電子束選區熔化制備金屬材料研究與應用

王 巖，李云哲，劉世鋒，黨 宇，石 英，王 建

(1. 西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西 西安 710055)(2. 西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室，陜西 西安 710016)

1 前 言

隨著現代生物醫學、汽車工業和航空航天的快速發展，傳統材料加工方法已不能滿足人們對結構和功能一體化零件的制備需求，20世紀80年代開發的新型材料加工方法——電子束選區熔化(selective electron beam melting，SEBM)是解決這一問題的良好方法，迅速引起了全世界研究人員的興趣。SEBM是增材制造(additive manufacturing，AM)技術中使用很廣泛的一種粉床材料成形工藝，是一種集機械、電子、材料、控制于一體的新型材料加工方法，與傳統材料制造方式不同，SEBM技術可以根據零件的三維(three dimensions，3D)模型，通過層層堆疊實現復雜形狀部件的快速制造。這種層層疊加的材料加工方法的設計和制造自由度大，可以實現個性化設計，是21世紀智能制造的重要組成部分，2012年英國《經濟學人》稱AM技術將推動人類第三次工業革命。

本文將重點介紹SEBM技術的原理以及其在生物醫學、汽車工業和航空航天領域的應用案例。研究總結過去5年SEBM技術在金屬材料制備領域的最新研究成果，包括粉末材料的設計、制造工藝、微觀結構和制備樣品的機械性能。在此基礎上，提出了一些思路和研究趨勢，供今后研究之用。

2 SEBM技術原理

SEBM技術是由瑞典Arcam公司首次開發的金屬粉床AM技術中最常見、最成熟的技術之一。早期中國清華大學和西北有色金屬研究院在SEBM技術方面進行了大量研究。圖1顯示了SEBM機器主要由能源系統、真空室和建造平臺組成[1]。SEBM技術制備零件流程主要分為預熱、成形和自回火3個階段。計算機控制切片軟件將3D模型逐層分解[2-5]，粉末材料被高能電子束有選擇性的熔化，建造平臺上的粉末材料迅速冷卻凝固，然后建造平臺下降到一定高度，繼續鋪粉預熱第二層粉末，粉末的穩定性得到改善，并持續熔化，直至3D模型零件被堆積成一個實體零件，整個過程在高功率、高真空環境中進行[6, 7]。

圖1 SEBM機器工作原理[1]Fig.1 Working principle of SEBM machine[1]

3 SEBM成形金屬材料

電子束能量密度高，足以熔化各種高熔點的金屬，2019年有報道稱SEBM技術已經可以熔化鎢金屬[8]。近年來，SEBM技術在鈦基合金、鐵基合金、鋁基合金、銅基合金、高溫鎳基合金、高熵合金等金屬材料制備方面取得了重大研究進展。

3.1 鈦基合金

鈦及鈦基合金是20世紀50年代開發的結構金屬材料。鈦因其低密度(4.52 g·cm-3)、高強度、高耐蝕性和生物相容性的特性而被廣泛應用。然而鈦導熱系數較低、采用傳統刀具加工鈦產生的熱量不能被導出、容易產生粘刀現象，使用鈦合金粉末被電子束有選擇性的熔化成形3D零件可以規避機械加工制備鈦合金的缺點，因此SEBM技術首先在鈦領域得到發展，目前TC4的SEBM加工技術已經發展得非常成熟，TC11、Ti2448[9]也得到了更多的研究。研究證實，使用SEBM技術制備的TC4的靜態力學性能已經達到、甚至超過其鍛造狀態水平[10]。

目前研究人員在TC4合金的SEBM工藝參數方面已經探索得比較成熟。為了進一步研究不同因素對TC4成形質量的影響，Lee等[11]研究了粉床預熱效應對TC4成形的影響，采用3D圖像處理來量化3種不同預熱條件下樣品的成形誤差，結果表明，長時間的預熱對零件的致密度影響不大，并且隨著能量密度的增加，最大構造誤差從330增加到400 μm，如圖2所示。

