電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)研究進展

湯慧萍，王　建，逯圣路，楊廣宇

(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)

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電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)研究進展

湯慧萍，王建，逯圣路，楊廣宇

(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)

摘要：電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)(Selective Electron Beam Melting，SEBM)，是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一類新型增材制造技術(shù)，具有能量利用率高、無反射、功率密度高、掃描速度快、真空環(huán)境無污染、低殘余應(yīng)力等優(yōu)點，特別適合活性、難熔、脆性金屬材料的直接成形，在航空航天、生物醫(yī)療、汽車、模具等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。10年來，作者團隊主要開展SEBM成形鈦合金的研究，合金包括TC4、TA7、Ti600、TiTaNbZr、TiAl金屬間化合物等；零件包括復(fù)雜薄壁、桁架/多孔及多孔/致密復(fù)合結(jié)構(gòu)零件；并且搭建了從粉末制備、設(shè)備研發(fā)到技術(shù)服務(wù)的全產(chǎn)業(yè)鏈SEBM技術(shù)平臺，通過科技成果轉(zhuǎn)化成立了從事SEBM技術(shù)的專業(yè)化企業(yè)——西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司。從成形裝備、成形過程缺陷形成與控制、材料組織性能和主要應(yīng)用4個方面，對國內(nèi)外SEBM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，最后對SEBM技術(shù)的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：電子束選區(qū)熔化成形；成形裝備；缺陷控制；組織特性；增材制造；隨形熱處理；生物多孔植入體

1前言

增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing Technology， AMT)或3D打印技術(shù)的前身是快速原型和快速制造技術(shù)。自1995年起，作者注意到以光固化成形技術(shù)(Stereolithography，SLA)和激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Sintering，SLS)為代表的快速原型制造技術(shù)是一種先進的近凈成形技術(shù)，遂誕生了采用SLS技術(shù)制備復(fù)雜稀有金屬構(gòu)件和金屬多孔材料的想法。隨著快速原型向快速制造技術(shù)的發(fā)展，2001年，作者以快速制造用球形鈦合金粉末制備技術(shù)為依托，參加了我國鈦合金快速制造技術(shù)領(lǐng)域的第一個“863”項目。然而，隨著對快速制造技術(shù)認(rèn)識程度的不斷深入，作者意識到，無論是SLS技術(shù)，還是激光近凈成形技術(shù)(Laser Engineered Net Shaping， LENS)和激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)，都無法擺脫成形過程中O,C,N等間隙元素對材料的污染，對于活性稀有金屬構(gòu)件的制備存在不足。

2005年，作者注意到清華大學(xué)正在開展電子束選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Electron Beam Melting，SEBM) 研究。與LENS和SLM相比，SEBM技術(shù)是一種以電子束為能量源的粉床增材制造技術(shù)，具有能量利用率高、無反射、功率密度高、掃描速度快，真空環(huán)境無污染等優(yōu)點，原則上可以實現(xiàn)活性稀有金屬材料的直接潔凈快速制造。因此在接下來的10年間，作者團隊重點針對SEBM成形復(fù)雜金屬構(gòu)件開展工作，涉及的材料主要為鈦合金材料，包括TC4、TA7、Ti600、TiTaNbZr、TiAl金屬間化合物等，研制了一批涵蓋致密和多孔2種結(jié)構(gòu)形式的鈦合金構(gòu)件，并且搭建了從粉末制備、設(shè)備研發(fā)到技術(shù)服務(wù)的全產(chǎn)業(yè)鏈SEBM技術(shù)平臺，通過科技成果轉(zhuǎn)化成立了從事SEBM技術(shù)的專業(yè)化企業(yè)——西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司。

為使讀者對SEBM技術(shù)有一個更加清晰的認(rèn)識，本文將從SEBM成形技術(shù)原理出發(fā)，對SEBM成形裝備發(fā)展歷程、成形缺陷形成與控制、成形材料組織與性能和典型應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀進行綜述，最后對其發(fā)展應(yīng)用前景進行展望。

2SEBM成形裝備的研究進展

SEBM技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種金屬零件3D打印技術(shù)，其工作原理如圖1所示。首先將所設(shè)計零件的三維圖形按一定的厚度切片分層，得到三維零件的所有二維信息；在真空箱內(nèi)以電子束為能量源，電子束在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下由計算機控制，根據(jù)零件各層截面的CAD數(shù)據(jù)有選擇地對預(yù)先鋪好在工作臺上的粉末層進行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進行下一層鋪粉和熔化，同時新熔化層與前一層熔合為一體。重復(fù)上述過程直到零件加工完后從真空箱中取出，用高壓空氣吹出松散粉末，得到三維零件。

圖1　SEBM成形技術(shù)原理示意圖[1] Fig.1　Schematic explaining the principle of SEBM[1]

