電子束粉末床熔融增材制造裝備發(fā)展綜述

焦沫涵，龍宏宇，梁嘯宇，周俊，林峰*

電子束粉末床熔融增材制造裝備發(fā)展綜述

焦沫涵1,2,3，龍宏宇4,5，梁嘯宇1,2,3，周俊4,5，林峰1,2,3*

（1.清華大學(xué) 機(jī)械工程系 清潔高效透平動(dòng)力裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.生物制造與快速成形技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；4.有色金屬與特種材料加工全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；5.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

電子束粉末床熔融（EB-PBF）增材制造技術(shù)具備成形效率高、成形零件應(yīng)力低等優(yōu)勢(shì)，適用于高溫合金、高熔點(diǎn)金屬的成形，在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)電子束粉末床熔融裝備的研究情況進(jìn)行了概述，回顧了EB-PBF裝備的發(fā)展歷程，匯總分析了國(guó)內(nèi)外主要廠商的裝備特點(diǎn)及研發(fā)進(jìn)展，綜述了抗吹粉、多材料、多束流復(fù)合3個(gè)方面裝備的關(guān)鍵改進(jìn)與創(chuàng)新方法。在此基礎(chǔ)上，著重介紹了離子中和、機(jī)械裝置屏蔽、近紅外預(yù)熱等新型成形艙改進(jìn)方案，及其對(duì)工藝過(guò)程穩(wěn)定性的提升效果；介紹了新型鋪送粉裝置改進(jìn)方案對(duì)多材料成形的潛力，即該方案可有效滿足多材料成形、成形效率提高等需求；此外提出并實(shí)現(xiàn)了多電子槍同幅加熱成形、電子束-激光復(fù)合成形等突破傳統(tǒng)單電子槍加工思路的新型成形技術(shù)。最后，總結(jié)了該方向的研究進(jìn)展并對(duì)其發(fā)展前景和主要發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

增材制造；電子束粉末床熔融；電子束選區(qū)熔化；裝備；材料加工

近年來(lái)，粉末床熔融增材制造（Powder Bed Fusion，PBF）作為一種重要的現(xiàn)代制造技術(shù)，吸引了大量學(xué)者。作為近凈成形技術(shù)的代表，PBF通過(guò)逐層熔融粉末材料，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字模型向?qū)嶓w構(gòu)件的轉(zhuǎn)換[1-2]。這種技術(shù)有別于傳統(tǒng)制造工藝，它能一次性成形傳統(tǒng)工藝無(wú)法制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)等，在大大提高零部件設(shè)計(jì)自由度的同時(shí)降低了零部件出現(xiàn)接縫缺陷的可能，提高了產(chǎn)品的整體性能和可靠性，同時(shí)消除了傳統(tǒng)減材制造過(guò)程中的材料浪費(fèi)。

基于不同能量源的粉末床熔融增材制造方式可以分為2種：激光粉末床熔融技術(shù)（Laser Powder Bed Fusion，L-PBF）和電子束粉末床熔融技術(shù)（Electron Beam Powder Bed Fusion，EB-PBF）。如圖1所示，與L-PBF相比，使用電子束作為能量源的EB-PBF有更高的能量利用率、粉末吸收率和成形效率，這種加工方式對(duì)脆性金屬、高溫合金、高反材料的加工提供了優(yōu)良的條件[3]。但是，它需要真空環(huán)境以防止電子束散射[4]，這無(wú)疑增加了制造成本，限制了應(yīng)用尺寸。相對(duì)而言，L-PBF的熔深較小，光斑較細(xì)，雖然效率較低，但精度較高，且不需要真空環(huán)境，因此不受腔室大小限制，但易受氣體污染影響[5-6]。

圖1 EB-PBF的特點(diǎn)（a）及不同金屬粉末對(duì)不同熱源的吸收率（b）[3]

在90年代中期，SLM Solutions和EOS公司開始商業(yè)化應(yīng)用L-PBF；1997年，Arcam AB公司開始商業(yè)化應(yīng)用EB-PBF[7]。目前，EB-PBF的應(yīng)用案例比L-PBF的少[8]。然而，隨著電子束增材制造行業(yè)的發(fā)展，EB-PBF已在航空航天[9]、醫(yī)療[10]等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。例如，在航空航天領(lǐng)域，GE集團(tuán)在2019年開始利用60余臺(tái)Arcam電子束加工設(shè)備批量制造鈦鋁航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片，在2020年將其裝配在GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上并實(shí)現(xiàn)首飛[11]。在醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)為患者量身定制了生物醫(yī)學(xué)植入件，最典型的案例是骨科人工髖關(guān)節(jié)植入的髖臼杯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每30例髖關(guān)節(jié)手術(shù)中就有1例使用由Arcam設(shè)備成形的髖臼杯[12]。此外，在能源、汽車、電子等行業(yè)，EB-PBF也在零部件精密制造、快速成形等方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

EB-PBF技術(shù)需要真空條件、精密的電子槍設(shè)計(jì)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，商業(yè)化應(yīng)用的門檻較高，一度導(dǎo)致它只有小規(guī)模應(yīng)用。但隨著技術(shù)水平的不斷提高，越來(lái)越多的廠商投入到了EB-PBF設(shè)備與技術(shù)的研發(fā)中。近年來(lái)，針對(duì)EB-PBF成形過(guò)程的特點(diǎn)和應(yīng)用需求，還涌現(xiàn)出了如Wayland公司的中性束技術(shù)[13]等新興研究路線。目前關(guān)于EB-PBF設(shè)備和技術(shù)的綜述文章較少，這些文章無(wú)法準(zhǔn)確反映EB-PBF的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)。因此，本文深入探討了EB-PBF的設(shè)備、應(yīng)用、獨(dú)特技術(shù)以及未來(lái)發(fā)展方向，同時(shí)揭示了其在制造業(yè)中日益重要的地位。未來(lái)，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，EB-PBF的成形速度和成本將進(jìn)一步得到優(yōu)化，其應(yīng)用將更為廣泛，尤其在航空、航天、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域，EB-PBF技術(shù)有望推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新升級(jí)。