圖2 樣品3D可視化誤差圖(a)；低預熱(b)、標準預熱(c)和高預熱(d)對樣品的構造誤差[11]Fig.2 3D visualization error map of the sample (a); construction error plots of low preheating (b), standard preheating (c) and high preheating (d) for samples[11]

SEBM工藝的循環熱處理對打印的零件有顯著影響，Tang等[12]首次研究了SEBM制備深粉床TC4缺陷的3D特征及其對樣品拉伸特性的影響，發現缺陷在同一樣品的不同高度中分布不均，圖3表明在樣品的不同高度中，缺陷隨著樣品高度的增加而逐漸減少。樣品中部屈服強度最高，為928 MPa；延伸率最高為16.4%。

圖3 同一樣品不同高度中的缺陷[12]Fig.3 Defects in the same sample with different heights[12]

通常采用模擬方法可以降低實驗帶來的各種成本。Xiong等[13]使用細胞自動機方法模擬SEBM制備TC4合金的晶粒生長行為，提出了一個集成的建模框架，可以結合粉末特性和工藝，準確預測SEBM制備的TC4的微觀結構。Tan等[14]利用實驗和模擬解釋了SEBM中柱狀晶體的生長行為，發現SEBM制造的TC4遵循傳統的競爭性晶粒生長模型，其中柱狀β-Ti具有競爭性生長，且隨著樣品建造高度增加，晶體結構變得更強。

3.2 鐵基合金

鐵基合金是目前世界上消費和使用量最大的金屬材料，并且鐵基合金SEBM技術在成本控制方面具有很大的優勢，因此研究者在鐵基合金的SEBM方面有一定的研究[15-17]。

為探討加工參數對316L不銹鋼成形特性的影響，Wang等[18]通過改變加工參數(速度函數(speed function,SF)和聚焦偏移(focus offset, FO))來制備樣品。圖4顯示了通過優化316L樣品的SEBM加工參數，得到的不同樣品表面的過度熔化、熔化良好和多孔結構。SEBM制備的316L屈服強度約為350 MPa，高于通過傳統鑄造[19]和鍛造[20]制備的，但其延伸率低于通過傳統加工方法制備的。如圖5顯示在低SF和高FO樣品中發現嚴重的σ相沉淀，導致樣品在水平方向的延展性降低。因此研究人員多使用較高的SF和較低的FO避免σ相沉淀，但要確保樣品表面低粗糙度和高密度。Zhong等[21]首次使用SEBM技術和激光選區熔化(selective laser melting, SLM)技術分別制備用于核裂變的316L不銹鋼薄壁復合容器，優化參數以制造幾乎致密的零件。SLM技術制備的零件表面精度高，SEBM技術制造的零件表面精度低，但成形效率高。在250 ℃的高溫下，SLM制備的樣品的屈服強度高于400 MPa，而SEBM制備的樣品屈服強度只有170 MPa，但延伸率高于SLM制備的樣品。進一步分析樣品微觀結構，在兩種樣品中均發現了熔池、晶界等微觀結構。

圖4 通過優化316L樣品的SEBM加工參數制備的樣品表面過度熔化、熔化良好和多孔結構[18]Fig.4 Over-melted, well-melted, and porous structure of sample surface by optimization of SEBM preparation process parameters for 316L sample[18]

圖5 樣品腐蝕后微觀結構表征[18]：(a)粗晶界SEM照片；(b)晶界和晶粒內部析出的σ相粒子的SEM照片；(c) EDS映射顯示Fe的元素損耗以及Cr和Mo的富集Fig.5 Microstructure characterization of the sample after corrosion[18]：(a) SEM image of thick grain boundaries；(b) SEM image of σ phase particles precipitating at grain boundary and inside grains； (c) EDS mappings showing element depletion of Fe and enrichment in Cr and Mo

