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t i 5 a 1 2 5 s ne l i 合金的电子束快速成形技术研究 摘要 电子束选区熔化技术( e l e c t r o nb e a ms e l e c t i v em e l t i n g ，e b s m ) ，是 r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术最新、最前沿的发展方向，类似于快速成型技术中 的s l s 、s l m 技术，也是以“离散+ 堆积的成型思想为基础，通过增材制 造直接成形金属零件；同时它也是少有的几种不需要粘结剂的快速成型工艺。 论文针对t i 5 a 1 2 5 s ne l i ( t a 7 e l i ) 合金粉末在电子束轰击作用下极易 发生粉末飞散现象进行了模型设计、机理分析和实验验证。通过对等离子旋 转电极雾化法和氢化脱氢法两种不同工艺制备的t a 7 e l i 钛合金粉末进行粉 末飞溅和一维成形实验，实验结果表明用两种工艺制备的混合粉末在电子束 轰击下无飞溅；成形件一维扫描线连续，表面光滑，边缘无毛刺；由实验结 果验证了粉末受力模型设计正确，并得到金属粉末在工作状态下承受的最大 工作电流数学表达式( 即飞散电流) 。分别采用不同粉末粒度范围、不同工作 电流、不同松装密度等金属粉末，找出它们之间的最佳匹配关系，得出一套 最佳的工艺参数。 本实验最终采用的优化工艺为：粉末采用粒度范围在6 0 的8 0 1 x m - - 2 0 0 p r o 的球形粉末和4 0 的6 0 9 m - - 1 0 0 p r o 非球形粉末，按照3 ：2 的比例配 制出混合粉末并混料3 小时；工作电流在2 5 3 5 m a ；束斑直径为0 3 m m ； 扫描速度为4 0 m m s ；真空度为2 - - 一3 x1 0 。2 p a ；加速电压5 0 k v ；聚焦电流4 0 0 m a ； 作用时间6 m sz 字形扫描路径、填充线间距0 1 5 m m 、搭接率5 0 。用该工 艺成功制备了t a 7 e l i 成形件。 对混合粉末的形貌、成形件的显微组织、力学性能及易挥发成分元素进 行检测。其中零件的致密度可以达到9 7 ，抗拉强度7 4 0 m p a ，延伸率7 ， 断面收缩率2 2 ，接近锻造t i 5 a i 2 5 s ne l i 合金的性能水平。致密度高的主 要原因是电子束很高的能量利用率在烧结过程中产生瞬时液相，同时高真空 下原始粉末颗粒表面的氧逸出，净化原始颗粒界面，提高粉末烧结活性及高 真空下合金中有害气体元素n 、h 、o 的挥发；快速的冷凝过程有助于产生细 小的晶粒，增加晶界数量。致密度的提高、钛合金基体氧含量的降低以及晶 粒的细化都有助于材料力学性能的提高。 关键词：快速制造，钛合金粉末，选区熔化，电子束 r e s e a r c ho nra r ea n dh a r d m e i rm e t a l r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yb ye l e c t r o n b e a ms e l e c t i v em e u i i n g a b s t r a c t e l e c t r o nb e a ms e l e c t i v em e l t i n g ( e b s m ) i san e wk i n do fd i r e c tm e t a lr a p i d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a l lb ev i e w e da st h ei n t e g r a t i o no fe l e c t r o n b e a mm a n u f a c t u r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g i e s d u r i n gt h ep a s t ，h o w e v e r , o n l yaf e wr e l a t e dr e s e a r c hw o r k sh a v eb e e np u b l i s h e da r o u n dt h ew o r l d e b s m h a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c h 嬲h i g he n e r g yd e n s i t ya n da b s o r p t i o n ，n or e f l e c t i o n ，n o c o n t a m i n a t i o nb yo x i d e s ，s c a n n i n gw i t h o u tm o v i n gp a r t s ，h i 曲b u i l ds p e e d s ，l o w m a n u f a c t u r i n gc o s t