1 電子束粉末床熔融的裝備發(fā)展

電子束粉末床熔化（EB-PBF）也稱為電子束選區(qū)熔化（EBSM）或者電子束增材制造（EBAM），是一種先進(jìn)的3D打印技術(shù)。不同于L-PBF利用激光作為能量源并利用振鏡系統(tǒng)控制光束路徑，EB-PBF是通過(guò)加熱鎢燈絲或者六硼化鑭（LaB6）單晶陰極發(fā)射電子，并經(jīng)過(guò)高壓（≥60 kV）加速后形成電子束流來(lái)轟擊粉末床，將電子的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為金屬粉末的熱能，進(jìn)而熔化粉末進(jìn)行成形[14-15]。電子槍利用電磁線圈來(lái)控制電子束流的偏轉(zhuǎn)和聚焦，使其具備較高的成形能力和精度。同時(shí)，為了減小電子與氣體分子（如氧氣、氮?dú)獾龋┡鲎苍斐傻哪芰繐p失，通常在高真空度和氦氣氛圍下進(jìn)行成形，這避免了因金屬粉末在高溫下氧化而對(duì)成形零件的性能產(chǎn)生影響[16-18]。由于電子束粉末床熔融技術(shù)有著較高的能量利用率和成形效率，因此使用電子束粉末床熔融技術(shù)加工成形高性能金屬部件有著明顯優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，相關(guān)行業(yè)對(duì)EB-PBF技術(shù)的認(rèn)可程度不斷提高，隨著電子槍技術(shù)、控制系統(tǒng)與EB-PBF工藝不斷進(jìn)步和成熟，EB-PBF設(shè)備呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)，如圖2所示。本文對(duì)EB-PBF設(shè)備的發(fā)展歷程及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了概述，并對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外商業(yè)化EB-PBF設(shè)備的最新研發(fā)進(jìn)展。

圖2 電子束粉末床熔融設(shè)備廠商發(fā)展歷程

電子束熔化的概念最早在20世紀(jì)80年代末被提出，并在20世紀(jì)90年代得到進(jìn)一步發(fā)展，其技術(shù)原理由瑞典Arcam公司與瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）提出并取得專利[19]，早期的工作包括使用電子束選擇性地逐層熔化金屬粉末以建立復(fù)雜形狀，這一階段的主要工作是進(jìn)行概念性驗(yàn)證。生產(chǎn)的原型機(jī)體積大，也沒有針對(duì)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

在21世紀(jì)初期，電子光學(xué)技術(shù)有了顯著的進(jìn)展。更精確的電子束聚焦和掃描技術(shù)被開發(fā)出來(lái)，這利于更好地控制熔化過(guò)程，提高打印部件的分辨率和表面質(zhì)量。在此期間，制造商開始商業(yè)化應(yīng)用EB-PBF系統(tǒng)，使電子束粉末床熔融技術(shù)正式應(yīng)用于工業(yè)。從1997年至2012年，Arcam公司一直是全球唯一的EB-PBF商用化設(shè)備的供應(yīng)商[20]，而此后，已經(jīng)有超過(guò)7家企業(yè)或公司成為EB-PBF設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)商。例如中國(guó)北京清研智束有限公司、西安塞隆金屬材料有限公司、日本電子株式會(huì)社（JEOL）、瑞典Freemelt公司、日本三菱公司、德國(guó)ALD和Pro-beam公司等。

瑞典Arcam公司率先在2002年推出了全世界第一臺(tái)商用EB-PBF設(shè)備（EBM S12）[21]。在此后的21年間，又陸續(xù)推出了Arcam A1/A2/A2X、Q10/10plus、Q20/20plus、Spectra H/L系列的EB-PBF設(shè)備[22]，其中Q系列在生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用；A系列主要針對(duì)高溫合金、金屬間化合物（渦輪葉片、航空結(jié)構(gòu)件）以及新材料的開發(fā)；Spectra系列則適用于生產(chǎn)較大尺寸零件。2016年，Arcam公司被GE（General Electric，USA）公司收購(gòu)[23]。

瑞典的Freemelt公司成立于2017年，于2019年研發(fā)并對(duì)外銷售了Freemelt One EB-PBF系統(tǒng)[20,24]，該系統(tǒng)受限于真空室及成形缸尺寸，無(wú)法成形較大的零部件，其優(yōu)勢(shì)在于能經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)新材料及成形工藝，被很多科研機(jī)構(gòu)采用。

清華大學(xué)機(jī)械工程系自2004年就開始開發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EB-PBF設(shè)備，并先后給國(guó)內(nèi)西北有色院、中科院合肥物質(zhì)研究院等單位提供了科研型EB-PBF設(shè)備[25]。2015年，依托清華大學(xué)高端裝備研究院的QBeam公司（今北京清研智束公司）推出了2款EB-PBF設(shè)備，即Med 200和Lab 200系列。目前，清研智束QBeam Lab系列產(chǎn)品已經(jīng)成功交付俄羅斯等國(guó)家。2022年，清研智束推出Qbeam G350和S600系列。前者采用了雙電子槍陣列，可以實(shí)現(xiàn)雙槍同幅掃描（電子束間干擾位移≤10 μm），顯著提高了成形效率，保證粉末床溫度在1 250 ℃精確可控，能夠低應(yīng)力成形熱裂敏感材料，非常適用于大尺寸難焊高溫合金部件的成形；S600則采用2×2陣列式電子槍系統(tǒng)，結(jié)合600 mm×600 mm的成形幅面，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的高效率成形。

