電子束粉末床熔融技術(shù)研究進(jìn)展與前瞻

林峰

多槍陣列的大型化EB-PBF技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用趨勢(shì)日益明顯，大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)將更多地被引入，應(yīng)用于工藝規(guī)劃、缺陷識(shí)別、故障診斷、質(zhì)量分析等。

電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術(shù)利用電子束對(duì)粉末床進(jìn)行預(yù)熱和選擇性熔化，逐層堆積制造三維零件。由于電子束的能量轉(zhuǎn)換率高，不同材料對(duì)電子束能量的吸收率都很高，利用電子束離焦掃描粉末床，可以將其預(yù)熱到1000℃，大大減小了熔融沉積過(guò)程的熱應(yīng)力。

因此，EB-PBF對(duì)材料的適應(yīng)性好、特別是脆性材料或高熔點(diǎn)材料。此外，EB的掃描速度快、作用深度深、粉末床較厚，其成形效率可達(dá)到激光粉末床熔融技術(shù)的4倍。

最新研究進(jìn)展

EB-PBF（亦稱(chēng)為電子束選區(qū)熔化，EBSM）技術(shù)由瑞典Arcam AB公司于2002年推出，稱(chēng)之為電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）。最初型號(hào)為S12，隨后又相繼推出 A1、A2、A2X、A2XX、Q10、Q20、Q10Plus和Q20Plus等多個(gè)型號(hào)，其A系列應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，適合制造鈦鋁基合金、高溫合金等。

GE公司旗下Avio Aero公司利用A系列設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了TiAl金屬間化合物低壓渦輪葉片的EBM打?。ㄒ?jiàn)圖1（a）），EBM制造葉片的成本可以跟鑄造生產(chǎn)成本持平;而Q系列應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域，適合制造鈦合金、鈷鉻合金等，且成形缸尺寸較大（直徑350mm×高380mm），以提高生產(chǎn)效率。

我國(guó)北京愛(ài)康誼誠(chéng)醫(yī)療器械有限公司建立了一條有8臺(tái)EBM-Q系列設(shè)備的生產(chǎn)線，批量生產(chǎn)該公司4個(gè)已獲得CFDA上市許可的植入器械產(chǎn)品（見(jiàn)圖1（b）））。被GE于2017年收購(gòu)之后，Arcam成為GE 增材板塊的一部分，2018年推出了H型號(hào)，裝備6kW電子槍?zhuān)尚涡侍岣?0%。

EB-PBF與電子束熔絲技術(shù)，由于采用電子槍和在真空中成形的獨(dú)特性，德國(guó)埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)的Carolin K?rner教授組織了專(zhuān)門(mén)的電子束增材制造（Electron Beam Additive Manufacturing，EBAM）國(guó)際會(huì)議，已于2016年和2018年在紐倫堡舉辦了兩屆會(huì)議。該會(huì)議主題集中、內(nèi)容豐富，較全面地反映了該領(lǐng)域在全球的最新研究和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展。

通過(guò)會(huì)議交流的情況可以發(fā)現(xiàn)，世界各國(guó)越來(lái)越重視電子束增材制造技術(shù)的研發(fā)，特別是電子束粉末床熔融技術(shù)的工藝、裝備。比較典型的進(jìn)展包括：

EB-PBF成形材料種類(lèi)越來(lái)越多，而且成形難度越來(lái)越大，已經(jīng)從鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金、鎳基變形高溫合金等，發(fā)展到鈦鋁基合金，鐵鋁、錳鋁等金屬間化合物，純銅，硬質(zhì)合金以及鎳基鑄造高溫合金等傳統(tǒng)難加工材料。

多尺度、多物理場(chǎng)計(jì)算模擬技術(shù)被成功應(yīng)用于對(duì)電子束掃描粉末床熔化沉積過(guò)程的介觀（微米、微秒時(shí)空尺度）模擬（見(jiàn)圖2），并與金屬凝固和結(jié)晶過(guò)程模擬相結(jié)合。這一技術(shù)突破，將對(duì)EB-PBF工藝過(guò)程的缺陷產(chǎn)生機(jī)理、結(jié)晶組織控制、制件表面光潔度改善等基礎(chǔ)問(wèn)題的研究和工藝改進(jìn)提供重要理論基礎(chǔ)和分析手段。