s ，e t c i ti se x p e c t e dt h a ts o m eh i g hp e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n w i t h i na u t o m o t i v ea n d a e r o s p a c ei n d u s t r yi nl o wv o l u m e s ，m o b i l ep a r t sh o s p i t a la s w e l la sb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n ss u c ha sh u m a ni m p l a n t sc a l lb ep r o d u c e db yt h i s t e c h n o l o g y b e g i n n i n gw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y , t h ep u s h i n g p h e n o m e n o no fp o w d e r su n d e ra ne l e c t r o nb e a mc u r r e n ti sc l a r i f i e dt ob em a i n l y i n f l u e n c e db yf r i c t i o np r o p e r t i e sb e t w e e np o w d e r s ，f l u i d i t yo fp o w d e r s ，a ne l e c t r o n b e a mc u r r e n t ，a n da na c c e l e r a t ev o l t a g e t h em a x i m u me l e c t r o nb e a mc u r r e n ta n d t h em a x i m u me l e c t r o nb e a ms c a n n i n gs p e e dt h a tt h ep o w d e rc a nw i t h s t a n da r e d e r i v e d t h eb l e n d e dt i 一6 a i - 4 va l l o yp o w d e r , w h i c hc a nb ef o r m e du n d e ra n e l e c t r o nb e a m ，a r ea t t a i n e db a s e do nt h ea n a l y s i so fp u s h i n gp h e n o m e n o n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa l g o r i t h mo fl a y e rb yl a y e ra c t i v a t i n ga n dm u l t i l e v e l l o a d i n go fe b s mi ss t u d i e da n dt h et h e r m a l s t r e s sd i s t r i b u t i o n si nd i f f e r e n tt y p e s o fc o n d i t i o n sa r ed e d u c e dt h r o u g ht h i sa l g o r i t h m t h eb a s ep l a t ew i t h0 5 m m t h i c k n e s sc a ne n s u r et h ei n t e r l a y e rt og o o dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gb e t w e e nt h ef i r s t l a y e ra n dt h eb a s ep l a t e ，a n df o u re d g e sf i x e dm o d e lo ft h eb a s ep l a t eh a sl i n l e d i s t o r t i o n t h es i m u l a t i o na l s op r o v e st h a th i 曲s p e e di nf o r m i n gp r o c e s sw i l l l e s s e nt h ei n h o m o g e n e o u sw i t h i nt h el a y e r sd u r i n gr e m e l t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o n t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe l e c t r o nb e a ms e l e c t i v e