熊進(jìn)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(shù)研究現(xiàn)狀

熊進(jìn)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(shù)具有制造效率高、真空環(huán)境有利于零件保護(hù)、內(nèi)部質(zhì)量好和可實(shí)現(xiàn)多功能加工等優(yōu)勢，非常適合大型金屬材料結(jié)構(gòu)的快速制造，近年來成為高能束快速制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)。在對比分析典型高能束快速制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)的特點(diǎn)，綜述了國內(nèi)外電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)的研究進(jìn)展，并展望了電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)的發(fā)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(xiàn)代工業(yè)高端裝備正在向大型化、高參數(shù)、極端惡劣條件下高可靠、長壽命服役的方向快速發(fā)展，其鈦合金、高強(qiáng)鋼和耐熱合金等關(guān)鍵金屬構(gòu)件尺寸越來越大、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、性能要求日益提高。相應(yīng)的制造技術(shù)要求越來越高、挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，采用鑄造、鍛造和機(jī)加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)上述大型、整體、高性能金屬構(gòu)件，不僅需要重型鑄造、鍛造和機(jī)加工裝備及大型模具，技術(shù)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(gòu)件高能束“快速制造”技術(shù)，也稱為“增材制造”技術(shù)，俗稱“3D打印”技術(shù)，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(shí)現(xiàn)構(gòu)件無模成形的數(shù)字化制造技術(shù)。高能束快速制造技術(shù)將“材料制備/精確成形”有機(jī)融為一體、并將三維復(fù)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(shè)計(jì)人員奇思妙想的實(shí)現(xiàn)特別是高性能或超常性能構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了有效的途徑，同時該技術(shù)更能大幅度縮短生產(chǎn)周期、降低制造成本、節(jié)省材料消耗和加工制造費(fèi)用。高能束快速制造技術(shù)以其與傳統(tǒng)去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速發(fā)展成了制造技術(shù)領(lǐng)域新的戰(zhàn)略方向，在先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的同時，也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的解放和提升，兩者的相互促進(jìn)使得快速制造技術(shù)為制造業(yè)的變革提供了可能，在高端裝備的研制、生產(chǎn)和使用維護(hù)等方面，都有巨大應(yīng)用價值和廣闊應(yīng)用前景[1-2]。電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)是一種典型的金屬構(gòu)件高能束快速制造技術(shù)，相比其他高能束快速制造技術(shù)，其具有制造效率高、真空環(huán)境有利于零件保護(hù)、內(nèi)部質(zhì)量好和可實(shí)現(xiàn)多功能加工等優(yōu)勢，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3]。

在對比分析高能束快速制造技術(shù)與傳統(tǒng)方法的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)總結(jié)了電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)的特點(diǎn)，綜述了國內(nèi)外電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)的研究進(jìn)展，并展望了電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)的發(fā)展前景。

1　高能束快速制造技術(shù)的分類

根據(jù)填充材料方式的不同，高能束快速制造可分為預(yù)鋪粉和同步送粉或送絲兩種；根據(jù)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(qū)熔化（鋪粉）、激光熔化沉積（送粉或填絲）、電子束選區(qū)熔化（鋪粉）和電子束熔絲沉積（送絲）等四種快速制造技術(shù)，這四種技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法的特點(diǎn)對比如表1所示。

表1　高能束快速制造與傳統(tǒng)方法的特點(diǎn)對比

由表1可知，相比鑄造和鍛造+機(jī)加工的傳統(tǒng)制造方法，高能束快速制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)極端復(fù)雜零件的直接制造，后續(xù)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(xué)性能明顯強(qiáng)于鑄件，熱處理后接近或者達(dá)到鍛件水平。同時，四種高能束快速制造技術(shù)也各有優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是成形速度與精度之間不可調(diào)和的矛盾。如激光和電子束選區(qū)熔化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)形狀復(fù)雜的薄壁空心異形零件高精度制造，實(shí)現(xiàn)“凈”成形，但制造過程復(fù)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(dá)到使用狀態(tài)還需要進(jìn)一步精加工，不適用于高度復(fù)雜無法再加工的零件。

因此，應(yīng)該基于所需金屬零部件的類型、服役條件、制造方法經(jīng)濟(jì)可承受性，選擇合適的快速制造技術(shù)，充分發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢，抑制其劣勢。

