許海鷹, 楊光, 張偉, 楊波, 桑興華, 王壯

(1. 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院 高能束流發(fā)生器實(shí)驗(yàn)室, 北京 100024;2. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100191)

熔絲增材制造技術(shù)包括電弧熔絲增材制造[1-4]、激光熔絲增材制造[5-7]、等離子弧熔絲增材制造[8]、電子束熔絲增材制造[9-11]等技術(shù),每種熔絲增材制造技術(shù)均有其特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域,而電子束熔絲增材制造技術(shù)是被國(guó)內(nèi)外專家公認(rèn)的適用于大型鈦合金構(gòu)件快速制造的技術(shù)。 美國(guó)Sciaky 公司已將電子束熔絲增材制造鈦合金零件應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[9-10],中國(guó)航空制造技術(shù)研究院研制的電子束熔絲增材制造鈦合金構(gòu)件已經(jīng)裝機(jī)應(yīng)用。 但上述電子束熔絲增材制造技術(shù)所用電子束源均為熱陰極電子束源,熱陰極電子束源固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其在熔絲制造過(guò)程中,金屬絲材一般只能從軸側(cè)送入到電子束軸線位置進(jìn)行熔化成形,不僅使絲束對(duì)中難度大,而且易造成電子束能量過(guò)度輸入,存在加熱陰影區(qū)等不足之處,導(dǎo)致成形質(zhì)量難以大幅提高。

冷陰極電子束源技術(shù)起源于20 世紀(jì)70 年代的蘇聯(lián),已經(jīng)應(yīng)用于冶煉、EB-PVD、熱處理等行業(yè)領(lǐng)域[11]。 冷陰極電子束中,電子主要來(lái)自高壓電場(chǎng)激發(fā)氣體電離出的正離子轟擊陰極產(chǎn)生的二次電子,并借助陰極、陽(yáng)極形貌產(chǎn)生的靜電場(chǎng)或電磁線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行匯聚,形成能量高度集中的電子束斑,由于其產(chǎn)生電子方式的特殊性,可通過(guò)陰極形貌的改變獲得各種形貌束斑[12-13]。 2016 年,烏克蘭紅波公司研制出可實(shí)現(xiàn)“X”形束流輸出的冷陰極電子束源,并將其應(yīng)用于絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造技術(shù)[9,13]。 初步研究結(jié)果表明,此類技術(shù)的成形質(zhì)量和成形效率遠(yuǎn)高于熱陰極軸側(cè)送絲的熔絲增材制造技術(shù)。

為將這一優(yōu)質(zhì)電子束熔絲增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,使核心技術(shù)自主可控,中國(guó)航空制造技術(shù)研究院高能束流發(fā)生器實(shí)驗(yàn)室研究人員在深入研究環(huán)形冷陰極電子束產(chǎn)生機(jī)理、陰極形貌調(diào)節(jié)電子束靜電匯聚焦點(diǎn)的方法后,采用理論計(jì)算和模擬仿真的方法,于2019 年研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造樣機(jī),在該樣機(jī)上,針對(duì)TC4 鈦合金絲材進(jìn)行了熔絲增材制造工藝試驗(yàn)。 上海理工大學(xué)[14]基于烏克蘭進(jìn)口設(shè)備開(kāi)展了該項(xiàng)技術(shù)的工藝試驗(yàn)。 由于該項(xiàng)技術(shù)相對(duì)于其他增材制造技術(shù)起步較晚,有關(guān)熔滴過(guò)渡方式調(diào)控、成形組織特點(diǎn),尚未得到深入研究。

本文在分析了熱陰極電子束軸側(cè)送絲、絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造方法及其特點(diǎn)后,重點(diǎn)分析了絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造的熔滴過(guò)渡方式、TC4 鈦合金成形組織,發(fā)現(xiàn)采用絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造TC4鈦合金試樣的微觀組織中的粗大樹枝晶明顯減少。

1 電子束熔絲成形方法及特點(diǎn)