瑞典Arcam公司是全球最早開展SEBM成形裝備研究和商業(yè)化開發(fā)的機構(gòu)， 成立于1997年。Arcam公司成立的基礎(chǔ)是基于Larson等在1994年申請的采用粉床選區(qū)熔化技術(shù)直接制備金屬零件的國際專利WO94/26446，然而與圖1不同的是，粉末的熔化是通過電極和導(dǎo)電粉末之間電弧放電產(chǎn)生的熱量實現(xiàn)的。1995年美國麻省理工學(xué)院Dave等提出，利用電子束做能量源將金屬熔化進行三維制造的設(shè)想[2]。隨后于2001年Arcam公司在粉末床上將電子束作為能量源，申請了如圖1所示原理的國際專利WO01/81031， 并在2002年制備出SEBM技術(shù)的原型機Beta機器，2003年推出了全球第一臺真正意義上的商業(yè)化SEBM裝備EBM-S12，隨后又陸續(xù)推出了A1、A2、A2X、A2XX、Q10、Q20等不同型號的SEBM成形裝備。目前，Arcam公司商業(yè)化SEBM成形裝備最大成形尺寸為200 mm×200 mm×350 mm或φ350 mm×380 mm，鋪粉厚度從100 μm減小至現(xiàn)在的50～70 μm，電子槍功率3 kW，電子束聚焦尺寸200 μm，最大跳掃速度為8 000 m/s，熔化掃描速度為10～100 m/s，零件成形精度為±0.3 mm。

除瑞典Arcam公司外，德國奧格斯堡IWB應(yīng)用中心和我國清華大學(xué)、西北有色金屬研究院、上海交通大學(xué)也開展了SEBM成形裝備的研制。特別是在Arcam公司推出EBM-S12的同時，2004年清華大學(xué)林峰教授申請了我國最早的SEBM成形裝備專利200410009948.X，并在傳統(tǒng)電子束焊機的基礎(chǔ)上開發(fā)出了國內(nèi)第一臺實驗室用SEBM成形裝備，成形空間為φ150 mm×100 mm。2007年，作者聯(lián)合林峰教授成功開發(fā)了針對鈦合金的SEBM-250成形裝備，最大成形尺寸為230 mm×230 mm×250 mm，層厚100～300 μm，功率3 kW，斑點尺寸200 μm，熔化掃描速度10～100 m/s，零件成形精度為±1 mm。隨后作者團隊針對SEBM送鋪粉裝置進行了改進(中國專利：200810150940.3)，實現(xiàn)了高精度超薄層鋪粉，并針對電子束的動態(tài)聚焦和掃描偏轉(zhuǎn)開展了大量的工作，開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的試驗用SEBM裝備SEBM-S1，鋪粉厚度在50～200 μm可調(diào)，功率3 kW，斑點尺寸200 μm，跳掃速度8 000 m/s，熔化掃描速度10～100 m/s，成形精度為±1 mm，適合于各種粉末，并可以使用較少量的粉末(鈦合金粉末5 kg)。

3SEBM成形技術(shù)研究進展

所謂一代裝備一代技術(shù)，SEMB裝備的誕生與發(fā)展催生和發(fā)展了SEBM技術(shù)。在裝備出現(xiàn)后短短10年時間，人們對SEBM成形過程的認(rèn)識和缺陷形成與控制水平得到了極大的提高?；赟EBM成形原理，如果成形工藝控制不當(dāng)，成形過程中容易出現(xiàn)“吹粉”和“球化”等現(xiàn)象，并且成形零件會存在分層、變形、開裂、氣孔和熔合不良等缺陷。

3.1 “吹粉”現(xiàn)象

“吹粉”是SEBM成形過程中特有的現(xiàn)象，它是指金屬粉末在成形熔化前即已偏離原來位置的現(xiàn)象，如圖2a所示，從而導(dǎo)致無法進行后續(xù)成形工作?！按捣邸爆F(xiàn)象嚴(yán)重時，成形底板上的粉末床會全面潰散，從而在成形艙內(nèi)出現(xiàn)類似“沙塵暴”的現(xiàn)象，如圖2b所示。

圖2　高速攝影拍攝到的“吹粉”現(xiàn)象[3]照片：(a) 局部粉末偏離原來位置和(b) 粉末床全面潰散Fig.2　Photos of powder spreading phenomenon recorded by a high-speed camera: (a) local powders are accelerated,and (b) whole powder layer are accelerated by electron beam[3]

