電子束增材制造成型室熱分析

張鋁鎵

陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西榆林，719000

0 引言

增材制造技術在近幾年得到了突飛猛進的發展，而電子束增材制造技術主要是用于金屬增材制造。在對具體的金屬零件利用電子束增材制造技術進行增材制造時，首先需要得到零件的金屬粉末，然后在處于高真空的成型室中的預熱好的底板上將金屬粉末逐層均勻鋪開，每鋪一層就需要利用電子束進行一次固定工藝的掃描，最后得到成型的金屬零件毛坯。本文主要針對電子束增材制造設備在調試階段只進行底板預熱時的溫升進行分析計算。

對于電子束增材制造成型過程的熱分析，陳云霞、朱妙鳳等人通過有限元方法對電子束增材制造在零件成型過程中的溫度場進行了模擬，利用特定技術模擬了零件每一層的加工過程，并且對零件的溫度場分布進行了實時計算，該分析方法缺少實驗支持，工程指導意義較弱[1]。Steven Price、James Lydon等人通過紅外測溫儀直接對電子束增材制造設備在加工Ti-6Al-4V粉末過程中的溫升進行了測量，分析了實驗數據，對加工零件時粉末的熱傳遞損失量進行了補償，并且對Ti-6Al-4V粉末在熔化狀態下的發射率進行了評估[2]。而在涉及綜合熱傳遞過程的理論及實驗方研究方面，李帥輝、舒勇華等人對在真空狀態下利用輻射換熱對基片的溫度分布進行了研究，其利用自己研制的加熱器對基片進行了真空輻射加熱，通過數值法進行了分析計算，并利用紅外測溫儀進行了溫升數據采集，結果表明其加熱器具有一定的實用性[3]。孫硯田、王國林等人通過兩種有限元軟件針對特定型號的子午線輪胎進行了溫度場的建模以及計算，在建立溫度場的時候，綜合考慮熱對流、熱輻射、熱傳導三種傳熱方式以及實際情況，對輪胎內外部的流場和溫度場進行了較合理準確的模擬[4]。

本研究所分析的電子束增材制造設備在調試和加工過程中都是在高真空中進行的，所以在底板溫度達到800℃或者以上時，底板熱量的傳遞主要是通過輻射換熱傳遞到成型室內表面的，本文對電子束增材制造設備在底板預熱過程中底板以及成型室溫升進行了數據采集，主要通過熱路法對成型室進行了熱傳遞計算。

1 底板預熱原理

如圖1所示，其為某公司的電子束增材制造設備。通過電子槍產生高能電子束，以20m/s的速度在底板上進行掃描，直至底板溫度達到800℃，通過觀察窗口可以看預熱過程如圖2所示。

圖1 電子束增材制造設備結構

圖2 預熱過程

2 成型室熱分析

如圖1所示，本設備在底板預熱過程中，通過熱電偶對底板的溫度進行實時測量。實測可得，在以20mA電子束流、60kV的高壓加熱15分鐘后，底板溫度達到800℃，趨于穩定[5]，其中底板以及成型室的材料都為316L不銹鋼。由于成型室的真空度為0.001Pa，所以對于底板的熱量傳遞主要考慮熱輻射[6]。此時通過紅外測溫儀對成型室的外表面溫度進行測量。對于圖1所示的成型室進行簡化可得圖3所示結構，由于底板溫度保持不變，且溫度均勻分布，與左右兩側鋪粉底板平行，所以只對成型室隔板以上部分進行熱分析且只考慮底板為有效輻射面積，并對其進行簡化可得如圖4所示。由于成型室的四周面外表面溫度相同，所以在建立熱路時可將其看成一個表面，所以簡化后的成型室可以看成一個三面封閉的模型，其中底板表面溫度保持不變且只存在熱輻射換熱，另外兩個表面內表面通過熱輻射進行熱傳遞，外表面通過空氣進行對流換熱。

