電子束快速成形研究進(jìn)展及關(guān)鍵問(wèn)題分析

賈文鵬,湯慧萍,賀衛(wèi)衛(wèi),劉海彥,黃 瑜,楊 鑫

(西北有色金屬研究院金屬多孔材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710016)

電子束快速成形技術(shù)是集成了計(jì)算機(jī)、數(shù)控、高能束和新材料等技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù),它采用電子束在計(jì)算機(jī)的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇性地熔化金屬粉末,并通過(guò)層層堆積,直至整個(gè)零件全部熔化完成,最后,去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品。與激光及等離子束快速成形相比,電子束快速成形技術(shù)具有能量利用率高、功率大,加工速度快,運(yùn)行成本低,高真空保護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是高性能復(fù)雜粉末冶金件的理想快速制造技術(shù),在航空航天、汽車及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景[1]。

1 電子束快速成形研究進(jìn)展

相對(duì)于激光及等離子束快速成形,電子束快速成形出現(xiàn)較晚,但自2001年瑞典Arcam公司確立電子束快速制造技術(shù)(electron beam melting,EBM)以來(lái),由于該技術(shù)在粉末近凈成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),電子束快速成形的研究在國(guó)外很快成為前沿和發(fā)展方向,美國(guó)北卡羅來(lái)納州大學(xué)、英國(guó)華威大學(xué)、德國(guó)紐倫堡大學(xué)、波音公司、美國(guó)Synergeering集團(tuán)、德國(guó)Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司積極開(kāi)展了相關(guān)研究工作[2～6]。目前,在電子束快速制造設(shè)備方面:Arcam公司已開(kāi)發(fā)出集成化的EBM S-12和EBM S-12T(圖1a);在工藝方面:美國(guó)Calcam公司[7]采用EBM技術(shù)已制備出了全致密、力學(xué)性能優(yōu)于鍛造件的的Ti6Al4V葉輪部件(圖1b)。

圖1 國(guó)外電子束快速成形設(shè)備及復(fù)雜成形零件

目前,瑞典Arcam公司掌握EBM關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備專利,其EBM設(shè)備生產(chǎn)具有壟斷性,在國(guó)際市場(chǎng)上的售價(jià)高達(dá)60萬(wàn)歐元,同時(shí)由于EBM技術(shù)具有軍事應(yīng)用背景,國(guó)外對(duì)我國(guó)嚴(yán)格封鎖。

國(guó)內(nèi)在無(wú)法獲得設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的條件下自主開(kāi)發(fā)研究,在鈦合金電子束快速成形研究方面取得了較大的進(jìn)展。其中清華大學(xué)先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了電子束快速制造設(shè)備的研究工作,研制出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)EBSM-150電子束快速制造裝置,并取得國(guó)內(nèi)多項(xiàng)專利,與西北有色金屬研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制的第二代EBSM-250電子束快速成形系統(tǒng)(圖2a)。

在EBM工藝方面,西北有色金屬研究院金屬多孔材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了電子束快速成形工藝的研究工作,在鈦及鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)及多孔結(jié)構(gòu)的電子束快速制造工藝及應(yīng)力及變形控制方面積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),申請(qǐng)了相關(guān)專利,并制造出復(fù)雜的鈦合金葉輪樣件(圖2b)。

圖2 國(guó)內(nèi)電子束快速成形設(shè)備及復(fù)雜成形零件

目前國(guó)內(nèi)航空航天、汽車及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)及多孔結(jié)構(gòu)有巨大需求,但由于EBM工藝及設(shè)備還不成熟,暫時(shí)無(wú)法滿足航空航天高性能復(fù)雜零件實(shí)際應(yīng)用要求,關(guān)鍵問(wèn)題有吹粉、球化、零件變形、殘余應(yīng)力、表面粗糙度等。以下從設(shè)備、工藝及專用粉末等方面著重分析,并根據(jù)分析提出具體解決措施和研究重點(diǎn)。

2 關(guān)鍵問(wèn)題分析

2.1 吹粉

電子質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子,所以相對(duì)于激光束,電子束動(dòng)量大,在選擇燒結(jié)時(shí),會(huì)出現(xiàn)特有的吹粉問(wèn)題,即預(yù)制松散粉末在電子束的壓力作用下被推開(kāi)的現(xiàn)象。吹粉問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致金屬粉末在成形熔化前即已偏離原來(lái)位置,從而無(wú)法進(jìn)行后續(xù)成形工作。吹粉實(shí)質(zhì)上是電子束與粉末相互作用問(wèn)題,齊海波[8]建立了松散粉末簡(jiǎn)單靜力學(xué)模型,確定了電子束作用條件下粉末的潰散臨界條件。楊鑫[9]針對(duì)球形、非球形以及不同比例混合粉末潰散臨界條件進(jìn)行了受力計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn),確定具有較好的抗?jié)⑸⒛芰Ψ勰┗旌媳壤?。Arcam公司[10]采用電子束通過(guò)逐漸提高電流預(yù)熱粉末,通過(guò)預(yù)熱粉末增加黏度并形成微燒結(jié)粉末層,使后續(xù)高能量束流熔化過(guò)程中粉末能被固定在原位。目前通過(guò)適當(dāng)改變粉末的表面狀態(tài)和堆積方式或粉末間的摩擦因數(shù)提高粉末抗?jié)⑸⒛芰?然后在粉末不潰散的條件下,通過(guò)逐步提高電子束掃描電流,預(yù)熱燒結(jié)并固定粉末解決吹粉已形成共識(shí)。而電子束與粉末相互作用,尤其電子束對(duì)粉末動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程的研究有待深入,粉末預(yù)熱及預(yù)燒結(jié)機(jī)理有待揭示。