目前國內(nèi)外對“吹粉”現(xiàn)象形成的原因還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。清華大學(xué)齊海波等[4]認(rèn)為,高速電子流轟擊金屬粉末引起的壓力是導(dǎo)致金屬粉末偏離原來位置形成“吹粉”的主要原因，然而此說法對圖2b所示的粉末床全面潰散現(xiàn)象卻無法進行解釋。德國奧格斯堡IWB應(yīng)用中心的研究小組對“吹粉”現(xiàn)象進行了系統(tǒng)的研究，指出除高速電子流轟擊金屬粉末引起的壓力外，由于電子束轟擊導(dǎo)致金屬粉末帶電，粉末與粉末之間、粉末與底板之間以及粉末與電子流之間存在互相排斥的庫倫茲力(FC)，并且一旦庫倫茲力使金屬粉末獲得一定的加速度，還會受到電子束磁場形成的洛倫茲力(FL)，如圖3所示。上述力的綜合作用是發(fā)生“吹粉”現(xiàn)象的主要原因[3，5-6]。無論哪種原因，目前通過預(yù)熱提高粉末床的粘附性是使粉末固定在底層；或因為預(yù)熱提高了導(dǎo)電性，使粉末顆粒表面所帶負電荷迅速導(dǎo)走，是避免“吹粉”的有效方法。

圖3　帶電金屬粉末受到的洛倫茲力[3]Fig.3　Lorentz force on negatively charged powder particles[3]

3.2球化現(xiàn)象

球化現(xiàn)象是SEBM和SLM成形過程中一種普遍存在的現(xiàn)象。它是指金屬粉末熔化后未能均勻地鋪展，而是形成大量彼此隔離的金屬球的現(xiàn)象，如圖4所示。球化現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅影響成形質(zhì)量，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙的產(chǎn)生，嚴(yán)重時還會阻礙鋪粉過程的進行，最終導(dǎo)致成形零件失敗。

圖4　SEBM成形過程中球化現(xiàn)象的宏觀照片[7]Fig.4 Macrophoto of metal balling formation during SEBM[7]

目前國內(nèi)外對SEBM 中的球化現(xiàn)象研究得較少。劉海濤等[8]發(fā)現(xiàn)在一定程度上提高線能量密度能夠減少球化現(xiàn)象的發(fā)生。Cormier等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)熱增加粉末的黏度，將待熔化粉末加熱到一定的溫度，可有效減少球化現(xiàn)象。對于球化現(xiàn)象的理論解釋，Gusarov等[10]借助Plateau-Rayleigh毛細不穩(wěn)定理論[11]指出：球化現(xiàn)象與熔池的幾何形狀密切相關(guān)，在二維層面上，熔池長度與寬度的比值大于2.1時，容易出現(xiàn)球化現(xiàn)象。Z?h等[7]通過對SEBM不同工藝參數(shù)熔池形貌的模擬和球化現(xiàn)象的觀察，證實了上述理論解釋的合理性。然而K?rner等[12]的研究結(jié)果表明，熔融的金屬球并不是通過長熔線分裂形成的，球化現(xiàn)象的發(fā)生受粉床密度、毛細力和潤濕性等多重因素的影響。

3.3變形與開裂

復(fù)雜金屬零件在直接成形過程中，由于熱源迅速移動，粉末溫度隨時間和空間急劇變化，導(dǎo)致熱應(yīng)力的形成。另外，由于電子束加熱、熔化、凝固和冷卻速度快，同時存在一定的凝固收縮應(yīng)力和組織應(yīng)力，在上述3種應(yīng)力的綜合作用下，成形零件容易發(fā)生變形甚至開裂，如圖5所示。

圖5　SEBM成形過程中應(yīng)力導(dǎo)致零件變形Fig.5　Distorted parts caused by stress during SEBM

通過成形工藝參數(shù)的優(yōu)化，盡可能地提高溫度場分布的均勻性，是解決變形和開裂的有效方法。對于SEBM成形技術(shù)而言，由于高能電子束可實現(xiàn)高速掃描，因此能夠在短時間實現(xiàn)大面積粉末床的預(yù)熱，有助于減少后續(xù)熔融層和粉床之間的溫度梯度，從而在一定程度上能夠減輕成形應(yīng)力導(dǎo)致變形開裂的風(fēng)險。為實現(xiàn)脆性材料的直接成形，作者團隊在粉末床預(yù)熱的基礎(chǔ)上，發(fā)明了隨形熱處理工藝[13-14]，即在每一層熔化掃描完成后，通過快速掃描實現(xiàn)緩冷保溫，從而通過塑性及蠕變使應(yīng)力松弛，防止應(yīng)力應(yīng)變累積，達到減小變形、抑制零件開裂、降低殘余應(yīng)力水平的目的。

除預(yù)熱溫度外，熔化掃描路徑同樣會對變形和開裂具有顯著的影響，如圖6所示。Qi等[15]利用ANSYS有限元軟件對不同掃描路徑下成形區(qū)域溫度場的變化對成形件溫度場均勻程度的影響研究表明，掃描路徑的反向規(guī)劃和網(wǎng)格規(guī)劃降低了成形件溫度分布不均勻的程度，避免了成形過程中成形件的翹曲變形。