2　電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)原理和特點(diǎn)

電子束快速制造技術(shù)以高能量密度和高能量利用率的電子束作為加工熱源，當(dāng)高速電子轟擊金屬粉末時，其動能立即轉(zhuǎn)化成熱能，使材料快速完全融化并成形三維實(shí)體零件。與激光成形不同的是電子質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子，相對于激光束，電子束動能更大。當(dāng)高速電子束轟擊金屬粉末時，易出現(xiàn)吹粉現(xiàn)象，即預(yù)制松散粉末在電子束的作用下被推離原位置。吹粉現(xiàn)象會導(dǎo)致粉末在熔化前偏離原來位置，影響成形質(zhì)量。電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)采用絲材替代粉末為原材料避免了吹粉問題。該技術(shù)有成形速度快、材料利用率高、無反射、能量轉(zhuǎn)化率高等特點(diǎn)，成形環(huán)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(shù)精度較差，需要后續(xù)表面加工。

電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)的原理如圖1所示。

圖1　電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)原理

電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)利用真空環(huán)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(tǒng)將絲材從側(cè)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(jìn)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(shè)計(jì)的形狀成形。

相比其他高能束快速制造技術(shù)，電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[3]，主要表現(xiàn)在下幾個方面。

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

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

（3）內(nèi)部質(zhì)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(xiàn)象；同時，利用電子束掃描對熔池進(jìn)行旋轉(zhuǎn)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(nèi)部質(zhì)量可以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ級。

（4）可實(shí)現(xiàn)多功能加工。電子束輸出功率可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整，并可通過電磁場實(shí)現(xiàn)對束流運(yùn)動方式及聚焦的靈活控制，可實(shí)現(xiàn)高頻率復(fù)雜掃描運(yùn)動。利用面掃描技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積預(yù)熱及緩冷，利用多束流分束加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多束流同時工作，在同一臺設(shè)備上，既可以實(shí)現(xiàn)熔絲沉積成形，也可以實(shí)現(xiàn)深熔焊接。利用電子束的多功能加工技術(shù)，可以根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形式以及使役性能要求，采取多種加工技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)多種工藝協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)制造，以實(shí)現(xiàn)成本效益的最優(yōu)化。

3　電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

1999年，美國麻省理工學(xué)院的Dave等人提出了電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)（Electron Beam Solid Freeform Fabrication）的概念，并采用該技術(shù)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(fā)展了電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)（Electron Beam Freeform Fabrication，簡稱EBFFF）[5-6]，并開發(fā)出專用成形設(shè)備，如圖2所示。

圖2　蘭利研究中心設(shè)備

利用該設(shè)備，蘭利研究中心進(jìn)行了航天鈦合金結(jié)構(gòu)件的電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)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(cè)為精加工后）

利用該設(shè)備，蘭利研究中心將電子束熔絲沉積制造技術(shù)應(yīng)用于2219鋁合金零件的成形制造[7-9]。通過試驗(yàn)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(jié)構(gòu)、機(jī)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(wǎng)站.開發(fā)出商用電子束熔絲沉積快速制造設(shè)備，如圖5所示，主要用于大型航空零件制造，如圖6所示?？梢詫?shí)現(xiàn)4×106mm3/h（或18 kg/h）的沉積速度，機(jī)加工的時間和材料損耗僅為傳統(tǒng)工藝的20％和5％。

目前，Sciaky公司已經(jīng)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(shù)生產(chǎn)F-35戰(zhàn)斗機(jī)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(shù)應(yīng)用于TC4鈦合金航空典型結(jié)構(gòu)件的制造，使該結(jié)構(gòu)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(shè)備

圖6　美國Sciaky公司制造的大型航空零件（機(jī)加工后）

Wanjara等人[11]利用電子束熔絲沉積快速成形技術(shù)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(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)沉積層的高度與層數(shù)有近似線性的關(guān)系，其力學(xué)性能良好，并且在微觀組織中發(fā)現(xiàn)了有利于奧氏體不銹鋼增強(qiáng)的典型碳化物。因此，電子束熔絲沉積快速成形技術(shù)可以用于不銹鋼零件的修復(fù)。

