电子束快速成形技术的研究进展_快速成形技术及其发展
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电子束快速成形技术的研究进展
1.引言
电子束快速成形技术是集成了计算机、数控、高能束和新材料等技术而发展起来的先进制造技术。它采用电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择性地熔化金属粉末。并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成形相比，电子束快速成形技术具有能量利用率高、功率大、加工速度快、运行成本低、高真空保护等优点，是高性能复杂粉末冶金件的理想快速制造技术，在航空航天、汽车及生物医学等领域有广阔的发展前景。
目前金属零件快速制造工艺多数采用激光在气体保护下进行金属粉末的烧结或熔化。激光作为一种金属材料的加工手段，技术比较成熟、可控性好，便于实现数控，能够较好的实现材料的“离散/堆积”，成型激光烧结在小功率范围内应用比较经济，但是当烧结或熔化诸如钨、钛及高温合金特种性能金属材料关键件时有强度不够高的缺点。而电子束加工作为另一种高能束加工手段，它是采用高能电子束作为加工热源，成型可通过操纵磁偏转线圈进行。已在金属零件快速成型领域中得到应用，并显示出了一系列独特的优势：
1）功率能量利用率高
电子束可以很容易的做到几千瓦级的输出，而激光器的一般输出功率在1 kW~5 kW之间。电子束加工的最大功率能达到激光的数倍，其连续热源功率密度比激光高很多，可达1×107 W/mm2。同时比起激光15%的能量利用率，电子束的能量利用率要高很多，可达到75%。
2）对焦方便
激光在理论上光斑直径可达1 nm，但在实际应用中一般达不到。而电子束则可以通过调节聚束透镜的电流来对焦，束径可以达到0.1 nm。因而可以作到极细的聚焦。加工出的产品粒度高，纯度高，性能更优越。
3）可加工材料广泛
大部分金属对激光的反射率很高，熔化潜热也很高，从而导致不易熔化。而且一旦熔化形成熔池后，反射率迅速降低，使得熔池温度急剧上升，导致材料汽化。而电子束可以不受加工材料反射的影响，很容易加工用激光难于加工的材料，而且具有的高真空工作环境可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。这一点对钛及钛合金的加工尤为可贵。
4）成形速度高，运行成本低
电子束设备可以进行二维扫描，扫描频率可达到20 kHz，无机械惯性，可以实现快速扫描。且不像激光那样消耗诸如N2、CO2、H2等气体，价格相比较低廉。只需消耗数量不大的灯丝。
由上可知，电子束加工较激光加工有能量利用率高、可应用材料广泛、真空环境无污染、成形速度快等优势。
除此之外，电子束在金属焊接、电子束蒸发涂覆、电子束熔炼、电子束表面处理、电子束打孔、电子束制粉、电子束消毒灭菌、电子束显微技术等领域近些年来也不断得到发展，其应用领域也在不断的拓宽。总之电子束技术符合21世纪绿色制造的宗旨，正受到更多的关注和研究，可以预见电子束在金属零件快速制造技术领域必将占有主导地位。
图1-1电子束熔化技术加工过程
2.研究进展
相对于激光及等离子束快速成形，电子束快速成形出现较晚，2001年瑞典Arcam公司确立电子束快速制造技术，其工作原理与选择性激光烧结类似(如图 1-1 所示)，加热能量是电子束。由于该技术在粉末近净成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的独特优势，电子束快速成形的研究在国外很快成为前沿和发展方向，美国北卡罗来纳州大学、英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司、美国Synergeering集团、德国Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司积极开展了相关研究工作。在工艺方面：美国Calcam公司采用EBM技术已制备出了全致密、力学性能优于锻造件的Ti6Al4V叶轮部件。