圖6　掃描路徑對成形式樣層間結(jié)合力的影響[7]Fig.6　Effect of scanning patterns on the layer connection[7]

3.4氣孔與熔化不良

由于SEBM技術(shù)普遍采用惰性氣體霧化球形粉末作為原料，在氣霧化制粉過程中不可避免形成一定含量的空心粉，并且由于SEBM技術(shù)熔化和凝固速度較快，空心粉中含有的氣體來不及逃逸，從而在成形零件中殘留形成氣孔。此類氣孔形貌多為規(guī)則的球形或類球形， 如圖7所示,在成形件內(nèi)部的分布具有隨機性，但大多分布在晶粒內(nèi)部，經(jīng)熱等靜壓處理后此類孔洞也難以消除。

圖7　 氣霧化空心粉(a)和成形試樣中的氣孔缺陷(b)[16]Fig.7　 Gas voids in powders (a) and bulle of buildingsamples (b) [16]

除空心粉的影響外，成形工藝參數(shù)同樣會導(dǎo)致孔洞的生成。 Zaeh等[17]的研究結(jié)果表明，當(dāng)采用較高的能量密度時，由于粉末熱傳導(dǎo)性較差，容易造成局部熱量過高，尚未引起球化時同樣會導(dǎo)致孔洞的生成，并且在后續(xù)的掃描過程中孔洞會被拉長，如圖8所示。

圖8　局部能量過高導(dǎo)致孔洞的形成[17]Fig.8　Pores caused by local heat accumulation[17]

此外，當(dāng)成形工藝不匹配時，成形件中會出現(xiàn)由于熔合不良形成的孔洞，如圖9所示。其形貌不規(guī)則，多呈帶狀分布在層間和道間的搭接處。Gong等[18]的研究結(jié)果表明，熔合不良與掃描線間距和聚焦電流密切相關(guān)，當(dāng)掃描線間距增大，或掃描過程中電子束離焦，均會導(dǎo)致未熔化區(qū)域的出現(xiàn)，從而出現(xiàn)熔合不良。

4SEBM成形材料及性能

目前文獻報道的SEBM成形材料涵蓋了不銹鋼、鈦及鈦合金、Co-Cr-Mo合金、TiAl金屬間化合物、鎳基高

圖9　熔合不良導(dǎo)致的孔洞缺陷[16]Fig.9　Pores casused by unmelted and unconsolidated powders[16]

溫合金、鋁合金、銅合金和鈮合金等多種金屬及合金材料。其中SEBM鈦合金是研究最多的合金，對其力學(xué)性能的報道較多[19-23]。

表1給出了瑞典Arcam公司SEBM成形TC4鈦合金的室溫力學(xué)性能。由表1可以看出，無論是沉積態(tài)，還是熱等靜壓態(tài)，SEBM成形TC4的室溫拉伸強度、塑性、斷裂韌性和高周疲勞強度等主要力學(xué)性能指標(biāo)均能達到鍛件標(biāo)準(zhǔn)，但是沉積態(tài)力學(xué)性能存在明顯的各向異性，并且分散性較大。經(jīng)熱等靜壓處理后，雖然拉伸強度有所降低，但斷裂韌性和疲勞強度等動載力學(xué)性能卻得到明顯提高，而且各向異性基本消失，分散性大幅下降。

表1　SEBM成形TC4 Ti合金室溫力學(xué)性能

對于生物醫(yī)用Co-Cr-Mo合金，經(jīng)過熱處理之后其靜態(tài)力學(xué)性能能夠達到醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)要求[24]，并且經(jīng)熱等靜壓處理后其高周疲勞強度達到400～500 MPa(循環(huán)107次)，如圖10所示。此外，Sun等[25]的研究還發(fā)現(xiàn)，SEBM成形Co-Cr-Mo合金，經(jīng)時效處理后，其700 ℃的高溫拉伸強度高達806 MPa。

對于目前航空航天領(lǐng)域廣受關(guān)注的γ-TiAl金屬間化合物，Biamino等[26]的研究表明，SEBM成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，經(jīng)熱處理(雙態(tài)組織)或熱等靜壓后(等軸組織)具有與鑄件相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，如圖11所示。同時，意大利Avio公司的研究進一步指出，SEBM成形TiAl合金室溫和高溫疲勞強度同樣能夠達到現(xiàn)有鑄件技術(shù)水平，

圖10　SEBM成形Co-Cr-Mo合金力學(xué)性能與醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)對比[24]Fig.10　Comparison between mechanical properties of SEBM produced Co-Cr-Mo alloy and conventional medical grade[24]

