賈文鵬,湯慧萍,賀衛(wèi)衛(wèi),劉海彥,黃 瑜,楊 鑫

(西北有色金屬研究院金屬多孔材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710016)

電子束快速成形技術(shù)是集成了計(jì)算機(jī)、數(shù)控、高能束和新材料等技術(shù)而發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù),它采用電子束在計(jì)算機(jī)的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇性地熔化金屬粉末,并通過層層堆積,直至整個(gè)零件全部熔化完成,最后,去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品。與激光及等離子束快速成形相比,電子束快速成形技術(shù)具有能量利用率高、功率大,加工速度快,運(yùn)行成本低,高真空保護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是高性能復(fù)雜粉末冶金件的理想快速制造技術(shù),在航空航天、汽車及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景[1]。

1 電子束快速成形研究進(jìn)展

相對于激光及等離子束快速成形,電子束快速成形出現(xiàn)較晚,但自2001年瑞典Arcam公司確立電子束快速制造技術(shù)(electron beam melting,EBM)以來,由于該技術(shù)在粉末近凈成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢,電子束快速成形的研究在國外很快成為前沿和發(fā)展方向,美國北卡羅來納州大學(xué)、英國華威大學(xué)、德國紐倫堡大學(xué)、波音公司、美國Synergeering集團(tuán)、德國Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司積極開展了相關(guān)研究工作[2～6]。目前,在電子束快速制造設(shè)備方面:Arcam公司已開發(fā)出集成化的EBM S-12和EBM S-12T(圖1a);在工藝方面:美國Calcam公司[7]采用EBM技術(shù)已制備出了全致密、力學(xué)性能優(yōu)于鍛造件的的Ti6Al4V葉輪部件(圖1b)。

圖1 國外電子束快速成形設(shè)備及復(fù)雜成形零件

目前,瑞典Arcam公司掌握EBM關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備專利,其EBM設(shè)備生產(chǎn)具有壟斷性,在國際市場上的售價(jià)高達(dá)60萬歐元,同時(shí)由于EBM技術(shù)具有軍事應(yīng)用背景,國外對我國嚴(yán)格封鎖。

國內(nèi)在無法獲得設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的條件下自主開發(fā)研究,在鈦合金電子束快速成形研究方面取得了較大的進(jìn)展。其中清華大學(xué)先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了電子束快速制造設(shè)備的研究工作,研制出了國內(nèi)第一臺(tái)EBSM-150電子束快速制造裝置,并取得國內(nèi)多項(xiàng)專利,與西北有色金屬研究院聯(lián)合開發(fā)研制的第二代EBSM-250電子束快速成形系統(tǒng)(圖2a)。

在EBM工藝方面,西北有色金屬研究院金屬多孔材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了電子束快速成形工藝的研究工作,在鈦及鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)及多孔結(jié)構(gòu)的電子束快速制造工藝及應(yīng)力及變形控制方面積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),申請了相關(guān)專利,并制造出復(fù)雜的鈦合金葉輪樣件(圖2b)。

圖2 國內(nèi)電子束快速成形設(shè)備及復(fù)雜成形零件

目前國內(nèi)航空航天、汽車及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)及多孔結(jié)構(gòu)有巨大需求,但由于EBM工藝及設(shè)備還不成熟,暫時(shí)無法滿足航空航天高性能復(fù)雜零件實(shí)際應(yīng)用要求,關(guān)鍵問題有吹粉、球化、零件變形、殘余應(yīng)力、表面粗糙度等。以下從設(shè)備、工藝及專用粉末等方面著重分析,并根據(jù)分析提出具體解決措施和研究重點(diǎn)。

2 關(guān)鍵問題分析

2.1 吹粉

電子質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子,所以相對于激光束,電子束動(dòng)量大,在選擇燒結(jié)時(shí),會(huì)出現(xiàn)特有的吹粉問題,即預(yù)制松散粉末在電子束的壓力作用下被推開的現(xiàn)象。吹粉問題會(huì)導(dǎo)致金屬粉末在成形熔化前即已偏離原來位置,從而無法進(jìn)行后續(xù)成形工作。吹粉實(shí)質(zhì)上是電子束與粉末相互作用問題,齊海波[8]建立了松散粉末簡單靜力學(xué)模型,確定了電子束作用條件下粉末的潰散臨界條件。楊鑫[9]針對球形、非球形以及不同比例混合粉末潰散臨界條件進(jìn)行了受力計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn),確定具有較好的抗?jié)⑸⒛芰Ψ勰┗旌媳壤?。Arcam公司[10]采用電子束通過逐漸提高電流預(yù)熱粉末,通過預(yù)熱粉末增加黏度并形成微燒結(jié)粉末層,使后續(xù)高能量束流熔化過程中粉末能被固定在原位。目前通過適當(dāng)改變粉末的表面狀態(tài)和堆積方式或粉末間的摩擦因數(shù)提高粉末抗?jié)⑸⒛芰?然后在粉末不潰散的條件下,通過逐步提高電子束掃描電流,預(yù)熱燒結(jié)并固定粉末解決吹粉已形成共識。而電子束與粉末相互作用,尤其電子束對粉末動(dòng)態(tài)沖擊過程的研究有待深入,粉末預(yù)熱及預(yù)燒結(jié)機(jī)理有待揭示。

