電子束熔絲沉積快速制造技術研究現狀

熊進輝，李士凱，耿永亮，高福洋，張建欣

（洛陽船舶材料研究所，河南洛陽471039）

電子束熔絲沉積快速制造技術研究現狀

熊進輝，李士凱，耿永亮，高福洋，張建欣

（洛陽船舶材料研究所，河南洛陽471039）

電子束熔絲沉積快速制造技術具有制造效率高、真空環境有利于零件保護、內部質量好和可實現多功能加工等優勢，非常適合大型金屬材料結構的快速制造，近年來成為高能束快速制造技術的研究熱點。在對比分析典型高能束快速制造技術的基礎上，總結了電子束熔絲沉積快速制造技術的特點，綜述了國內外電子束熔絲沉積快速制造技術的研究進展，并展望了電子束熔絲沉積快速制造技術的發展前景。

電子束熔絲沉積快速制造；快速成形；大型金屬材料

0　前言

航空、航天、船舶、電力和石化等現代工業高端裝備正在向大型化、高參數、極端惡劣條件下高可靠、長壽命服役的方向快速發展，其鈦合金、高強鋼和耐熱合金等關鍵金屬構件尺寸越來越大、結構日益復雜、性能要求日益提高。相應的制造技術要求越來越高、挑戰日益嚴峻，采用鑄造、鍛造和機加工等傳統制造技術生產上述大型、整體、高性能金屬構件，不僅需要重型鑄造、鍛造和機加工裝備及大型模具，技術難度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期長、成本高，金屬構件高能束“快速制造”技術，也稱為“增材制造”技術，俗稱“3D打印”技術，是一種采用高能束（激光、電子束）作為熱源，通過材料逐層添加堆積、實現構件無模成形的數字化制造技術。高能束快速制造技術將“材料制備/精確成形”有機融為一體、并將三維復雜形狀零件制造離散為簡單的二維平面形狀的逐層疊加，為設計人員奇思妙想的實現特別是高性能或超常性能構件和結構的實現提供了有效的途徑，同時該技術更能大幅度縮短生產周期、降低制造成本、節省材料消耗和加工制造費用。高能束快速制造技術以其與傳統去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速發展成了制造技術領域新的戰略方向，在先進制造技術發展的同時，也促進了結構設計思想的解放和提升，兩者的相互促進使得快速制造技術為制造業的變革提供了可能，在高端裝備的研制、生產和使用維護等方面，都有巨大應用價值和廣闊應用前景[1-2]。電子束熔絲沉積快速制造技術是一種典型的金屬構件高能束快速制造技術，相比其他高能束快速制造技術，其具有制造效率高、真空環境有利于零件保護、內部質量好和可實現多功能加工等優勢，成為國內外研究的熱點[3]。

在對比分析高能束快速制造技術與傳統方法的特點基礎上，重點總結了電子束熔絲沉積快速制造技術的特點，綜述了國內外電子束熔絲沉積快速制造技術的研究進展，并展望了電子束熔絲沉積快速制造技術的發展前景。

1　高能束快速制造技術的分類

根據填充材料方式的不同，高能束快速制造可分為預鋪粉和同步送粉或送絲兩種；根據采用熱源方式的不同，高能束快速制造可以分為激光、電子束兩種。目前，高能束快速制造主要包括激光選區熔化（鋪粉）、激光熔化沉積（送粉或填絲）、電子束選區熔化（鋪粉）和電子束熔絲沉積（送絲）等四種快速制造技術，這四種技術與傳統制造方法的特點對比如表1所示。

表1　高能束快速制造與傳統方法的特點對比

由表1可知，相比鑄造和鍛造+機加工的傳統制造方法，高能束快速制造技術可實現極端復雜零件的直接制造，后續不加工或者少量加工即可獲得可使用的零件，制造效率成倍提高，零件力學性能明顯強于鑄件，熱處理后接近或者達到鍛件水平。同時，四種高能束快速制造技術也各有優缺點，尤其是成形速度與精度之間不可調和的矛盾。如激光和電子束選區熔化技術能夠實現形狀復雜的薄壁空心異形零件高精度制造，實現“凈”成形，但制造過程復雜、效率較低；激光熔化沉積和電子束熔絲沉積效率高、制造成本低，過程簡單，但制造精度低，零件達到使用狀態還需要進一步精加工，不適用于高度復雜無法再加工的零件。

