在过去的几十年里，金属 3D 打印率先创造了形状复杂、功能强大的定制部件。但随着增材制造商为他们的 3D 打印需求添加了更多合金，因此在创建均匀、无缺陷的零件方面面临挑战。

德克萨斯 A&M 大学研究人员的一项新研究进一步完善了使用激光粉末床融合 3D 打印技术制造优质金属零件的过程。通过结合使用机器学习和单轨 3D 打印实验，他们确定了在微观尺度上打印具有均匀特性的零件所需的有利合金化学成分和工艺参数，如激光速度和功率。

材料科学与工程系博士生 Raiyan Seede 说：“我们最初的挑战是确保打印部件中没有孔隙，因为这是创造具有增强机械性能的物体的明显杀手。” “但是在我们之前的工作中解决了这个挑战之后，在这项研究中，我们深入研究了合金的微观结构微调，以便在比以前更精细的尺度上更好地控制最终打印物体的特性。”

研究人员在《增材制造》杂志上发表了他们的发现。

与其他 3D 打印方法一样，激光粉末床融合也可以逐层构建 3D 金属零件。该过程首先在基板上滚动一层薄薄的金属粉末，然后用激光束沿着跟踪预期零件横截面设计的轨迹熔化粉末。然后，施加另一层粉末并重复该过程，逐渐构建最终部件。

用于增材制造的合金金属粉末可能非常多样化，包含不同浓度的金属混合物，例如镍、铝和镁。在打印过程中，这些粉末在被激光束加热后迅速冷却。由于合金粉末中的各个金属具有非常不同的冷却特性，因此以不同的速度凝固，这种不匹配会产生一种称为微偏析的微观缺陷。

“当合金粉末冷却时，单个金属会沉淀出来，” Seede 说。“想象一下将盐倒入水中。当盐的量很少时，它会立即溶解，但是当你倒入更多的盐时，不溶解的多余盐颗粒开始以晶体形式沉淀出来。本质上，这就是我们金属中发生的情况打印后迅速冷却的合金。”

他说，这种缺陷表现为微小的口袋，其中包含的金属成分浓度与打印部件的其他区域略有不同。这些不一致会损害打印对象的机械性能。

为了纠正这种微缺陷，研究小组研究了四种含有镍和一种其他金属成分的合金的凝固过程。特别是，对于这些合金中的每一种，他们研究了在不同温度下存在的物理状态或相，以增加镍基合金中其他金属的浓度。因此，根据详细的相图，他们可以确定合金的化学成分，从而在增材制造过程中将微观偏析降至最低。

接下来，他们针对不同的激光设置熔化了单一轨迹的合金金属粉末，并确定了可生产无孔隙零件的工艺参数。然后，他们将从相图中收集到的信息与从单轨实验中收集到的信息结合起来，以获得激光设置和镍合金成分的综合视图，这将产生无孔隙的印刷部件，而不会出现微观偏析。

最后，研究人员更进一步，训练机器学习模型来识别单轨实验数据和相图中的模式，以开发适用于任何其他合金的微观偏析方程。Seede 表示，该方程旨在根据凝固范围、材料特性以及激光功率和速度来预测偏析程度。

“我们的方法简化了不同成分合金在增材制造中的成功使用，而无需担心引入缺陷，即使是在微观尺度上，”雪佛龙 I 教授兼材料科学与工程系主任 Ibrahim Karaman 博士说。“这项工作将对航空航天、汽车和国防行业大有裨益，这些行业一直在寻找更好的方法来制造定制金属零件。”

研究合作者 Raymundo Arroyavé 博士和 Alaa Elwany 博士补充说，他们的方法的独特之处在于它的简单性，行业可以很容易地对其进行调整，以使用所选合金制造坚固、无缺陷的零件。他们指出，他们的方法与先前主要依靠昂贵、耗时的实验来优化加工条件的努力形成对比。

Arroyavé 是材料科学与工程系的教授，Elwany 是 Wm Michael Barnes '64 工业与系统工程系的副教授。这项研究的其他贡献者包括来自材料科学与工程系的 Austin Whitt 和 William Trehern，以及来自工业与系统工程系的 Jiahui Ye。

该研究得到了美国陆军研究办公室和国家科学基金会的支持。