2.1 国外电子束快速成型研究
电子束快速成型是电子束加工与快速制造技术的相结合而产生的一种新技术，不仅可以充分利用电子束真空加工环境、高能量密度、扫描速度快、精密控制等优点，而且可以发挥快速制造无需工模具、开发周期短及制造成本低等优势，预计将在汽车、航空航天及医疗器械等领域得到快速发展和应用。电子束在快速制造领域的应用在国际上刚刚开始兴起，比较领先的是瑞典Gothenburg的Arcam AB公司研制的电子束熔化技术EBM(Electron Beam Melting)，其工作原理类似于选择性激光烧结，加热能量是电子束，采用了一套严格的温度检测控制系统。该电子束加工设备具有能量密度高、扫描速度快、精密控制等优势，主要研究高性能金属材料研究制造工艺，如钛合金Ti6Al4V、Ti6Al4VELI；钴铬合金ASTM F75；镍基合金718、625；铍/AlBeMet；可用于火箭引擎中的粉末冶金新材料GRCop-84；不锈钢316L，17-4PH不锈钢；铝合金和H13钢等，可以得到制件致密度接近100％的制件，图1-2(a)～(d)所示为使用该设备制造的钛合金(Ti6Al4V)零件。该公司电子束熔化成型的最大成型件尺寸为200mm×200mm×160mm，精度为±0.3mm。
图1-2 EBM成型件
目前该公司的产品已经在英国Warwick大学及美国南加州大学等多家快速 制造的研究机构得到了使用，并与英国剑桥真空工程研究所CVE建立了合作关系，应用领域已经延伸到汽车，航空航天及医疗器械领域。美国麻省理工学院也开展了基于电子束的直接金属快速制造工艺研究。John Edward Matz在他的博士论文中研究了另一种电子束快速制造工艺，称作EBSFF，其工艺装备如图1-3所示。
1-3 EBSFF工艺装备原理图
EBSFF系统由电子枪、三维数控工作台、送丝机构、真空系统以及控制系统等组成。在EBSFF工艺中电子束实时熔化从侧向送进的金属丝，形成熔滴；工作台移动，使熔化的金属沉积在基体上，堆积形成零件。在EBSFF工艺中电子束焦点位置是固定不变的，通过工作台的相对运动来实现任意形状截面的制造。NASA Langley Research Center利用电子束实体自由制造技术来制造具有高反射率的航空航天用合金如镁合金和钛合金的结构件。图1-4(a)~(d)为EBF3制件，制件完全致密，屈服极限和强度极限均大于手册给出的同种材料标准强度值，且性能稳定；断裂延伸率也与标准值接近。
图1-4 EBF3成型件
P.Wanjara等人用电子束自由制造技术在SU321不锈钢基板上堆积SU347不锈钢，通过微观组织的观察分析，以及硬度、拉伸强度、屈服强度的测量证明电子束自由制造技术在修补应用上能使堆积成型部分与基体部分很好的结合，经修复的结构件性能很好。与此相似的研究有镍基高温合金718，铝合金2219，钛合 金Ti6Al4V材料电子束自由制造。
2.2国内电子束快速成型研究
国内，清华大学激光快速成型中心联合国内主要的电子束设备提供单位进行了多方论证，开发出电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，并已在国内申请专利。他们发明的三维分层制造设备以粉末类材料为原料，通过电子束扫描控制装置控制电子束在指定区域内以图形投影的方式快速扫描，均匀地加热粉末材料。电子束快速扫描的显著特点是：电子束每一次扫描选定区域的时间极短，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变化时，整个成型区域就已经扫描完成，经过一帧或多帧扫描，成型区域内材料阶梯式同步升温，共同达到烧结或重熔所需的温度，并一起沉积到成型区域上，并同步的降温。由于整体成型区域内的材料同步升温、烧结、沉积和降温，因此产生的热应力可大大减小，提高零件成型的精度和质量。
图 1-4 电子束选区熔化成型件(316L 不锈钢粉末)
