激光选区熔化技术研究热点可视化分析

anagement and other

激光选区熔化技术研究热点可视化分析

丰洪微，范哲超

（内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010070）

为深入分析激光选区熔化（selective󰀃laser󰀃melting）技术研究热点和发展状况，采集中国期刊全文数据库（CNKI）收录的摘  要：

核心期刊上的478篇科技文献，借助文献分析可视化软件CiteSpace和社会网络分析软件Ucinet，采用统计分析、共现分析等多种研究方法，对关键词热点、聚类、突现等角度进行了全景式描绘，构建激光选区融化技术知识图谱，揭示该技术研究热点主题以及演化趋势。

激光选区熔化技术；文献计量学；知识图谱关键词：

TG665󰀃󰀃A󰀃󰀃11-5004（2019）11-0202-3中图分类号：文献标识码：文章编号：

选区激光熔化(Selective󰀃Laser󰀃Melting，SLM)技术是基于分层、叠加累积原理，利用高功率激光逐层熔化金属粉末，从而实现金属零件的直接快速制造，成形过程无需复杂的工装模具，适用于较传统加工方法难以成形的、具有高形状复杂度、高尺寸精度的金属零件，在增材制造领域近年来取得了重要进展。本文就激光选区融化技术开展可视化分析，客观反映其研究热点以及发展趋势

1 分析方法

为获得领域高代表性文献，本研究采用核心期刊检索方法。2019年7月18日，在CNKI数据库中，选择“期刊检索”方式，以激光选区熔化'+'选区激光熔化')”为检索式，检索年限不作限制。由于“slm”这一英文缩写代表多种含义，因此需要剔除不符合研究主题的文献，最终筛选出478篇有效文献。

CiteSpace是美国德雷赛尔大学（大连理工大学）陈超美教授研发的信息可视化软件，它通过对文献数据信息的可视化处理，可以探测出某一学科或领域的热点主题及其演进[1]。本研究首先使用Citespace5.1的数据预处理模块对CNKI文献集进行格式转换，然后对录中的关键词进行文献计量学分析。Ucinet是一种社会网络分析软件，能够以可视化网络的形式展示网络中各个节点之间的复杂关系。本研究用Ucinet6.0对关键词共现网络进行可视化描绘和中心性分析。

2 分析内容

2.1 高频关键词分析

通过观察知识图谱关键词累积批次的分布规律（见图1），在词频为6时曲线发生突变，关键词累积频率达到96.73%，因此将出现频次≥6定义为高频关键词，共得到38个高频关键词（如表1所示）。高频关键词频次总和为1101，占所有关键频次总和的

收稿日期：

2019-11基金项目：

内蒙古自治区高等学校科学研究项目NJZY19275，内蒙古机电职业技术学院科学研究项目NJDZR1902。

作者简介：

丰洪微，女，生于1984年，内蒙乌海人，硕士研究生，副教授，研究方向：材料加工工程。岩土地震工程。

202

48.48%（1101/2271），反应出选取的高频关键词具有代表性。

图1  关键词累积频率曲线

表1  激光选区熔化研究高频关键词

序号关键词频次序号关键词频次1激光选区熔化40820机械性能102显微组织8821扫描策略103激光技术8022显微硬度104增材制造5423选择性激光烧结

105力学性能5124表面形貌96致密度3925残余应力97快速成型3126裂纹983d打印2927能量密度89工艺参数2328工艺优化710金属零件1929快速制造711热处理1930硬度712表面粗糙度1731搭接率613钛合金1732激光功率614钴铬合金1633激光光学615温度场1534激光加工616alsi10mg合金1435激光增材制造

617拉伸性能1436孔隙率618316l不锈钢1237免组装机构619

数值模拟

11

38

相对密度

6

2.2 共现网络分析

为进一步描述高频关键词间的亲疏关系，构建高频关键词共现矩阵，矩阵中的元素为对应行列关键词在文献集中的共现次数。以此共现矩阵为邻接矩阵，导入Ucinet6.0中构造高频关

“SU=('SLM'+'selective󰀃laser󰀃melting'+'M管理及其他

键词共现网络（见图2），网络中节点的大小与其点度中心性成正比，连接与共现频次成正比，38个关键词节点间共有220对关系，网络密度为0.313，网络整体联系比较紧密。

网络，其他选项保持不变。

anagement and other

数值设为50；网络剪枝算法选择“Pathfinder”，修剪分片及整体

初次运行后，发现由于人工标注的原因，部分关键词语义相同但表达不同，如“selective󰀃laser󰀃melting”和“选择性激光熔化”；“微观组织”和“显微组织”；“选择映射”和“选择性映射”；“additive󰀃manufacturing”和“增材制造”等，因此进行同义词合并，图2   激光选区熔化高频关键词共现网络