2.2 球化

球化現(xiàn)象又稱為形球現(xiàn)象,是指金屬粉末雖熔融但沒形成一條完整平滑的掃描線,而是各自團(tuán)聚成小球,其原因主要是由于熔融粉末形成的金屬小液滴表面張力過大所致。劉海濤[11]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)球化與功率P和掃描速度υ的比值η有關(guān):

只有當(dāng) η大于0.1時(shí),才能得到連續(xù)的掃描線,否則掃描線會(huì)被球化。Cormier D[5]則采用預(yù)熱增加粉末的黏度,將待燒結(jié)粉末加熱到一定的溫度,可有效減少球化現(xiàn)象。球化現(xiàn)象實(shí)際上取決于三方面因素:熔融小液滴表面張力、粉末是否潤濕、粉末間的黏結(jié)力。如果熔融小液滴不潤濕粉末,在表面張力的作用下各自團(tuán)聚成小球,產(chǎn)生球化現(xiàn)象;如果熔融小液滴潤濕粉末,但粉末間的黏結(jié)力小于表面張力,則熔融小液滴裹挾粉末團(tuán)聚成小球,產(chǎn)生球化現(xiàn)象;如果熔融小液滴潤濕粉末,且粉末間的黏結(jié)力大于表面張力,則熔融小液滴在粉末表面鋪展,不產(chǎn)生球化現(xiàn)象。所以,提高粉末間的黏結(jié)力、促使熔融小液滴潤濕粉末是抑制球化現(xiàn)象的關(guān)鍵。預(yù)熱粉末一方面提高粉末顆粒的溫度,熔融小液滴更易潤濕粉末,另一方面增加粉末的黏度、固定粉末,從而抵御粉末熔融小液滴表面張力,有利于熔融小液滴在粉末表面鋪展。劉海濤、Cormier D正是增加熱輸入,有效地減少球化現(xiàn)象。目前還缺乏對球化現(xiàn)象系統(tǒng)的理論研究及定量描述,球化模擬分析機(jī)理有待揭示。

2.3 變形及殘余應(yīng)力控制

零件在直接成形過程中,由于熱源迅速移動(dòng),加熱、熔化、凝固和冷卻速度快,受熱不平衡嚴(yán)重、溫度梯度高,組織及熱應(yīng)力大。隨著零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高,零件產(chǎn)生較大變形甚至開裂,同時(shí)成形結(jié)束后,存在殘余應(yīng)力分布。而殘余應(yīng)力作為一種內(nèi)應(yīng)力會(huì)影響成形構(gòu)件靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕等性能及尺寸的穩(wěn)定性。由于還沒有有效的實(shí)驗(yàn)方法能檢測成形過程應(yīng)力/應(yīng)變的演變,復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)零件金屬直接成形過程應(yīng)力/應(yīng)變的演變機(jī)理研究,主要是通過數(shù)值方法模擬,并通過殘余應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。早期,K.DAI[12]、N.W.Klingbeil[13]等人對于簡單熔覆層,石力開[14～16]等人對于多層直薄壁試件的溫度場及簡單熔覆層應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析,取得了較為滿意的研究結(jié)果。賈文鵬[17～18]建立了嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的熱彈塑性激光快速成形數(shù)值模型,并對航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片激光快速成形過程溫度、形變及殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。

在控制變形開裂、消除應(yīng)力方面,哈佛大學(xué)A.H.Nickel[19]等人發(fā)現(xiàn)采用短路徑激光掃描方式熔覆應(yīng)力比長路徑激光掃描方式熔覆應(yīng)力小。而Liang Ma(馬良)[20]等人進(jìn)一步指出采用分形掃描路徑可使零件溫度場更為均勻,同時(shí)用短折線替代長直線,有利于減小應(yīng)力。賈文鵬[21]提出隨形熱處理工藝,即在金屬零件直接成形時(shí),溫度場趨于均勻,減小溫度梯度,降低熱應(yīng)力,同時(shí)在熱處理溫度保溫,通過塑性及蠕變使應(yīng)力松弛,防止應(yīng)力應(yīng)變累積,達(dá)到成形同時(shí)減小變形、抑制零件開裂、降低殘余應(yīng)力水平的目的。