m e l t i n g ( e b s m ) a c c e s s o r yw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n du n i v e r s a lm e c h a n i c a lt e s t t h er e s u l t s h o wt h a tf l o w i n gp a r a m e t e r ss u c ha sv a c u u mn ol e s st h a n5 0 x10 p a ，p r e h e a t e d i i b ye b ，w o r k - c u r r e n ti s2 8 m a ，f o c u s - c u r r e n ti s4 0 0 m a ，p o w d e rl a y e ri so 5 r a m ， z i g z a gs c a n n i n gw a y , a d o p t c a nm a k et h ea c c e s s o r yh a sar e l a t i v ed e n s i t yo f9 9 ， t e n s i l es t r e n g t ho f7 8 0 m p aa n de l o n g a t i o no f9 t h ea b o v em e c h a n i c a la r e a l m o s tt h es a m ea st h o s eo ft i 5 a l 一2 5 s n t h ec o n t r i b u t i o no fe b s m t e c h n i q u et o t h ed e n s i t yl i e si nt h a tt r a n s i e n tl i q u i dp h a s eo c c u r sd u r i n gs i n t e r i n g ，a n dt h e h i g h v a c u u mc a ns c a v e n g eo x y g e n f o r mp o w d e rs u r f a c e ，p u r i f yt h ep a r t i c a l i n t e r f a c ea n da c t i v a t et h es i n t e r i n gp r o c e s s t h ei n c r e a s eo fd e n s i t y , t h ed e c r e a s eo f t h eo x y g e nc o n t e n to ft is u b s t r a t ea l o n gw i t ht h ep r o c e s so fr a p i ds o l i d i f i c a t i o n , w h i c hc a nr e d u c em o r em i c r o c r y s t a lg r a i na n dg r a i nb o u n d a r y h o w e v e r , t h e v a c u u ma n ds c a n n i n gs p e e ds h o u db ec o n t r o l l e dp r o p e r l y a ne x c e e d i n gh i g h s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n ds c a n n i n gs p e e d c a nr e s u l ti nv o l a t i l i z a t i o na n d s e g r e g a t i o no fe a s y - v o l a t i t ye l e m e n t s ，w h i c hd e t e r i o r a t e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fe b s mt ia l l o y k e yw o r d s ：r a p i dm a n u f a c t u r i n g ，t i t a n i u ma l l o y p o w d e r , s e l e c t i v e m e l t i n g ，e l e c t r o nb e a m i l i t i 5 a i 2 5 s ne l i 合金的电子束快速成形技术 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：煎色 日 期：2 q q 星生月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雍亟级。