网络中心度分析是社会网络分析的重点研究之一，位于中心的行动者在某种意义上必须是最活跃的，相对于网络中其他行动者而言有最多的关系，常用来衡量网络节点重要性[4]。本研究用点度中心度（Degree）、中间中心度（Betweenness）、接近中心度（Closeness）这三个经典指标对网络中心度进行分析，对高频关键词的重要性进行定位。利用Ucinet6.0的Centrality功能实现网络中心度的计算。表2为关键词共现网络中心性排名前10的节点列表及指标分值。“激光选区熔化”、“激光技术”、“显微组织”、“致密度”和“力学性能”等关键词节点点度中心度和中介中心度都很高，在本研究领域中处于主导地位，并在网络中起着中介桥接作用。“激光增材制造”、“免组装机构”和“机械性能”等关键词节点接近中心度高，表明此节点与网络其他成员“距离”短，可达性高，交互性强。

表2  高频关键词中心度top10节点

degreeBetweennessCloseness节点中心性节点中心性节点中心性激光选区熔化37激光选区熔化160.958激光增材制造70激光技术29激光技术72.338免组装机构70显微组织27显微组织62.466机械性能69致密度23致密度33.566裂纹69力学性能17力学性能17.25激光加工68工艺参数17增材制造16.904孔隙率67增材制造16工艺参数16.844激光功率67表面粗糙度16表面粗糙度16.819相对密度67扫描策略14扫描策略8.918残余应力67热处理

13

钛合金

8.188

快速制造

67

2.3 前沿热点探测分析

关键词是一篇文献主题最精炼的表达，因此本研究尝试通过关键词分析来探究激光选区熔化领域的研究主题和动态变化。在Citespace中导入正确处理后的文献集合，选择时间跨度为1999年～2019年，时间分区“Year󰀃Per󰀃Slice”为1年（即每一年为一个时间单位）；节点类型选择“Keyword”；词源选择“Author󰀃Keyword(DE)”；反复调试后，阈值选取办法设定为“TOPN”，

以确保研究的规范性。再次运行后，得到了基于关键词所呈现的科技激光选区熔化研究知识图谱（如图3所示），共有122个节点，240条连接。

图3  激光选区熔化研究关键词知识图谱

2.4 聚类分析

为探究激光选区熔化领域研究热点，本文利用Citespace的（聚类视图）对关键词知识图谱进行聚类分析，软件把关键词聚成了6个类团（如图4所示，同种颜色的节点代表一个类团）。

（1）SLM快速成型激光技术因素：激光选区融化（SLM）技术是一种极具发展前景的快速成型方法。本主题通过制备316L不锈钢等致密金属零件，分析了裂纹、激光功率、空隙和能量密度等因素对SLM成形件表面形貌的影响，试图通过裂纹形貌、化学成分研究不同位置处裂纹的组织结构和形成机理，最终达到优化成形件工艺参数的目的[1]。

（2）钴铬合金材料：钴铬合金是常用的口腔修复体材料，具有出色的耐腐蚀性和耐磨性，本主题系统评价了SLM技术对钴铬合金组织与性能的影响。在建立的数理模型和理论运算的基础上，进行了工艺参数优化测试，对SLM制件成型过程中显微组织结构、致密度及力学性能进行观察梳理[2]。

（3）钛合金和多孔结构：本主题论述了SLM技术在钛合金及其复合材料的应用基础研究及工程应用进展，并对多孔结构设计、力学性能研究、生物相容性等关键技术问题进行了展望[3]。（4）致密度和alsi10mg合金：为改进AlSi10Mg合金SLM成形致密度，设计各类实验验证影响因素(激光功率、扫描速度和扫描间距)的上升梯度，结合孔隙形成原因和金相形貌，从能量输入的角度分析梳理致密度影响因子的分布规律[4]。

（下转205页）

203

“Cluster󰀃View”M管理及其他

切变形效果，最终完成大应变量累积的纳米结构金属原料的塑性变形效用累积。等通道挤压技术可以从根本上实现多种类金属的超细晶材料制备，有效控制等通道结构和验证研究等通道挤压效果，从根本层面上有效的缩减纳米结构金属材料的晶粒尺寸，进一步确认力学性能对纳米结构金属材料塑性变形制备技术产生的相关影响。

anagement and other

3 高应变梯度变形制备技术3.1 表面机器研磨技术

材料表层内，在规定深度内的金属材料表层完成碾压过程，由此实现样本一定厚度的表层结构出现大剪切变形，继而实现样本金属材料表层微观结构的细化过程，从而保证纳米结构金属原料的制备操作的实现，形成梯度形式的纳米结构塑性变形技术工艺。对于该技术的晶粒细化程度的测算依据认定，主要是通过调整剪切变形量以及变形层厚度等两部分指标来实现的，变形应变的实际速度效率根据样品的球形碾压头的旋转速率变化。同时，该塑性工艺技术制备纳米结构金属原料的效果也与碾压半径的范围有关。

