電子束熔絲增材制造研究進(jìn)展及展望

李紹偉，郜慶偉，趙 健,2,，柳洪文，王朋飛，于治水

(1．上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620)(2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)(3．三一重機(jī)有限公司，江蘇 昆山 215300)

1 前 言

增材制造(additive manufacturing，AM)，又稱3D打印，是發(fā)展于20世紀(jì)80年代后期的一種快速成形技術(shù)。其基于三維模型對(duì)材料進(jìn)行逐層堆積，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)模具快速成形實(shí)體零件，在航空航天、船舶艦艇、生物醫(yī)學(xué)和軌道交通等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。增材制造技術(shù)可以將復(fù)雜的幾何形狀離散為簡(jiǎn)單的二維堆積，為高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供了良好的制備手段，能夠大幅度提高生產(chǎn)效率、減少材料損耗、降低生產(chǎn)成本[5-8]。

金屬增材制造技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一[9, 10]，根據(jù)所選熱源的不同，主要包括電弧增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)技術(shù)、激光增材制造(laser additive manufacturing，LAM)技術(shù)和電子束增材制造(electron beam additive manufacturing，EBAM)技術(shù)[11-16]。電弧增材制造技術(shù)對(duì)于超大尺寸、形狀較復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速成形具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是成形件的精度難以得到有效控制，常需要進(jìn)行后續(xù)加工。激光增材制造技術(shù)主要應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精密快速成形，在金屬零件的制備過(guò)程中，由于金屬材料對(duì)激光的反射率很高，使得激光的利用效率大幅降低。相比于電弧增材制造技術(shù)和激光增材制造技術(shù)，電子束增材制造技術(shù)具有能量密度高和能量利用率高的特點(diǎn)。根據(jù)填充材料的不同，電子束增材制造技術(shù)主要分為電子束選區(qū)熔化(electron beam selective melting，EBSM)技術(shù)和電子束熔絲增材制造(electron beam freeform fabrication，EBFF)技術(shù)[17, 18]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究更多地集中于電子束選區(qū)熔化技術(shù)，并取得了一系列成果，不過(guò)電子束選區(qū)熔化技術(shù)存在金屬粉末材料制備成本較高、易受污染、利用率低、清理工作繁瑣、難以制造大尺寸零件等不足之處。電子束熔絲增材制造技術(shù)在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化成形和高精尖受損零部件的增材修復(fù)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面[19-21]：① 具有很高的沉積效率，電子束的功率輸出可以達(dá)到幾十千瓦，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的沉積速率(15 kg/h)；② 高真空環(huán)境保護(hù)，電子束熔絲增材制造技術(shù)在10-3Pa高真空環(huán)境中進(jìn)行，可以有效地避免加工過(guò)程中有害氣體的影響，避免粉塵污染，非常適合Ti，Al等活潑金屬材料的加工；③ 減少加工缺陷，電子束具有極強(qiáng)的穿透能力，熔池較深，能夠?qū)υ霾某尚渭a(chǎn)生重熔效應(yīng)，減少增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的層間未融合及氣孔缺陷。

本文重點(diǎn)總結(jié)了電子束熔絲增材制造技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了電子束熔絲增材制造過(guò)程中存在的問(wèn)題及其發(fā)展趨勢(shì)。

2 電子束熔絲增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 成形精度與缺陷控制

圖1為電子束熔絲增材制造技術(shù)原理示意圖，從圖中可以看出電子束熔絲增材制造系統(tǒng)主要由電子槍、精密數(shù)控系統(tǒng)和送絲機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成，其中電子束用于熔化絲材，精密數(shù)控系統(tǒng)用于逐層構(gòu)建成形部件[22]。電子束熔絲增材制造過(guò)程中熔池形態(tài)和溫度分布的不均勻性會(huì)導(dǎo)致成形件出現(xiàn)變形、裂紋和氣孔等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了增材成形件的服役要求和尺寸精度。這主要與電子束熔絲增材制造過(guò)程中的高溫、高真空、高輻射的成形環(huán)境以及大尺寸、精密結(jié)構(gòu)加工等復(fù)雜的成形過(guò)程有關(guān)。因此，對(duì)電子束熔絲增材制造成形件的成形精度和缺陷進(jìn)行有效的調(diào)控是目前的研究重點(diǎn)。