為研究SEBM制備樣品不同位置的微觀結構變化，Olsón等[16]觀察到SEBM制備的樣品頂部、中間和底部微觀結構有顯著差異，如圖6所示，在樣品頂部發現了明顯的熔池線，底部沒有熔池線但有明顯晶界。Cormier等[22]研究了SEBM制備的H13工具鋼的微觀結構和性能，結果表明，直接打印的樣品幾乎沒有孔隙，且可獲得層間結合良好的零件，材料硬度可達到48～50 HRC。Segura等[23]發現SEBM制備的316L的屈服強度比鍛造制備的高76%，晶粒沿建造方向生長，并有大量亞晶和位錯，如圖7所示。位錯的均勻分布提高了樣品的耐蝕性和機械性能，為核反應堆和高質量航空航天部件的制備提供了新方法。

圖6 SEBM制備樣品微觀結構的頂視圖[16]：(a)頂部表面，(b)從頂部向下10 mm的位置，(c)從頂部向下40 mm的位置Fig.6 Top view of sample microstructure prepared by SEBM[16]: (a) top surface, (b) 10 mm from top surface, (c) 40 mm from top surface

圖7 SEBM制備的316L樣品的TEM照片[23]：(a)亞晶和亞晶界,(b)位錯和亞晶界Fig.7 TEM images of 316L samples prepared by SEBM[23]: (a) sub-grain and sub-grain boundaries, (b) dislocation and sub-grain boundaries

目前，SEBM制造的鐵基合金種類不多，主要集中在316L不銹鋼。由于大多數鐵基合金具有磁性，磁性金屬粉末容易損壞真空系統，對機器危害大，這也是造成鐵基合金種類開發不多的因素之一。因此在開發新型鐵基合金時，應綜合考慮材料脫磁。

3.3 鋁基合金

鋁基合金因其低密度、高強度、高塑性、高耐蝕性等特性，成為繼鐵基合金之后使用最廣泛的金屬，特別適合用于制造渦輪增壓器葉片[24]。目前渦輪葉片傳統制造方法為鑄造，但由于其結構復雜，容易造成渦輪葉片開裂等問題。因此，薄壁渦輪葉片可采用SEBM技術進行制備，大量學者對鋁基合金SEBM工藝進行了探索。

SEBM加工參數會嚴重影響樣品微觀結構和機械性能。Yu等[25]使用不同掃描速度制備了Al-3Ti-1Sc合金，結果表明，在3 mm·s-1掃描速度下，凝固熔池中形成具有四方結構的Al3(Ti、Sc、Fe)相，且可在室溫下保持四方結構；掃描速度為20 mm·s-1制備的樣品，Al3(Ti、Sc)相被完全抑制，熔池中顯示出均勻的微觀組織結構，并具有超細沉淀物。Murr等[26]使用C-TiAl基合金粉末，采用Arcam A2打印了樣品，樣品主要為γ-TiAl(FCC)相，并且具有片狀γ/α2相，通過掃描電鏡表征發現該樣品片狀微觀結構的間距為0.1～0.3 μm。直接打印的樣品硬度為4.1 GPa，屈服強度為0.37 GPa·cm3·g-1，與SEBM制備的TC4的0.27 GPa·cm3·g-1屈服強度相比，具有很大的優勢。這些發現證明了C-TiAl基合金在航空航天領域應用的可能性。Kenevisi等[27]研究了粉床預熱對SEBM制備Al2024合金的影響，并在350 ℃預熱溫度下制備了幾乎完全致密的樣品，樣品的強度和屈服強度分別達到了314 MPa和191 MPa。Martin等[28]在鋁合金粉末中加入納米粒子對粉末進行改性，結果發現，未添加納米粒子粉末制備的樣品有微觀裂紋，添加納米粒子粉末制備的樣品微觀裂紋被抑制，如圖8所示，這一發現為SEBM成形鋁基材料提供了新思路。

圖8 Al6061的SEM照片[27]：未添加Zr納米粒子制備的樣品觀察到大裂縫(左)，添加Zr納米粒子制備的樣品未觀察到開裂(右)Fig.8 SEM images of Al6061[27]：large cracks observed without the addition of Zr nanoparticle (left), no cracking observed with the addition of Zr nanoparticles (right)