西安賽隆金屬材料有限公司成立于2013年，是西北有色金屬研究院控股的專業(yè)從事電子束選區(qū)熔化裝備及打印服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。賽隆公司針對(duì)不同的成形尺寸、金屬材料及應(yīng)用領(lǐng)域，推出了不同系列與型號(hào)的電子束選區(qū)熔化設(shè)備，如Sailong Y系列、T系列及H系列。

德國(guó)Pro-beam公司專注于開發(fā)電子束和激光焊接、微孔鉆孔和表面涂層技術(shù)。該公司的EB-PBF機(jī)器主要針對(duì)小尺寸和高生產(chǎn)率的應(yīng)用領(lǐng)域。在2021年Formnext展上，該公司推出了PB EBM 30S設(shè)備，該設(shè)備具有處理并行化、電子光學(xué)原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和獨(dú)特的熱分布曝光策略等一系列特點(diǎn)。

德國(guó)企業(yè)ALD最早從事真空熔煉和真空熱處理設(shè)備的研發(fā)與服務(wù)，是一家真空冶金經(jīng)驗(yàn)豐富的制造企業(yè)。該企業(yè)于2020年推出了一款電子束粉末床金屬3D打印系統(tǒng)——EBuild 850，也是截至目前市面上成形幅面（850 mm×850 mm×1 000 mm）最大、電子槍功率（45 kW）最高的電子束粉末床打印設(shè)備，這種高電壓電子槍設(shè)備不僅利于成形大尺寸零件，還可以提高成形效率，例如支持使用更大粒徑的粉末（>150 μm）或低流動(dòng)性的粉末。

日本于2014年成立了兩家EB-PBF供應(yīng)商，分別為TADA和JEOL[26]。TADA與Pro-beam類似，旨在將電子束焊接專業(yè)知識(shí)引入EB-PBF市場(chǎng)，推出了搭載6 kW電子的EB-PBF設(shè)備——EZ 300，也是日本第一臺(tái)EB-PBF設(shè)備[27]。JEOL擁有70多年的電子光學(xué)研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及50多年的電子束測(cè)量和光刻專業(yè)知識(shí)，于RAPID 2022展上推出了一款工業(yè)級(jí)打印機(jī)——JAM 5200EBM，其陰極壽命可達(dá)到1 500 h，是目前EB-PBF機(jī)器中陰極使用壽命最長(zhǎng)的打印機(jī)。此外，JAM 5200EBM采用了一種名為“E-Shield”的物理屏蔽技術(shù)，用來(lái)解決打印過(guò)程中的吹粉問題。

Wayland Additive是一家英國(guó)初創(chuàng)公司，該公司試圖將成熟的電子束技術(shù)從半導(dǎo)體行業(yè)轉(zhuǎn)移到增材制造行業(yè)，并推出了EB-PBF商業(yè)設(shè)備——Calibur 3[28]。該設(shè)備的特點(diǎn)是采用了一種稱為NeuBeam的電荷中和技術(shù)，即通過(guò)正離子流來(lái)中和帶電粉末顆粒的電荷，從源頭上解決了吹粉現(xiàn)象[13]。Wayland還采用了局部粉床預(yù)熱工藝，即僅對(duì)打印件的粉末施加局部熱源，有效避免了粉末床燒結(jié)問題，提高了粉末的重復(fù)利用率。

圖3匯總了目前EB-PBF商業(yè)化設(shè)備的基本情況，分析了設(shè)備的基本成形能力和適用材料范圍。表1梳理了設(shè)備的主要技術(shù)特點(diǎn)和指標(biāo)。

2 電子束粉末床熔融設(shè)備的改進(jìn)與創(chuàng)新

2.1 抑制吹粉的裝備與關(guān)鍵技術(shù)

在EB-PBF技術(shù)中，電子槍提供高能電子束并將其發(fā)射到粉末表面，材料吸收電子的動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為熱能對(duì)粉末進(jìn)行熔化，射入粉末床的電子會(huì)在受照射的粉末顆粒上積累，進(jìn)而產(chǎn)生靜電排斥，這種電子束與粉末之間的瞬態(tài)相互作用會(huì)導(dǎo)致粉末劇烈運(yùn)動(dòng)，即吹粉現(xiàn)象[29]，如圖4所示[30]。在吹粉過(guò)程中，成形幅面上的粉末被揚(yáng)起并散落到真空室中，破壞了粉末層，使EB-PBF過(guò)程不可逆轉(zhuǎn)的中止。

預(yù)熱是防止吹粉的有效方法之一，這種方式是通過(guò)預(yù)燒結(jié)粉末顆粒來(lái)提高粉末層的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)而防止吹粉[31-33]，研究者們通過(guò)進(jìn)行大量試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得不吹粉的工藝參數(shù)窗口[34-35]。Wang等[30]、Eschey等[36]和Ye等[37]均通過(guò)高速攝影和電子信號(hào)檢測(cè)的手段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了EB-PBF吹粉過(guò)程，提出了電子束吹粉是可以被檢測(cè)的，當(dāng)吹粉現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)特征可以反映出吹粉過(guò)程中不同階段的粉末運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此可以檢測(cè)吹粉過(guò)程，從而預(yù)防或控制吹粉。