并且表現(xiàn)出比鑄件優(yōu)異的裂紋擴展抗力和與鎳基高溫合金相當(dāng)?shù)母邷厝渥冃阅躘27]。

圖11　SEBM成形TiAl合金不同溫度下的拉伸力學(xué)性能[26]Fig.11　Tensile properties of SEBM produced TiAl alloy at differenttemperature[26]

對于航空航天領(lǐng)域關(guān)注的鎳基高溫合金，Murr等[28]的研究結(jié)果表明，SEBM成形Inconel625合金的力學(xué)性能與鍛造合金還存在一定的差距，如表2所示。然而令人鼓舞的是，在2014年瑞典Arcam公司用戶年會上，美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員報道，對于航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的Inconel718合金，SEBM成形材料的靜態(tài)力學(xué)性能已經(jīng)基本達到鍛件技術(shù)水平[29]。

總之，目前SEBM成形材料的力學(xué)性能已經(jīng)達到或超過傳統(tǒng)鑄造材料，并且部分材料的力學(xué)性能達到鍛件技術(shù)水平，這與SEBM成形材料的組織特點密切相關(guān)。部分材料如鎳基高溫合金的力學(xué)性能與鍛件還存在一定的差距，一方面與SEBM成形材料存在氣孔、裂紋等冶金缺陷有關(guān)；另外還與傳統(tǒng)材料的合金成分和熱處理制度均根據(jù)鑄造或鍛造等傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計，并未充分發(fā)揮SEBM的成形技術(shù)特點有關(guān)。

表2　SEBM成形和鍛造Inconel625合金力學(xué)性能 [28]

5SEBM成形材料組織特點

目前報道的SEBM成形材料，除TiAl金屬間化合物，均具有如圖12a所示的柱狀晶組織。AL-BERMANI等[30]通過對2種典型工藝條件下電子束熔池形狀和凝固條件的計算指出，在SEBM成形過程中，電子束熔化形成的微小熔池具有單方性散熱的傳熱特征，凝固是熔池中的液態(tài)金屬從固相基體外延生長的過程，對于Ti-6Al-4V合金，凝固界面處溫度梯度和凝固速度的比值較大，如圖13所示。熔池中的凝固組織大部分落在柱狀晶生長范圍內(nèi)，因此SEBM成形Ti-6Al-4V合金呈現(xiàn)出強制性凝固柱狀生長的特點，這就導(dǎo)致SEBM成形材料力學(xué)性能表現(xiàn)出一定的各向異性。對于TiAl合金而言，目前國內(nèi)外還沒有電子束熔池凝固條件的計算，SEBM TiAl合金得到非柱狀晶組織的原因之一是TiAl合金成形過程中，為減少變形開裂現(xiàn)象的發(fā)生，通常需要較高的預(yù)熱溫度，熔池凝固界面溫度梯度較低；另一方面，鈦鋁合金中第二組元含量高，是高溶質(zhì)含量體系的包晶凝固過程。

圖12　SEBM成形材料縱截面顯微組織: (a) TC4[31]和 (b)TiAl合金[32]Fig.12　Microstructure of SEBM produced：(a)TC4[31]and (b) TiAl[32] alloys along vertical section

圖13　兩種典型SEBM工藝條件TC4合金凝固圖[30]Fig.13　Solidification map for TC4 alloy by two typical process[30]

對于SEBM成形Ti-6Al-4V合金，Antonysamy等[33]的研究進一步指出，受成形試樣幾何形狀和電子束掃描方式的影響，初生β柱狀晶生長方向與沉積方向并不完全平行。例如，圖14給出了不同厚度的試樣β晶粒的重構(gòu)組織，對于薄片狀試樣，在粉床形核和散熱作用的影響下，其β晶粒呈“人字形”分布；而對于較厚的試樣，試樣表面形成生長方向雜亂無章的β晶?！捌つw區(qū)”，而在試樣中部形成生長方向為<001>且平行于沉積方向的粗大β柱狀晶。

圖14　SEBM成形不同厚度Ti-6Al-4V試樣初生β晶粒重構(gòu)圖[33]:(a)1 mm,(b)1.5 mm, (c) 2.0 mm,和(d) 5 mmFig.14　Reconstructed β-phase orientation maps of SEBM produced Ti-6Al-4V samples with different thickness: (a)1 mm,(b)1.5 mm, (c) 2.0 mm,and (d) 5 mm[33]