3.4 銅基合金

純銅和銅基合金具有良好的延展性、導電性和導熱性，目前主要被用于制造發電機、散熱片、電纜、開關設備和變壓器等電氣設備零件。純銅對激光的吸收率僅為2%，但對電子束的能量吸收率可以達到80%[29]。近年來，關于銅合金的SEBM研究越來越多。薄壁和具有復雜內部結構的銅合金零件可被用于微熱交換器等器件。

Guschlbauer等[30]采用SEBM技術制備純銅，認為樣品致密度的調節可以通過調整SEBM工藝參數來實現。研究發現，當制備的樣品電導率高于58 MS·m-1時，樣品硬度為55 HV。此外，隨著線能量密度的增加，樣品的機械性能逐漸增大，最大拉伸強度可達到177 MPa，延伸率達到59%。Eichhorn等[31]認為樣品導電性與粉末純度有關。Ramirez等[32]使用純度為99.8%的氣體霧化銅粉，采用Arcam A2制備了樣品。在直接打印的樣品中觀察到大量的沉淀錯位，在SEBM制造的鎳基合金中也觀察到類似的現象[33]，這些沉淀錯位顯著提高了樣品的硬度。

為了證明快速冷卻可以產生傳統冶金中難以實現的微結構，從而形成過飽和固溶體[34]。Momeni等[35]使用Cu和Cr的粉末混合物來制備樣品，由于Cu和Cr的熔點不同，Cu粉開始熔化時，Cr粉仍然是固體顆粒，最終Cr粒子隨機分布在Cu基體中，結果表明，SEBM技術在實現超細合金過程中極有可能實現這一目標，研究人員正在探索加工參數對微觀結構和材料特性的影響。Torsten等[36]采用純度為78.5%(質量分數，下同)銅粉和21.5%鋁粉制備樣品，通過提高掃描速度和降低電子束的功率，可以在樣品中觀察到由于能量攝入不足所引起的孔。Ralf等[37]研究了純銅粉中含氧量對SEBM成形能力的影響，發現使用高氧含量粉末通過SEBM技術制備的樣品更有可能形成裂紋。

3.5 鎳基合金

鎳基合金具有高強度、高耐氧化性、高耐蝕性和高溫耐熱性，可在高溫環境下(920～980 ℃)長時間服役。鎳基合金中的γ/γ′相可以提供更高的屈服強度，如圖9所示[38]。鎳基合金優良的耐蝕性使其在海洋、環保、能源、石化等重要領域具有多種應用，近年來，其主要被應用于航空航天結構部件、緊固件、飛機渦輪發動機等。目前，鎳基合金的SEBM研究主要集中在鎳基超級合金[39]，如NiTi合金、Rene142、IN738、IN625、IN713和IN718等。

圖9 γ/γ′相微觀結構的SEM照片[38]：(a)俯視圖，(b)左視圖Fig.9 SEM images of the microstructure of γ/γ′[38]: (a) vertical view, (b) left view

Ding等[40]研究了SEBM技術工藝參數對IN718的影響，在能量密度較低的樣品內部發現了大量缺陷，因此探索合適的工藝參數對打印件的質量控制尤為重要。對打印樣品進行觀察，在樣品中觀察到完全柱狀的細晶，且晶粒朝<001>方向生長，同時在樣品中發現小于30 nm的γ相和γ′相。對樣品進行標準熱處理后發現，相同的打印參數導致樣品延伸率在5%至25%之間發生較大變化，最大抗拉強度可達1200 MPa。Cakmak等[41]采用不同SEBM建造策略來制備IN718樣品，使用有限元分析機械性能，研究點構造和連續線構造[42]，通過實驗驗證模擬結果是否合理。研究發現，不同的構造策略會影響晶粒大小，使用連續線打印的樣品微觀結構更加精細，如圖10所示。

圖10 點構建和線構建的IN718材料的EBSD照片[41]Fig.10 EBSD images of IN718 by point-build and line-build[41]

