电子束快速成形技术的研究进展

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；