该中心利用电子束选区熔化成型设备进行了316L不锈钢粉末熔化成型试验研究，通过工艺试验和数值模拟，得出气雾化粉末的比例在40 %～60%之间的混合粉末具有较好的成型性能；并对316L不锈钢粉末的微观组织及熔化成型机理进行了研究，图1-4为该设备制作的316不锈钢成型件。西安交通大学刘海涛等人建立了描述电子束熔融316不锈钢粉末扫描线宽规律的数学模型，揭示了扫描线宽与电子束电流、加速电压和扫描速度呈线性关系，搭接率为0.5时的层面质量优于搭接率小于0.5时的层面质量。清华大学齐海波等人采用 SiCP/ A1复合材料进行了电子束烧结快速制造试验研究，采用这种工艺它可摆脱传统工艺制造过程中陶瓷颗粒增强铝基复合材料易氧化、增强颗粒分散不均匀及界面结合差等制约其应用的难题，能制造出任意复杂形状的结构件。韩建栋等人研究了电子束选区熔化成型技术中粉末预热工艺对Ti-6Al-4V合金粉末在高能高速电子束作用下抗溃散性能的影响，并对该粉末进行了三维零件成型试验以验证粉末预热在实际成型中的作用。陕西科技大学杨鑫等人研究了在电子束对金属粉末的作用力，建立了TA7金属粉末受力模型，并对其进行受力分析和计算，研究发现当球形和非球形粉末以3：2的比例混合时，可以得到很好的成型效果。
目前国内航空航天、汽车及生物医学等领域对复杂结构及多孔结构有巨大需求，但由于EBM工艺及设备还不成熟，暂时无法满足航空航天高性能复杂零件实际应用要求，关键问题有吹粉、球化、零件变形、残余应力、表面粗糙度等。以下从设备、工艺及专用粉末等方面着重分析，并根据分析提出具体解决措施和研究重点。
3.关键问题分析
3.1吹粉
电子质量远大于光子，所以相对于激光束，电子束动量大，在选择烧结时，会出现特有的吹粉问题，即预制松散粉末在电子束的压力作用下被推开的现象。吹粉问题会导致金属粉末在成形熔化前即已偏离原来位置，从而无法进行后续成形工作。吹粉实质上是电子束与粉末相互作用问题，齐海波建立了松散粉末简单静力学模型，确定了电子束作用条件下粉末的溃散临界条件。杨鑫针对球形、非球形以及不同比例混合粉末溃散临界条件进行了受力计算分析和实验，确定具有较好的抗溃散能力粉末混合比例。Arcam公司采用电子束通过逐渐提高电流预热粉末，通过预热粉末增加黏度并形成微烧结粉末层，使后续高能量束流熔化过程中粉末能被固定在原位。目前通过适当改变粉末的表面状态和堆积方式或粉末间的摩擦因数提高粉末抗溃散能力，然后在粉末不溃散的条件下，通过逐步提高电子束扫描电流，预热烧结并固定粉末解决吹粉已形成共识。而电子束与粉末相互作用，尤其电子束对粉末动态冲击过程的研究有待深入，粉末预热及预烧结机理有待揭示。3.2球化
球化现象又称为形球现象，是指金属粉末虽熔融但没形成一条完整平滑的扫描线，而是各自团聚成小球，其原因主要是由于熔融粉末形成的金属小液滴表面张力过大所致。刘海涛实验发现球化与功率P和扫描速度V的比值ŋ有关：
ŋ=P/V
(1)只有当ŋ大于0.1时，才能得到连续的扫描线，否则扫描线会被球化。Cormier D则采用预热增加粉末的黏度，将待烧结粉末加热到一定的温度，可有效减少球化现象。球化现象实际上取决于三方面因素：熔融小液滴表面张力、粉末是否润湿、粉末间的黏结力。如果熔融小液滴不润湿粉末，在表面张力的作用下各自团聚成小球，产生球化现象；如果熔融小液滴润湿粉末，但粉末间的黏结力小于表面张力，则熔融小液滴裹挟粉末团聚成小球，产生球化现象；如果熔融小液滴润湿粉末，且粉末间的黏结力大于表面张力，则熔融小液滴在粉末表面铺展，不产生球化现象。所以，提高粉末间的黏结力、促使熔融小液滴润湿粉末是抑制球化现象的关键。预热粉末一方面提高粉末颗粒的温度，熔融小液滴更易润湿粉末，另一方面增加粉末的黏度、固定粉末，从而抵御粉末熔融小液滴表面张力，有利于熔融小液滴在粉末表面铺展。刘海涛、Cormier D正是增加热输入，有效地减少球化现象。目前还缺乏对球化现象系统的理论研究及定量描述，球化模拟分析机理有待揭示。
3.3变形及残余应力控制