圖3 商業(yè)化電子束粉末床熔融設(shè)備匯總

表1 市面在售不同EB-PBF設(shè)備的比較

Arcam公司在電子槍側(cè)壁上安裝了X射線傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)電子槍內(nèi)部的飛濺粉末[38]。這種方法有助于防止電子槍損壞，但直到粉末完全揚(yáng)起傳感器才做出反應(yīng)，這仍然會(huì)造成打印停止。

英國(guó)Wayland Additive公司[28]針對(duì)吹粉問題提出了NeuBeam（中性束）工藝，通過(guò)在粉床上加載正電荷中和粉末床中積聚的負(fù)電荷，防止帶電的電子束撞擊松散的粉末床進(jìn)而避免吹粉。當(dāng)消除與粉末充電相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)后，電子束熔化更像激光燒結(jié)。NeuBeam作用于粉末床的溫度高于所用材料的退火溫度但低于燒結(jié)溫度，這意味著未使用的粉末保持松散狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)后產(chǎn)生難以清理的硬質(zhì)粉末床的現(xiàn)象，極大地簡(jiǎn)化了粉末去除和后處理的過(guò)程。

Freemelt公司于2022年在瑞典申請(qǐng)了一項(xiàng)名為ProHeat?的粉末床預(yù)熱技術(shù)專利[39]，此項(xiàng)技術(shù)在粉末床上方放置了一個(gè)加熱保護(hù)裝置，如圖5所示，這個(gè)加熱板可以在粉末床和電子槍之間旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，加熱板被入射的電子束加熱，通過(guò)二次輻射加熱下面的粉末，與現(xiàn)有的使用電子束預(yù)熱粉床的方式相比，這項(xiàng)技術(shù)屬于間接加熱，可以保證粉末在不與電子相互作用的情況下被加熱，從而消除了粉末帶電，因此也無(wú)須關(guān)心粉末的粒徑和電導(dǎo)率。同時(shí)，該公司表示這項(xiàng)技術(shù)可以不需要在成形室中填充惰性氣體防止吹粉，這樣保證真空室中更好的真空度，有利于提高電子束的質(zhì)量。

日本的JEOL公司也針對(duì)吹粉問題研發(fā)了相應(yīng)的解決方案。該公司使用一個(gè)環(huán)繞成形區(qū)域的“E-Shield”[40]，即電子屏蔽圈，來(lái)避免粉末粒子的散射和充電。這個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)是為了最大程度地控制熔化過(guò)程中粉末粒子的分散情況，以優(yōu)化成形質(zhì)量。

圖4 單點(diǎn)下束狀態(tài)下吹粉發(fā)展過(guò)程的高速攝影圖像[30]

圖5 ProHeat? 的預(yù)熱流程[39]

Sj?str?m等[41]提出了使用近紅外輻射（Near- Infrared Radiation，NIR）的方式預(yù)熱粉末床，他們將一套尺寸為100 mm×120 mm、功率為6 kW的NIR設(shè)備與Arcam的EB-PBF設(shè)備相結(jié)合（如圖6所示），成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)底板和粉末床的加熱。通過(guò)該技術(shù)成形的Ti6Al4V和316L試樣表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)EB-PBF相似的組織特征和硬度。他們認(rèn)為，通過(guò)利用NIR設(shè)備輔助預(yù)熱粉床，打印的單層時(shí)間縮短了13%～80%，并且指出，當(dāng)電子束只負(fù)責(zé)成形時(shí)，燈絲的壽命將會(huì)大大提高，維護(hù)成本有所降低。

2.2 多材料成形

EB-PBF在制備多材料方面具有很大的潛力，其中梯度結(jié)構(gòu)有著獨(dú)特的性能和較易的制備過(guò)程。Guo等[42]開發(fā)了一種新型EB-PBF裝置（如圖7所示），該裝置通過(guò)兩側(cè)的振動(dòng)裝置將不同材料的粉末送入粉末混合裝置中，粉末混合裝置通過(guò)判斷重量來(lái)控制粉末混合比例，并通過(guò)機(jī)械混合至均勻，混合后的粉末被平鋪在粉末床上用來(lái)成形，他們成功制備出沿構(gòu)建方向上具有成分梯度的Ti6Al4V/Ti47Al2Cr2Nb材料。Fu等[43]提出了一種選擇性鋪粉方法（如圖8所示），他們使用不同粒徑的銅和鎢的粉末成形了Cu-W功能梯度材料。在EB-PBF過(guò)程中，當(dāng)層厚較小時(shí)，粉末混合物中的大部分粗粉末在鋪粉時(shí)被移除，這導(dǎo)致在粉末層中剩余了更多的細(xì)粉末?；谶@種選擇性鋪粉原理，在成形時(shí)可通過(guò)控制每一層的層厚，從而控制成形件的化學(xué)成分。但由于打印完畢后的粉床由混合粉末構(gòu)成，很難對(duì)粉末進(jìn)行回收利用。

圖7 振動(dòng)下粉（a）以及混粉與鋪粉示意圖（b）[42]

2.3 多束流復(fù)合成形

隨著EB-PBF和L-PBF的發(fā)展，研究人員開始開發(fā)新的增材制造工藝，通過(guò)結(jié)合不同制造方式的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到提升加工效率、擴(kuò)大材料適應(yīng)范圍、提升加工精度、解決單種增材制造工藝存在的技術(shù)瓶頸等目的。EB-PBF技術(shù)也衍生出了電子束-電子束復(fù)合、電子束-激光復(fù)合的新方案。