圖3 成型室結構

圖4 成型室簡化模型

通過紅外測溫儀對成型室的外表面溫度進行測量，可以得到成型室的外表面的實時溫度，當成型室內外部處于熱平衡時，成型室壁處的傳熱過程如圖5所示，圖中的相關參數意義及大小見表1，公式下標n表示第n個表面，o表示成型室外表面，i表示成型室內表面。

表1 計算參數

圖5 成型室壁傳熱過程

聯立方程（1）-（4），帶入表1中數據可得：

在此處的計算中，由于成型室壁的溫度較低，且與空氣溫差較小，所以主要考慮空氣的對流換熱，而忽略了成型室壁對空氣的熱輻射，以及空氣對成型室壁的熱輻射。

對于本設備的熱量傳遞，在熱流量處于動態平衡時，電子束不斷向底板進行能量輸入，底板溫度保持不變，向成型室內表面通過熱輻射進行熱量傳遞，此時成型室內部的熱量傳遞過程如圖6所示，圖中參數含義及大小見表2。

圖6 成型室內部等效熱路圖

表2 計算參數

為了方便計算和分析，需做如下假設：

（1）電子束掃描加熱能量轉化率70%[7]；

（2）成型室中的真空度可達3×10-3Pa，不考慮由氣體對流而產生的散熱作用；

（3）底板熱量分布均勻，且可看作是漫灰體；

面對現實的政治治理問題，孟子也僅強調道德原則而缺乏對于細節與方法的興趣。同樣是祛除暴力，孔子明確指出移風易俗是任重道遠的長久事業：“善人教民七年，亦可以即戎矣”[4](P148)，“‘善人為邦百年，亦可以勝殘去殺矣。’誠哉是言也！”[4](P144)而在孟子那里，一切就簡單明快得多：

（4）底板不考慮熱傳導只考慮上表面熱輻射；

（5）忽略成型室外壁與空氣的輻射傳熱，只考慮對流換熱。

由文獻[8]可知，角系數：

利用角系數的完整性可得：

各個熱阻值為：

式（15）-（20）所計算的熱阻值的結果見表2，和電學中的基爾霍夫定律相似[9]，在三個節點J1、J2、J3處可列出如下方程：

聯立方程（21）-（23），可計算出有效輻射量J1、J2、J3的值，見表2。

由Stefan-Boltzmann定律[10]可知：

式中的溫度T為開爾文溫度，C0=5.67W/(m2.K4)，帶入表2中的參數可得：

同理可以得到Eb2以及Eb3，見表2。由此可得底板的輻射傳熱量：

計算結果Φ1i為正值，這表明底板表面向成型室內部放出了熱量，而Φ2i、Φ3i為負值，這表明成型室內部吸收了底板散失的熱輻射，并且通過計算可知：

符合能量守恒原理，驗證了計算的正確性，理論上存在如下關系：

由于計算過程中對模型進行了簡化，且忽略了成型室外壁與空氣的輻射傳熱，所以成型室內部輻射傳熱量會略大于成型室表面的對流換熱量[10-11]，這與實際情況相符合。

同時本文還對輸入不同電子束束流加熱底板溫度穩定時的溫度進行了實驗數據采集，其中高壓和掃描速度以及真空度保持不變，可得束流大小與底板溫度的關系如圖7所示。

圖7 束流與底板溫度的關系

在實際加工零件時，需要通過不同的預熱工藝對底板進行預熱，這樣會提高零件的質量，此實驗曲線可以作為具體工藝的原理，同時通過本文的計算方法可以對成型室熱流量進行計算，從而可以對成型室內部隔熱裝置的設計提供依據。

3 結論

電子束增材制造技術正在高速發展，在零件加工過程及設備設計階段，底板溫升過程會直接影響其制造工藝。本文主要通過熱路法計算了電子束增材制造設備成型室底板在預熱過程中、成型室處于熱平衡時底板以及成型室各個壁的熱流量值，并且對底板以及成型室溫升進行了數據采集，對簡化的成型室進行了熱計算，計算結果和實測結果相吻合，并給出了電子束束流與底板溫度的關系，為設計和優化成型室結構以及金屬零件加工工藝奠定了基礎。