2.2 球化

球化現(xiàn)象又稱為形球現(xiàn)象,是指金屬粉末雖熔融但沒(méi)形成一條完整平滑的掃描線,而是各自團(tuán)聚成小球,其原因主要是由于熔融粉末形成的金屬小液滴表面張力過(guò)大所致。劉海濤[11]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)球化與功率P和掃描速度υ的比值η有關(guān):

只有當(dāng) η大于0.1時(shí),才能得到連續(xù)的掃描線,否則掃描線會(huì)被球化。Cormier D[5]則采用預(yù)熱增加粉末的黏度,將待燒結(jié)粉末加熱到一定的溫度,可有效減少球化現(xiàn)象。球化現(xiàn)象實(shí)際上取決于三方面因素:熔融小液滴表面張力、粉末是否潤(rùn)濕、粉末間的黏結(jié)力。如果熔融小液滴不潤(rùn)濕粉末,在表面張力的作用下各自團(tuán)聚成小球,產(chǎn)生球化現(xiàn)象;如果熔融小液滴潤(rùn)濕粉末,但粉末間的黏結(jié)力小于表面張力,則熔融小液滴裹挾粉末團(tuán)聚成小球,產(chǎn)生球化現(xiàn)象;如果熔融小液滴潤(rùn)濕粉末,且粉末間的黏結(jié)力大于表面張力,則熔融小液滴在粉末表面鋪展,不產(chǎn)生球化現(xiàn)象。所以,提高粉末間的黏結(jié)力、促使熔融小液滴潤(rùn)濕粉末是抑制球化現(xiàn)象的關(guān)鍵。預(yù)熱粉末一方面提高粉末顆粒的溫度,熔融小液滴更易潤(rùn)濕粉末,另一方面增加粉末的黏度、固定粉末,從而抵御粉末熔融小液滴表面張力,有利于熔融小液滴在粉末表面鋪展。劉海濤、Cormier D正是增加熱輸入,有效地減少球化現(xiàn)象。目前還缺乏對(duì)球化現(xiàn)象系統(tǒng)的理論研究及定量描述,球化模擬分析機(jī)理有待揭示。

2.3 變形及殘余應(yīng)力控制

零件在直接成形過(guò)程中,由于熱源迅速移動(dòng),加熱、熔化、凝固和冷卻速度快,受熱不平衡嚴(yán)重、溫度梯度高,組織及熱應(yīng)力大。隨著零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高,零件產(chǎn)生較大變形甚至開(kāi)裂,同時(shí)成形結(jié)束后,存在殘余應(yīng)力分布。而殘余應(yīng)力作為一種內(nèi)應(yīng)力會(huì)影響成形構(gòu)件靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕等性能及尺寸的穩(wěn)定性。由于還沒(méi)有有效的實(shí)驗(yàn)方法能檢測(cè)成形過(guò)程應(yīng)力/應(yīng)變的演變,復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)零件金屬直接成形過(guò)程應(yīng)力/應(yīng)變的演變機(jī)理研究,主要是通過(guò)數(shù)值方法模擬,并通過(guò)殘余應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。早期,K.DAI[12]、N.W.Klingbeil[13]等人對(duì)于簡(jiǎn)單熔覆層,石力開(kāi)[14～16]等人對(duì)于多層直薄壁試件的溫度場(chǎng)及簡(jiǎn)單熔覆層應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析,取得了較為滿意的研究結(jié)果。賈文鵬[17～18]建立了嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的熱彈塑性激光快速成形數(shù)值模型,并對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片激光快速成形過(guò)程溫度、形變及殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。

在控制變形開(kāi)裂、消除應(yīng)力方面,哈佛大學(xué)A.H.Nickel[19]等人發(fā)現(xiàn)采用短路徑激光掃描方式熔覆應(yīng)力比長(zhǎng)路徑激光掃描方式熔覆應(yīng)力小。而Liang Ma(馬良)[20]等人進(jìn)一步指出采用分形掃描路徑可使零件溫度場(chǎng)更為均勻,同時(shí)用短折線替代長(zhǎng)直線,有利于減小應(yīng)力。賈文鵬[21]提出隨形熱處理工藝,即在金屬零件直接成形時(shí),溫度場(chǎng)趨于均勻,減小溫度梯度,降低熱應(yīng)力,同時(shí)在熱處理溫度保溫,通過(guò)塑性及蠕變使應(yīng)力松弛,防止應(yīng)力應(yīng)變累積,達(dá)到成形同時(shí)減小變形、抑制零件開(kāi)裂、降低殘余應(yīng)力水平的目的。