Ding等[43]在SEBM過程中研究了IN718微觀結構形成的基本原則，并利用有限元模擬溫度分布、熔池形貌和微觀組織結構。研究發現，模擬的熔池形狀大小與實驗結果一致，而微觀組織轉化和晶粒生長與模擬結果相反。為進一步確定SEBM工藝中的固態微結構如何演變為分級微結構，建立SEBM鎳基高溫合金的熱分布演化規律，Koepf等[44]使用有限元和細胞自動機模型耦合來模擬SEBM過程中樣品的微觀結構變化，為了驗證預測和實驗中觀察到的微觀結構是否一致，使用CMSX-4鎳基高溫合金粉末制備了樣品，結果表明，有限元分析為晶體生長模型提供了預溫度場，可成功預測塊狀樣品的微觀結構。

Deng等[45]發現在SEBM制造的IN718微結構中，Laves相體積分數從上表面向下開始增加，在距上表面150 μm處達到的峰值，約2.3%；達到峰值后開始下降，在距上表面1800 μm處逐漸下降至0。Zhou等[46]研究了SEBM制備的NiTi合金的微觀結構、相變和機械性能，結果發現，NiTi合金的微觀結構是柱狀晶并且具有超彈性，這是由于Ni4Ti3沉淀所致，如圖11所示。該樣品在冷卻過程中發生B2→B19的相變，在加熱過程中進行B19→B2相變。在循環壓縮試驗中，NiTi合金在室溫下表現出優異穩定的超彈性，采用SEBM制備的NiTi合金的壓縮性能優于采用SLM制備的。

圖11 NiTi粉末和SEBM制備的NiTi樣品的XRD圖譜(a)；NiTi樣品(b)、Ni4Ti3沉淀(c)和均勻分布在基體中的Ni4Ti3沉淀(d)的TEM照片[46]Fig.11 XRD spectra of NiTi powder and NiTi sample prepared by SEBM (a); TEM images of NiTi sample (b), Ni4Ti3 precipitation (c) and Ni4Ti3 precipitation distributed in the matrix (d)[46]

3.6 高熵合金

高熵合金是由5種或5種以上等量或大約等量金屬形成的合金。傳統合金只有大約2或3種金屬，以Ti為例，添加Al和V可以形成Ti6Al4V合金。以往的研究發現，添加的合金元素種類越多，越容易出現脆化現象，但高熵合金沒有這種現象發生，并且具有優良的機械性能、耐磨性和耐蝕性。

目前，電弧熔煉被廣泛應用于制備高熵合金，Popov等[47]首次使用不同元素粉末混合物，通過SEBM工藝制備了Al0.5Cr1.0MoNbTa0.5多原子高熵合金。在制備過程中，由于每種元素熔點差異較大，且鋁元素容易發生蒸發，導致最終雖然樣品成功被制備，但微觀結構并不完全統一，打印的樣品具有較大孔隙。研究發現，在1300 ℃下保溫24 h可顯著降低樣品孔隙，并使SEBM制備的樣品成分發生變化，該混合元素粉末的方法為SEBM制備高熵合金提供了新的研究思路。

Fujieda等[48]成功將SEBM技術應用于AlCoCrFeNi合金的制備，直接打印的零件具有優良的延展性，斷裂強度是傳統工程材料SUS304斷裂強度的6倍，達到1400 MPa。結合SEBM的成形特點，有望擴大其潛在應用領域，如高品質耐用的金屬部件、油井和天然氣鉆井設備。Kuwabara等[49]使用AlCoCrFeNi粉末，研究了SEBM制備的AlCoCrFeNi高熵合金的微觀結構和電化學腐蝕行為，XRD圖譜表明鑄造態樣品和SEBM樣品頂部均為BCC結構，SEBM樣品底部包含BCC和FCC結構，鑄造態樣品底部僅有BCC結構，如圖12所示。進一步研究發現，SEBM樣品和鑄造態樣品的點腐蝕電位分別為0.178和0.112 V，經過電化學腐蝕后得到了鑄造態樣品和SEBM樣品的表面腐蝕形態，如圖13所示，表明SEBM制備的樣品具有更加優異的耐蝕性。

