电子束熔丝沉积快速制造技术研究现状

熊进辉，李士凯，耿永亮，高福洋，张建欣

（洛阳船舶材料研究所，河南洛阳471039）

电子束熔丝沉积快速制造技术研究现状

熊进辉，李士凯，耿永亮，高福洋，张建欣

（洛阳船舶材料研究所，河南洛阳471039）

电子束熔丝沉积快速制造技术具有制造效率高、真空环境有利于零件保护、内部质量好和可实现多功能加工等优势，非常适合大型金属材料结构的快速制造，近年来成为高能束快速制造技术的研究热点。在对比分析典型高能束快速制造技术的基础上，总结了电子束熔丝沉积快速制造技术的特点，综述了国内外电子束熔丝沉积快速制造技术的研究进展，并展望了电子束熔丝沉积快速制造技术的发展前景。

电子束熔丝沉积快速制造；快速成形；大型金属材料

0　前言

航空、航天、船舶、电力和石化等现代工业高端装备正在向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展，其钛合金、高强钢和耐热合金等关键金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高。相应的制造技术要求越来越高、挑战日益严峻，采用铸造、锻造和机加工等传统制造技术生产上述大型、整体、高性能金属构件，不仅需要重型铸造、锻造和机加工装备及大型模具，技术难度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期长、成本高，金属构件高能束“快速制造”技术，也称为“增材制造”技术，俗称“3D打印”技术，是一种采用高能束（激光、电子束）作为热源，通过材料逐层添加堆积、实现构件无模成形的数字化制造技术。高能束快速制造技术将“材料制备/精确成形”有机融为一体、并将三维复杂形状零件制造离散为简单的二维平面形状的逐层叠加，为设计人员奇思妙想的实现特别是高性能或超常性能构件和结构的实现提供了有效的途径，同时该技术更能大幅度缩短生产周期、降低制造成本、节省材料消耗和加工制造费用。高能束快速制造技术以其与传统去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速发展成了制造技术领域新的战略方向，在先进制造技术发展的同时，也促进了结构设计思想的解放和提升，两者的相互促进使得快速制造技术为制造业的变革提供了可能，在高端装备的研制、生产和使用维护等方面，都有巨大应用价值和广阔应用前景[1-2]。电子束熔丝沉积快速制造技术是一种典型的金属构件高能束快速制造技术，相比其他高能束快速制造技术，其具有制造效率高、真空环境有利于零件保护、内部质量好和可实现多功能加工等优势，成为国内外研究的热点[3]。

在对比分析高能束快速制造技术与传统方法的特点基础上，重点总结了电子束熔丝沉积快速制造技术的特点，综述了国内外电子束熔丝沉积快速制造技术的研究进展，并展望了电子束熔丝沉积快速制造技术的发展前景。

1　高能束快速制造技术的分类

根据填充材料方式的不同，高能束快速制造可分为预铺粉和同步送粉或送丝两种；根据采用热源方式的不同，高能束快速制造可以分为激光、电子束两种。目前，高能束快速制造主要包括激光选区熔化（铺粉）、激光熔化沉积（送粉或填丝）、电子束选区熔化（铺粉）和电子束熔丝沉积（送丝）等四种快速制造技术，这四种技术与传统制造方法的特点对比如表1所示。

表1　高能束快速制造与传统方法的特点对比

由表1可知，相比铸造和锻造+机加工的传统制造方法，高能束快速制造技术可实现极端复杂零件的直接制造，后续不加工或者少量加工即可获得可使用的零件，制造效率成倍提高，零件力学性能明显强于铸件，热处理后接近或者达到锻件水平。同时，四种高能束快速制造技术也各有优缺点，尤其是成形速度与精度之间不可调和的矛盾。如激光和电子束选区熔化技术能够实现形状复杂的薄壁空心异形零件高精度制造，实现“净”成形，但制造过程复杂、效率较低；激光熔化沉积和电子束熔丝沉积效率高、制造成本低，过程简单，但制造精度低，零件达到使用状态还需要进一步精加工，不适用于高度复杂无法再加工的零件。

