李宏新，林 峰

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，生物制造與快速成形技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084 ）

電子束選區(qū)熔化（electron beam selective melting，EBSM）是以高速運(yùn)動(dòng)的電子為熱源，通過熔化粉末床逐層成形所需零件。相比于激光之類的其他熱源，EBSM 的電子聚焦和偏轉(zhuǎn)由電流驅(qū)動(dòng)，無機(jī)械慣性，可實(shí)現(xiàn)更高速度的掃描；電子束的穿透深度可達(dá)數(shù)微米，物質(zhì)能量吸收率在80%以上。選區(qū)熔化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的自由成形且成形后無需去除或僅需去除少量材料，其生產(chǎn)成本大幅降低、生產(chǎn)周期大幅度縮短，因此尤其適合原型設(shè)計(jì)、單件產(chǎn)品定制以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形，在航空航天、醫(yī)療植入物等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

但相比于傳統(tǒng)減材加工工藝，選區(qū)熔化技術(shù)由于存在表面粘粉、熔池流動(dòng)等情況，其表面粗糙度較差[2]。為解決選區(qū)熔化過程中表面粗糙度的不足，近年來研究人員開發(fā)出各種增減材復(fù)合成形工藝。Sodick 公司開發(fā)了將激光粉末床熔融和銑削加工結(jié)合的OPM350L 機(jī)床[3]。Wei 等[4]采用OPM250L 機(jī)床成形了18Ni-C300 馬氏體時(shí)效鋼，結(jié)果表明：增減材復(fù)合成形件表面粗糙度顯著優(yōu)于激光粉末床熔融工藝成形件，且在表面硬度方面有明顯提升，但該技術(shù)存在因無法使用切削液、成形件溫度較高而導(dǎo)致的刀具快速磨損問題。漢邦科技將激光粉末床熔融與超短脈沖激光切割相結(jié)合，開發(fā)了一種增材制造微切割混合制造設(shè)備，可有效降低表面粗糙度值、解決孔位塌角等問題[5]。Abhi Ghosh 等[6]通過光束整形技術(shù)將飛秒激光的高斯分布光束變?yōu)?“平帽”型方形分布激光，并與激光粉末床熔融相結(jié)合實(shí)現(xiàn)增減材復(fù)合技術(shù)，多層成形后的側(cè)表面粗糙度Rt=（4.7±1）μm，這顯著優(yōu)于傳統(tǒng)激光粉末床熔融工藝成形件的結(jié)果，但側(cè)表面出現(xiàn)角度約3°的傾角。

作為一種高能量密度熱源，電子束同樣可用于材料去除加工。Cap 等[7-8]采用脈沖電子束研究了電子束電流、聚焦電流、脈沖頻率等對電子束鉆孔質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：相對于鈦板，低碳鋼更易實(shí)現(xiàn)鉆孔，其主要影響因素為材料沸點(diǎn)及熱導(dǎo)率等熱力學(xué)性質(zhì)。Hassel 等[9]采用最大加速電壓175 kV、最大電流140 mA 的非真空電子束焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對厚度5 mm 高強(qiáng)鋼和厚度6 mm 銅板的切割，結(jié)果顯示：提高加速電壓對實(shí)現(xiàn)切割功能有顯著幫助。

基于以上背景，清華大學(xué)課題組提出電子束粉末床熔融與切割復(fù)合的增減材技術(shù)，通過采用電子束對成形件輪廓進(jìn)行氣化切割以試圖提高成形件表面質(zhì)量[10]。本研究基于清華大學(xué)產(chǎn)業(yè)化公司開發(fā)的QbeamLab 型電子束選區(qū)熔化設(shè)備進(jìn)行了電子束氣化切割工藝開發(fā)，提出了跳轉(zhuǎn)脈沖切割和連續(xù)掃描快速切割兩種切割工藝，并與粉末床熔融工藝初步結(jié)合，成功制備出增減材試樣。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本研究所用底板材料是厚度為10 mm 的316L不銹鋼，并在切割實(shí)驗(yàn)之前被預(yù)熱至700 ℃。成形時(shí)所用粉末采用了粒徑分布在45～105 μm 之間、平均粒徑70 μm 的氣霧化球形316L 不銹鋼粉末，其元素分布和電鏡照片分別見表1 和圖1。