高应变梯度变形制备技术主要分为两类，主要是表面机器研磨技术和碾压技术。其中，对于纳米结构金属原料的塑性变形技术工艺最具有代表性的就是表面机器研磨技术。该技术的工作原理主要是借助振动设备机构的牵动效用，在用来存放弹丸和固定样品的容器之间形成共振，促使多颗弹丸借助高速的冲击力进而持续的撞击样品材料表面。也就是借助弹丸所带来的多方面、高频率的冲击压力，持续高速的作用于金属材料表面，从而进一步促使材料表面实现高应变速率的塑性变形。在不改变金属材料样品本身尺寸大小的基础上，从根本上有效的缩减纳米结构金属原料的晶粒尺寸，最终确保塑性变形技术对于纳米结构金属材料制备的应用实践。弹丸随机性的向金属材料样本释放冲击力，由此在样品表面展开不同式样的滑移系或孪晶系开动，从而充分的保证金属材料表面微观结构的塑性变形效果梯度变化。对于最终的纳米结构金属材料制成产品产生影响的因素包括振动设备的振动频率，容器内安置的弹丸尺寸大小以及容器壁至金属材料制备样品的表层间距等。3.2 表面机器碾压技术

该技术主要是通过构建球形碾压头压入待制备的样品金属

4 结论

通过上述对纳米结构金属材料的塑形变形工艺技术的概念整合论述，进一步深入探究了相关大应变量变形金属材料制备工艺的三种类型，并从工作原理上进行了流程分析，提出了超细晶结构的制造。与此同时，对于高应变梯度变形制备技术提出了全新的应用，总结概括了相关技术工艺原理。通过对纳米结构金属原料的塑性变形技术工艺的综合评估判断，对于存在的局限性问题，选取了相应的解决方案，促使纳米结构金属材料制备工艺技术的优化升级，由此在很大程度上为推动我国纳米结构金属原料的塑性变形技术和工艺制备发展进程具有重要建设性指导意义。

参考文献

[1]󰀃[2]󰀃[3]󰀃

刘博，郑丽，卢振华.基于剧烈塑性变形法制备块体超细晶材料和力学性能的研究综述[J].天水师范学院学报，2017，(2).康志新，彭勇辉，孔晶，等.等通道转角挤压变形Mg-1.5Mn-0.3Ce镁合金的组织、织构与力学性能[J].稀有金属材料与工程，2012，(2).

王坤，张俊平，童玉林，等.特种阀门用高强韧性超细晶-纳米晶T91钢力学性能及组织热稳定性的研究[J].浙江工贸职业技术学院学报，2018，(2).

（上接203页）

图4  激光选区熔化研究关键词聚类图谱

（5）表面粗糙度和温度场：针对SLM3D打印件表面质量无法满足装配精度要求，仍需进行二次加工的需求，设计正交试验方案，建立表面粗糙度的预测模型并进行铣削参数优化分析，为SLM3D打印件铣削加工的切削参数选择提供依据。

（6）激光选取融化技术：SLM技术在制备高精度的复杂结构零件、缩短生产周期和降低成本等方面展现出巨大优势，已被广泛用于各种合金材料的制备，本主题对SLM技术制备钴铬合金、钛合金、镍合金及铝合金材料的原理和问题进行全景式描述，展望了SLM技术在未来金属材料制备领域的发展趋势，处

于不断细化分支领域，融合渐进的过程。

参考文献

[1]󰀃[2]󰀃[3]󰀃[4]󰀃

陈光霞.SLM激光快速成型金属零件的组织及力学性能分析[J].机械,2010,37(05):63-66.

李俊峰,魏正英,卢秉恒.钛及钛合金激光选区熔化技术的研究进展[J].激光与光电子学进展,2018,55(01):29-46.

安超,张远明,张金松.选区激光熔化工艺参数对钴铬合金材料成型件致密度与表面粗糙度的影响规律研究[J].应用激光,2018,38(03):328-333.

邓竹君,成群林,柯林达,姚斐,肖美立.激光选区熔化成形AlSi10Mg合金构件致密度和力学性能研究[J].铸造技术,2018,39(09):1904-1906+1915.

205