因此，应该基于所需金属零部件的类型、服役条件、制造方法经济可承受性，选择合适的快速制造技术，充分发挥其独特的优势，抑制其劣势。

2　电子束熔丝沉积快速制造技术原理和特点

电子束快速制造技术以高能量密度和高能量利用率的电子束作为加工热源，当高速电子轰击金属粉末时，其动能立即转化成热能，使材料快速完全融化并成形三维实体零件。与激光成形不同的是电子质量远大于光子，相对于激光束，电子束动能更大。当高速电子束轰击金属粉末时，易出现吹粉现象，即预制松散粉末在电子束的作用下被推离原位置。吹粉现象会导致粉末在熔化前偏离原来位置，影响成形质量。电子束熔丝沉积快速制造技术采用丝材替代粉末为原材料避免了吹粉问题。该技术有成形速度快、材料利用率高、无反射、能量转化率高等特点，成形环境为真空，特别利于大中型钛合金、铝合金等高活性金属零件的成形制造，但该技术精度较差，需要后续表面加工。

电子束熔丝沉积快速制造技术的原理如图1所示。

图1　电子束熔丝沉积快速制造技术原理

电子束熔丝沉积快速制造技术利用真空环境的高能电子束流作为热源，直接作用于工件表面，在前一沉积层或基材上形成熔池。送丝系统将丝材从侧面送入，丝材受电子束加热融化，形成熔滴。随着工作台的移动，使熔滴沿着一定的路径逐滴沉积进入熔池，熔滴之间紧密相连，从而形成新的沉积层，层层堆积，直至零件完全按照设计的形状成形。

相比其他高能束快速制造技术，电子束熔丝沉积快速制造技术具有一些独特的优点[3]，主要表现在下几个方面。

（1）沉积效率高。电子束可以实现几十千瓦大功率输出，可以在较高功率下达到很高的沉积速率（15 kg/h），对于大型金属结构的成形，电子束熔丝沉积成形速度优势十分明显。

（2）真空环境有利于零件的保护。电子束熔丝沉积成形在10-3Pa真空坏境中进行，能有效避免空气中有害杂质（氧、氮、氢等）在高温状态下混入金属零件，非常适合钛、铝等活性金属的加工。

（3）内部质量好。电子束是“体”热源，熔池相对较深，能够消除层间未熔合现象；同时，利用电子束扫描对熔池进行旋转搅拌，可以明显减少气孔等缺陷。电子束熔丝沉积成形的金属零件，无损探伤内部质量可以达到相关标准的Ⅰ级。

（4）可实现多功能加工。电子束输出功率可在较宽的范围内调整，并可通过电磁场实现对束流运动方式及聚焦的灵活控制，可实现高频率复杂扫描运动。利用面扫描技术，能够实现大面积预热及缓冷，利用多束流分束加工技术，可以实现多束流同时工作，在同一台设备上，既可以实现熔丝沉积成形，也可以实现深熔焊接。利用电子束的多功能加工技术，可以根据零件的结构形式以及使役性能要求，采取多种加工技术组合，实现多种工艺协同优化设计制造，以实现成本效益的最优化。

3　电子束熔丝沉积快速制造技术研究现状

1999年，美国麻省理工学院的Dave等人提出了电子束熔丝沉积快速制造技术（Electron Beam Solid Freeform Fabrication）的概念，并采用该技术试制了镍基合金涡轮盘[4]。

2002年，美国航空航天局兰利研究中心的Taminger和Hafley等人发展了电子束熔丝沉积快速制造技术（Electron Beam Freeform Fabrication，简称EBFFF）[5-6]，并开发出专用成形设备，如图2所示。