表1 316L 不銹鋼粉元素分布

圖1 316L 不銹鋼粉末電鏡照片

實(shí)驗(yàn)在QbeamLab 型電子束選區(qū)熔化設(shè)備上進(jìn)行（圖2）。該設(shè)備的加速電壓為60 kV、最大束電流為50 mA、電子束最大跳轉(zhuǎn)速度大于1 km/s、電子束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生卡頻率為40 kHz。實(shí)驗(yàn)開始前，將真空室的真空度抽至5×10-2Pa，后回填氦氣至0.15 Pa 并保持至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖2 實(shí)驗(yàn)用QbeamLab 型電子束選區(qū)熔化設(shè)備

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用線切割方法取出試樣并用砂紙打磨后拋光。為觀測試樣顯微組織，實(shí)驗(yàn)采用卡爾試劑（2 ml HNO3、6 mL HF 和927 mL 蒸餾水混合溶液）腐蝕20 min；用VHX-500 數(shù)碼顯微系統(tǒng)觀測切割槽形貌；用Sigma 300 場發(fā)射電子顯微鏡觀測切割槽附近微觀組織；用VHX-6000 數(shù)碼顯微系統(tǒng)對切割及成形表面進(jìn)行成像及表面粗糙度測量。

2 兩種切割工藝

本研究通過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在切割過程中應(yīng)避免特定位置的單位時(shí)間內(nèi)熱輸入過高，否則會(huì)引起過度熔化，從而造成熔池?cái)U(kuò)散。受限于現(xiàn)有電子束開關(guān)電流的響應(yīng)速度（在0.1～1 ms 之間），無法直接實(shí)現(xiàn)脈沖電子束功能，實(shí)驗(yàn)借助于電子束的快速跳轉(zhuǎn)特性，通過跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃或跳轉(zhuǎn)線掃兩種模式模擬脈沖電子束，從而實(shí)現(xiàn)電子束切割功能。

2.1 跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃

跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃是將需要掃描的線段分為10 段，設(shè)定掃描點(diǎn)距d=0.1 mm，依次掃描10 條線段的一個(gè)點(diǎn)后，再移至下一個(gè)點(diǎn)。掃描路徑見圖3b，這等效于獲得了占空比為10%的脈沖電子束（圖3a）。該掃描模式的主要控制參數(shù)有：電子束束流I（mA）、單點(diǎn)停留時(shí)間t（ms）、掃描遍數(shù)m（遍）。實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)見表2，其中單條切割線長度為40 mm。

表2 跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃不同切割參數(shù)

圖3 跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃策略下的掃描路徑與電子束示意

通過控制單點(diǎn)停留時(shí)間t，可控制脈沖電子束等效頻率（q/t）。等效掃描速度v 可表示為：

2.2 跳轉(zhuǎn)線掃

在跳轉(zhuǎn)線掃模式下，本研究采用高速掃描并控制掃描線長不低于特定值，以避免特定位置在單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入過高而引起過度熔化。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)設(shè)定單次掃描線長200 mm，其中有效切割線長40 mm，在此情況下將熱源看作占空比為20%的脈沖電子束。在該模式下，實(shí)驗(yàn)掃描策略是每次掃描完成后將方向旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)行往復(fù)掃描，掃描線點(diǎn)距d=0.1 mm。該掃描策略的主要控制參數(shù)與跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃模式相同，實(shí)驗(yàn)所選參數(shù)見表3。

表3 跳轉(zhuǎn)線掃不同切割參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究采用前述兩種切割工藝模式及相關(guān)參數(shù)，對不銹鋼底板進(jìn)行切割，跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃、跳轉(zhuǎn)線掃模式下的切割結(jié)果分別見圖4a 和圖4b。在每個(gè)參數(shù)條件下，實(shí)驗(yàn)按照從下至上的順序掃描，遍數(shù)依次增加。如圖4b 右側(cè)所示的切割線，是為了避免有效切割線段在單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入過高而設(shè)置的電子束每次切割完有效切割線段后需跳轉(zhuǎn)到的位置。