零件在直接成形过程中，由于热源迅速移动，加热、熔化、凝固和冷却速度快，受热不平衡严重、温度梯度高，组织及热应力大。随着零件结构复杂程度的提高，零件产生较大变形甚至开裂，同时成形结束后，存在残余应力分布。而残余应力作为一种内应力会影响成形构件静载强度、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能及尺寸的稳定性。由于还没有有效的实验方法能检测成形过程应力/应变的演变，复杂钛合金结构零件金属直接成形过程应力/应变的演变机理研究，主要是通过数值方法模拟，并通过残余应力测试实验验证的。早期，K.DAI、N.W.Klingbeil等人对于简单熔覆层，石力开等人对于多层直薄壁试件的温度场及简单熔覆层应力进行了模拟分析，取得了较为满意的研究结果。贾文鹏建立了严格实验验证的热弹塑性激光快速成形数值模型，并对航空发动机空心叶片激光快速成形过程温度、形变及残余应力分布规律进行了模拟分析。在控制变形开裂、消除应力方面，哈佛大学A.H.Nickel等人发现采用短路径激光扫描方式熔覆应力比长路径激光扫描方式熔覆应力小。而Li-ang Ma(马良)等人进一步指出采用分形扫描路径可使零件温度场更为均匀，同时用短折线替代长直线，有利于减小应力。贾文鹏提出随形热处理工艺，即在金属零件直接成形时，温度场趋于均匀，减小温度梯度，降低热应力，同时在热处理温度保温，通过塑性及蠕变使应力松弛，防止应力应变累积，达到成形同时减小变形、抑制零件开裂、降低残余应力水平的目的。目前在复杂零件电子束成形零件变形、残余应力消除方面还有待深入，其中关键是在随形热处理应力松弛机理，随形热处理过程温度、应力演化的基础上，研究随形热处理塑性变形及蠕变的演化及分布规律，定量分析工艺参数、约束形式对塑性变形及蠕变的影响，确定不同时刻、不同部位塑性变形及蠕变的主导形式，通过随形热处理工艺对电子束快速制造过程应力、变形控制，减小零件变形，降低残余应力，实现电子束快速制造及随形热处理工艺的优化。
3.4 表面粗糙度
电子束成形零件表面粗糙度一般低于精铸表面，对于不能加工的表面，很难达到精密产品的要求。影响电子束成形零件表面粗糙度的因素主要有：切片方式及铺粉厚度、电子扫描精度、表面粘粉等。其中切片方式及铺粉精度、电子扫描精度与成形设备有关，而表面粘粉与预热、预烧结及溶化凝固工艺过程有关。
目前国内电子束成形设备还不成熟，关键问题是没有电子束成形专用的电子枪，而一般用于电子束焊机的电子枪很少高速扫描，所以在扫描速度、范围、精度、能量密度分布方面与电子束成形工艺要求差距较大，比如如何实现宽幅扫描、动态聚焦、能量密度均布等功能，电子枪需要重新设计，控制及偏转系统有待于研制。另一方面，预热及预烧结工艺在固定粉末抵抗电子束流轰击中起关键作用，但如果预热温度过高，造成在粉末溶化凝固时，周围热量传导粉末溶化烧结，从而造成表面粘粉降低表面质量。所以预热温度、区域选择，尤其是成形区边缘的温度必须严格控制，防止在成形时成形区边缘粉末溶化造成表面粘粉。该方面的工艺研究亟待开展，而表面粘粉机理研究还有待深入。3.5缺陷控制
电子束成形采用逐层熔化堆积形成零件，在成形过程易受偶然因素影响，难免形成融合不良、隔冷、球化等缺陷，所以必须发展缺陷控制技术。目前，电子束成形缺陷控制技术主要有：在成形过程中实时发现缺陷并对其采用电子束重熔消除及在成形后采用热等静压工艺消除两种方法。热等静压易实施，并在铸件及高温合金激光快速成形件消除内部缺陷上广泛应用，但成本较高、效果有限。目前采用红外线阴影模式识别技术，通过实时检测每一层表面缺陷，实现电子束快速制造内部和表面缺陷实时电子束重熔消除是缺陷控制研究重点。而准确识别缺陷、内部缺陷电子束重熔机理分析有待进一步研究。
4总结与展望
电子束快速制造技术是近几年发展起来的一种快速制造技术，国内外在此项技术研究水平上的差距不太大，这为我国在该技术的研发上与国际同步提供了很好的契机。国内清华大学及西北有色金属研究院等单位在电子束快速制造装置及工艺方面进行了跟踪研究。但要实现高性能复杂零件电子束快速制造及广泛应用，还需做巨大努力。目前面临的吹粉、球化、零件变形、残余应力、表面粗糙度等主要问题，可通过粉末搭配、预热及预烧结、随形热处理、缺陷重熔等工艺有效解决，其关键是电子束与粉末相互作用、粉末烧结及熔化、温度场及应力应变演化等工艺过程的研究。此外专用电子枪的研制、动态聚焦及扫描精度的提高、温度闭环控制等设备的保障也是不可或缺的条件。
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