目前在復(fù)雜零件電子束成形零件變形、殘余應(yīng)力消除方面還有待深入,其中關(guān)鍵是在隨形熱處理應(yīng)力松弛機(jī)理,隨形熱處理過程溫度、應(yīng)力演化的基礎(chǔ)上,研究隨形熱處理塑性變形及蠕變的演化及分布規(guī)律,定量分析工藝參數(shù)、約束形式對塑性變形及蠕變的影響,確定不同時(shí)刻、不同部位塑性變形及蠕變的主導(dǎo)形式,通過隨形熱處理工藝對電子束快速制造過程應(yīng)力、變形控制,減小零件變形,降低殘余應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)電子束快速制造及隨形熱處理工藝的優(yōu)化。

2.4 表面粗糙度

電子束成形零件表面粗糙度一般低于精鑄表面,對于不能加工的表面,很難達(dá)到精密產(chǎn)品的要求。影響電子束成形零件表面粗糙度的因素主要有:切片方式及鋪粉厚度、電子掃描精度、表面粘粉等。其中切片方式及鋪粉精度、電子掃描精度與成形設(shè)備有關(guān),而表面粘粉與預(yù)熱、預(yù)燒結(jié)及溶化凝固工藝過程有關(guān)。

目前國內(nèi)電子束成形設(shè)備還不成熟,關(guān)鍵問題是沒有電子束成形專用的電子槍,而一般用于電子束焊機(jī)的電子槍很少高速掃描,所以在掃描速度、范圍、精度、能量密度分布方面與電子束成形工藝要求差距較大,比如如何實(shí)現(xiàn)寬幅掃描、動(dòng)態(tài)聚焦、能量密度均布等功能,電子槍需要重新設(shè)計(jì),控制及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)有待于研制[2]。另一方面,預(yù)熱及預(yù)燒結(jié)工藝在固定粉末抵抗電子束流轟擊中起關(guān)鍵作用,但如果預(yù)熱溫度過高,造成在粉末溶化凝固時(shí),周圍熱量傳導(dǎo)粉末溶化燒結(jié),從而造成表面粘粉降低表面質(zhì)量。所以預(yù)熱溫度、區(qū)域選擇,尤其是成形區(qū)邊緣的溫度必須嚴(yán)格控制,防止在成形時(shí)成形區(qū)邊緣粉末溶化造成表面粘粉。該方面的工藝研究亟待開展,而表面粘粉機(jī)理研究還有待深入。

2.5 缺陷控制

電子束成形采用逐層熔化堆積形成零件,在成形過程易受偶然因素影響,難免形成融合不良、隔冷、球化等缺陷,所以必須發(fā)展缺陷控制技術(shù)。目前,電子束成形缺陷控制技術(shù)主要有:在成形過程中實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并對其采用電子束重熔消除及在成形后采用熱等靜壓工藝消除兩種方法。熱等靜壓易實(shí)施,并在鑄件及高溫合金激光快速成形件[23]消除內(nèi)部缺陷上廣泛應(yīng)用,但成本較高、效果有限。目前采用紅外線陰影模式識別技術(shù),通過實(shí)時(shí)檢測每一層表面缺陷,實(shí)現(xiàn)電子束快速制造內(nèi)部和表面缺陷實(shí)時(shí)電子束重熔消除是缺陷控制研究重點(diǎn)。而準(zhǔn)確識別缺陷、內(nèi)部缺陷電子束重熔機(jī)理分析有待進(jìn)一步研究。

3 總結(jié)與展望

電子束快速制造技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種快速制造技術(shù),國內(nèi)外在此項(xiàng)技術(shù)研究水平上的差距不太大,這為我國在該技術(shù)的研發(fā)上與國際同步提供了很好的契機(jī)。國內(nèi)清華大學(xué)及西北有色金屬研究院等單位在電子束快速制造裝置及工藝方面進(jìn)行了跟蹤研究。但要實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜零件電子束快速制造及廣泛應(yīng)用,還需做巨大努力。目前面臨的吹粉、球化、零件變形、殘余應(yīng)力、表面粗糙度等主要問題,可通過粉末搭配、預(yù)熱及預(yù)燒結(jié)、隨形熱處理、缺陷重熔等工藝有效解決,其關(guān)鍵是電子束與粉末相互作用、粉末燒結(jié)及熔化、溫度場及應(yīng)力應(yīng)變演化等工藝過程的研究。此外專用電子槍的研制、動(dòng)態(tài)聚焦及掃描精度的提高、溫度閉環(huán)控制等設(shè)備的保障也是不可或缺的條件。

[1]Wohlers T.Rapid prototyping,tooling and manufacturing state of the industry annual worldwide progress report[M].Colorado:Wohlers Associates,Inc.,2005.