在國內(nèi)，中航625所在電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)方面取得了較大的進(jìn)展，獨(dú)立開發(fā)了電子束熔絲沉積快速制造設(shè)備，如圖7所示，并使用該設(shè)備進(jìn)行了鈦合金零件的成功試制，如圖8所示，對該制造技術(shù)的特點(diǎn)以及成形后的宏觀組織形貌進(jìn)行了系統(tǒng)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(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上率先實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。

圖7　中航625所設(shè)備（60 kV/60 kW）

圖8　中航625所制造的鈦合金航空零件（機(jī)加工后）

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所（洛陽船舶材料研究所）引進(jìn)德國SST多功能電子束加工設(shè)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(nèi)率先開展了艦船鈦合金、銅合金、鋁合金和高強(qiáng)鋼等部件的電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)研究。

綜上所述，金屬材料電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)以其具有的制造效率高、真空環(huán)境有利于零件保護(hù)、內(nèi)部質(zhì)量好和可實(shí)現(xiàn)多功能加工等特點(diǎn)，已經(jīng)成為金屬材料高能束快速制造技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖9　中船重工725所設(shè)備（150 kV/60 kW）

4　結(jié)論

相比其他金屬材料高能束快速制造技術(shù)，電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)具有其他方法無可比擬的優(yōu)越性。但是，電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)還有內(nèi)部冶金缺陷形成機(jī)制及力學(xué)行為、移動熔池約束凝固行為及構(gòu)件晶粒形態(tài)演化規(guī)律、非穩(wěn)態(tài)瞬時循環(huán)固態(tài)相變行為及顯微組織形成規(guī)律、內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律及構(gòu)件變形開裂預(yù)防控制等材料、工藝基礎(chǔ)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(guī)模工程應(yīng)用。電子束熔絲沉積快速制造技術(shù)今后的發(fā)展方向是在進(jìn)一步深入研究相關(guān)材料、工藝基礎(chǔ)理論問題的基礎(chǔ)上，提高零件性能、制造精度和效率，使其更適合于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

[1]王華明.高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造：若干材料基礎(chǔ)問題[J].航空學(xué)報(bào)，2014，35（10）：1-10.

[2]William E Frazier.Metal Additive Manufacturing：A Review[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2014（23）：1917-1928.

[3]鞏水利，鎖紅波，李懷學(xué).金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2013（13）：66-71.

[4]Matz J E.Carbide formation in a nickel-based super alloy during electron beam solid freeform fabrication[D].USA：MIT，1999.

[5]Karen Taminger，Robert Hafley.Electron beam freeform fabrication：a rapid metal deposition process[C].In：Proceedings of the 3th Annual Automotive Composites，Troy，MI，USA，2003.

[6]Craig Brice，John Barnes，Karen Taminger，et al.Fabrication of titanium aerospace components via electron beam freeform fabrication[J].Advanced Materials and Processes，2005，163（4）：32-41.

[7]Karen Taminger，Robert Hafley.Characterization of 2219 Aluminum Produced by Electron Beam Freeform Fabrication[C].In：Proceeding of the 13th Solid Freeform Fabrication Symposium，Austin，TX，USA，2002，482-489.

[8]KarenTaminger，RobertHafley，DavidFahringer，etal.Effect of surface treatments on electron beam freeform fabrication aluminum structures[C].In：Proceedings of the 15th solid freeform fabrication symposium，Austin，TX，USA，2004，460-470.

[9]Karen Taminger，Robert Hafley，Marcia Domack.Evolution and control of 2219 aluminum microstructural features through electron beam freeform fabrication[J].Materials Science Forum，2006（519-521）：1297-1302.

[10]Phinazee S.Efficiencies：Saving Time and Money with ElectronBeamFreeFormFabrication，F(xiàn)abricator，2007（15）：20.

[11]Wanjara P，Brochu M，Jahazi M.Electron beam freeforming of stainless steel using solid wire feed[J].Materials&Design，2007，28（8）：2278-2286.

[12]陳哲源，鎖紅波，李晉煒.電子束熔絲沉積快速制造成型技術(shù)與組織特征[J].航天制造技術(shù)，2009（2）：36-39.

[13]Suo Hongbo，Chen Zheyuan，Liu Jianrong，et al.Microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V by electron beam rapid manufacturing[J].Rare Metal Materials and Engineering，2014，43（4）：780-785.

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(jìn)輝（1980—），男，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事電子束焊接及加工技術(shù)研究工作。