导师签名： t i 5 a i - 2 5 s ne l i 合金的电子柬快速成形技术研究 1 文献综述 1 1 快速成形技术概述 快速成形技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) ，是2 0 世纪8 0 年代末起源于日本并很快发 展到美国和西欧，基于“离散堆积”原理而迅速发展起来的一种以c a d 、数控技术、高能 量束和新材料等多门技术为基础的新兴的先进制造技术n 棚。它的最大特点是无需专用工 具，由产品的三维c a d 模型数据直接驱动，堆积组装材料微滴单元而完成任意复杂曲面 且具有使用功能的成形件。最初的快速原型技术仅仅是作为一种对产品设计的评价而使 用；但是随着该技术的日益成熟和广泛使用，更多的厂家希望能够直接从c a d 数据制成 模具或产品，或者稍加一些后续处理就可以直接使用。因此后来的出现的快速工具制造 ( r a p i dt o o l i n gm a n u f a c t u r i n g ，p t m ) 、快速模具制造( r a p i dm o l dm a n u f a c t u r i n g ，r m m ) 、快 速支架制造( r a p i ds c a f f o l dm a n u f a c t u r i n g ，r s m ) 以及快速生物模型制造( r a p i db i o - m o d e l m a n u f a c t u r i n g ，r a m ) 均可以看作是快速制造技术发展过程的不同阶段，而快速原型制造技 术是最早推向市场的一种快速成型技术。该技术的最终目的是可以直接制造出具有直接使 用功能的零件，即快速零件制造技术；它的产生是快速原型技术不断发展和日趋成熟的结 果，它直接以制造功能零件为目的。它的出现被认为是近年来制造业领域的一次重大突破， 其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。 国际上第一台商用快速成型设备于1 9 8 7 年1 1 月诞生于美国底特律举行的a u t o f a c t 展览会上巧1 。它是由美国3 ds y s t e m 公司制造的r p m 系统s l a 1 ，这是一套采用立体印刷 法的快速成形制造系统，从此r p m 技术在世界上正式出现并获得了迅猛的发展。时至今 日，全世界已有2 0 0 0 多台r p m 系统投入使用，已由1 9 9 2 年刚开始出现时的4 0 多家猛增 到现在的几万家，而且还在不停的增长。目前也出现了几十种工艺| 6 - 1 l l ，其中常见的加工 方法有：立体印刷成型( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，s l a ) 、分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 、激光选区烧结( s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 、融熔沉积制模( f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) 、三维喷涂粘结( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g & g l u i n g ，3 d p g ) 、 焊接成型( w e l d i n gf o r m i n g ) 、激光近净成形( l a s e re n g i n e e r e dn e ts h a p i n g ，l e n s ) 、直接金 属沉积制造( d i r e c tm e t a ld e p o s i t i o n , d m d ) 、激光选区熔化( s e l e c t i v el a s e rm e l t i n g ，s l m ) 、 激光添加制造( l a s e ra d d i t i v em a n u f a c t u r i n g ，l a m ) 、激光引导直写( l a s e r - g u i d e dd i r e c t w r i t i n g ，l g d w ) 、电子束熔化制造( e l e c t r o nb e a mm e l t i n g ，e b l k d 等等n 眈们。其它的一些传 统成型工艺如：s l 、f d m 等也得到了更广泛的应用。这几种方式都各有自己的特点和优 势，其中大部分工艺都进入成熟阶段，已经在工业各个领域获得应用。 随着制造业的发展，对于小批量复杂形状具有使用功能的零件需求日益增长，快速成 型也逐渐向快速制造发展。快速制造技术可以实现从c a d 模型到直接可以使用或者只需 要少量后处理的功能性零件的一次性成形，在更高的程度上体现了“快速”的涵义。快速制 l 陕两科技大学硕士学位论文 造具有以下显著特点1 1 2 - 1 5 1 1 、无需任何专用模具，产品的设计数据直接驱动r m 设备堆积材料微滴单元进行成 形制造； 2 、大量节省产品开发的时间和成本，实现真正意义上的个性化设计和快速柔性及时 生产； 3 、所制造的功能性产品可以在更大的程度上具有诸如结构梯度、温度梯度、生物活 性梯度等复杂梯度和特殊孔隙结构的功能件。 