圖8 Freemelt One設(shè)備的成形室（包括供粉和鋪粉裝置）（a）以及選擇性鋪粉系統(tǒng)的示意圖（b）[43]

2.3.1 電子束增減材

林峰等[44]在2017年開發(fā)了電子束增減材復(fù)合增材制造裝備，將電子束選區(qū)熔化與電子束切割功能結(jié)合，通過(guò)電子束對(duì)成形件輪廓進(jìn)行切割以提高成形件表面質(zhì)量，如圖9所示。針對(duì)316L不銹鋼，采用電子束跳轉(zhuǎn)脈沖切割和連續(xù)快速掃描切割2種方法，在現(xiàn)有的EB-PBF設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了電子束切割工藝[45]，并與EB-PBF工藝結(jié)合，降低了316L不銹鋼的側(cè)表面粗糙度，初步驗(yàn)證了電子束增減材工藝的可行性及其改善EB-PBF成形件表面質(zhì)量的能力。

2.3.2 電子束-電子束復(fù)合（雙槍同幅）

為更好地保證粉末床在高溫時(shí)的溫度穩(wěn)定性，避免在電子束選區(qū)熔化時(shí)粉末床溫度下降，清華大學(xué)與清研智束合作提出了電子束與電子束復(fù)合的雙槍同幅、同步預(yù)熱技術(shù)，使用2臺(tái)電子槍，可分別進(jìn)行選區(qū)熔化和粉末床預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)了高溫預(yù)熱與成形加工在同一幅面的同步進(jìn)行（見圖10）。與傳統(tǒng)EB-PBF工藝相比，雙槍同幅同步預(yù)熱工藝有利于保持粉末床溫度的穩(wěn)定性，可以保證粉末床在1 000 ℃以上時(shí)的穩(wěn)定性，有利于解決難焊鎳基高溫合金零件成形過(guò)程中的凝固裂紋問題。清研智束公司已推出了商業(yè)化的Qbeam G350設(shè)備[46]，使用雙槍同幅技術(shù)，通過(guò)同步進(jìn)行粉末床的預(yù)熱掃描和零件截面的填充與輪廓掃描，可保證粉末床溫度在1 250 ℃時(shí)精確可控，適用于形狀復(fù)雜、裂紋敏感性材料零部件的加工制造，如大尺寸薄壁零部件及金屬間化合物、難焊高溫合金、難熔金屬、高熵合金等。

圖9 電子束增減材復(fù)合制造裝備原理示意圖（a）[44]以及電子束增減材復(fù)合工藝實(shí)驗(yàn)的零件表面（b）[45]

圖10 電子束雙槍同幅復(fù)合增材制造原理示意圖（a）以及電子束雙槍復(fù)合增材制造裝備（b）

2.3.3 電子束-激光復(fù)合

電子束粉末床熔融技術(shù)（EB-PBF）具有效率高、溫度可控、材料適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，但由于束斑粗大，其成形精度較低。激光粉末床熔融技術(shù)（L-PBF）的成形精度高、制件表面粗糙度低，但成形效率較低。清華大學(xué)李宏新等[47]提出將2種選區(qū)熔化技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)具有更高效率、更高精度和更高材料適應(yīng)性的電子束與激光復(fù)合選區(qū)熔化（EB-LHM）的新型增材制造技術(shù)，并且開發(fā)了電子束-激光復(fù)合設(shè)備，如圖11所示。EB-LHM的電子束和激光同步工作，利用電子束能量利用率高的特點(diǎn)進(jìn)行粉末床預(yù)熱，利用激光精度高的特點(diǎn)進(jìn)行輪廓或主體成形，成功改善了電子束增材制造Ti6Al4V的表面質(zhì)量[48]。電子束-激光復(fù)合的加工思路不僅能提高零件的成形質(zhì)量，還有望通過(guò)工藝上的結(jié)合解決EB-PBF的技術(shù)瓶頸。

圖11 電子束-激光復(fù)合設(shè)備示意圖（a）與成形工藝過(guò)程（b）

電子束與激光有很多種復(fù)合方式，例如電子束預(yù)熱-激光成形和激光預(yù)熱-電子束成形等。Hao等[49]對(duì)比了上述2種電子-激光復(fù)合混合策略。結(jié)果顯示，2種復(fù)合方式都可以得到致密度99%以上的Ti6Al4V樣品，并且通過(guò)混合預(yù)熱策略調(diào)控溫度場(chǎng)可以使材料展現(xiàn)出不同的組織特征，其中電子束預(yù)熱-激光成形復(fù)合手段可以實(shí)現(xiàn)較高的強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度為1 059 MPa± 62 MPa）和較好的塑性（應(yīng)變?yōu)?4.8%±4.0%）。

周斌[50]使用EB-LHM設(shè)備進(jìn)行了電子束-激光復(fù)合預(yù)熱的研究，他利用激光預(yù)先燒結(jié)并固定粉末床，增強(qiáng)了粉末抗吹粉能力，之后利用大功率電子束繼續(xù)預(yù)熱粉末床到指定溫度，這樣不僅可以避免吹粉問題，還可以縮短預(yù)熱時(shí)間，大大提高了EB-LHM的材料適應(yīng)性和成形效率。

3 總結(jié)與展望

增材制造是未來(lái)制造業(yè)的關(guān)鍵發(fā)展方向之一。近幾年，作為一種具有巨大潛力的金屬增材制造方法，EB-PBF技術(shù)在攻克技術(shù)難關(guān)的同時(shí)逐步產(chǎn)業(yè)化，并在航空航天、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)對(duì)EB-PBF的基礎(chǔ)研究已經(jīng)得到了國(guó)際認(rèn)可，并且逐步實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自主研發(fā)，特別是在大尺寸EB-PBF和復(fù)合EB-PBF技術(shù)方面，我國(guó)已經(jīng)走在了全球的前列。這將有助于推動(dòng)我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。