圖4 兩種工藝模式下的切割結(jié)果

由圖4a 所示編號為D-4、D-5 的試樣可見，在跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃模式下，由于掃描方向?yàn)閱蜗驋呙?，隨著電子束流的增大，切割過程中的熔池不斷擴(kuò)展，并在馬蘭戈尼效應(yīng)及蒸氣反沖壓力作用下向掃描方向的相反方向移動(dòng)，最終在掃描線起始處堆積了大量凝固金屬[11]。對比圖4b 可見，采用每次旋轉(zhuǎn)180°的跳轉(zhuǎn)線掃模式可避免上述現(xiàn)象的出現(xiàn)。

采用線切割工藝將圖4 所示試樣自加工設(shè)備取下并磨樣，再沿著垂直切割線方向觀測切割槽的形狀。本研究選取兩種掃描模式對應(yīng)的最優(yōu)切割參數(shù)，具體是：①在跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃模式下，以束流6 mA、單點(diǎn)停留時(shí)間2 ms（等效速度0.05 m/s）分別重復(fù)掃描切割200 遍、400 遍（圖5）；②在跳轉(zhuǎn)線掃模式下，以束流20 mA、切割速度6 m/s 分別重復(fù)掃描切割2000 遍、4000 遍（圖6）。

圖5 跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃模式下的切割效果

圖6 跳轉(zhuǎn)線掃切割效果

統(tǒng)計(jì)切割槽寬度W（μm）及深度D（μm），并采用單點(diǎn)蒸發(fā)速率指標(biāo)對切割效率進(jìn)行對比，所得結(jié)果分別見表4 和表5。在跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃模式下，切割槽腰部存在頸縮、底部成水滴狀的情況，故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)底部水滴最寬處（表4 所示寬度）和腰部最窄處（表4所示寬度括號內(nèi)數(shù)據(jù)）。將單點(diǎn)蒸發(fā)速率s（μm/ms）定義為每個(gè)掃描點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)的切割深度，在兩種掃描模式下分別由式（2）和式（3）計(jì)算：

表4 跳轉(zhuǎn)掃描不同遍數(shù)下切割槽尺寸及切割效率

表5 連續(xù)掃描不同遍數(shù)下切割槽尺寸及切割效率

對比兩種模式的參數(shù)發(fā)現(xiàn)，跳轉(zhuǎn)線掃模式下的等效單點(diǎn)停留時(shí)間t=d/v=0.017 ms，其數(shù)值不到跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃停留時(shí)間的百分之一，但前者的電子束流是后者的2.5 倍。對比兩種模式的切割截面發(fā)現(xiàn)，跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃獲得的切割面呈現(xiàn)明顯的底部擴(kuò)大和中間頸縮的趨勢，而跳轉(zhuǎn)線掃獲得了平直狀態(tài)的切割槽。分析前者切割槽不均勻的原因，可能是單點(diǎn)停留時(shí)間過長，此時(shí)切割槽底部的熔池?cái)U(kuò)展并在蒸氣反沖壓力和表面張力作用下向上流動(dòng)，從而使切割槽出現(xiàn)不均勻狀態(tài)。

對比兩種模式的切割速率發(fā)現(xiàn)，跳轉(zhuǎn)線掃模式在功率僅增加2.5 倍的情況下，其切割效率達(dá)到跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃模式的約8 倍，且切割槽寬度不到另一種模式的一半。究其原因是，跳轉(zhuǎn)線掃模式下的單點(diǎn)停留時(shí)間顯著降低，從而可在抑制熔池?cái)U(kuò)散的情況下采用更高的電子束功率，繼而提高蒸發(fā)速率并獲得更高的深寬比。綜上可知，無論是切割速度還是切割質(zhì)量方面，跳轉(zhuǎn)線掃切割相比于跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃切割都具有明顯優(yōu)勢。

在跳轉(zhuǎn)線掃切割模式、速度6 m/s、束流20 mA、重復(fù)4000 遍等條件下測量得到切割槽側(cè)表面三維輪廓及表面粗糙度，與典型電子束選區(qū)熔化成形件側(cè)表面進(jìn)行對比的結(jié)果分別見圖7 和圖8?？煽闯觯娮邮x區(qū)熔化成形件的側(cè)表面由于表面粘粉、粉末未完全熔化及熔池不穩(wěn)定流動(dòng)等存在明顯起伏，而切割槽側(cè)表面（圖7b 所示深色部分）則相對較平整。經(jīng)測量，切割槽側(cè)表面的切割表面粗糙度優(yōu)于Ra10 μm，顯著低于電子束選區(qū)熔化成形件的側(cè)表面粗糙度值（Ra25 μm）。