圖12 鑄造態樣品和SEBM樣品的XRD衍射圖譜[49]Fig.12 XRD spectra of cast sample and SEBM sample[49]

圖13 鑄造態樣品(a，b)和SEBM樣品(c，d)電化學腐蝕測量后表面形態[49]Fig.13 Surface morphology of cast sample (a, b) and SEBM sample (c, d) after electrochemical corrosion measurement[49]

Fujieda等[50]使用SEBM技術成功地制備了CoCrFe-NiTiMo高熵合金，研究發現，鑄件樣品的整體機械性能低于SEBM樣品。原子探針分析發現Ni和Ti元素在鑄件中存在偏析，導致其抗拉強度遠低于SEBM樣品的。掃描透射電子顯微鏡-X射線能譜(STEM-EDX)分析表明，Ni3Ti金屬間化合物在SEBM樣品中均勻分布，拉伸斷裂裂紋沿Ni3Ti與基體的邊界進行擴展，這是SEBM樣品延伸率低的主要原因(圖14)。

圖14 SEBM樣品和鑄造樣品拉伸曲線(a)和元素分布(b)，SEBM樣品的元素分布(c)，拉伸試樣裂紋沿Ni3Ti和基體邊界擴展照片(d)[50]Fig.14 Tensile curves (a) and element distribution (b) of SEBM sample and casting sample, element distribution of SEBM sample (c), images of tensile sample cracks spread along the boundary between Ni3Ti and matrix (d)[50]

Wang等[51]使用CoCrFeNiMn粉末制備了樣品，直接打印的樣品孔隙度較高，約為1.19%，在最佳打印參數下可獲得高致密度(99.4%)的塊體試樣。對樣品進行EBSD分析發現，樣品沿打印方向具有<100>方向的晶體學取向，平均晶粒寬度為65 μm，同時發現Mn和Ni元素發生偏析，如圖15所示。機械性能測試發現，SEBM樣品和鑄造態樣品具有相同的機械性能，最大拉伸強度均達到了497 MPa。Thurston等[52]研究了溫度對CrMnFeCoNi疲勞裂紋生長行為的影響，研究結果表明其強度可在低溫環境中得到改善，是一種優秀的結構材料。

圖15 通過SEBM建造的CoCrFeNiMn樣品的SEM和相應元素分布照片(a)，圖15a放大區域EBSD反極圖上顯示晶界(b)，相應Mn元素分布照片(c)，Kernel average misorientation照片(d)[51]Fig.15 SEM and the corresponding elemental distributions images of the SEBM-built CoCrFeNiMn sample (a)， EBSD-IPF maps on the enlarged zone of Fig.15a showing the grain boundaries (b), corresponding Mn element distribution image (c)，Kernel average misorientation image (d)[51]

4 SEBM應用

4.1 生物醫學

在生物醫學領域，SEBM技術打破了人們對傳統醫學的認知，目前已有眾多研究人員致力于SEBM技術在生物醫學領域的研究和應用。圖16a顯示了SEBM制造的鈦半骨盆種植體，實體規格為80 mm×143 mm×150 mm[53]。SEBM技術可以根據模型精確地制備出植入物的弧度，并且帶有網狀的多孔結構適合細胞生長粘附，是采用傳統方法難以實現的。該植入體于2016年6月植入人體內，患者目前恢復良好。圖16b為Yan等[54]采用SEBM技術制備的3D網狀鈦合金，可用作患者下頜骨，相比傳統工藝，通過該項技術制備的植入物可以減少患者手術所需的時間。圖16c是利用SEBM工藝制造的股骨植入物，SEBM制造出的多孔點陣材料可以大幅降低植入物彈性模量，使其彈性模量與人骨相當，從而減少應力屏蔽，當植入物與彈性模量較小的骨頭發生相互作用時，可以有一定的緩沖，發生輕微變型而不致于發生破碎[55]。2018年西北有色金屬研究院湯慧萍研究團隊成功應用SEBM技術打印出鉭膝關節支撐部件，并為患者進行了手術，這也是首例SEBM鉭外科植入物手術取得成功的案例。