雖然SEBM成形材料初生柱狀晶組織比較粗大，但晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)卻非常細小。圖15為作者團隊SEBM成形Ti-6Al-4V的顯微組織形貌，可以看出試樣大部分為細小的針狀α相和一定體積分?jǐn)?shù)的β相，而在試樣頂部為馬氏體(圖15a)。此外，試樣還呈現(xiàn)出包含有大量的塊狀轉(zhuǎn)變區(qū)域，在塊狀轉(zhuǎn)變區(qū)域，內(nèi)部為更加細小的α+β組織，如圖15b和c所示。正是由于如此細小的亞結(jié)構(gòu)，SEBM成形Ti-6Al-4V合金才表現(xiàn)出與鍛件相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。

除此之外，SEBM成形Ti-6Al-4V合金的固態(tài)相變組織同樣受成形工藝參數(shù)和試樣幾何形狀的影響。AL-BERMANI等[30]研究發(fā)現(xiàn)，隨著底板預(yù)熱溫度的提高，試樣的組織會變得粗大。Murr等[34]的研究還表明，成形試樣高度和直徑對α片的厚度具有重要的影響，對于同一直徑成形試樣，試樣頂端組織較底端要更為粗大，隨著成形試樣尺寸的減小，α片的厚度逐漸減小，甚至多孔材料的孔徑還會呈現(xiàn)針狀馬氏體組織形貌。作者最近的研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)成形試樣高度較高時，試樣頂部不會出現(xiàn)馬氏體組織，基本為常規(guī)α+β組織。正是由于上述多變的組織形貌，導(dǎo)致SEBM成形材料在沉積態(tài)條件下力學(xué)性能的分散性較大，但經(jīng)熱等靜壓處理后，試樣顯微組織形貌趨于均勻，力學(xué)性能也趨于一致。

圖15　SEBM成形Ti-6Al-4V合金金相顯微照片(a)， 圖a中方框區(qū)域SEM顯微形貌(b)和圖b中方框區(qū)域放大形貌(c)Fig.15　(a) Optical metallographic views of SEBM produced Ti-6Al-4V，(b)SEM image of corresponding to block area in figure (a),and (c) magnified view of block area in figure (b)

6SEBM成形技術(shù)的主要應(yīng)用

目前SEBM技術(shù)所展現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，吸引了諸如美國GE、NASA、橡樹嶺國家實驗室等一批知名企業(yè)和研究機構(gòu)的關(guān)注，投入了大量的人力物力進行研究和開發(fā)，制備的零件主要包括復(fù)雜Ti-6Al-4V零件、脆性金屬間化合物TiAl基零件及多孔性零件，并且已經(jīng)在生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域取得一定的應(yīng)用。

6.1復(fù)雜Ti-6Al-4V零件

由于在真空環(huán)境下成形，SEBM技術(shù)最為突出的特點是為化學(xué)性質(zhì)活潑的鈦合金提供了出色的加工條件，又加之增材制造技術(shù)柔性加工的共同特點，因此具有任意曲面和復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，各種異型截面的通孔、盲孔，各種空間走向的內(nèi)部管道和復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V零件，能夠通過SEBM技術(shù)一次加工完成，并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖16為Moscow Machine-Building Enterprise采用SEBM技術(shù)制造的火箭汽輪機壓縮機承重體，尺寸為φ267 mm ×75 mm，重量為3.5 kg，制造時間僅為30 h。

圖16　SEBM技術(shù)制備的航天用復(fù)雜Ti-6Al-4V零件[35]Fig.16　Complex Ti-6Al-4V component fabricated by SEBM[35]

圖17為西北有色金屬研究院(NIN)采用SEBM技術(shù)制備的航天發(fā)動機主動冷卻噴管，該噴管不僅為曲面結(jié)構(gòu)，而且管壁周圍均布有70個直徑為1 mm貫通的小孔，這是傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的。

圖17　NIN利用SEBM技術(shù)制備的帶內(nèi)部冷卻流道的噴管Fig.17　SEBM-built nozzle with inner cooling channel by NIN

6.2金屬間化合物TiAl葉片

由于SEBM成形過程粉末床一直處于高溫狀態(tài)，可有效釋放熱應(yīng)力，避免成形過程的開裂，這使得其在一些脆性材料如TiAl合金的制備上，相對于其它金屬增材制造技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。圖18為意大利Avio公司采用SEBM技術(shù)制備的航空發(fā)動機低壓渦輪用TiAl葉片[36]， 尺寸為8 mm × 12 mm ×325 mm，重量為0.5 kg，比傳統(tǒng)鎳基高溫合金葉片減重達20%。相對于傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)，采用SEBM技術(shù)能夠在1臺SEBM成形設(shè)備上72 h內(nèi)完成7個第8級低壓渦輪葉片，呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。GE公司已經(jīng)在GEnx，GE90 和 GE9X 等航空發(fā)動機上對SEBM成形TiAl葉片進行測試[37]。

圖18　Avio公司采用SEBM技術(shù)制備的TiAl葉片[36]Fig.18　TiAl turbine blade fabricated using SEBM technique by Avio[36]