有研究表明 2 1 1 y 在今后相当长的时间内，金属材料依然是最重要的工程和结构材料， 绝大多数领域都需要大量的使用金属材料，而且对个性化金属零件的需求也将不断的增 长。目前正在发展的快速成型制造技术大多数是以金属零件的成形为主，但这些技术在成 型件的精度、表面粗糙度、成型尺寸和力学性能存在诸多不足，制约了其推广和应用。但 由于其市场前景和应用前景潜力巨大，世界上的发达工业国家都对金属零件的直接制造技 术投入了大量的资金和人力进行研究，可以预见它将成为2 1 世纪制造业的重要组成部分。 1 2 电子束快速制造技术概述 电子束快速制造技术是一种基于“离散堆积”成形原理，以高能量利用率和高能量密度 的电子束作为加工热源，对粉末材料、生坯或者金属丝材进行烧结或完全熔化而堆积成形 的三维实体零件制造方法。根据材料的施加方式和成形形态可以分为两类：电子束选区烧 结熔化和电子束熔黼覆。 熔融熔覆类工艺是利用高能量的电子束预先在基板上或者基层上形成熔池，同时金属 粉末或者金属丝材和电子束相互作用完全熔化并逐层堆积，最终形成具有一定形状的三维 实体。这类工艺的优点是成型件致密度高，带有明显的快速熔凝特征，力学性能很高，并 且可以实现非均质材料和梯度材料零件的制造。然而最大缺点就是成型过程中不同区域温 度梯度很大，造成了很大的热应力，引起加工零件的翘曲变形，甚至零件开裂；除此之外， 熔覆工艺无法制造出带有悬空结构的零件。目前进行这类工艺研究的单位有n a s a 的 l a n g l e y 研究中心和美国m i t 的冶金系2 2 2 5 l 。 选区烧结类工艺以金属粉末为原材料，由聚焦的高能束流逐点加热使之烧结。这类成 形工艺的成形分辨率很高，理论上只要粉末颗粒的粒度足够小，就可以实现任意结构的精 确成型。当采用选区工艺烧结时，成型件变形较小，因此制件制作精度比较高，但是致密 度和力学性能不理想。目前国外有瑞典的a r c a m a b 公司、美国n o r t hc a r o l i n a 州立大学 和国内清华大学机电学院机械系利用此类工艺进行探索研究2 5 1 0 电子束快速制造技术作为一种新兴的制造工艺目前仍处于研究阶段，目前只有瑞典的 a r c a m 公司在2 0 0 0 年推出了他的第一台商品试验机e b ms 1 2 ，在小范围内进行应用。电 子束快速制造仍然普遍存在分辨率不高，设备成本偏高和可加工材料有限等缺点。 2 t i 5 a 1 2 5 s ne l i 合金的电子束快速成形技术研究 目前金属零件快速制造工艺上技术较为成熟的是采用激光在气体保护下进行的激光 烧结和激光熔覆两大类工艺。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”思想。其主要特点是使用激光作为 其能量源，激光在局部产生高温以熔化金属材料，将金属或合金微粒( 或丝) 选择性地沉 积在基体上，实现逐点、逐层堆积材料，完成三维零件的自由成形。 利用电子束作为能量源进行快速制造是最近几年才提出的，除过激光之外电子束是另 外一种大量运用于材料加工领域的高能束流，并已经大量运用于各类材料加工领域。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。也己在金属零件快束成 型领域中得到应用，并显示出了一系列独特的优势2 睨7 1 ： 功率大能量利用率高电子束可以很容易地作到几千瓦级的输出，而激光器的一 般输出功率在1 - 5 k w 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 0 7 w r a m 2 。与激光1 5 的能量利用率相比，电子束的能量利用 率要高很多，可达到7 5 。 对焦方便激光在理论上光斑直径可达l n m ，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 n m 。因而可以作到极细的 聚焦。加工出的产品晶粒度高，纯度高，性能更优越。 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 料气化。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。 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 2 0 k h z ，无机械惯性，可以实现快速扫描。且不像激光那样消耗诸如n 2 ，c 0 2 ，h 2 等气体， 价格相对低廉，只需消耗数量不大的灯丝。 电子束的真空环境可以避免金属粉末在液相烧结过程中氧化，也可以对一些有特 殊要求的金属或合金零件进行杂质提纯，这一点对钛及钛合金的加工尤为可贵。 综上所述，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。许多研究工作还在继续深入，电子束技术在工业中的应用存在巨 大潜力。总之电子束技术符合2 l 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成形技术领域必将占有主导地位。 1 3 电子束快速成形技术的研究现状 电子束烧结快速成形技术，是国际上刚刚兴起的高效节能最新制造技术。