EB-PBF裝備功能越來(lái)越豐富。除基于紅外成像、光學(xué)攝像機(jī)等光學(xué)觀察、檢測(cè)裝置被集成到EB-PBF設(shè)備上外，基于EB-PBF特有的二次電子或背散射電子的檢測(cè)技術(shù)也開(kāi)始被集成進(jìn)來(lái)（見(jiàn)圖3）。相比于光學(xué)檢測(cè)，基于二次電子或背散射電子的成像檢測(cè)技術(shù)具有良好的抗輻射、耐蒸鍍特性，非常適于安裝在EB-PBF設(shè)備的真空室中，且不需要進(jìn)行屏蔽保護(hù)。

國(guó)內(nèi)外研究比較

在EB-PBF技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)于2004年即開(kāi)始了自主技術(shù)與裝備的研發(fā)，稱(chēng)之為電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)，并在2018年推出了商業(yè)化產(chǎn)品Q(chēng)BeamLab，使中國(guó)成為國(guó)際上第二個(gè)能夠自主研發(fā)該技術(shù)的國(guó)家，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的“自主可控”。

相較于世界其它國(guó)家（除Arcam公司所在的瑞典外），我國(guó)已掌握了EB-PBF裝備的自主研發(fā)能力，為自主創(chuàng)新奠定了非常重要的基礎(chǔ)。例如：清華大學(xué)將激光與電子束粉末床熔融技術(shù)進(jìn)行集成，創(chuàng)新出了電子束-激光復(fù)合選區(qū)熔化（EB-LHM）技術(shù)（見(jiàn)圖4），通過(guò)激光與電子束的組合，可以實(shí)現(xiàn)真空SLM、高粉末床溫度SLM、激光防吹粉以及電子束-激光復(fù)合選區(qū)熔化（EB-LHM）等多種復(fù)合新工藝，為解決兩種工藝的技術(shù)瓶頸創(chuàng)造了有利條件。

在EB-PBF技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)與美國(guó)西北大學(xué)的Wing Kam Liu教授合作，建立了針對(duì)電子束掃描熔化粉末床過(guò)程的介觀（微米、微秒尺度）多種物理場(chǎng)模型，成為國(guó)際上掌握此項(xiàng)技術(shù)的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之一（另一個(gè)是德國(guó)埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)的Carolin K?rner教授團(tuán)隊(duì)），并通過(guò)與鋪粉過(guò)程模擬結(jié)合，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了多層多道電子束熔化沉積過(guò)程的模擬（見(jiàn)圖5）。為探究電子束掃描策略、優(yōu)化掃描路徑、避免層間缺陷等工藝研發(fā)，建立了自主的研究模擬平臺(tái)。

發(fā)展趨勢(shì)與展望

由于電子束有著高功率、高吸收率和高掃描速度等特點(diǎn)，EB-PBF技術(shù)具有成形效率高和適用材料范圍廣等優(yōu)勢(shì)，在諸如高強(qiáng)鋁合金、鑄造高溫合金、硬質(zhì)合金以及金屬間化合物等難加工材料的精確成形方面將發(fā)揮重要作用，甚至產(chǎn)生顛覆性成果。

但EB-PBF技術(shù)仍存在電子束焦斑較大，制件光潔度較低等不足，限制了其廣泛應(yīng)用。正在開(kāi)展的電子束增減材復(fù)合制造技術(shù)（見(jiàn)圖6），有望通過(guò)電子束對(duì)材料的氣化切割作用，切除輪廓邊緣的粗糙部分，改善EB-PBF制件內(nèi)外表面的光潔度，無(wú)需附加銑削刀具，不產(chǎn)生切屑，且不受工件溫度影響，因此電子束增減材將極大地促進(jìn)EB-PBF技術(shù)的發(fā)展。

此外，多槍陣列的大型化EB-PBF技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用趨勢(shì)日益明顯，而對(duì)零件制造質(zhì)量的監(jiān)控也越來(lái)越成為研究的重點(diǎn)。大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)將更多地被引入，應(yīng)用于工藝規(guī)劃、缺陷識(shí)別、故障診斷、質(zhì)量分析等（見(jiàn)圖7）。

（作者系清華大學(xué)機(jī)械工程系長(zhǎng)聘教授、博導(dǎo)、副系主任，先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任）