近些年EB-PBF產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展階段，不論是在科研領(lǐng)域還是在商業(yè)領(lǐng)域，都有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，但該技術(shù)仍然有進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)的潛力，在未來(lái)有以下幾個(gè)方面值得進(jìn)一步研究：

1）大型化。目前，L-PBF設(shè)備廠家已經(jīng)通過(guò)使用陣列掃描的方式實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1 m的成形幅面，提高了成形效率，這對(duì)制造大型零件和提升成形效率具有重要意義。然而，由于電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術(shù)中電子槍的陰極壽命和穩(wěn)定性相較于激光器的低，其大尺寸陣列技術(shù)的發(fā)展仍有待深入研究和探索。

2）集成化與智能化。目前，EB-PBF的集成化和智能化程度仍有待提高。通過(guò)構(gòu)建閉環(huán)制造體系，實(shí)現(xiàn)粉末生產(chǎn)、零件制造、粉末回收等環(huán)節(jié)的無(wú)縫連接，可以進(jìn)一步優(yōu)化制造流程。同時(shí)，引入工業(yè)4.0的智能生產(chǎn)理念，建立成形質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，以及利用AI和大數(shù)據(jù)分析手段進(jìn)行打印決策等，都有望大幅提升EB-PBF的成形質(zhì)量和制造效率，降低制造成本。

3）新材料與新工藝的開發(fā)。目前，EB-PBF工藝集中在鈦合金、高溫合金等具有特定本征的金屬材料的成形。需要根據(jù)具體材料的應(yīng)用背景將電子束粉末床熔融的優(yōu)勢(shì)最大化，進(jìn)一步拓展EB-PBF材料的選擇范圍，并開發(fā)EB-PBF專用的高質(zhì)量金屬粉末。此外，應(yīng)發(fā)展新的理論和表征手段來(lái)評(píng)估增材制造零件微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，提高對(duì)增材制造零件的工藝、結(jié)構(gòu)、性能之間相互關(guān)系的理解。結(jié)合模擬仿真建立打印參數(shù)與零件目標(biāo)性能的模型，如溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、冷卻速率、凝固和晶粒生長(zhǎng)等，減少缺陷，加快新材料的開發(fā)進(jìn)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4）復(fù)合成形技術(shù)。EB-PBF仍有成形穩(wěn)定性低、精度差的問題，通過(guò)復(fù)合電子束、激光、數(shù)控切削等工藝?yán)^續(xù)攻堅(jiān)復(fù)合成形技術(shù)難點(diǎn)，提高成形精度、成形效率和解決EB-PBF的技術(shù)瓶頸也將是重要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

5）電子槍技術(shù)。目前大多數(shù)EB-PBF設(shè)備使用的是加速電壓為60 kV的電子槍，陰極壽命在幾百小時(shí)內(nèi)，通過(guò)提高電子槍加速電壓、提高電子束光斑精度、提升電子槍壽命是助力EB-PBF走向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

[1] FU Z, K?RNER, CAROLIN. Actual State-of-the-Art of Electron Beam Powder Bed Fusion[J]. European Journal of Materials, 2022, 2(1): 54-116.

[2] KHAJAVI S H, PARTANEN J, HOLMSTROM J. Additive Manufacturing in the Spare Parts Supply Chain[J]. Computers in Industry, 2014, 65(1): 50-63.

[3] 梁嘯宇, 張磊, 林峰. 電子束粉末床熔融制備鈦鋁基金屬間化合物研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2022, 14(11): 81-97.

LIANG Xiao-yu, ZHANG Lei, LIN Feng. Research Progress of TiAl Intermetallic Fabricated by Electron Beam Powder Bed Fusion[J].Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(11): 81-97.

[4] SCHAROWSKY T, BAUEREI? A, K?RNER C. Influence of the Hatching Strategy on Consolidation during Selective Electron Beam Melting of Ti-6Al-4V[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 92: 2809-2818.

[5] HASSEL T, KLIMOV G, BENIYASH A. Beam Extraction Using Non Vacuum Electron Beam by Reduced Acceleration Voltage[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2018, 1109: 012017.

[6] KLASSEN A. Simulation of Evaporation Phenomena in Selective Electron Beam Melting[M]. Erlangen: FAU University Press, 2018.

[7] K?RNER C. Additive Manufacturing of Metallic Components by Selective Electron Beam Melting-a Review[J]. International Materials Reviews, 2016, 61(5): 361-377.

[8] 張朝瑞, 錢波, 張立浩, 等. 金屬增材制造工藝、材料及結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J]. 機(jī)床與液壓, 2023, 51(9): 180-196.

ZHANG Chao-rui, QIAN Bo, ZHANG Li-hao, et al. Research Progress of Metal Additive Manufacturing Process, Materials and Structure[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2023, 51(9): 180-196.

[9] TAN X P, KOK Y, TOR S B, et al. Application of Electron Beam Melting (EBM) in Additive Manufacturing of an Impeller[C]// International Conference on Progress in Additive Manufacturing, Singapore, 2014: 327-332.

[10] PONADER S, VAIRAKTARIS E, HEINL P, et al. Effects of Topographical Surface Modifications of Electron Beam Melted Ti-6Al-4V Titanium on Human Fetal Osteoblasts[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2010, 84(4): 1111-1119.

[11] BLAKEY-MILNER B, GRADL P, SNEDDEN G, et al. Metal Additive Manufacturing in Aerospace: A Review[J]. Materials & Design, 2021, 12: 110008.