熱陰極電子束軸側(cè)熔絲的方法和絲束同軸冷陰極電子束熔絲制造方法示意圖分別如圖1(a)和圖1(b)所示。 從圖1(a)中可以看出,十字滑臺(tái)帶動(dòng)導(dǎo)絲嘴移動(dòng),實(shí)現(xiàn)金屬絲材的絲端與電子束軸線對(duì)中,十字滑臺(tái)系統(tǒng)的存在,增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度;用于電子束熔絲成形的金屬絲材直徑一般為1 ～3 mm,而熱陰極電子束的束斑直徑一般較小,通常小于1 mm,需要通過(guò)散焦或電子束掃描方法使電子束能量最大程度輸入到金屬絲材的絲端位置,由于絲端接收面積有限,無(wú)論是散焦或電子束掃描,都不可避免地會(huì)使部分電子束能量輸入到成形零件,使成形區(qū)域熱輸入過(guò)大,導(dǎo)致成形區(qū)域晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。 此外,金屬絲材的絲端僅有一側(cè)接收電子束能量,另外一側(cè)無(wú)法接收電子束能量,形成了電子束能量接收的“陰影區(qū)”,熔絲成形運(yùn)動(dòng)方向指向“陰影區(qū)”時(shí),易形成未熔合缺陷,導(dǎo)致該成形方向熔絲成形質(zhì)量變差,從而使熱陰極電子束軸側(cè)熔絲成形的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、成形自由度受到限制。

如圖1(b)所示,絲材從環(huán)形陰極軸心送入,通過(guò)導(dǎo)絲嘴定位到成形件上需要增材的位置,因此不需要機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)中機(jī)構(gòu);冷陰極電子槍的環(huán)形陰極接負(fù)高壓,導(dǎo)絲嘴和絲材均接地,當(dāng)陰-陽(yáng)極之間充滿氣體放電產(chǎn)生的等離子體后,環(huán)形陰極與地之間構(gòu)建的靜電場(chǎng),將產(chǎn)生可以使電子束匯聚的等離子體陽(yáng)極“透鏡”效應(yīng),使環(huán)形陰極產(chǎn)生的二次電子在絲端軸向匯聚,在送絲速度與電子束功率等工藝參數(shù)匹配時(shí),電子束能量幾乎都集中在絲材上,成形區(qū)域幾乎不會(huì)有過(guò)度熱輸入,從而避免成形件中粗大組織的大量出現(xiàn)。由于絲束同軸冷陰極電子束熔絲的方法是在絲材軸向上全面加熱,不存在電子束加熱的“陰影區(qū)”,極大提高了電子束熔絲成形的自由度。 此外,絲束同軸冷陰極電子束熔絲方法所用冷陰極電子槍的陰極是有一定厚度的環(huán)形鋁陰極,在陰極內(nèi)部設(shè)置有水冷通道,陰極壽命長(zhǎng),從而避免了熱陰極電子槍由于燈絲壽命有限而需要頻繁更換燈絲所產(chǎn)生的成形缺陷。

圖1 電子束熔絲方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of electron beam fuse additive manufacturing method

2 絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造熔滴過(guò)渡

絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制的質(zhì)量與熔滴過(guò)渡方式密切相關(guān),環(huán)形束斑匯聚在一起,形成一段與電子槍軸線吻合的電子能量高度匯聚的區(qū)域,沿電子槍軸線送進(jìn)絲材的絲端(未形成金屬液體的絲材端部)受熱熔化形成熔滴,在表面張力Fσ、重力Fg、電磁力Fcz等的共同作用下,過(guò)渡到成形件或基板上。 絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造束流形貌及絲端的熔滴如圖2 所示。通常,在加速電壓不變、束流恒定時(shí),絲束同軸冷陰極電子槍的電子束焦點(diǎn)是具有一定長(zhǎng)度的電子能量匯聚區(qū)域,長(zhǎng)度為ΔL。 圖2 中,絲端至工件距離為L(zhǎng)s,導(dǎo)絲嘴下端面至熔滴端面距離為L(zhǎng)s1。絲端熔滴受力作用的示意圖如圖3 所示。

圖2 絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造束流形貌及絲端熔滴Fig.2 Beam appearance of gas discharge electron beam coaxial wire of fuse additive manufacturing and droplet at wire top

