高性能合金激光3D打印内部组织演化关键调控机制的同步辐射原位实验研究

Laser 3D printing of high property alloys is a significant problem in aerospace field. The project aims to overcome the bottleneck problems in alloys laser 3D printing: prevention of member deformation and cracks, and control of inside quality, based on which controllable 3D printing of high property alloys can be achieved. Considering the key scientific problem of microstructure evolution in the extreme condition of 3D printing process, in-situ synchrotron radiation experimental system, and multiscale fast experimental techniques will be developed. The inside microstructure characteristics and their evolution behavior will be captured. On the basis of synchrotron radiation experimental results, numerical simulation will be adopted to study the microstructure evolution mechanisms of a single point of laser irradiation area and the interface. Deep learning and neural network will be adopted to research the kernel processing parameters which determine the 3D printed alloys property. This project is supposed to provide experimental and theoretical basis for controllable 3D printing and the improvement of alloys property.

高性能合金的激光3D打印是目前航空航天等重要领域竞争激烈的前沿科学问题。本项目以解决合金激光3D打印中“构件变形和开裂预防”和“内部质量控制”两大瓶颈难题和实现高性能合金材料的可控3D打印为研究目标，针对合金高功率激光3D打印极端环境中的内部组织演化关键科学问题，通过研制同步辐射原位测量系统、发展多尺度、快速原位表征实验方法，实现金属构件激光3D打印内部结构组织参数及其演化行为的可视化表征；在内部组织演化原位实验结果的基础上，进一步采用数值模拟的方法分别对激光微区单点的内部组织形成机理和激光“点-点”“层-层”“道-道”间的界面演化机制进行深入分析；并结合深度学习和神经网络算法，探索制约合金材料激光3D打印力学性能的核心工艺参数，为实现高性能合金的性能优化和可控3D打印提供实验和理论依据。

合金激光3D打印技术在航空航天、能源、海洋工程等领域中具有广阔的应用前景。然而“变形开裂预防”与“内部组织和内部缺陷控制”是合金激光3D打印技术应用面临的瓶颈难题，关键在于对激光3D打印中内部组织形成规律、内部缺陷形成机理和内应力演化行为规律等基础性问题还缺乏认识和研究。要了解激光3D打印过程中的内部组织、缺陷形成机理和内应力演化行为，就需要对激光3D打印过程进行多尺度、快速、精确的原位在线观测。. 截止项目结题，研制了一套合金激光3D打印内部三维演化同步辐射原位实验仪器，通过激光辐照联动扫描系统、高速旋转同步定位系统和多级控氧防护系统三个模块，解决了激光辐照扫描与同步辐射原位快速CT进行高精度耦合的难题。针对激光3D打印内部快速演化的三维可视化，发展了基于高频信息约束神经网络、局部各向异性修复、双向迭代优化等CT重建三维表征实验方法，提高了快速演化过程所面临稀疏采样、投影残缺条件下的CT重建质量。利用研制的原位实验仪器，实现了合金激光3D打印过程的同步辐射原位三维实验表征。进行了合金激光3D打印高温微区熔池演化的原位实验研究，分析了熔池熔融形成和凝固枝晶生长过程的组织演化动力学机理。开展了激光3D打印扫描过程实验研究，探索了影响“点-点、道-道、层-层”间界面性质的演化调控机制。分析了扫描速度、添加剂和材料体系等影响合金材料激光3D打印力学性能的关键工艺参数。为深入理解合金激光3D打印的内部组织演化调控机制和实现高性能合金的性能优化提供支撑。