从37次失败到每个功率十次成功：BEAM方法为NASA合金开辟低功率增材制造新路径

一群研究人员捣鼓出一种叫BEAM的AI引导实验方法，在激光功率低到500瓦的情况下，给NASA的GRCop-42合金找到了靠谱的定向能量沉积工艺参数。这套方法的全称是增材制造贝叶斯实验设计，思路其实不复杂，就是拿以前打印的成功和失败结果当底子，筛出几个有潜力的参数组合来试试。

这帮人来自华盛顿州立大学和明尼苏达大学。他们把BEAM用在GRCop-42上之后，从950瓦一路降到500瓦，每个功率级别只花了十次试验就找到了能用的工艺配置。要知道金属增材制造的工艺开发，参数组合动辄几百万种，靠试错法去一个个试，时间和钱都烧不起。

BEAM跑的是一个自适应循环，先从前面的实验里学习哪些配置有戏，再筛出候选组合，每出一个新结果就把模型更新一遍。这跟常规的贝叶斯优化不太一样，一般的做法是找最优解，BEAM的目标是找出多个可行的配置，同时用领域知识把那些不切实际的组合排除掉。研究里，模型把之前37个失败的实验当作初始数据，用了一种叫概率性五最近邻的方法。

先说说GRCop-42是什么来头。它是NASA搞出来的一种铜铬铌合金，专门为高温航空航天应用设计的。这材料的导热性和高温性能都很能打，适合做承受高热通量的部件，但问题也出在这里，它给激光加工添了不少麻烦。铜对传统光纤激光器发出的红外辐射吸收率不高，而且热量会迅速从加工区域导走，想把900瓦以下的DED工艺窗口建立起来，研究人员自己都说这事难度极大。

他们用的是一套五轴粉末送进式DED系统，配了一台1000瓦光纤激光器，把GRCop-42沉积在Inconel 718基材上。搜索范围里变化的是送粉速率、气体流量、Inconel厚度、扫描速度和层高，其他变量都保持不变。BEAM分别在950瓦、700瓦、600瓦和500瓦的固定功率下做测试，每个功率级别先给了十次实验的预算。结果每个功率级别都至少找到了一种可行的工艺配置，600瓦下找出了三种。作为对比，之前靠人手动试，花了好几个月做了37次实验，全都没成功。

成功跑通的配置有个共同点，基本都用了高扫描速度搭配低层高，研究人员觉得这是关键工艺洞察。举个例子，700瓦功率下有一组可行参数是这么配的，送粉速率0.2 RPM，气体流量7升每分钟，扫描速度1600毫米每分钟，层高0.11毫米。最低功率的成功配置出现在500瓦，用的是0.075 RPM的送粉速率，同样7升每分钟的气体流量，扫描速度降到250毫米每分钟，层高则放宽到0.3毫米。

失败的样品在沉积过程中会长出细长的柱状结构或者比较大的熔珠，而成功的工艺参数会先通过测试块验证，验证没问题了再去打印更大的圆柱形试样。研究人员把用700瓦成功参数打印出来的圆柱体拿去机加工，切开一看，内部实体组织致密，几乎没什么缺陷。横截面上Inconel 718和GRCop-42之间的过渡也分布得很均匀。

整个实验活动为期三个月，把GRCop-42在500瓦到950瓦范围内的可行加工工艺都给确定下来了。这对低功率DED系统来说是个好消息，等于拓宽了应用渠道。不过话得说清楚，这项研究并没有给这些零件做航空航天服役资格认证。团队计划下一步把这套方法推广到更多的合金和成分体系里去。

其实以前的研究就证实过GRCop-42可以用传统的红外激光系统来加工，但铜的高反射率和导热性一直卡着可用工艺窗口。2025年的时候，奥本大学NCAME中心报告说GRCop-42已经在EOS M290系统上拿标准红外光纤激光器成功打印过了，同时Nikon SLM Solutions也为这种合金开发的LPBF参数做到了99.97%的致密度。

工艺条件对GRCop-42和其他合金搭配使用时的表现也有影响。今年早些时候，诺丁汉大学的研究人员在弄GRCop-42和Inconel 718的多材料LPBF时发现，把IN718沉积到GRCop-42上会产生熔合不足缺陷，原因就是铜合金散热太快。倒过来沉积就能躲开这些缺陷，不过界面处还是会有合金混合。

这篇BEAM研究把工艺开发问题延伸到了DED领域，靠AI引导的实验方法把GRCop-42的可行工艺条件压低到了500瓦。研究发表在第四十届AAAI人工智能大会上，参与的有Azza Fadhel、Nathaniel W. Zuckschwerdt、Aryan Deshwal、Susmita Bose、Amit Bandyopadhyay和Jana Doppa。核心目标很简单，就是减少建立可行金属增材制造工艺窗口需要的时间和资源。