电子束快速成形研究进展及关键问题分析

贾文鹏,汤慧萍,贺卫卫,刘海彦,黄 瑜,杨 鑫

(西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室,陕西西安710016)

电子束快速成形技术是集成了计算机、数控、高能束和新材料等技术而发展起来的先进制造技术,它采用电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择性地熔化金属粉末,并通过层层堆积,直至整个零件全部熔化完成,最后,去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成形相比,电子束快速成形技术具有能量利用率高、功率大,加工速度快,运行成本低,高真空保护等优点,是高性能复杂粉末冶金件的理想快速制造技术,在航空航天、汽车及生物医学等领域有广阔的发展前景[1]。

1 电子束快速成形研究进展

相对于激光及等离子束快速成形,电子束快速成形出现较晚,但自2001年瑞典Arcam公司确立电子束快速制造技术(electron beam melting,EBM)以来,由于该技术在粉末近净成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的独特优势,电子束快速成形的研究在国外很快成为前沿和发展方向,美国北卡罗来纳州大学、英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司、美国Synergeering集团、德国Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司积极开展了相关研究工作[2～6]。目前,在电子束快速制造设备方面:Arcam公司已开发出集成化的EBM S-12和EBM S-12T(图1a);在工艺方面:美国Calcam公司[7]采用EBM技术已制备出了全致密、力学性能优于锻造件的的Ti6Al4V叶轮部件(图1b)。

图1 国外电子束快速成形设备及复杂成形零件

目前,瑞典Arcam公司掌握EBM关键技术及设备专利,其EBM设备生产具有垄断性,在国际市场上的售价高达60万欧元,同时由于EBM技术具有军事应用背景,国外对我国严格封锁。

国内在无法获得设备及相关技术的条件下自主开发研究,在钛合金电子束快速成形研究方面取得了较大的进展。其中清华大学先进成形制造教育部重点实验室开展了电子束快速制造设备的研究工作,研制出了国内第一台EBSM-150电子束快速制造装置,并取得国内多项专利,与西北有色金属研究院联合开发研制的第二代EBSM-250电子束快速成形系统(图2a)。

在EBM工艺方面,西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室开展了电子束快速成形工艺的研究工作,在钛及钛合金复杂结构及多孔结构的电子束快速制造工艺及应力及变形控制方面积累了实践经验,申请了相关专利,并制造出复杂的钛合金叶轮样件(图2b)。

图2 国内电子束快速成形设备及复杂成形零件

目前国内航空航天、汽车及生物医学等领域对复杂结构及多孔结构有巨大需求,但由于EBM工艺及设备还不成熟,暂时无法满足航空航天高性能复杂零件实际应用要求,关键问题有吹粉、球化、零件变形、残余应力、表面粗糙度等。以下从设备、工艺及专用粉末等方面着重分析,并根据分析提出具体解决措施和研究重点。

2 关键问题分析

2.1 吹粉

电子质量远大于光子,所以相对于激光束,电子束动量大,在选择烧结时,会出现特有的吹粉问题,即预制松散粉末在电子束的压力作用下被推开的现象。吹粉问题会导致金属粉末在成形熔化前即已偏离原来位置,从而无法进行后续成形工作。吹粉实质上是电子束与粉末相互作用问题,齐海波[8]建立了松散粉末简单静力学模型,确定了电子束作用条件下粉末的溃散临界条件。杨鑫[9]针对球形、非球形以及不同比例混合粉末溃散临界条件进行了受力计算分析和实验,确定具有较好的抗溃散能力粉末混合比例。Arcam公司[10]采用电子束通过逐渐提高电流预热粉末,通过预热粉末增加黏度并形成微烧结粉末层,使后续高能量束流熔化过程中粉末能被固定在原位。目前通过适当改变粉末的表面状态和堆积方式或粉末间的摩擦因数提高粉末抗溃散能力,然后在粉末不溃散的条件下,通过逐步提高电子束扫描电流,预热烧结并固定粉末解决吹粉已形成共识。而电子束与粉末相互作用,尤其电子束对粉末动态冲击过程的研究有待深入,粉末预热及预烧结机理有待揭示。

2.2 球化

球化现象又称为形球现象,是指金属粉末虽熔融但没形成一条完整平滑的扫描线,而是各自团聚成小球,其原因主要是由于熔融粉末形成的金属小液滴表面张力过大所致。刘海涛[11]实验发现球化与功率P和扫描速度υ的比值η有关:

只有当 η大于0.1时,才能得到连续的扫描线,否则扫描线会被球化。Cormier D[5]则采用预热增加粉末的黏度,将待烧结粉末加热到一定的温度,可有效减少球化现象。球化现象实际上取决于三方面因素:熔融小液滴表面张力、粉末是否润湿、粉末间的黏结力。如果熔融小液滴不润湿粉末,在表面张力的作用下各自团聚成小球,产生球化现象;如果熔融小液滴润湿粉末,但粉末间的黏结力小于表面张力,则熔融小液滴裹挟粉末团聚成小球,产生球化现象;如果熔融小液滴润湿粉末,且粉末间的黏结力大于表面张力,则熔融小液滴在粉末表面铺展,不产生球化现象。所以,提高粉末间的黏结力、促使熔融小液滴润湿粉末是抑制球化现象的关键。预热粉末一方面提高粉末颗粒的温度,熔融小液滴更易润湿粉末,另一方面增加粉末的黏度、固定粉末,从而抵御粉末熔融小液滴表面张力,有利于熔融小液滴在粉末表面铺展。刘海涛、Cormier D正是增加热输入,有效地减少球化现象。目前还缺乏对球化现象系统的理论研究及定量描述,球化模拟分析机理有待揭示。