4.2 汽車工業

中國人均汽車擁有量目前處于世界較低水平，SEBM技術在汽車行業有非常廣闊的前景。經過多年研究，目前SEBM技術在汽車行業已有大量應用[56]。相比于其他方法制備的零件，SEBM技術具有獨特的成形方式，根據3D模型構建復雜零件，再通過拓撲優化成形出結構功能一體化零件，達到相同功能的零件可以節省大量原材料，減輕汽車重量，同時降低油耗，節約能源，保護環境。Juechter等[56]使用SEBM工藝成功地制備了渦輪增壓器葉片，如圖16d所示。SEBM技術在汽車維修方面也發揮著不可替代的作用，現代科學技術發展的速度極快，加劇了產品的更新換代，若汽車發生故障，市面上很難找到相同的配件，該技術可根據零件的3D模型快速制造出和它功能一樣的配件，使得維修變得方便快捷，同時還可以減少配件的批量生產，減少囤貨并且節約資源。

圖16 SEBM制備的TC4骨盆植入物(a)[53]、TC4頜骨植入物(b)[54]、股骨植入物(c)[55]和渦輪葉片(d)[56]Fig.16 TC4 semipelvic implant(a)[53], (b) TC4 jaw[54], (c) femoral implant[55] and turbine blade (d)[56] prepared by SEBM

4.3 航空航天

SEBM在一體化結構設計成形零件方面有很大優勢，對零件結構進行拓撲優化，在使零件達到同樣功能的同時可以有效提高材料利用率、節省時間、節省資源、降低經濟成本，在航空航天領域已有較多的研究與應用。目前已經采用SEBM技術制備了BE-4火箭發動機殼體、渦輪、噴嘴和轉子。GE-Avio公司使用SEBM技術制備的除油器零件和TiAl發動機低壓渦輪葉片，將零件原有質量減少了30%，且將要實現量產并實際應用。Tang等[57]使用SEBM技術制備了TC4航空發動機潤滑系統蜂窩狀油氣分離器轉子，這種結構的分離器轉子有1100 MPa的抗壓強度，比傳統泡沫結構分離器轉子抗壓強度高出5倍，通過建模優化，這種分離器轉子很有可能被應用于下一代航空發動機潤滑系統中的油氣分離。Guo等[58]研究了航空發動機葉片和榫頭的過渡結合，使用SEBM技術制備了TC4和Ti47Al2Cr2Nb雙合金材料梯度結構，并且過渡區結合良好，界面厚度約為300 μm。

5 結 語

綜上，SEBM技術已經出現多年,以自己特有的成形優勢，深受廣大研究者的關注，并且在多個領域已經有所應用。為了使這項技術更好地為社會服務，其未來研究有以下4點需要注意：

(1)SEBM技術制備樣品的熔池凝固、晶粒形核長大以及組織轉變等行為仍然需要探究，以指導人們更好地應用此項技術。

(2)在醫學領域，SEBM制備的樣品表面粗糙度大，在人體內長期服役可能會造成表面碎屑脫落，從而殘留在人體導致發炎等一系列癥狀，如何使植入物穩定安全地在人體內服役仍存在嚴峻挑戰。在航空航天和汽車工業等領域，要持續激發社會創新活力，設計更加優異的模型，為汽車、航空航天零件減重。

(3)SEBM成形工藝對成形件質量的影響最大，未來需開發一種方法可以將新材料的最佳工藝探索時間由幾周甚至幾個月縮短到幾個小時，以減少工作量，節約研發成本。

(4)制備樣品時樣品表面粘結的粉末顆粒導致樣品表面粗糙度大是金屬粉床熔融避免不了的難題，對于樣品表面粗糙度的處理，采用化學腐蝕、機械加工等方法目前均已被證明可行，根據不同的需求采用不同的處理方式綜合探究出最佳經濟實用的后處理方式，這也是迫切需要解決的問題之一。