因此，應該基于所需金屬零部件的類型、服役條件、制造方法經濟可承受性，選擇合適的快速制造技術，充分發揮其獨特的優勢，抑制其劣勢。

2　電子束熔絲沉積快速制造技術原理和特點

電子束快速制造技術以高能量密度和高能量利用率的電子束作為加工熱源，當高速電子轟擊金屬粉末時，其動能立即轉化成熱能，使材料快速完全融化并成形三維實體零件。與激光成形不同的是電子質量遠大于光子，相對于激光束，電子束動能更大。當高速電子束轟擊金屬粉末時，易出現吹粉現象，即預制松散粉末在電子束的作用下被推離原位置。吹粉現象會導致粉末在熔化前偏離原來位置，影響成形質量。電子束熔絲沉積快速制造技術采用絲材替代粉末為原材料避免了吹粉問題。該技術有成形速度快、材料利用率高、無反射、能量轉化率高等特點，成形環境為真空，特別利于大中型鈦合金、鋁合金等高活性金屬零件的成形制造，但該技術精度較差，需要后續表面加工。

電子束熔絲沉積快速制造技術的原理如圖1所示。

圖1　電子束熔絲沉積快速制造技術原理

電子束熔絲沉積快速制造技術利用真空環境的高能電子束流作為熱源，直接作用于工件表面，在前一沉積層或基材上形成熔池。送絲系統將絲材從側面送入，絲材受電子束加熱融化，形成熔滴。隨著工作臺的移動，使熔滴沿著一定的路徑逐滴沉積進入熔池，熔滴之間緊密相連，從而形成新的沉積層，層層堆積，直至零件完全按照設計的形狀成形。

相比其他高能束快速制造技術，電子束熔絲沉積快速制造技術具有一些獨特的優點[3]，主要表現在下幾個方面。

（1）沉積效率高。電子束可以實現幾十千瓦大功率輸出，可以在較高功率下達到很高的沉積速率（15 kg/h），對于大型金屬結構的成形，電子束熔絲沉積成形速度優勢十分明顯。

（2）真空環境有利于零件的保護。電子束熔絲沉積成形在10-3Pa真空壞境中進行，能有效避免空氣中有害雜質（氧、氮、氫等）在高溫狀態下混入金屬零件，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工。

（3）內部質量好。電子束是“體”熱源，熔池相對較深，能夠消除層間未熔合現象；同時，利用電子束掃描對熔池進行旋轉攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。電子束熔絲沉積成形的金屬零件，無損探傷內部質量可以達到相關標準的Ⅰ級。

（4）可實現多功能加工。電子束輸出功率可在較寬的范圍內調整，并可通過電磁場實現對束流運動方式及聚焦的靈活控制，可實現高頻率復雜掃描運動。利用面掃描技術，能夠實現大面積預熱及緩冷，利用多束流分束加工技術，可以實現多束流同時工作，在同一臺設備上，既可以實現熔絲沉積成形，也可以實現深熔焊接。利用電子束的多功能加工技術，可以根據零件的結構形式以及使役性能要求，采取多種加工技術組合，實現多種工藝協同優化設計制造，以實現成本效益的最優化。

3　電子束熔絲沉積快速制造技術研究現狀

1999年，美國麻省理工學院的Dave等人提出了電子束熔絲沉積快速制造技術（Electron Beam Solid Freeform Fabrication）的概念，并采用該技術試制了鎳基合金渦輪盤[4]。

2002年，美國航空航天局蘭利研究中心的Taminger和Hafley等人發展了電子束熔絲沉積快速制造技術（Electron Beam Freeform Fabrication，簡稱EBFFF）[5-6]，并開發出專用成形設備，如圖2所示。

圖2　蘭利研究中心設備

利用該設備，蘭利研究中心進行了航天鈦合金結構件的電子束熔絲沉積快速制造技術研究，成形出航天用鈦合金典型零件，如圖3所示。

圖3　蘭利研究中心制造的鈦合金零件（右側為精加工后）

利用該設備，蘭利研究中心將電子束熔絲沉積制造技術應用于2219鋁合金零件的成形制造[7-9]。通過試驗研究，揭示了沉積率、送絲速度、電子束功率對成形件微觀組織結構、機械性能的影響，證明了工藝條件的變化對成形件性能（極限強度、屈服強度和延伸率等）的影響較小，成功制備了2219鋁合金成形件，如圖4所示。

