生变化时显微组织和性能如何变化的现象进行描述 。 然而 ， 工艺和产品的数字表征在当今还面临着巨大的挑战 。 这一复杂性的表征 ， 通常是选取最为重要的工艺参数而忽略不重要的工艺过程 。 这些假设基本是可信的 ， 其可信的程度通过模型预测的结果同实验结果相比较来验证 。 此外 ， 该任务所用的模型一般是借鉴熔化焊接和冶金学中的模型 。
增材制造中的机械模型广泛地用于参数变化和部件组织性能之间的关系预测中 。 大多数的工艺参数的物理变化需要应用多尺度地模拟来表征 ， 并且在某些场合中还会用到跨尺度的变化 。 大多数的模拟需要用到瞬时的3D温度场 。 考虑到计算效率的变化取决于所考虑地物理工艺过程和计算的尺度 。 当计算是在介观尺度进行时 ， 其计算速度是非常快的 。 然而 ， 采用同样的计算对粉末层面地模型进行计算则需要几倍数量级的时间 。 因此 ， 将时间尺度和长度尺度结合在一起是一件非常有挑战的事情 ， 需要进一步的研究 。 在这里 ， 我们对现有的研究进展进行回顾 ， 对机械模型在金属打印中面临的机会和挑战也做了介绍 。
传热模型和金属流动模型
金属打印包括加热、熔化、凝固和固态相变的过程 ， 以及熔化区形状、显微组织、缺陷、机械性能和残余应力和变形的演变情况 。 对这些物理参数的变化同部件组织性能的定量关系的理解始于熔化区瞬时温度场和液态金属流动的模拟 。 传热和液态金属的流动的模拟基于质量守恒、动量和能量守恒的原理来获得诸如温度-时间历史的变化、熔化区形状和凝固速率的变化等 。 图5a为在PBF-L、DED-L工艺中利用粉末和DED-GMA中利用丝材为原材料时得到的典型的熔池的温度场和速度场 。 熔池的3D温度场分布和形状变化以及原材料（粉末或丝材）的变化可以通过基于介观模型的传输现象来获得 。 这些模型可以模拟在多层沉积时的情形 ， 此时每一层包含着多道熔道 。
增材制造是依靠局部原材料的熔化和凝固来实现的 ， 结果 ， 熔池的形状和尺寸影响着打印部件的显微组织和性能 。 除去对部件的形状特征进行计算之外 ， 这些模型还可以计算在制造过程中沉积金属时的多个热循环 。 这些结果可以提供不同监控位置的温度-时间数据图（见图5b） 。 热循环对显微组织的模拟是非常必须的 。 实验测量诸如详尽的温度-时间-空间的数据是非常困难的 ， 这是因为增材制造工艺本身的复杂性的本质所决定的 。 然而 ， 在某些局部区域的温度-时间数据 ， 如果可以获得的话 ， 对测试和校准模型是非常有用的 。 从传热和流体模型中得到的结果可以促进对显微组织、晶粒结构和可打印性的定量理解 。
显微组织演变的模拟
在显微组织中不同成分变化时相分数的模拟有助于理解打印部件在热处理前后的性能 。 每一可热处理的合金在加热和冷却时经受着独特的相变过程 。 结果 ， 显微组织的模拟是同合金密切相关的 ， 代表着显微组织演变过程中每一个相发生相变的可能的途径 。 在金属部件经受多道热循环时多道熔化焊的显微组织的计算方面的文章是比较丰富的 。 这一过程同增材制造工艺是比较相似的 。 在这些系统和增材制造中 ， 可靠的显微组织的计算已经通过在连续冷却相变图和相分数随时间的变化中所得得详细得动力学信息而获得 。
相变的模拟和显微组织特征的尺度曾经用来考虑热历史和 合金成分 。 Avrami等式显微组织的计算 ， 基于Johnson-Mehl对PBF-L Ti6Al4V合金是非常有用的 ， 同时连续冷却相变图已经被用来理解DED-L Ti6Al4V的显微组织的演变 ， 同时用于DED-L In718合金的析出动力学的模拟 。 尽管这些计算结果提供了相分数的可靠结果 ， 但他们却不能提供形貌方面的信息 。 相变模拟手段被用来解决小长度范围内的显微组织的特征 。 例如 ， 相场模拟铝合金的显微组织演变时则呈现出枝晶的生长 ， 见图5b 。 相场模拟同时还被用于镍基高温合金的显微组织的计算 。 在DED-L Ti6Al4V合金时β相向织篮α相的固态相变转变 。 曾经利用相场模型基于粉末尺度的温度计算进行模拟 。 在这些模型中 ， 将物理模型中的孕育、加热和冷却考虑进3D的熔体流动中是非常有挑战的 。 同样 ， 边界条件中的能量场的定义也是如此 。 相分数演变在实验数据和计算数值方面定量数据的缺乏（在长度方面同部件相比）增加了困难 。


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