目前在復(fù)雜零件電子束成形零件變形、殘余應(yīng)力消除方面還有待深入,其中關(guān)鍵是在隨形熱處理應(yīng)力松弛機(jī)理,隨形熱處理過(guò)程溫度、應(yīng)力演化的基礎(chǔ)上,研究隨形熱處理塑性變形及蠕變的演化及分布規(guī)律,定量分析工藝參數(shù)、約束形式對(duì)塑性變形及蠕變的影響,確定不同時(shí)刻、不同部位塑性變形及蠕變的主導(dǎo)形式,通過(guò)隨形熱處理工藝對(duì)電子束快速制造過(guò)程應(yīng)力、變形控制,減小零件變形,降低殘余應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)電子束快速制造及隨形熱處理工藝的優(yōu)化。

2.4 表面粗糙度

電子束成形零件表面粗糙度一般低于精鑄表面,對(duì)于不能加工的表面,很難達(dá)到精密產(chǎn)品的要求。影響電子束成形零件表面粗糙度的因素主要有:切片方式及鋪粉厚度、電子掃描精度、表面粘粉等。其中切片方式及鋪粉精度、電子掃描精度與成形設(shè)備有關(guān),而表面粘粉與預(yù)熱、預(yù)燒結(jié)及溶化凝固工藝過(guò)程有關(guān)。

目前國(guó)內(nèi)電子束成形設(shè)備還不成熟,關(guān)鍵問(wèn)題是沒(méi)有電子束成形專用的電子槍,而一般用于電子束焊機(jī)的電子槍很少高速掃描,所以在掃描速度、范圍、精度、能量密度分布方面與電子束成形工藝要求差距較大,比如如何實(shí)現(xiàn)寬幅掃描、動(dòng)態(tài)聚焦、能量密度均布等功能,電子槍需要重新設(shè)計(jì),控制及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)有待于研制[2]。另一方面,預(yù)熱及預(yù)燒結(jié)工藝在固定粉末抵抗電子束流轟擊中起關(guān)鍵作用,但如果預(yù)熱溫度過(guò)高,造成在粉末溶化凝固時(shí),周圍熱量傳導(dǎo)粉末溶化燒結(jié),從而造成表面粘粉降低表面質(zhì)量。所以預(yù)熱溫度、區(qū)域選擇,尤其是成形區(qū)邊緣的溫度必須嚴(yán)格控制,防止在成形時(shí)成形區(qū)邊緣粉末溶化造成表面粘粉。該方面的工藝研究亟待開(kāi)展,而表面粘粉機(jī)理研究還有待深入。

2.5 缺陷控制

電子束成形采用逐層熔化堆積形成零件,在成形過(guò)程易受偶然因素影響,難免形成融合不良、隔冷、球化等缺陷,所以必須發(fā)展缺陷控制技術(shù)。目前,電子束成形缺陷控制技術(shù)主要有:在成形過(guò)程中實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)其采用電子束重熔消除及在成形后采用熱等靜壓工藝消除兩種方法。熱等靜壓易實(shí)施,并在鑄件及高溫合金激光快速成形件[23]消除內(nèi)部缺陷上廣泛應(yīng)用,但成本較高、效果有限。目前采用紅外線陰影模式識(shí)別技術(shù),通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)每一層表面缺陷,實(shí)現(xiàn)電子束快速制造內(nèi)部和表面缺陷實(shí)時(shí)電子束重熔消除是缺陷控制研究重點(diǎn)。而準(zhǔn)確識(shí)別缺陷、內(nèi)部缺陷電子束重熔機(jī)理分析有待進(jìn)一步研究。

3 總結(jié)與展望

電子束快速制造技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種快速制造技術(shù),國(guó)內(nèi)外在此項(xiàng)技術(shù)研究水平上的差距不太大,這為我國(guó)在該技術(shù)的研發(fā)上與國(guó)際同步提供了很好的契機(jī)。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)及西北有色金屬研究院等單位在電子束快速制造裝置及工藝方面進(jìn)行了跟蹤研究。但要實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜零件電子束快速制造及廣泛應(yīng)用,還需做巨大努力。目前面臨的吹粉、球化、零件變形、殘余應(yīng)力、表面粗糙度等主要問(wèn)題,可通過(guò)粉末搭配、預(yù)熱及預(yù)燒結(jié)、隨形熱處理、缺陷重熔等工藝有效解決,其關(guān)鍵是電子束與粉末相互作用、粉末燒結(jié)及熔化、溫度場(chǎng)及應(yīng)力應(yīng)變演化等工藝過(guò)程的研究。此外專用電子槍的研制、動(dòng)態(tài)聚焦及掃描精度的提高、溫度閉環(huán)控制等設(shè)備的保障也是不可或缺的條件。

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