2004年，美國Sciaky公司①http：//www.sciaky.com/，2012年12月20日引自Sciaky公司官方網站.開發出商用電子束熔絲沉積快速制造設備，如圖5所示，主要用于大型航空零件制造，如圖6所示。可以實現4×106mm3/h（或18 kg/h）的沉積速度，機加工的時間和材料損耗僅為傳統工藝的20％和5％。

目前，Sciaky公司已經成功制造了尺寸為5.8 m× 1.2 m×1.2 m的鈦合金零件，美國軍工巨頭洛克希德·馬丁公司將與Sciaky公司合作，采用電子束熔絲沉積快速制造技術生產F-35戰斗機的襟副翼翼梁，并于2013年初成功試飛。Phinazee[10]將Sciaky電子束熔絲沉積快速制造技術應用于TC4鈦合金航空典型結構件的制造，使該結構的材料利用率提高了79％，制造成本由17430美元下降到9810美元。

圖4　蘭利研究中心制造的鋁合金零件

圖5　美國Sciaky公司商用化設備

圖6　美國Sciaky公司制造的大型航空零件（機加工后）

Wanjara等人[11]利用電子束熔絲沉積快速成形技術在321不銹鋼薄板上沿直線沉積得到了347不銹鋼多層沉積層結構。研究發現沉積層的高度與層數有近似線性的關系，其力學性能良好，并且在微觀組織中發現了有利于奧氏體不銹鋼增強的典型碳化物。因此，電子束熔絲沉積快速成形技術可以用于不銹鋼零件的修復。

在國內，中航625所在電子束熔絲沉積快速制造技術方面取得了較大的進展，獨立開發了電子束熔絲沉積快速制造設備，如圖7所示，并使用該設備進行了鈦合金零件的成功試制，如圖8所示，對該制造技術的特點以及成形后的宏觀組織形貌進行了系統研究[12-13]。2012年，采用電子束熔絲快速制造的鈦合金零件在國內飛機結構上率先實現了裝機應用。

圖7　中航625所設備（60 kV/60 kW）

圖8　中航625所制造的鈦合金航空零件（機加工后）

中國船舶重工集團公司第七二五研究所（洛陽船舶材料研究所）引進德國SST多功能電子束加工設備（加速電壓150 kV，功率60 kW，真空室61 m3），如圖9所示，并在國內率先開展了艦船鈦合金、銅合金、鋁合金和高強鋼等部件的電子束熔絲沉積快速制造技術研究。

綜上所述，金屬材料電子束熔絲沉積快速制造技術以其具有的制造效率高、真空環境有利于零件保護、內部質量好和可實現多功能加工等特點，已經成為金屬材料高能束快速制造技術領域的研究熱點。

圖9　中船重工725所設備（150 kV/60 kW）

4　結論

相比其他金屬材料高能束快速制造技術，電子束熔絲沉積快速制造技術具有其他方法無可比擬的優越性。但是，電子束熔絲沉積快速制造技術還有內部冶金缺陷形成機制及力學行為、移動熔池約束凝固行為及構件晶粒形態演化規律、非穩態瞬時循環固態相變行為及顯微組織形成規律、內應力演化規律及構件變形開裂預防控制等材料、工藝基礎理論問題尚未完全解決，零件的性能、精度和效率尚不能令人滿意，使其無法大規模工程應用。電子束熔絲沉積快速制造技術今后的發展方向是在進一步深入研究相關材料、工藝基礎理論問題的基礎上，提高零件性能、制造精度和效率，使其更適合于大規模工業應用。

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Research status of electron beam freeform fabrication

XIONG Jinhui，LI Shikai，GENG Yongliang，GAO Fuxiang，ZHANG Jianxin
（Luoyang Ship Material Research Institute，Luoyang 471003，China）

Electron beam freeform fabrication（EBFFF）is considered as the most suitable method for large-scale metal additive manufacturing，due to the high efficiency，vacuum environment，good inside quality and multifunction manufacturing，which has been a subject of interest in recent years.This paper is based on analysis of features of EBFFF.A summary of the research status of EBFFF has been conducted and the key points of research in future are also proposed.

electron beam freeform fabrication；rapid prototyping;large metal materials

TG456.3

C

1001－2303（2016）02－0007-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.02

2015－12－29；

2015－06－16

熊進輝（1980—），男，工學博士，高級工程師，主要從事電子束焊接及加工技術研究工作。