与选择性激 光烧结技术相比，具有能量利用率高( 能量转换率7 5 以上) 、功率大( 输出功率可达数 百千瓦) 、加工速度更快、运行成本更低、设备维护方便等特点。电子束烧结快速制造技 陕西科技大学硬学位论文 术加工的产品可提纯、性能更高，特别适用于高性能难熔金属、高温合金、陶瓷及复合材 料等粉末冶金件的快速制造，是现有任何其它方法无法实现的特殊性能材料的加工方法， 对我国高熔点材料和制品的加工制造将具有极其深远的意义。 表卜1 电子束与激光束基本性能与应用领域比较啪1 t a b l 1c o m p a r e w i t hp e r f o r m a n c e a n d a p p l i c a t i o nb e n v me l e m o n b e a ma n d l a s e r 电子束作为快速制造的能量源的研究始于1 9 9 9 年美国m i t 的m a t z 等人提出的电子束 自由实体制造工艺哪! ( e l e c t r o nb e a ms o l i df r e e f o r m f a b r i c a t i o n ，e b s f f ) 。该工艺原理如 图1 1 所示，固定的电子束经过聚焦垂直施加到加工点，送丝机构将需要加工的金属丝 材按照一定的速度连续输送到该点：底部平台具有平面运动能力，通过控制底部平台使得 丝材在电子柬作用下选择性熔化沉积到成形平面上。m a t z 等人利用n i 基7 1 8 高温合金进 行了成形研究，主要侧重于成形件的成份分析。他们还设想利用该种工艺对飞机涡轮盘进 行成形。但是，e b s f f 技术的后续报道很少。 豸多弓”。 澎j 一 蠲i - ib 8 s 卧工艺球蛙可毒菌 f i g l 一1s k e t c h m a p o f e b s f fp r o c e s s i n g 幽i t e b f 工艺原理币诗崮 f i 9 1 - 2s k e t c h m a p o f e b f 3 p r o c e s s t h g 美国n a s a 的l a n g l e y 研究中心在2 0 0 2 年开发了一个类似于e b s f f 的工艺”，称为 电子束实体自由制造( e l e c t r o nb e a ms o l i df r e c f o r mf a b r i c a t i o n ，e b f 3 ) 。该工艺原理与 t i 5 a 25 s n e l i 合金电子束快速成形技术研究 e b s f f 类似，也是通过机械平台的平面运动，将丝材选择性熔化成形于成形平面上，如图 1 2 所示。l a n g l e y 研究中心主要对a i2 2 1 9 合金进行成形研究”，通过研究表明利用髓f 3 成形的零件在拉伸强度性能上与锻件相当。l a n g l e y 研究中心还对e b f 3 工艺在零重力条件 下的适用性进行了研究研究结果表明e b f 3 工艺在零重力状态下成形与正常情况下基本 一致，并且在研究的基础上设想在轨空间站中利用e b f 3 对a l 台金零件进行制造和修复。 图1 3 和图1 4 分别为l a n g l e y 研究中心利用e b f 3 工艺制作的a 1 2 2 1 9 合金零件。 图1 4 具有雯化曲旱的零件 f i gl - 3 t h e p r o d u c t w i t hv a d a t i o n a lc u r v a t u r e 固1 4 具内孔悬空蛄构的零件 f i g1 4 t h e p r o d u c t w i t h h o l l o ws t r u c t u m 上面的两种工艺都是利用同步送丝作为供料方式，因此成形件的致密度较高，对原材 料的利用率也能达到接近1 0 0 ，做到了近净成形。但是运动的底部平台大大增加了对空 间的需求，而真空室的尺寸是有限的，因此对于较大尺寸的零件，这种工艺的缺点就更加 明显。 瑞典g o t h e n b u r g 的a c m m 工艺从1 9 9 9 开始研究电子束快速成形技术m 1 ，并于2 0 0 1 年推出电子束熔化成形( e l e c t r o n b e a m m e l t i n g , e b m ) 工艺，该技术是一种典型的电子束 烧结快速成形技术。同时它推出了商用的e b m - s 1 2 机器，其设备及加工的零件见图i - 5 至1 7 所示。e b m 工艺原理类似于激光选区烧结( s l s ) 和激光选区熔化( s l m ) ，即先 在加工平面上铺展一层金属粉末，然后在计算机的控制下电子柬扫描零件截面，进行选区 烧结或重熔。金属粉朱在电子束的轰击下烧结或熔化在一起，并与下面已成形的部分粘接： 如此层层烧结或重熔堆积，直至整个零件全部完成；最后，去除多余的粉末便得至4 所需的 三维金属产品。e b m 成形件的精度为0 4 m m 。与e b s f f 和e b f 3 不同的是，e b m 工艺中 不需要底部平台进行平面运动，而是通过电磁线圈控制电子束进行偏转从而完成对不同 区域的加热。