[12] CARRIERE P R. Energy and Charge Transfer during Electron Beam Melting[M]. Montreal: McGill University (Canada), 2018.

[13] DEN B J A, HUSSEY M J, RICHARDSON W T, et al. Additive Layer Manufacture Using Charged Particle Beams: U.S. Patent 10,879,039[P]. 2020-12-29.

[14] 李宏新. 90 kV高壓電子束粉末床熔融增材制造技術(shù)研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2022.

Hong-xin. 90 kV High-voltage Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Technology Research[D]. Beijing: Tsinghua University, 2022.

[15] SIGL M, LUTZMANN S, ZAEH M F. Transient Physical Effects in Electron Beam Sintering[C]// 2006 International Solid Freeform Fabrication Symposium, 2006: 464-477.

[16] WANG C, TAN X, LIU E, et al. Process Parameter Optimization and Mechanical Properties for Additively Manufactured Stainless Steel 316L Parts by Selective Electron Beam Melting[J]. Materials & Design, 2018, 147: 157-166.

[17] ZHONG Y, R?NNAR L E, LIU L, et al. Additive Manufacturing of 316L Stainless Steel by Electron Beam Melting for Nuclear Fusion Applications[J]. Journal of Nuclear Materials, 2017, 486: 234-245.

[18] R?NNAR L E, KOPTYUG A, OLSéN J, et al. Hierarchical Structures of Stainless Steel 316L Manufactured by Electron Beam Melting[J]. Additive Manufacturing, 2017, 17: 106-112.

[19] 張靖. 電子束選區(qū)熔化數(shù)字式掃描控制系統(tǒng)研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2011.

ZHANG Jing. Research on the Digital Scanning Control System for Electron Beam Selective Melting[D]. Beijing: Tsinghua University, 2011.

[20] KOWEN J. Unrealised Potential: The Story and Status of Electron Beam Powder Bed Fusion[J]. Metal Additive Manufacturing, 2020, 6(2): 119-131.

[21] ARCAM A. Arcam History[EB/OL]. (2015)[2023-08-10]. http://www. arcam.com/company/abo ut-arcam/history/.

[22] ARCAM A. EBM? Electron Beam Melting-in the forefront of Additive Manufacturing[EB/OL]. (2019) [2023- 08-10]. http://www. arcam. com/company/about-arcam/ history/.

[23] LIETAERT K, WAUTHLE R, SCHROOTEN J. Porous Metals in Orthopedics[J]. Biomaterials in Clinical Practice: Advances in Clinical Research and Medical Devices, 2018(10): 281-301.

[24] ALMEIDA H, VASCO J. Expectations of Additive Manufacturing for the Decade 2020-2030[C]// Progress in Digital and Physical Manufacturing: Proceedings of ProDPM'19, 2020: 10-19.

[25] 李宏新, 梁嘯宇, 張磊, 等. 電子束粉末床熔融技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 大型鑄鍛件, 2022(5): 19-26.

LI Hong-xin, LIANG Xiao-yu, ZHANG Lei, et al. A Review of the Development of Electron Beam Powder Bed Fusion Technology[J]. Heavy Casting and Forging, 2022(5): 19-26.

[26] KYOGOKU H, CHIBA A, HASHITANI M, et al. The Development Status of the National Project by Technology Research Assortiation for Future Additive Manufacturing (Trafam) in Japan[C]// 2019 International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, 2019: 1641-1650.

[27] 宮田, 淳二. 電子ビーム方式金屬3dプリンタの開発[J]. 粉體および粉末冶金, 2021, 68(10): 442-449.

[28] WILL R C. Metal Additive Manufacturing: A “3rd” Way with the Pbf Process[EB/OL]. (2020) [2023-08-10]. https://www.waylandadditive.com/articles/metal-additive-manufacturing-a-3rd-way-with-the-pbf-process/.

[29] QI H, YAN Y, LIN F, et al. Direct Metal Part Forming of 316l Stainless Steel Powder by Electron Beam Selective Melting[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2006, 220(11): 1845-1853.

[30] WANG D F, ZHAO D C, LIANG X Y, et al. Multiple Stages of Smoking Phenomenon in Electron Beam Powder Bed Fusion Process[J]. Additive Manufacturing, 2023, 66: 103434.

[31] LARSSON M, SNIS, ANDERS. Method and Device for Producing Three-Dimensional Objects: China, CN1016-78-455 B[P]. 2012-09-26.

[32] KARLSSON J, NORELL M, ACKELID U, et al. Surface Oxidation Behavior of Ti-6Al-4V Manufactured by Electron Beam Melting (Ebm)[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2015, 17: 120-126.

[33] GIOVANNI R, MANUELA G, LUCA I. A Phase-Field Study of Neck Growth in Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) Process of Ti6Al4V Powders under Different Processing Conditions[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, 123(3/4): 855-873.

[34] LI Y, KAN W B, ZHANG Y M, et al. Microstructure, Mechanical Properties and Strengthening Mechanisms of In738lc Alloy Produced by Electron Beam Selective Melting[J]. Additive Manufacturing, 2021, 47: 102371.

[35] LI Y, LIANG X Y, YU Y F, et al. Microstructures and Mechanical Properties Evolution of In939 Alloy during Electron Beam Selective Melting Process[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 883: 160934.

[36] ESCHEY C, LUTZMANN S, ZAEH M F. Examination of the Powder Spreading Effect in Electron Beam Melting (EBM)[C]// 2009 International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, 2009: 308-319.

