在阿尔贡国家实验室(ANL)的高级光子源(APS)的32-ID-B束线上进行了利用同时高速x光和红外成像的L-PBF实验。用一个18毫米周期的波荡器产生一次谐波能量为25千电子伏的多色X射线束。当激光束穿过样品时,允许X射线束穿过样品。使用单晶LuAG:Ce闪烁体(厚度100微米)将透射的x射线转换成可见光光子。转换后的可见光图像随后用商业高速相机(Photron FastCam SA-Z,Photron公司,日本东京)进行记录。使用一对安全快门和x射线狭缝来定义x射线束撞击样品的持续时间和大小。在本研究中,高速摄像机使用了30,000赫兹的帧速率和1.97微米的像素大小。

如何减少增材制造部件中的缺陷?

当前工作中介绍的所有测试都是在微型粉末床样品上进行的,该样品由Ti-6Al-4V 5级基材和夹在两个玻璃碳板之间的粉末组成。金属基板的制造尺寸为400微米厚,2.85-2.9毫米高,50毫米长,而玻璃碳板则制造为3毫米高,50毫米长。为了减少样品发射率的变化并提高X射线图像质量,使用一系列抛光将每个Ti-6Al-4V衬底的顶面作为金属衬底抛光成镜面光洁度。抛光步骤以4000粒度砂纸结束。玻碳板和金属基材之间的高度差产生了一个100-150μm高的通道,该通道中填充了直径为15-45μm的粉末。

从高速X射线表征或X射线图像中提取孔隙的位置和类型,X射线图像是结合在一起形成视频的帧。研究人员通过依次浏览视频的每个帧并手动识别何时从液体表面或熔池中的钥匙孔进入孔隙来实现此目的,如图2所示。孔在熔池中被识别为圆形区域使用强度较低的像素。研究人员截断了灰度直方图,以优先考虑地下孔隙度和键孔形成的可见性(牺牲了基材上方粉末动力学的可见性)并根据X射线图像中的10μm边界将孔隙率分为大或小。一些研究已经观察到这种双峰效应对孔隙度的影响。在L-PBF相关文献中,小孔隙度被归类为粉末本身或周围大气中截留的气体孔隙度。一项研究L-PBF Ti-6Al-4V中孔隙率的研究发现,存在的大多数孔隙率是气体夹带的孔隙率,直径小于10μm。L-PBF处理的Ti-6Al-4V的另一项研究以1000μm2的增量装箱了其组分中发现的孔隙度,最小装箱尺寸为1000μm2。他们发现,大多数孔隙位于该最小尺寸的容器中,或直径小于18μm。这项研究的10微米孔径截断值与观察到类似孔隙率的其他研究相当。给定检测器分辨率,实际检测极限约为四个像素,或者大小等于或大于7.9μm的特征。

该研究观察到峰值温度较低且随后持续下降的热历史可能与低孔隙率相关。相比之下,热历史开始高,下降,然后增加,更有可能表明大孔隙率。科学家们使用机器学习算法来理解复杂的数据,并根据热历史预测孔隙的形成。保尔森表示与使用数百万个数据点的科技巨头开发的工具相比,这种努力只能用几百个数据点。这要求研究人员开发一种定制的方法,充分利用有限的数据。

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