電子束粉末床熔融技術研究進展與前瞻

林峰

多槍陣列的大型化EB-PBF技術規模化應用趨勢日益明顯，大數據、機器學習等人工智能技術將更多地被引入，應用于工藝規劃、缺陷識別、故障診斷、質量分析等。

電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術利用電子束對粉末床進行預熱和選擇性熔化，逐層堆積制造三維零件。由于電子束的能量轉換率高，不同材料對電子束能量的吸收率都很高，利用電子束離焦掃描粉末床，可以將其預熱到1000℃，大大減小了熔融沉積過程的熱應力。

因此，EB-PBF對材料的適應性好、特別是脆性材料或高熔點材料。此外，EB的掃描速度快、作用深度深、粉末床較厚，其成形效率可達到激光粉末床熔融技術的4倍。

最新研究進展

EB-PBF（亦稱為電子束選區熔化，EBSM）技術由瑞典Arcam AB公司于2002年推出，稱之為電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）。最初型號為S12，隨后又相繼推出?A1、A2、A2X、A2XX、Q10、Q20、Q10Plus和Q20Plus等多個型號，其A系列應用于航空航天領域，適合制造鈦鋁基合金、高溫合金等。

GE公司旗下Avio Aero公司利用A系列設備，實現了TiAl金屬間化合物低壓渦輪葉片的EBM打印（見圖1（a）），EBM制造葉片的成本可以跟鑄造生產成本持平;而Q系列應用于醫療器械領域，適合制造鈦合金、鈷鉻合金等，且成形缸尺寸較大（直徑350mm×高380mm），以提高生產效率。

我國北京愛康誼誠醫療器械有限公司建立了一條有8臺EBM-Q系列設備的生產線，批量生產該公司4個已獲得CFDA上市許可的植入器械產品（見圖1（b）））。被GE于2017年收購之后，Arcam成為GE 增材板塊的一部分，2018年推出了H型號，裝備6kW電子槍，成形效率提高50%。

EB-PBF與電子束熔絲技術，由于采用電子槍和在真空中成形的獨特性，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學的Carolin K?rner教授組織了專門的電子束增材制造（Electron Beam Additive Manufacturing，EBAM）國際會議，已于2016年和2018年在紐倫堡舉辦了兩屆會議。該會議主題集中、內容豐富，較全面地反映了該領域在全球的最新研究和工業應用進展。

通過會議交流的情況可以發現，世界各國越來越重視電子束增材制造技術的研發，特別是電子束粉末床熔融技術的工藝、裝備。比較典型的進展包括：

EB-PBF成形材料種類越來越多，而且成形難度越來越大，已經從鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金、鎳基變形高溫合金等，發展到鈦鋁基合金，鐵鋁、錳鋁等金屬間化合物，純銅，硬質合金以及鎳基鑄造高溫合金等傳統難加工材料。

多尺度、多物理場計算模擬技術被成功應用于對電子束掃描粉末床熔化沉積過程的介觀（微米、微秒時空尺度）模擬（見圖2），并與金屬凝固和結晶過程模擬相結合。這一技術突破，將對EB-PBF工藝過程的缺陷產生機理、結晶組織控制、制件表面光潔度改善等基礎問題的研究和工藝改進提供重要理論基礎和分析手段。

EB-PBF裝備功能越來越豐富。除基于紅外成像、光學攝像機等光學觀察、檢測裝置被集成到EB-PBF設備上外，基于EB-PBF特有的二次電子或背散射電子的檢測技術也開始被集成進來（見圖3）。相比于光學檢測，基于二次電子或背散射電子的成像檢測技術具有良好的抗輻射、耐蒸鍍特性，非常適于安裝在EB-PBF設備的真空室中，且不需要進行屏蔽保護。

國內外研究比較

在EB-PBF技術方面，國內清華大學于2004年即開始了自主技術與裝備的研發，稱之為電子束選區熔化（EBSM）技術，并在2018年推出了商業化產品QBeamLab，使中國成為國際上第二個能夠自主研發該技術的國家，實現了該技術的“自主可控”。

相較于世界其它國家（除Arcam公司所在的瑞典外），我國已掌握了EB-PBF裝備的自主研發能力，為自主創新奠定了非常重要的基礎。例如：清華大學將激光與電子束粉末床熔融技術進行集成，創新出了電子束-激光復合選區熔化（EB-LHM）技術（見圖4），通過激光與電子束的組合，可以實現真空SLM、高粉末床溫度SLM、激光防吹粉以及電子束-激光復合選區熔化（EB-LHM）等多種復合新工藝，為解決兩種工藝的技術瓶頸創造了有利條件。

在EB-PBF技術的基礎研究方面，清華大學研究團隊通過與美國西北大學的Wing Kam Liu教授合作，建立了針對電子束掃描熔化粉末床過程的介觀（微米、微秒尺度）多種物理場模型，成為國際上掌握此項技術的兩個團隊之一（另一個是德國埃爾蘭根-紐倫堡大學的Carolin K?rner教授團隊），并通過與鋪粉過程模擬結合，國際上首次實現了多層多道電子束熔化沉積過程的模擬（見圖5）。為探究電子束掃描策略、優化掃描路徑、避免層間缺陷等工藝研發，建立了自主的研究模擬平臺。

發展趨勢與展望

由于電子束有著高功率、高吸收率和高掃描速度等特點，EB-PBF技術具有成形效率高和適用材料范圍廣等優勢，在諸如高強鋁合金、鑄造高溫合金、硬質合金以及金屬間化合物等難加工材料的精確成形方面將發揮重要作用，甚至產生顛覆性成果。

但EB-PBF技術仍存在電子束焦斑較大，制件光潔度較低等不足，限制了其廣泛應用。正在開展的電子束增減材復合制造技術（見圖6），有望通過電子束對材料的氣化切割作用，切除輪廓邊緣的粗糙部分，改善EB-PBF制件內外表面的光潔度，無需附加銑削刀具，不產生切屑，且不受工件溫度影響，因此電子束增減材將極大地促進EB-PBF技術的發展。

此外，多槍陣列的大型化EB-PBF技術規模化應用趨勢日益明顯，而對零件制造質量的監控也越來越成為研究的重點。大數據、機器學習等人工智能技術將更多地被引入，應用于工藝規劃、缺陷識別、故障診斷、質量分析等（見圖7）。

（作者系清華大學機械工程系長聘教授、博導、副系主任，先進成形制造教育部重點實驗室副主任）