6.3金屬多孔材料

相比與熔體發(fā)泡、粉末冶金等傳統(tǒng)金屬多孔材料制備技術(shù)，SEBM 技術(shù)不僅可以實現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)的精確控制，而且在復(fù)雜孔結(jié)構(gòu)的制備方面具有傳統(tǒng)技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。

目前SEBM制備金屬多孔材料最為典型的應(yīng)用主要集中在生物植入體方面。早在2007年，意大利Adler Ortho公司采用SEBM技術(shù)制備出表面具有人體骨小梁結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)產(chǎn)品獲得歐洲CE認(rèn)證[36]，如圖19所示。隨后2010年，美國Exactech公司采用SEBM技術(shù)制備的同類產(chǎn)品通過了美國FDA認(rèn)證。有文獻表明，SEBM技術(shù)制備的多孔型外表面的髖臼產(chǎn)品臨床已經(jīng)超過30 000例，臨床評價優(yōu)良[38]，目前該數(shù)字還在繼續(xù)增加。在國內(nèi)，NIN、北京愛康等單位也相繼開展了類骨小梁結(jié)構(gòu)骨科植入體產(chǎn)品的商業(yè)化開發(fā)工作。圖20為NIN開發(fā)的部分植入體樣品。然而由于開發(fā)研究時間短，目前國內(nèi)基本處于動物試驗或臨床驗證階段，還沒有通過醫(yī)療認(rèn)證的商品。

除上述已經(jīng)取得醫(yī)療認(rèn)證的產(chǎn)品外，其它根據(jù)人體骨骼特點設(shè)計制造的多孔植入體也進入研發(fā)階段。圖21a為2種孔結(jié)構(gòu)復(fù)合的鈦合金椎間融合器，內(nèi)外部分別具有不同的孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)層結(jié)構(gòu)主要用于模擬松質(zhì)骨特性，外層結(jié)構(gòu)主要用于模擬皮質(zhì)骨特性；圖21b為內(nèi)外部不同孔隙率泡沫結(jié)構(gòu)的多孔植入件，通過對內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以同時滿足植入體彈性模量、密度以及促進骨組織生長的要求。

圖19　SEBM 技術(shù)制備的表面具有骨小梁結(jié)構(gòu)的髖臼杯[36]Fig.19　Acetabular cups with integrated trabecular structure fabricated by SEBM[36]

圖20　NIN采用SEBM 技術(shù)制備的多孔植入體Fig.20　Biomedical implants fabricated using SEBM technology by NIN

圖21　SEBM 技術(shù)制備的椎間融合器[39](a)和股骨柄[40](b)Fig.21　SEBM-built novel interbody linterbody fusion cage [39](a) and femoral rod[40] (b)

除生物植入體外，SEBM技術(shù)在過濾分離、高效換熱、減震降噪等特種金屬多孔功能構(gòu)件的制備方面同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。圖22為美國橡樹嶺國家實驗室采用SEBM技術(shù)研發(fā)的水下液壓控制元件[41]。圖23為NIN制備的多孔體和冷卻管復(fù)合的高效散熱組件及蜂窩孔結(jié)構(gòu)的高效油氣分離器。另外，Schwerdtfeger等[42-43]通過孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用SEBM技術(shù)制備出了負泊松比的多孔Ti-6Al-4V，其不同的方向泊松比介于-0.2～-0.4之間。從以上可以看出，這些零件都實現(xiàn)了孔結(jié)構(gòu)設(shè)計與電子束選區(qū)熔化技術(shù)有效結(jié)合，極大地提高其使用性能，并且展現(xiàn)出傳統(tǒng)方法制備材料所不具有的新特性，因此以SEBM等增材制造技術(shù)為依托，開展新型結(jié)構(gòu)功能一體化新材料的研究得到越來越多的關(guān)注。

圖22　美國橡樹嶺國家實驗室采用SEBM研制的水下液壓操縱器用分路閥箱[32]Fig.22　SEBM-built hydraulic manifold mount for an underwater manipulator by ORNL[32]

圖23　NIN研制的多孔換熱件和油氣分離元件Fig.23　SEBM-built heat exchanger and air/oil separator developed by NIN

然而，SEBM技術(shù)因受原始Ti-6Al-4V粉末粒度和粒度分布以及電子束斑熔池尺寸的影響，所能制備的孔的大小受到限制。對于Arcam A2設(shè)備和平均直徑75 μm 的粉末來說，其最小孔尺寸可達到0.5 mm。