截至2 0 0 5 年，a r e a m 已经在全世界销售了1 2 台e b m s 1 2 成形机，并且和 美国s t r a t a s y s 公司达成了在北美地区的销售代理协议，同时拥有美国北卡罗来纳州立大学、 英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司、美国s y n e r g e e r i n g 集团、德国f r u t hi n n o v a t i v e t e c h n o l o g i e n 公司及瑞典v o l v o 公司等研究机构及用户，发展势头良好。他是利用电子束 自身的偏转实现金属粉末的扫描成形，a r c m n a b 的e b m 技术被认为是一项具有竞争力的 新工艺。 陕科技大学碰l 学位论文 图i - 5 瑞典a r c a m 公司开发的e b m $ 4 0 0 设备 f i g i - 5 t h e e q u i p m e n t o f e b m $ 4 0 0 ( w w wa r l ；a mc o l l l ) 删me b ms 1 冰h h i c “l d j m a u m e2 5 0 x2 x2 - o ， l l b u i l ds m2 0 0 2 x m 【“* ym 岬研u p “ 脚 h l 0 口 n 2 “u j w - - m 日 i o * m e f m h i 1 w r p a 州p m洲v 删 5 b 舢i i1 x 9 z o - h 1 4 m ( d l 帆es t a n aa 眦 w 1 n( e 罔l 巧e b m s 4 0 0 设备工艺誊教 f i g i 石t e c h n i q u e s 曲r a m e o f e b ms 4 0 0 ( m c o m ) 目前e b m 工艺主要适用啊6 a 1 4 v 和h 1 3 不锈钢两种材料1 3 3 - 3 4 1 。采用1 - 1 1 3 不锈钢制 造的零件，硬度较高，同时致密度也基本选到9 8 以上。图1 6 为e b m 工艺制造的部分 零件；表1 - 2 为e b m 工艺制造部分零件的力学性能。 铹净囊 。1 ) l i7 7 争i 1 i “0 ：lc 】。h ) - 。u i 料 l i - m 蚶“山r h l u “_ dl n k r k n f 图1 7e b m 工艺制造的部分零件 f i 9 1 - 7s o m e p a r c 5 时e b m 口d 嘴s h g ( w w w m c o m ) 表1 0 采用e 删技术幸4 追的零件力学性能 f a b l - 2s o m e p a m m e c l w t i c s c a p a m m i e sb y e b m ( a r c a m t o m ) f t i j q j ：“ i l” _i? jn 口。c n f h 1 3h i t1 4o ，l 目、f 10 0 u1 矿l ”- 1 、i m 峨j t ：11 40。“、：。 2 0 01 u1 0 4l，叫，一【：l ：“ k 。 n 再5 a i 25 s n e l i 台金的电子束快建成形睦术研究 利用预置粉末选择性熔化成形的工艺具有很多优点，如节省粉末材料，未成形的粉末 基本上可以全部回收再利用：且无需像其它快速成形工艺一样对悬臂结构添加支撑：由于 采用了非机械扫描控制电子束的灵活性较大，可以进行多种工艺的加工，有望减少加工 件的热应力，提高成形精度。采用该技术制造的零件可以采用传统的工艺，如车、铯、铣、 磨和电火花线切割等后续加工。 清华大学机械系先进成形制造实验室于2 0 0 4 年也开发出了具有自主知识产权的电子 束选区熔化快速成形技术( e l e c t r o n b e a m s e l e c t i v e m e l t i n g , e b s m ) 1 3 5 1 该工艺过程为：利 用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，先在铺粉平面上均匀的铺展层粉末，然后电子 束在计算机的控制下按照设计零件图形的截面轮廓信息进行选择性熔化，金属粉末在电予 束的轰击下被熔化在一起并与下层已经成形的部分粘结，层层堆积，直至整个零件全部 熔化完成；晟后，去除多余的粉末就可以得到所需要的三维产品。图i 一7 、1 - 8 为e b s m 成 形原理示意图和设各图( 清华大学提供) ： 图i 。8 电子束烧蛄快速制造示毒图 图1 - 9 电子柬烧结快速制追设备外形图 f i 9 1 8s k e t c h m a p ro f e b s m f i 9 1 - 9e q u i p m e n t f i 列i o n o f e b s m 袁1 3e b s m 1 成形机的主要参数 输入功率 3 k w 加速电压 o - 6 0 k v 图i - 9 和图l - 1 0 分别为清华大学机械系利用3 1 6 l 不锈钢金属粉末利用e b s m 工艺制 陕西科技大学颂学位论文 造的股骨头、叶片和圆柱状样品，并对3 1 6 l 不锈钢等盒属的成形制造进行了研究。