[37] YE J, RENNER J, K?RNER C, et al. Electron-Optical Observation of Smoke Evolution during Electron Beam Powder Bed Fusion[J]. Additive Manufacturing, 2023, 70: 103578.

[38] LJUNGBLAD U. History and Future of EBM[C]// 1st International Conference on Electron Beam Additive Man-ufa-cturing EBAM, Germany, 2016.

[39] ACKELID U. Preheating of Powder Bed: Swedish Patent WO2021SE50352[P]. 2021-10-21.

[40] JEOL. Jam-5200ebm Electron Beam Metal Am Machine[M]. Tokyo: JEOL Web, 2022.

[41] SJ?STR?M W, KOPTYUG A, R?NNAR L E, et al. Near-Infrared Radiation: A Promising Heating Method for Powder Bed Fusion[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2023(3): 1-9.

[42] GUO C, GE W, LIN F. Dual-Material Electron Beam Selective Melting: Hardware Development and Validation Studies[J]. Engineering, 2015, 1(1): 124-130.

[43] FU Z W, YE J H, FRANKE M, et al. A Novel Approach for Powder Bed-Based Additive Manufacturing of Compos-i--ti-onally Graded Composites[J]. Additive Manufacturing, 2022, 56: 102916.

[44] 林峰, 周斌, 閆文韜, 等. 電子束選區(qū)熔化與電子束切割復(fù)合的增材制造裝備: 中國(guó), CN201710047601.1[P]. 2017-01-22.

LIN Feng, ZHOU Bin, YAN Wen-tao, et al. Additive Manufacturing Equipment for Electron Beam Selective Melting and Electron Beam Cutting Composite: China, CN201710047601.1[P]. 2017-01-22.

[45] 李宏新, 林峰. 用于電子束增減材技術(shù)的電子束氣化切割工藝研究[J]. 電加工與模具, 2022(5): 53-57.

LI Hong-xin, LIN Feng. The Study of Electron Beam Evaporation Cutting Process for Electron Beam Additive and Subtractive Hybrid Manufacturing[J]. Electroma-ch-in-ing & Mould, 2022(5): 53-57.

[46] QBEAM. Qbeam G350[EB/OL]. (2022)[2023-08-22]. https://www.qbeam-3d.com/page/926.

[47] 李宏新, 周斌, 林峰. 電子束與激光復(fù)合選區(qū)熔化系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 電加工與模具, 2018(S1): 59-63.

LI Hong-xin, ZHOU Bin, LIN Feng. The Development of Electron Beam and Laser Hybrid Selective Melting Equip-ment[J]. Electromachining & Mould, 2018(S1): 59-63.

[48] ZHOU B, ZHOU J, LI H X, et al. A Study of the Microstructures and Mechanical Properties of Ti6Al4V Fabricated by Slm under Vacuum[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 724: 1-10.

[49] HAO M H, ZHANG L, ZHOU B, et al. Performance of Ti6Al4V Fabricated by Electron Beam and Laser Hybrid Preheating and Selective Melting Strategy[J]. China Foundry, 2021, 18: 351-359.

[50] 周斌. 電子束-激光復(fù)合選區(qū)熔化系統(tǒng)的開發(fā)及復(fù)合工藝研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2018.

ZHOU Bin. Development of Electron Beam-Laser Hybrid Selective Melting System and Research on Process[D]. Beijing: Tsinghua University, 2018.

Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: A Review of Equipment and Process Technology Developments

JIAO Mo-han1,2,3, LONG Hong-yu4,5, LIANG Xiao-yu1,2,3, ZHOU Jun4,5, LIN Feng1,2,3*

(1. State Key Laboratory of Clean and Efficient Turbomachinery Power Equipment, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, Beijing 100084, China; 3. Bio-manufacturing and Rapid Forming Technology Key Laboratory of Beijing, Beijing 100084, China; 4. State Key Laboratory of Non-ferrous Metals and Specialty Materials Processing, Nanning 530004, China; 5. School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Electron beam powder bed fusion (EB-PBF) additive manufacturing technology is very suitable for forming superalloys and refractory metals due to its advantages of high efficiency and low forming stress in the formed parts. It has a broad application prospect in the aerospace and biomedical domains. This paper presented a comprehensive overview of the research concerning EB-PBF equipment. It delved into the historical evolution of EB-PBF equipment, meticulously examined the equipment characteristics as well as the research and development progress made by major domestic and international manufacturers, and also overviewed key advancements and innovative approaches in three crucial dimensions: anti-smoking, multi-material integration, and hybrid beam manufacturing. On this basis, the new forming chamber improvement schemes such as ion neutralization, mechanical device shielding, and near-infrared preheating as well as its effect on improving the process stability were mainly introduced. The potential of new powder spreading and feeding device on materials forming was introduced, which effectively met the needs of multi-material forming and forming efficiency improvement. In addition, the multi-electron-gun simultaneous heating and forming, the electron beam-laser hybrid forming, and some other new methods were proposed and realized. Finally, the research progress in this direction was summarized and the prospect of its development and the main development direction was put forward.

additive manufacturing; electron beam powder bed fusion; electron beam melting; equipment; materials processing

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.11.002

TH166

A

1674-6457(2023)11-0009-12

2023-08-21

2023-08-21

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（J2019-Ⅶ-0016-0156）

National Science and Technology Major Project (J2019-Ⅶ-0016-0156)

焦沫涵, 龍宏宇, 梁嘯宇, 等. 電子束粉末床熔融增材制造裝備發(fā)展綜述[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 9-20.

JIAO Mo-han, LONG Hong-yu, LIANG Xiao-yu, et al. Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: A Review of Equipment and Process Technology Developments[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 9-20.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