2.3 变形及残余应力控制

零件在直接成形过程中,由于热源迅速移动,加热、熔化、凝固和冷却速度快,受热不平衡严重、温度梯度高,组织及热应力大。随着零件结构复杂程度的提高,零件产生较大变形甚至开裂,同时成形结束后,存在残余应力分布。而残余应力作为一种内应力会影响成形构件静载强度、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能及尺寸的稳定性。由于还没有有效的实验方法能检测成形过程应力/应变的演变,复杂钛合金结构零件金属直接成形过程应力/应变的演变机理研究,主要是通过数值方法模拟,并通过残余应力测试实验验证的。早期,K.DAI[12]、N.W.Klingbeil[13]等人对于简单熔覆层,石力开[14～16]等人对于多层直薄壁试件的温度场及简单熔覆层应力进行了模拟分析,取得了较为满意的研究结果。贾文鹏[17～18]建立了严格实验验证的热弹塑性激光快速成形数值模型,并对航空发动机空心叶片激光快速成形过程温度、形变及残余应力分布规律进行了模拟分析。

在控制变形开裂、消除应力方面,哈佛大学A.H.Nickel[19]等人发现采用短路径激光扫描方式熔覆应力比长路径激光扫描方式熔覆应力小。而Liang Ma(马良)[20]等人进一步指出采用分形扫描路径可使零件温度场更为均匀,同时用短折线替代长直线,有利于减小应力。贾文鹏[21]提出随形热处理工艺,即在金属零件直接成形时,温度场趋于均匀,减小温度梯度,降低热应力,同时在热处理温度保温,通过塑性及蠕变使应力松弛,防止应力应变累积,达到成形同时减小变形、抑制零件开裂、降低残余应力水平的目的。

目前在复杂零件电子束成形零件变形、残余应力消除方面还有待深入,其中关键是在随形热处理应力松弛机理,随形热处理过程温度、应力演化的基础上,研究随形热处理塑性变形及蠕变的演化及分布规律,定量分析工艺参数、约束形式对塑性变形及蠕变的影响,确定不同时刻、不同部位塑性变形及蠕变的主导形式,通过随形热处理工艺对电子束快速制造过程应力、变形控制,减小零件变形,降低残余应力,实现电子束快速制造及随形热处理工艺的优化。

2.4 表面粗糙度

电子束成形零件表面粗糙度一般低于精铸表面,对于不能加工的表面,很难达到精密产品的要求。影响电子束成形零件表面粗糙度的因素主要有:切片方式及铺粉厚度、电子扫描精度、表面粘粉等。其中切片方式及铺粉精度、电子扫描精度与成形设备有关,而表面粘粉与预热、预烧结及溶化凝固工艺过程有关。

目前国内电子束成形设备还不成熟,关键问题是没有电子束成形专用的电子枪,而一般用于电子束焊机的电子枪很少高速扫描,所以在扫描速度、范围、精度、能量密度分布方面与电子束成形工艺要求差距较大,比如如何实现宽幅扫描、动态聚焦、能量密度均布等功能,电子枪需要重新设计,控制及偏转系统有待于研制[2]。另一方面,预热及预烧结工艺在固定粉末抵抗电子束流轰击中起关键作用,但如果预热温度过高,造成在粉末溶化凝固时,周围热量传导粉末溶化烧结,从而造成表面粘粉降低表面质量。所以预热温度、区域选择,尤其是成形区边缘的温度必须严格控制,防止在成形时成形区边缘粉末溶化造成表面粘粉。该方面的工艺研究亟待开展,而表面粘粉机理研究还有待深入。

2.5 缺陷控制

电子束成形采用逐层熔化堆积形成零件,在成形过程易受偶然因素影响,难免形成融合不良、隔冷、球化等缺陷,所以必须发展缺陷控制技术。目前,电子束成形缺陷控制技术主要有:在成形过程中实时发现缺陷并对其采用电子束重熔消除及在成形后采用热等静压工艺消除两种方法。热等静压易实施,并在铸件及高温合金激光快速成形件[23]消除内部缺陷上广泛应用,但成本较高、效果有限。目前采用红外线阴影模式识别技术,通过实时检测每一层表面缺陷,实现电子束快速制造内部和表面缺陷实时电子束重熔消除是缺陷控制研究重点。而准确识别缺陷、内部缺陷电子束重熔机理分析有待进一步研究。

3 总结与展望

电子束快速制造技术是近几年发展起来的一种快速制造技术,国内外在此项技术研究水平上的差距不太大,这为我国在该技术的研发上与国际同步提供了很好的契机。国内清华大学及西北有色金属研究院等单位在电子束快速制造装置及工艺方面进行了跟踪研究。但要实现高性能复杂零件电子束快速制造及广泛应用,还需做巨大努力。目前面临的吹粉、球化、零件变形、残余应力、表面粗糙度等主要问题,可通过粉末搭配、预热及预烧结、随形热处理、缺陷重熔等工艺有效解决,其关键是电子束与粉末相互作用、粉末烧结及熔化、温度场及应力应变演化等工艺过程的研究。此外专用电子枪的研制、动态聚焦及扫描精度的提高、温度闭环控制等设备的保障也是不可或缺的条件。

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