本论 文就是在清华大学机械系电子束快速成彤设备上进行的实验。 圆 圈1 9 股骨头 f i gl 一9t h i g h b o r e 图1 ，1 0 叶片 图i 1 i 圆柱( 加工前) f i gl i ic o l u m n ( p r e m a c h i n i n g 1 4 电子束快速成形技术的发展方向 困i1 2 圆柱( 加工后) f i g1 一1 2c o l u m n ( a f t e f i m a c h l n i “g ) 虽然早在1 9 9 5 年e a g a r 等人就开始试图将电子束引入到快速成型制造技术但较大规模 的兴起才刚剐开始。目前，电子束在快速制造领域方面的应用大多处在实验室研究阶段， 距离实际的生产还有一定的差距，但电子束具有大功率和真空工作环境非常有利于钛及钛 合金金属零件直接快速成形制造；并且随着设计的多元化和个性化，快速制造技术的需求 也必将推动电子束在该领域的迅速发展。电子束快速制造技术除了可以小批量制造功能原 型件及制造注射模和压铸模的嵌入件外，还在下列领域具有广阔的应用前景洲1 。 1 、航空航天及汽车零部件 航空航天工业对零部件的性能要求高，批量少，制造成本高。如航空发动机涡轮盘一 1 1 5 a 1 2 5 s ne l i 合金的电子束快速成形技术研究 般采用体积模锻、粉末冶金与热等静压加等温锻技术制造，成本高且存在夹杂，使得产品 的低周疲劳寿命较低。如果采用电子束熔化镍基高温合金，材料不会和增涡发生反应，能 够保证产品的精确成分或高纯度；而且在涡轮盘不同部位可以采用不同的加工工艺，使得 涡轮盘轮缘部分为粗晶，有利于提高抗蠕变能力，轮心为细晶，有利于提高强度及疲劳性 能，从而使涡轮盘的使用温度提高，重量减轻。 据a r e a m 公司网站介绍，2 0 0 3 年一家著名的汽车制造集团购买了一套e b ms 1 2 进行 产品开发研究，电子束快速制造技术在汽车领域具有广阔的应用前景。 2 、颗粒增强铝基复合材料 陶瓷颗粒增强铝基复合材料是以s i c 或a 1 2 0 3 等陶瓷颗粒为增强体、铝合金为基体的 新型材料。由于该材料既具有其陶瓷颗粒组分的高耐磨性、高硬度( 强度) 及低膨胀系数的 特点，又具有其基体组分铝合金的良好热传导性和低密度特点，因而得到了世界各国的广 泛关注和研究。但是目前常用的制备方法，如液态金属搅拌法和复合铸造法，均存在一些 问题，制约了其应用。电子束快速制造技术具有的真空环境，不仅可以避免铝合金基体的 氧化，使得烧结出的零件强度高，而且可以成形任意形状( 如，带有冷却通道) 的零部件， 制造周期短，在复合材料制备领域必将占据一席之地。 3 、医学方面的应用 在美国，整形外科人工植入体的需求量相当大。仅仅是髋骨和膝关节的植入手术就达 到每年5 0 万人次，目前植入手术的一个主要问题就是无法做到个性化制造。每个病人的 缺损组织形状特征都有所差别，因此需要根据三维模型精确地进行单件生产。利用电子束 快速制造技术，可以在数小时内按照c t 扫描数据较为精确地制造出符合病人缺损处特征 的面合金植入体，从而大大节省手术时间，减少手术危险病人的痛苦，也降低了制造成本。 美国北卡罗来纳州立大学的o l ah a r r y s s o n 指出，采用传统的消失模铸造法制造人工膝关 节需要7 8 小时，而采用e b m 技术只需要2 5 小时( 包括成型件表面清理和打磨) 。 具有较特殊适用要求的场合。f l 赛车广泛使用n 合金制造悬挂支撑等功能零件，这 些零件的形状往往比较复杂，而且对机械性能要求较高。利用电子束快速制造，能够获得 组织良好、机械性能优良的复杂形状零件，并且在实验中满足了赛车的苛刻要求。 然而，目前电子束快速制造技术还不能够达到应用的需求。需要改进的方面包括提高 成形件的分辨率、表面光洁度，减少成形件的内部组织缺陷和其他热致缺陷，发展更多的 成形金属材料，降低设备的成本等。 1 5 课题的意义和研究目标 电子束选区熔化( e b s m ) 技术是一种依靠高能量进行快速成形的技术，因此能量的 输入问题对于这种工艺至关重要。而电子束本身就可以达到约1 0 7 w m m 2 量级的能量密度， 9 陕西科技 学学论文 且能够在1 毫秒内的时间内将任何材料熔化、甚至汽化。能量输入不足或过大、或者能量 输入不均匀对于e b s m 工艺都会产生不良的影响。控制能量的输入和分布实际上也就是控 制e b s m 工艺成形的质量。在电子束选区熔化工艺过程中，能量输入对于最终成形质量有 至关重要的影响。在粉末烧结和熔化过程中，温度不足时，加热不足，粉末不能完全熔化， 造成缺陷相，而温度过高时，又可能由于大尺寸的熔池在表面张力作用下出现聚球现象， 同时熔池过深，还会影响已成形区的晶相“1 m 1 。 能量的输入状况对于溶池周围区域的熔化烧结也有很大的影响。在实际工艺过程中， 在z 字型扫描情况下，一个7 1 m m x 7 l n a n 的平板四个角点和中心点在电子束扫描过程中的 温度受到周围区域的影响非常明显，同时各个点之日j 的晟高温差也相当太，中心点可以达 到将近2 0 0 0 的高温，而起始位置