[2]Matz J E,Eagar T W.Carbide formation in alloy 718 during Electron Beam Solid Freeform Fabrication[J].Metallurgical and M aterials Transaction A,2002,33(8):2559-2567.

[3]Taminger K M B,Harfley R A.Characterization of 2219 aluminium produced by electron beam freeform fabrication[C].In:Proceedings of the 13th Solid Freeform Fabrication Symposium,eds:Bourell D L,Crawford R H,Beaman J J,et al.University of Texas At Austin,2002:482-489.

[4]Taminger K M B,Hafley R A,FahringerD T,et al.Effect of surface treatments on electron beam freeform fabricated aluminium structures[C].In:15th Solid Freeform Fabrication Symposium,eds:Bourell D L,Crawford R H,Beaman J J,et al.University of Texas,2004:460-470.

[5]Cormier D,Harrysson O,West H.Characterization of H13 steel produced via electron beam melting[J].Rapid Prototyping Journal,2004,10(1):35-41.

[6]Harrysson O,Cormier D.Evaluation of titanium implant components directly fabricated through electron beam melting technology[J].Advanced Materials and Processes,2005,163(7):72.

[7]Dave V R,Matz J E,Eagar T W.Electron beam solid freeform fabrication of metal parts[C].In:6th Solid Freeform Fabrication Symposium,eds:Marcus H L,Beaman J J,Barlow J W,et al.University of Texas At Austin,1995:64-71.

[8]齊海波.電子束直接熔化技術(shù)中的粉末狀態(tài)分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,45(8):1012-1015.

[9]楊鑫.粉末性能對電子束選區(qū)熔化快速成形的影響[J].稀有金屬材料與工程,2007,36(Supp1.3):574-577.

[10]拉爾斯-埃里克·安德松.生產(chǎn)三維物體的設(shè)備和方法:中國:01808629.2[P].2003-06-25.

[11]劉海濤.電子束熔融直接金屬成形工藝的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41(11):1307-1310.

[12]Dai K,Shaw L.Thermal and mechanical finite element modeling of laser forming from metal and ceramic powders[J].Acta Materialia,2004,52:69-80.

[13]Klingbeila N W.Residual stress-induced warping in direct metal solid freeform fabrication[J].International Journal of Mechanical Sciences,2002,44:57-77.

[14]石力開.金屬薄壁件激光直接沉積過程的有限元模擬I沉積過程的溫度場模擬[J].金屬學(xué)報(bào),2006,42(5):449-453.

[15]石力開.金屬薄壁件激光直接沉積過程的有限元模擬II沉積過程的熱應(yīng)力場模擬[J].金屬學(xué)報(bào),2006,42(5):454-458.

[16]石力開.金屬薄壁件激光直接沉積過程的有限元模擬 III沉積過程的變形分析[J].金屬學(xué)報(bào),2006,42(5):459-462.

[17]賈文鵬.空心葉片激光快速成形溫度場數(shù)值模擬[J].稀有金屬材料與工程,2007,36(7):1193-1199.

[18]賈文鵬.空心葉片激光快速成形溫度場/應(yīng)力場數(shù)值模擬[J].中國激光,2007,34(9):1308-1312.

[19]Nickel A H.Thermal stresses and deposition patterns in layered manufacturing[J].Materials Science and Engineering,2001,317:59-64.

[20]Ma Liang.Temperature and stress analysis and simulation in fractal scanning-based laser sintering[J].Int J Adv Manuf Technol,2007(34):898-903.

[21]賈文鵬.一種可進(jìn)行隨形退火熱處理的金屬零件制造工藝:中國200810232604.3[P].2009-04-29.

[22]閆占功.電子束選區(qū)熔化成形系統(tǒng)研制[D].北京:清華大學(xué),2005.

[23]趙曉明.激光快速成形 Rene88DT高溫合金的熱等靜壓處理[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2008,18(8):1446-1451.