圖3 絲端熔滴受力作用示意圖Fig.3 Schematic diagram of force acting on droplet at wire top

與傳統(tǒng)弧焊技術(shù)熔滴受力狀態(tài)相比,熔滴受到的表面張力Fσ、重力Fg、電磁力Fcz分別可用

式(1) ～式(3)表示[15]。 由于絲束同軸冷陰極電子束無(wú)法像傳統(tǒng)電弧一樣流過(guò)數(shù)十甚至上百安電流,其等離子流力、斑點(diǎn)壓力對(duì)熔滴過(guò)渡影響可以忽略不計(jì)。

式中:R為絲材半徑;σ為表面張力系數(shù)。 TC4 鈦合金可以參考Ti 的表面張力系數(shù),取值為1 510 ×10-3N/m。

式中:m為質(zhì)量;r為熔滴半徑;ρ為熔滴的密度;g為重力加速度。

如圖3 所示,環(huán)形電子束在焦點(diǎn)區(qū)域匯聚后逐漸發(fā)散,照射到工件表面,當(dāng)絲端靠近焦點(diǎn)區(qū)域,電子束中的部分電子,將通過(guò)絲材流向地,在絲材與熔滴連接的頸縮處,熔滴所受電磁力Fcz表示為

式中:I為流過(guò)熔滴電流,A;dD為熔滴直徑, mm;ds為絲材直徑,mm。

在絲材與熔滴連接的頸縮處,熔滴所受電磁力Fcz由小截面指向大截面,將會(huì)促進(jìn)熔滴過(guò)渡。

由于在絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造過(guò)程中,所用束流一般僅需要數(shù)百毫安,且僅有很少一部分電子通過(guò)絲材流向地,無(wú)法像傳統(tǒng)電弧焊一樣存在弧柱,在熔滴端部和環(huán)形束流之間難以形成電弧斑點(diǎn),即使形成,也很小,因此熔滴端部由小截面指向大截面的電磁力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響可以忽略。

在絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造過(guò)程中,熔滴受到的表面張力Fσ、重力Fg、電磁力Fcz隨著熔滴大小、絲端與工件間距離Ls變化而變化,這些不斷變化的力的組合,將會(huì)產(chǎn)生不同的熔滴過(guò)渡方式。

2.1 滴狀過(guò)渡

熔滴大小與絲材直徑ds、送絲速度Vs、電子束功率P密切相關(guān)。

當(dāng)絲材以送絲速度Vs通過(guò)如圖2 所示電子束能量匯聚區(qū)時(shí),所用時(shí)間為ΔL/Vs,在時(shí)間t內(nèi),要使通過(guò)該區(qū)域的所有絲材從室溫Tr上升到熔點(diǎn)溫度Tm,達(dá)到熔化狀態(tài),則電子槍輸出電子束功率P需要滿足:

式中:P為電子槍輸出電子束功率,W;ΔL為電子束能量匯聚區(qū)長(zhǎng)度,cm;Vs為送絲速度,cm/min;cρ為絲材的容積比熱容,J/(cm3·℃),c為比熱容,ρ為密度,TC4 鈦合金容積比熱容為2. 37 J/(cm3·℃);ds為所用絲材直徑,cm;Tm為金屬絲材熔點(diǎn),℃;Tr為室溫,℃;ξ為熔化系數(shù),與材料的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率等有關(guān),無(wú)量綱,可通過(guò)一系列試驗(yàn)確定。

當(dāng)成形件或基板與絲端距離較大、送絲速度較慢時(shí),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)絲端接觸到電子束能量匯聚區(qū)域,金屬絲材迅速熔化形成小熔滴,隨著絲材繼續(xù)進(jìn)給,在熔滴受到向上指向絲端的表面張力Fσ作用下,熔滴長(zhǎng)大,且熔滴不會(huì)超過(guò)焦點(diǎn)向下移動(dòng)。 隨著熔滴繼續(xù)長(zhǎng)大,直到熔滴所受向下指向工件的重力Fg、電磁力Fcz合力大于表面張力Fσ時(shí),熔滴將從絲端脫落,形成滴狀過(guò)渡。