圖7 不同樣件的表面三維輪廓對比

圖8 跳轉(zhuǎn)線掃切割表面與電子束選區(qū)熔化成形件側(cè)表面的表面粗糙度對比

對前述參數(shù)下的切割試樣進(jìn)行表面拋光、腐蝕后，通過掃描電鏡觀察得到的顯微組織情況見圖9和圖10?；w為奧氏體組織，觀測切割槽熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)，切割槽上方的熱影響區(qū)顯著大于下方的。究其原因是，設(shè)備電子束束斑半高寬在200～300 μm之間，在切割過程中電子束外圍能量無法到達(dá)切割槽底部而聚集于切割槽兩側(cè)上表面，從而導(dǎo)致熱量不斷聚集使熔池?cái)U(kuò)展，且熔池表面不斷蒸發(fā)形成圓弧狀輪廓及較厚的熱影響區(qū)。

圖9 切割槽微觀組織

圖10 切割槽微觀組織局部放大

4 增減材復(fù)合試樣制備

根據(jù)前述結(jié)論，采用跳轉(zhuǎn)線掃模式對電子束選區(qū)熔化成形試樣側(cè)表面進(jìn)行切割，以探索電子束增減材復(fù)合成形的可行性。其中，選區(qū)熔化成形參數(shù)為掃描速度0.25 m/s、體能量密度80 J/mm3、層厚0.1 mm、掃描線距0.2 mm、真空度0.15 Pa；成形試樣尺寸為30 mm×30 mm，切割參數(shù)為成形90 層后采用速度6 m/s、電流15 mA、掃描遍數(shù)4000 遍；為防止單位時(shí)間內(nèi)固定位置熱量輸入過高，設(shè)置單遍掃描線長200 mm，掃描線沿著成形試樣輪廓向外偏置1.7 mm。由于試樣外輪廓總長為120 mm，試樣的切割線沿著輪廓每條邊的方向外延20 mm。

分別對成形試樣的上表面、未切割側(cè)表面、切割后側(cè)表面進(jìn)行表征，所得結(jié)果見圖11 和圖12。可看出，在復(fù)合切割工藝條件下，試樣的側(cè)表面粗糙度從Ra25 μm 以上降至約Ra12 μm，接近其上表面的粗糙度，這也初步驗(yàn)證了將電子束選區(qū)熔化與電子束切割結(jié)合起來進(jìn)行電子束增減材復(fù)合制造的可行性。

圖11 復(fù)合工藝三維輪廓

圖12 復(fù)合工藝獲得的不同表面的粗糙度

5 結(jié)論

針對電子束選區(qū)熔化技術(shù)側(cè)表面粗糙度較差的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)有電子束選區(qū)熔化設(shè)備開發(fā)出針對316L 不銹鋼材料的跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃和跳轉(zhuǎn)線掃兩種電子束切割方法，得到以下結(jié)論：

（1）采用兩種方法都可獲得深度大于1 mm 的切割槽，其中跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃獲得的切割槽截面成腰部頸縮、底部擴(kuò)大的形狀，而跳轉(zhuǎn)線掃獲得的切割槽上下寬度一致。

（2）跳轉(zhuǎn)線掃模式下獲得的切割槽具有更大的深寬比，其切割效率是跳轉(zhuǎn)點(diǎn)掃的約8 倍。跳轉(zhuǎn)線掃模式下獲得的最優(yōu)切割槽側(cè)表面粗糙度優(yōu)于Ra10 μm，其熱影響區(qū)沿著切割槽側(cè)表面向下逐漸減小。

（3）采用跳轉(zhuǎn)線掃模式與電子束選區(qū)熔化相結(jié)合，使成形件的側(cè)表面粗糙度從Ra25 μm 以上降至約Ra12 μm，初步驗(yàn)證了基于電子束選區(qū)熔化和電子束切割復(fù)合的電子束增減材技術(shù)的可行性，為后續(xù)進(jìn)一步工作奠定了基礎(chǔ)。