7結(jié)語

經(jīng)過近20年的發(fā)展，SEBM技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為金屬增材制造技術(shù)的重要分支，在航空航天、生物醫(yī)用等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而由于研究時間較短，SEBM成形過程中的一些關(guān)鍵科學(xué)問題尚未明晰，材料、裝備與技術(shù)還有待深入發(fā)展，未來的發(fā)展主要集中在以下幾個方面：①材料方面：針對SEBM技術(shù)特點設(shè)計專用合金成分；制備合適物理性能的原料粉末；從單一金屬/合金向多材料的復(fù)合及具有可設(shè)計的結(jié)構(gòu)、功能一體化新型材料方向發(fā)展；②裝備方面：發(fā)展束斑穩(wěn)定、長壽命、快速關(guān)斷以及多槍耦合的電子束系統(tǒng)；開發(fā)寬幅域、高精度、高速掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)；開發(fā)大尺寸高精度成形鋪粉系統(tǒng)；發(fā)展成形表面溫度閉環(huán)控制、掃描路徑智能規(guī)劃、缺陷診斷及反饋等控制系統(tǒng)，實現(xiàn)成形裝備的智能化。③技術(shù)方面：發(fā)展大尺寸復(fù)雜構(gòu)件電子束選區(qū)熔化技術(shù)及精密復(fù)雜薄壁零件微電子束選區(qū)熔化技術(shù)；發(fā)展電子束選區(qū)熔化零件的組合加工一體成形技術(shù)等。

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(編輯王方易毅剛)

特約撰稿人湯慧萍

湯慧萍：女，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師，享受國務(wù)院政府特殊津貼，陜西省首屆“三秦學(xué)者”特聘專家，金屬多孔材料國家重點實驗

特約撰稿人曹曉東

室常務(wù)副主任，學(xué)術(shù)帶頭人；中國有色金屬學(xué)會粉末冶金與金屬陶瓷學(xué)術(shù)委員會副主任委員，中國機械工程學(xué)會粉末冶金專業(yè)委員會副主任委員，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會粉末冶金分會副理事長，陜西省3D打印聯(lián)盟常務(wù)理事；主持國家自然科學(xué)基金重點項目、“973”、“863”等重要課題20余項；獲省部級以上科技獎12項，其中國家科技進步二等獎1項，省部級科技進步一等獎4項、二等獎4項；獲授權(quán)發(fā)明專利16項；修訂國標(biāo)3項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文126篇；合著專著4部。

曹曉東:男，1965年生，博士，教授，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才。主要從事骨、軟骨修復(fù)用生物材料及材料與細胞間的相互作用研究。2005年畢業(yè)于武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，獲理學(xué)博士。2005～2010年先后在加拿大農(nóng)業(yè)食品部Saskatoon研究中心、新加坡南洋理工大學(xué)、美國北卡州立大學(xué)擔(dān)任博士后研究員。主持并參與國家“973”項目、國家自然科學(xué)基金重點及面上項目等10項，在AngewChemIntEd，ChemMater,JMaterChem,Biomacromolecules等國際重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文56篇，被引超過1 000次，H因子18。申請中國發(fā)明專利8項，授權(quán)3項；參與編著專著2本?，F(xiàn)為中國生物材料學(xué)會會員、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會會員，擔(dān)任ActaBiomaterialia等20余個國際學(xué)術(shù)期刊審稿人。

特約專欄

Research Progress in Selective Electron Beam Melting

TANG Huiping，WANG Jian，LU Shenglu，YANG Guangyu

(State Key Laboratory of Porous Metal Materials，

Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

Abstract：Selective electron beam melting (SEBM) is a relatively new additive manufacturing technology developed from early 1990s, which has the advantage of high efficiency, high build speed, vacuum protection, and low residual stress. All of these characters make SEBM a wide array of application within areas such as aerospace, medical implants, automobile and so on. Over the past ten years, the authors’ research team mainly conducted SEBM research on titanium alloy, including TC4, TA7, Ti600, TiTaNbZr, TiAl intermetallic compounds. The microstructure and property of SEBM titanium alloy have been studied. Some titanium alloy parts with complex thin-walled, truss or porous structure and porous/dense composite structure have been fabricated. An enterprise——Xi’an Sailong Metal Materials Co., Ltd. has been established, specially engaged in titanium alloy powder，SEBM equipment and technology. In this paper, the research progress in SEBM concerning machine, defects control, microstructure and mechanical properties of building materials and some typical application are reviewed. Finally, the future prospects of SEBM technique are assessed.

Key words：selective electron beam melting (SEBM)；equipment；defects control；microstructure and properties；additive manufacturing technology ；heat treatment technology in deformation process ；biomedical implants

中圖分類號：TG146.4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3962(2015)03-0225-11

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.03.05

通訊作者：第一作者及 湯慧萍，女，1966年生，教授， Email: hptang@c-nin.com.

基金項目：科技部國際科技合作專項項目(2011DFA52590)；高技術(shù)發(fā)展計劃項目(2013AA031103)

收稿日期：2014-10-21