EBM成形零件后處理工藝研究

閆景玉，馬俊飛，陳龍，陳雷，黃海龍，陳玉娟

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

EBM成形零件后處理工藝研究

閆景玉，馬俊飛，陳龍，陳雷，黃海龍，陳玉娟

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

EEBM技術(shù)作為增材制造技術(shù)（3D打?。┑囊环N，具有優(yōu)越的技術(shù)優(yōu)勢。本文介紹了EBM成形技術(shù)的特點(diǎn)，并針對EBM成形零件，分別從表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷、力學(xué)性能等方面進(jìn)行了研究，得出了改善零件這些方面質(zhì)量的后處理工藝方法。

增材制造；EBM技術(shù)；表面質(zhì)量；內(nèi)部缺陷；力學(xué)性能；后處理工藝

0 引言

增材制造技術(shù)（俗稱3D打印技術(shù)）作為一種新的制造模式，以其優(yōu)越的技術(shù)特點(diǎn)，備受各國工業(yè)界青睞。

增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀零件，從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”，解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少加工工序，縮短制造周期[1]。

增材制造技術(shù)根據(jù)成形工藝不同，可以分為光固化成形技術(shù)（SLA）、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）、激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）、電子束選區(qū)熔化（EBM）技術(shù)等[2]。本文就EBM技術(shù)成形零件的后處理工藝進(jìn)行研究，以提高零件的綜合性能。

1 EBM技術(shù)特點(diǎn)

電子束選區(qū)熔化技術(shù)EBM（Electron Beam Melting）是指利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，對其進(jìn)行分層處理并生成加工路徑[3]。由偏擺線圈控制高能量密度的電子束按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行連續(xù)掃描，熔化鋪放的粉末，層層堆積，直到制造出近凈成型的產(chǎn)品，整個過程在真空環(huán)境中進(jìn)行。

EBM系統(tǒng)主要由電子槍、真空室、真空機(jī)組、鋪粉系統(tǒng)、工作臺等幾部分組成，如圖1所示。

EBM成形技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1）成形零件性能優(yōu)異；EBM技術(shù)成形過程電子束流掃描區(qū)域材料可以實(shí)現(xiàn)完全熔化，形成冶金結(jié)合，零件性能優(yōu)越；

2）零件成形精度高；電子束掃描定位精度可達(dá)± 0.05mm；

圖1 EBM系統(tǒng)組成

3）成形工藝過程簡單：只需準(zhǔn)備好粉末原料及待加工零件的三維模型即可；成型過程高度自動化，可無人值守、遠(yuǎn)程操作。

4）零件形狀幾乎不受限制：可以加工極復(fù)雜的鏤空、旋臂、蜂窩結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理簡單。

5）加工材料范圍廣：電子束幾乎可以加工任何導(dǎo)體，不受材料反射的影響，對于各種金屬均有穩(wěn)定的吸收率，熔凝過程較為穩(wěn)定[4]。

2 后處理工藝研究

雖然電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBM技術(shù)）具有諸多優(yōu)點(diǎn)，成形后零件在許多情況下可以直接使用。但在航空航天領(lǐng)域，對于要求嚴(yán)格的零件，在成形原始狀態(tài)下，必須通過其它后處理工藝才能滿足要求。

2.1 提高表面質(zhì)量方法

EBM直接成型后的零件表面粗糙度相對較粗糙，并且表面會沾上未完全熔化的粉末，側(cè)面可見清晰的層間界限，如圖2所示。

圖2 EBM成型后表面狀態(tài)

采用輪廓儀對EBM成形的試樣頂面、底面進(jìn)行了測試，EBM成形的TC4樣品表面粗糙度為Ra16～Ra33，結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 EBM成形的TC4試樣頂面粗糙度

圖4 EBM成形的TC4試樣底面粗糙度

圖5 EBM成形的TC4試樣側(cè)面粗糙度

圖6 EBM成型后經(jīng)過吹砂處理的表面狀態(tài)

通過對直接成型零件進(jìn)行吹砂處理，去除了表面粘附的粉末，使表面質(zhì)量有所提高。但表面粗糙度仍然較高，不能從根本上改善。

對于表面粗糙度要求較高的零件，可通過機(jī)加方法對表面進(jìn)行處理，以達(dá)到較為理想的效果，如圖7所示。

圖7 機(jī)械加工后的表面粗糙度

2.2 改善內(nèi)部缺陷方法

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，EBM成型的零件，內(nèi)部會出現(xiàn)未熔合和氣孔兩種缺陷,見圖8～圖10。

未熔合缺陷一般較大，在X光檢驗(yàn)時容易檢出；而氣孔的尺寸很小，一般在100μm以下，大部分小于50μm，X光難以分辨。

圖8 未熔合缺陷（垂直于層面）

圖9 未熔合缺陷（平行于層面）

圖10 氣孔缺陷

氣孔幾乎存在于所有EBM加工的試樣中。一般靠近試樣底部呈鏈狀分布（X光可以檢驗(yàn)），而在樣品其余部分則隨機(jī)出現(xiàn)。

為消除這些缺陷，將EBM零件進(jìn)行了熱等靜壓處理。

如圖11～圖12所示，EBM零件在X光檢測下，發(fā)現(xiàn)有大量鏈狀缺陷，而通過熱等靜壓，發(fā)現(xiàn)缺陷幾乎全部消失，證實(shí)熱等靜壓對消除缺陷有明顯作用。

圖11 EBM態(tài)零件X光底圖

圖12 EBM+HIP態(tài)零件X光底圖

2.3 力學(xué)性能改善方法

為驗(yàn)證熱等靜壓對EBM零件力學(xué)性能的影響，對EBM成形過程中TC4試棒原始態(tài)及經(jīng)過熱等靜壓后的試棒進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。

發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱等靜壓后的試棒，其拉伸強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度并沒有提升。而高周疲勞性能可以大幅提高。

EBM態(tài)TC4試棒疲勞極限約390MPa（表1），而EBM+HIP態(tài)TC4試棒疲勞極限約580MPa（表2）。

表1 EBM態(tài)TC4高周疲勞測試數(shù)據(jù)

表2 EBM+HIP態(tài)TC4高周疲勞測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

通過對EBM成形零件后處理工藝研究，可以得出如下結(jié)論：

1）通過吹砂可以改善EBM零件表面質(zhì)量，再通過機(jī)械加工類似方法獲得理想的表面質(zhì)量；

2）熱等靜壓工藝，可以明顯消除EBM零件成形過程中產(chǎn)生的未熔合及氣孔缺陷；大幅提升EBM零件高周疲勞性能。

[1]盧秉恒,李滌生.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動化，2013，4.

[2]郭日陽.3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)前景[J].自動化儀表,2015，3.

[3]趙劍峰,馬智勇.金屬增材制造技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2014，5.

[4]湯慧萍,王建.電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展,2015，3

>>>作者簡介

閆景玉，男，1987年出生，2013年畢業(yè)于南京航空航大學(xué)，碩士，現(xiàn)從事飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Research on EBM Forming Part Post-treatment Technology

Yan Jingyu,Ma Junfei,Chen Long,Chen Lei,Huang Hailong，Chen Yujuan
（AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024）

EBM technique has superior technical advantages as one type of the additive manufacturing technique (3D printing).The paper introduces the characteristics of EBM forming technique and performs the research on surface quality,internal defect,mechanical property and so on against EBM forming part,the post-treatment technology method to improve part quality comes out.

additive manufacturing;EBM technique;surface quality;internal defect;mechanical property;posttreatment technology

2016-04-10）