电子束粉末床熔融技术研究进展与前瞻

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　　多枪阵列的大型化EB-PBF技术规模化应用趋势日益明显，大数据、机器学习等人工智能技术将更多地被引入，应用于工艺规划、缺陷识别、故障诊断、质量分析等。
　　电子束粉末床熔融（EB-PBF）技术利用电子束对粉末床进行预热和选择性熔化，逐层堆积制造三维零件。由于电子束的能量转换率高，不同材料对电子束能量的吸收率都很高，利用电子束离焦扫描粉末床，可以将其预热到1000℃，大大减小了熔融沉积过程的热应力。
　　因此，EB-PBF对材料的适应性好、特别是脆性材料或高熔点材料。此外，EB的扫描速度快、作用深度深、粉末床较厚，其成形效率可达到激光粉末床熔融技术的4倍。
　　最新研究进展
　　EB-PBF（亦称为电子束选区熔化，EBSM）技术由瑞典Arcam AB公司于2002年推出，称之为电子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）。最初型号为S12，随后又相继推出 A1、A2、A2X、A2XX、Q10、Q20、Q10Plus和Q20Plus等多个型号，其A系列应用于航空航天领域，适合制造钛铝基合金、高温合金等。
　　GE公司旗下Avio Aero公司利用A系列设备，实现了TiAl金属间化合物低压涡轮叶片的EBM打印（见图1（a）），EBM制造叶片的成本可以跟铸造生产成本持平;而Q系列应用于医疗器械领域，适合制造钛合金、钴铬合金等，且成形缸尺寸较大（直径350mm×高380mm），以提高生产效率。
　　我国北京爱康谊诚医疗器械有限公司建立了一条有8台EBM-Q系列设备的生产线，批量生产该公司4个已获得CFDA上市许可的植入器械产品（见图1（b）））。被GE于2017年收购之后，Arcam成为GE 增材板块的一部分，2018年推出了H型号，装备6kW电子枪，成形效率提高50%。
　　EB-PBF与电子束熔丝技术，由于采用电子枪和在真空中成形的独特性，德国埃尔兰根-纽伦堡大学的Carolin K?rner教授组织了专门的电子束增材制造（Electron Beam Additive Manufacturing，EBAM）国际会议，已于2016年和2018年在纽伦堡举办了兩届会议。该会议主题集中、内容丰富，较全面地反映了该领域在全球的最新研究和工业应用进展。
　　通过会议交流的情况可以发现，世界各国越来越重视电子束增材制造技术的研发，特别是电子束粉末床熔融技术的工艺、装备。比较典型的进展包括：
　　EB-PBF成形材料种类越来越多，而且成形难度越来越大，已经从钛合金、不锈钢、钴铬合金、镍基变形高温合金等，发展到钛铝基合金，铁铝、锰铝等金属间化合物，纯铜，硬质合金以及镍基铸造高温合金等传统难加工材料。
　　多尺度、多物理场计算模拟技术被成功应用于对电子束扫描粉末床熔化沉积过程的介观（微米、微秒时空尺度）模拟（见图2），并与金属凝固和结晶过程模拟相结合。这一技术突破，将对EB-PBF工艺过程的缺陷产生机理、结晶组织控制、制件表面光洁度改善等基础问题的研究和工艺改进提供重要理论基础和分析手段。
　　EB-PBF装备功能越来越丰富。除基于红外成像、光学摄像机等光学观察、检测装置被集成到EB-PBF设备上外，基于EB-PBF特有的二次电子或背散射电子的检测技术也开始被集成进来（见图3）。相比于光学检测，基于二次电子或背散射电子的成像检测技术具有良好的抗辐射、耐蒸镀特性，非常适于安装在EB-PBF设备的真空室中，且不需要进行屏蔽保护。
　　国内外研究比较
　　在EB-PBF技术方面，国内清华大学于2004年即开始了自主技术与装备的研发，称之为电子束选区熔化（EBSM）技术，并在2018年推出了商业化产品QBeamLab，使中国成为国际上第二个能够自主研发该技术的国家，实现了该技术的“自主可控”。
　　相较于世界其它国家（除Arcam公司所在的瑞典外），我国已掌握了EB-PBF装备的自主研发能力，为自主创新奠定了非常重要的基础。例如：清华大学将激光与电子束粉末床熔融技术进行集成，创新出了电子束-激光复合选区熔化（EB-LHM）技术（见图4），通过激光与电子束的组合，可以实现真空SLM、高粉末床温度SLM、激光防吹粉以及电子束-激光复合选区熔化（EB-LHM）等多种复合新工艺，为解决两种工艺的技术瓶颈创造了有利条件。
　　在EB-PBF技术的基础研究方面，清华大学研究团队通过与美国西北大学的Wing Kam Liu教授合作，建立了针对电子束扫描熔化粉末床过程的介观（微米、微秒尺度）多种物理场模型，成为国际上掌握此项技术的两个团队之一（另一个是德国埃尔兰根-纽伦堡大学的Carolin K?rner教授团队），并通过与铺粉过程模拟结合，国际上首次实现了多层多道电子束熔化沉积过程的模拟（见图5）。为探究电子束扫描策略、优化扫描路径、避免层间缺陷等工艺研发，建立了自主的研究模拟平台。
　　发展趋势与展望
　　由于电子束有着高功率、高吸收率和高扫描速度等特点，EB-PBF技术具有成形效率高和适用材料范围广等优势，在诸如高强铝合金、铸造高温合金、硬质合金以及金属间化合物等难加工材料的精确成形方面将发挥重要作用，甚至产生颠覆性成果。
　　但EB-PBF技术仍存在电子束焦斑较大，制件光洁度较低等不足，限制了其广泛应用。正在开展的电子束增减材复合制造技术（见图6），有望通过电子束对材料的气化切割作用，切除轮廓边缘的粗糙部分，改善EB-PBF制件内外表面的光洁度，无需附加铣削刀具，不产生切屑，且不受工件温度影响，因此电子束增减材将极大地促进EB-PBF技术的发展。
　　此外，多枪阵列的大型化EB-PBF技术规模化应用趋势日益明显，而对零件制造质量的监控也越来越成为研究的重点。大数据、机器学习等人工智能技术将更多地被引入，应用于工艺规划、缺陷识别、故障诊断、质量分析等（见图7）。
　　（作者系清华大学机械工程系长聘教授、博导、副系主任，先进成形制造教育部重点实验室副主任）
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