根據(jù)式(1) ～式(3)可知,滴狀過(guò)渡基本條件為

即

通常用于熔絲的電子束流僅有數(shù)百毫安,電子束轟擊絲材,并通過(guò)絲材形成回路的電子束流就更少,即式(5)中Fcz的影響可以忽略,則

2.2 搭橋過(guò)渡

與滴狀過(guò)渡相比,搭橋過(guò)渡熔絲增材幾乎不會(huì)產(chǎn)生金屬飛濺,有利于提高成形質(zhì)量,是當(dāng)前電子束熔絲增材制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)技術(shù)。 與熱陰極電子束軸側(cè)熔絲的方法相比,絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造技術(shù)在不借助復(fù)雜絲端位置監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)整,即可實(shí)現(xiàn)搭橋過(guò)渡熔絲增材的效果。

熔絲成形時(shí),已知絲材材料成分、絲材半徑R、電子束流功率P,根據(jù)式(6)與式(8),即可快速確定實(shí)現(xiàn)搭橋過(guò)渡的工藝參數(shù)。 例如,采用直徑2 mm 的TC4 鈦合金絲材,假設(shè)熔滴密度近似于絲材密度,在電子束流功率達(dá)到5 kW 時(shí),要實(shí)現(xiàn)搭橋過(guò)渡,則絲端與工件距離Ls應(yīng)小于等于15 mm;當(dāng)設(shè)定TC4 鈦合金熔點(diǎn)1 678 ℃、室溫25 ℃、熔化系數(shù)ξ為1 時(shí),則可以確定送絲速度Vs需要小于等于677 cm/min。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)裝置

采用圖4 所示的中國(guó)航空制造技術(shù)研究院自主研制的絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造樣機(jī)制備鈦合金試樣,表1 為該樣機(jī)的基本參數(shù)。

表1 絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造樣機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of equipment of gas discharge electron beam coaxial wire of fuse additive manufacturing

圖4 絲束同軸冷陰極電子束熔絲增材制造樣機(jī)Fig.4 Equipment for gas discharge electron beam coaxial wire of fuse additive manufacturing

為進(jìn)一步說(shuō)明絲束同軸冷陰極電子束增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)熱陰極電子束軸側(cè)熔絲成形技術(shù)的區(qū)別,采用關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)(見(jiàn)表2)自研熱陰極電子束熔絲增材制造設(shè)備熔絲成形TC4 鈦合金試樣,對(duì)這2 種方法成形的鈦合金組織進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 熱陰極電子束軸側(cè)熔絲增材制造樣機(jī)基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of equipment of fuse additive manufacturing with axial side feeding wire

成形過(guò)程均在搭橋過(guò)渡模式下進(jìn)行。

3.2 熔絲成形組織

分別采用表3 和表4 所示工藝參數(shù),用直徑2 mm的TC4 鈦合金絲材成形了450 mm ×50 mm ×450 mm 的2 個(gè)試樣。 絲束同軸冷陰極電子束熔絲所用放電氣體為氦-氧混合氣體,其中氧氣含量2% ～5%。 絲束同軸冷陰極電子束熔絲成形的試樣如圖5 所示,傳統(tǒng)熱陰極電子束軸側(cè)熔絲成形試樣外觀與圖5 所示類似,由于篇幅原因,不再列出。

圖5 成形試樣Fig.5 Specimen of fusion additive

從表3 和表4 列舉的關(guān)鍵工藝參數(shù)可以看出,采用絲束同軸冷陰極電子束熔絲成形工藝熔化同等規(guī)格的鈦合金絲材,絲束同軸冷陰極電子束源所用的功率較小,表明輸入到成形件上額外熱量減少,削弱了粗大組織過(guò)度長(zhǎng)大傾向。

表3 絲束同軸冷陰極電子束熔絲成形工藝參數(shù)Table 3 Technique parameters of gas discharge electron beam coaxial wire of fuse additive manufacturing

表4 熱陰極電子束軸側(cè)熔絲增材制造工藝參數(shù)Table 4 Technique parameters of fuse additive manufacturing with axial side feeding wire

