引用論文

Hairui Gao, Yanbing Liu, Zhenwu Zhang, Jikang Li, Juntao Shen, Honghao Xiang, Wei Li, Chao Cai, Weisheng Xia, Qingsong Wei. Machine learning-assisted mitigation of interlayer heat accumulation and optimization of forming quality for laser powder bed fusions. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 2, 2025, 200212.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200212.

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S295043172500022X

1研究背景及目的

激光粉末床熔融因其高精度和優(yōu)異成形性能已在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，固定工藝參數(shù)下多層加工熱積累導(dǎo)致熱平衡失穩(wěn)，引發(fā)組織缺陷和殘余應(yīng)力，嚴(yán)重影響成形質(zhì)量。紅外輻射監(jiān)測(cè)是研究層間熱積累的有效手段，但熔池監(jiān)測(cè)由于動(dòng)態(tài)變化快、數(shù)據(jù)量大難以閉環(huán)控制。本研究旨在通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)建立考慮層間熱積累的成形面紅外輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)子區(qū)域工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整以提升成形質(zhì)量。

2論文亮點(diǎn)

①創(chuàng)新模型：提出基于門控循環(huán)單元（GRU）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成形面紅外輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，準(zhǔn)確捕捉成形過(guò)程中紅外輻射強(qiáng)度的長(zhǎng)期、周期性和短期序列相關(guān)性。

②跨材料適用性：模型實(shí)現(xiàn)了316L不銹鋼到DZ125鎳基高溫合金的遷移學(xué)習(xí)，驗(yàn)證了其多類型材料適用性。

③變參數(shù)工藝優(yōu)化：通過(guò)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)算法實(shí)時(shí)調(diào)整子區(qū)域工藝參數(shù)，明顯減少內(nèi)部孔隙和殘余應(yīng)力，提升了致密度和表面質(zhì)量。

④高效率閉環(huán)控制：?jiǎn)螌宇A(yù)測(cè)加子區(qū)域變參數(shù)優(yōu)化毫秒級(jí)完成，較熔池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)GB級(jí)數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，為高效率實(shí)時(shí)閉環(huán)工藝創(chuàng)造了條件。

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3試驗(yàn)方法

研究采用316L不銹鋼和DZ125鎳基高溫合金粉末，制備葉片和倒棱臺(tái)樣品。紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成形過(guò)程中成形面的紅外輻射強(qiáng)度，定義層間紅外輻射強(qiáng)度序列特征，并基于GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立紅外輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。

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模型輸入前33層紅外輻射強(qiáng)度序列信息，輸出第34層預(yù)測(cè)值。訓(xùn)練集占70%，測(cè)試集占30%。通過(guò)自適應(yīng)算法動(dòng)態(tài)調(diào)整激光功率、掃描速度和掃描時(shí)間間隔參數(shù)。采用工業(yè)CT、共聚焦顯微鏡和X射線衍射儀分析樣品內(nèi)部缺陷、表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力。

圖1. 機(jī)器學(xué)習(xí)緩解層間熱積累實(shí)現(xiàn)流程

圖2. 紅外輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)獲取與處理

4研究結(jié)果

316L葉片的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.7，模型R2為0.964；DZ125試樣預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差27.3，R2為0.756，模型在不同材料上表現(xiàn)穩(wěn)定。

優(yōu)化后的DZ125倒棱臺(tái)樣品孔隙明顯減少，致密度從91.6%提升至98.5%；頂面殘余應(yīng)力從169.21 MPa降至102.37 MPa。

優(yōu)化后試樣表面未出現(xiàn)球狀凸起和孔洞，粗糙度明顯降低，金屬光澤更均勻。

5結(jié)論

（1）基于定義的層間紅外輻射強(qiáng)度序列特征設(shè)計(jì)了門控循環(huán)單元（GRU）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)激光粉末床熔融成形過(guò)程中的成形面紅外輻射強(qiáng)度值，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.7，R2決定系數(shù)為0.964；

（2）建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)多維度層間紅外輻射強(qiáng)度序列相關(guān)性學(xué)習(xí)，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)DZ125合金成形中的紅外輻射強(qiáng)度，驗(yàn)證了模型在不同材料間的遷移學(xué)習(xí)和適用性；

（3）將建立的層間紅外輻射強(qiáng)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于DZ125合金倒棱臺(tái)試樣成形，通過(guò)子區(qū)域變參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，緩解了熱積累導(dǎo)致的過(guò)深匙孔，顯著減少了樣品內(nèi)部孔隙缺陷并提升了表面質(zhì)量，頂部殘余應(yīng)力從169.21 MPa降低至102.37 MPa。

6前景與應(yīng)用

該系統(tǒng)可推廣用于激光粉末床熔融領(lǐng)域形成智能化工藝，并擴(kuò)展至鈦合金、鋁合金等金屬打印。未來(lái)可結(jié)合更多傳感數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化，為復(fù)雜構(gòu)件激光粉末床熔融工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

作者團(tuán)隊(duì)介紹

魏青松，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。兼任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)副總干事，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工學(xué)會(huì)理事，中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)裝備委員會(huì)副主任，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)增材制造應(yīng)用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)召集人，作為共同主席發(fā)起了中國(guó)增材制造青年科學(xué)家論壇。主持了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家兩機(jī)專項(xiàng)課題等國(guó)家、省部級(jí)和企業(yè)科研任務(wù)30余項(xiàng)。開展增材制造與等靜壓近凈成形技術(shù)研究，部分成果轉(zhuǎn)讓實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。成果支撐了我國(guó)大型航發(fā)、超高速飛行器等重點(diǎn)任務(wù)研發(fā)，并在金屬隨形冷卻模具和人體骨骼植入物等民用領(lǐng)域應(yīng)用。主編專著/教材4部、參編8部，在《ACTA Materialia》、《中國(guó)科學(xué)》等期刊發(fā)表論文150余篇，ESI熱點(diǎn)/高被引論文10余篇次，授權(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng)。獲2024年湖北省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（排1）、2016年湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（排2）以及其他省部級(jí)一等、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，獲全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文提名獎(jiǎng)。

近年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1] Wenhe Xu, Jikang Li, Zhenwu Zhang, Hongwei Yuan, Guojin An, Hai Shi, Chao Cai, Wenming Jiang,Wei Li, Qingsong Wei. Laser powder bed fusion of WE43 magnesium alloy with superior balance of strength and ductility, Journal of Magnesium and Alloys, 13 (2025) 1275-1293.

[2] Hairui Gao, Zhenwu Zhang, Jikang Li, Jiangtao Sun, Honghao Xiang, Boyang Wu, Wei Li, Qingsong Wei. Enhancement of epitaxial growth and mechanical properties of DZ125 superalloy fabricated by defocused-laser powder bed fusion via rotation angle optimization, Materials Science & Engineering A, 930 (2025) 148113.

[3] Yanbing Liu, Jikang Li, Tan Cheng, Zhiyong Fan, Wei Li, Weisheng Xia, Qingsong Wei. Parameter automatic optimization strategy for laser powder bed fusion using neural network infrared radiation intensity prediction model, Additive Manufacturing, 92 (2024) 104373.

[4] Honghao Xiang, Mingzhu Dang, Jikang Li, Zhenwu Zhang, Hairui Gao, Chao Cai, Qingsong Wei. Achieving dual-phase structured Cu-Al-Mn-Si alloy with prominent shape memory properties via laser powder bed fusion, Additive Manufacturing, 95 (2024) 104521.

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