图2　兰利研究中心设备

利用该设备，兰利研究中心进行了航天钛合金结构件的电子束熔丝沉积快速制造技术研究，成形出航天用钛合金典型零件，如图3所示。

图3　兰利研究中心制造的钛合金零件（右侧为精加工后）

利用该设备，兰利研究中心将电子束熔丝沉积制造技术应用于2219铝合金零件的成形制造[7-9]。通过试验研究，揭示了沉积率、送丝速度、电子束功率对成形件微观组织结构、机械性能的影响，证明了工艺条件的变化对成形件性能（极限强度、屈服强度和延伸率等）的影响较小，成功制备了2219铝合金成形件，如图4所示。

2004年，美国Sciaky公司①http：//www.sciaky.com/，2012年12月20日引自Sciaky公司官方网站.开发出商用电子束熔丝沉积快速制造设备，如图5所示，主要用于大型航空零件制造，如图6所示。可以实现4×106mm3/h（或18 kg/h）的沉积速度，机加工的时间和材料损耗仅为传统工艺的20％和5％。

目前，Sciaky公司已经成功制造了尺寸为5.8 m× 1.2 m×1.2 m的钛合金零件，美国军工巨头洛克希德·马丁公司将与Sciaky公司合作，采用电子束熔丝沉积快速制造技术生产F-35战斗机的襟副翼翼梁，并于2013年初成功试飞。Phinazee[10]将Sciaky电子束熔丝沉积快速制造技术应用于TC4钛合金航空典型结构件的制造，使该结构的材料利用率提高了79％，制造成本由17430美元下降到9810美元。

图4　兰利研究中心制造的铝合金零件

图5　美国Sciaky公司商用化设备

图6　美国Sciaky公司制造的大型航空零件（机加工后）

Wanjara等人[11]利用电子束熔丝沉积快速成形技术在321不锈钢薄板上沿直线沉积得到了347不锈钢多层沉积层结构。研究发现沉积层的高度与层数有近似线性的关系，其力学性能良好，并且在微观组织中发现了有利于奥氏体不锈钢增强的典型碳化物。因此，电子束熔丝沉积快速成形技术可以用于不锈钢零件的修复。

在国内，中航625所在电子束熔丝沉积快速制造技术方面取得了较大的进展，独立开发了电子束熔丝沉积快速制造设备，如图7所示，并使用该设备进行了钛合金零件的成功试制，如图8所示，对该制造技术的特点以及成形后的宏观组织形貌进行了系统研究[12-13]。2012年，采用电子束熔丝快速制造的钛合金零件在国内飞机结构上率先实现了装机应用。

图7　中航625所设备（60 kV/60 kW）

图8　中航625所制造的钛合金航空零件（机加工后）

中国船舶重工集团公司第七二五研究所（洛阳船舶材料研究所）引进德国SST多功能电子束加工设备（加速电压150 kV，功率60 kW，真空室61 m3），如图9所示，并在国内率先开展了舰船钛合金、铜合金、铝合金和高强钢等部件的电子束熔丝沉积快速制造技术研究。

综上所述，金属材料电子束熔丝沉积快速制造技术以其具有的制造效率高、真空环境有利于零件保护、内部质量好和可实现多功能加工等特点，已经成为金属材料高能束快速制造技术领域的研究热点。

图9　中船重工725所设备（150 kV/60 kW）

4　结论

相比其他金属材料高能束快速制造技术，电子束熔丝沉积快速制造技术具有其他方法无可比拟的优越性。但是，电子束熔丝沉积快速制造技术还有内部冶金缺陷形成机制及力学行为、移动熔池约束凝固行为及构件晶粒形态演化规律、非稳态瞬时循环固态相变行为及显微组织形成规律、内应力演化规律及构件变形开裂预防控制等材料、工艺基础理论问题尚未完全解决，零件的性能、精度和效率尚不能令人满意，使其无法大规模工程应用。电子束熔丝沉积快速制造技术今后的发展方向是在进一步深入研究相关材料、工艺基础理论问题的基础上，提高零件性能、制造精度和效率，使其更适合于大规模工业应用。

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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

熊进辉（1980—），男，工学博士，高级工程师，主要从事电子束焊接及加工技术研究工作。