對(duì)于2 種工藝制備試樣,分別在垂直于其成形路徑的方向上截取金相檢測(cè)試塊,所觀察的2 種工藝成形試樣的宏觀組織如圖6 所示。

如圖6(a)所示,對(duì)于絲束同軸冷陰極電子束熔絲成形試樣的宏觀組織,在垂直于熔絲成形方向上表現(xiàn)為按照成形高度方向搭接的魚鱗狀結(jié)構(gòu),而微觀條件下仍表現(xiàn)為柱狀晶-等軸晶交替出現(xiàn)組織,詳細(xì)論述及微觀組織照片在此不再贅述。

基于該滑坡的勘察報(bào)告，確定出巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。其中，設(shè)置的碎塊石土的抗拉強(qiáng)度不為0的原因在于：若抗拉強(qiáng)度為0，則在剛開(kāi)始計(jì)算時(shí)就會(huì)有并在后續(xù)計(jì)算中一直存在大量的拉破壞，這與滑坡的實(shí)際變形破壞情況不符，并且，碎塊石土經(jīng)過(guò)壓實(shí)后，具有一定的抗拉強(qiáng)度，這已被該滑坡及三峽庫(kù)區(qū)同類滑坡取樣試驗(yàn)所證實(shí)。

熱陰極軸側(cè)熔絲成形試樣的宏觀組織如圖6(b)所示,在垂直于熔絲成形方向上表現(xiàn)為指向成形高度方向的粗大樹枝晶結(jié)構(gòu)。

圖6 不同電子束熔絲成形TC4 鈦合金的宏觀組織Fig.6 Microstructure of TC4 titanium alloy formed by different electron beam fuses

與熱陰極軸側(cè)電子束熔絲成形TC4 試樣的組織相比,絲束同軸冷陰極電子束熔絲成形的鈦合金組織得到明顯改善。

在圖5 所示平行于成形路徑方向的平面內(nèi),分別在A、B、C 三個(gè)區(qū)域截取用于觀察金相組織的試塊。 A、B、C 三個(gè)區(qū)域成形組織在宏觀上均表現(xiàn)為層層堆疊結(jié)構(gòu),層與層之間邊界清晰。

在A 區(qū)域的頂端部分,TC4 成形樣品的微觀組織如圖7 所示,最頂端為柱狀晶,層與層由等軸晶與柱狀晶交替組成,柱狀晶高度約為1 ～2 mm,寬度約200 ～300 μm,等軸晶尺寸約為100 ～300 μm。

圖7 區(qū)域A 的顯微組織Fig.7 Microstructure of Section A

在B 區(qū)域的一個(gè)成形層區(qū)域的部分組織如圖8(a)所示,成形層中間是柱狀晶區(qū),邊沿為等軸晶區(qū),柱狀晶區(qū)寬度約為1.6 mm,柱狀晶寬度最大300 μm,柱狀晶和等軸晶粒內(nèi)部均為快冷馬氏體組織,如圖8(b)所示。

圖8 區(qū)域B 的顯微組織Fig.8 Microstructure of Section B

在C 區(qū)域靠近基板附近的組織如圖9 所示,成形組織與基板之間存在明顯的熔合線,在基板一側(cè)為等軸晶,在成形區(qū)域一側(cè)為等軸晶與柱狀晶層層交替疊加區(qū)域。

圖9 區(qū)域C 靠近基板附近的微觀組織Fig.9 Microstructure of Section C near base

4 結(jié) 論

1) 絲束同軸冷陰極電子束熔絲成形的熔滴在滴狀過(guò)渡時(shí),表面張力抑制熔滴過(guò)渡,在搭橋過(guò)渡時(shí),表面張力促進(jìn)熔滴過(guò)渡。

2) 絲束同軸冷陰極電子束熔絲成形在給定金屬絲材材料成分、絲材半徑、電子束流功率條件下,可以通過(guò)調(diào)節(jié)絲端與熔池的間距、送絲速度、束流功率獲得滴狀過(guò)渡、搭橋過(guò)渡熔絲成形方法。

3) TC4 鈦合金的絲束同軸冷陰極電子束熔絲成形組織為柱狀晶與等軸晶層層疊加的組織,柱狀晶的尺寸遠(yuǎn)小于采用熱陰極電子束軸側(cè)熔絲成形TC4 鈦合金的組織,成形質(zhì)量得到了提升。