圖1 電子束熔絲增材制造系統(tǒng)示意圖[22]Fig.1 Schematic of electron beam freeform fabrication system[22]

電子束熔絲增材制造技術(shù)的工藝參數(shù)對(duì)成形精度具有較大的影響。美國(guó)航空航天局(NASA)蘭利研究中心最早開(kāi)發(fā)了電子束熔絲增材制造技術(shù)，并將其與CAD軟件相結(jié)合進(jìn)行金屬零件的制備，Taminger 等[23-25]采用電子束熔絲增材制造技術(shù)在2219鋁合金板上沉積2319鋁合金。結(jié)果表明，在其它參數(shù)不變的條件下，將移動(dòng)速度從40增加到80 cm/min時(shí)，增材層有效增長(zhǎng)率及高寬比均減小，并成功制造了無(wú)缺陷、性能優(yōu)良、近凈成形的鈦和鋁部件。

Wanjara等[26, 27]利用電子束熔絲增材制造技術(shù)在321不銹鋼基體表面制備了347不銹鋼增材層。如圖 2 所示，在較高的平移速度下，較低的熱輸入和較低的送絲量使熔池的有效生長(zhǎng)速率(每層0.26 mm)和高寬比(0.48)降低；在較低的平移速度下，束斑與金屬絲相互作用的時(shí)間越長(zhǎng)，增材層就越寬，生長(zhǎng)速率和高寬比就越低；在10 cm/min的平移速度下，增材制造層具有最佳的生長(zhǎng)速率(每層0.33 mm)。Weglowski等[28]研究了送絲速度、束流、移動(dòng)速度、加速電壓等對(duì)電子束熔絲增材制造過(guò)程穩(wěn)定性和焊縫幾何尺寸的影響。結(jié)果表明，在低束流下，增材制造過(guò)程不穩(wěn)定，焊縫寬度、高度和平直度表現(xiàn)出一定的不規(guī)則性；在過(guò)高的加速電壓和束流下，會(huì)出現(xiàn)鋼板燒穿和過(guò)度滲透現(xiàn)象；在恒定加速電壓和束流下，送絲速度的增加會(huì)導(dǎo)致增材層高度的增加和寬度的減??；而在恒定加速電壓、束流和送絲速度下，移動(dòng)速度的增加會(huì)導(dǎo)致增材層高度和寬度的減小。樹(shù)西[29]對(duì)電子束熔絲增材制造的304不銹鋼進(jìn)行研究，分析了工藝參數(shù)對(duì)成形程度的影響。結(jié)果表明，連續(xù)增材制造過(guò)程對(duì)絲材受熱變形影響較小，干伸長(zhǎng)和送絲角度較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致絲材受熱變形較大，從而導(dǎo)致沉積過(guò)程中斷。

圖2 有效生長(zhǎng)速率和高寬比與焊接速度關(guān)系曲線[27]Fig.2 Curves of effective growth rate and height to width ratio as a function of the translation speed[27]

增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷會(huì)影響成形件的機(jī)械性能。Stawovy[30]使用電子束熔絲增材制造設(shè)備分別將低碳電弧鑄造和粉末冶金制備的Mo絲沉積到相應(yīng)的基板上。結(jié)果表明，由于原料中揮發(fā)性元素(如Ca，Na和低沸點(diǎn)氧化物)的濃度不同，采用低碳電弧鑄造Mo絲的增材層沒(méi)有明顯的孔隙或裂紋，但是存在一些微小的幾何缺陷；采用粉末冶金制備Mo絲的增材層具有大量的孔隙和裂紋；并且采用低碳電弧鑄造Mo絲的成形件的密度(>99%)遠(yuǎn)高于采用粉末冶金制備Mo絲的成形件(95%～96%)。通過(guò)熔池檢測(cè)系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，圖3a中的低碳電弧鑄造Mo絲熔池光滑均勻；而圖3b中的粉末冶金制備Mo絲熔池顯示出孔隙和明顯的濺射物，表明在熔化過(guò)程中釋放出了較多的揮發(fā)性物質(zhì)。Polonsky等[31]使用層析成像系統(tǒng)從亞微米到毫米級(jí)收集電子束熔化的Inconel 718合金的三維晶體學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成信息，詳細(xì)研究了缺陷與周圍組織的關(guān)系。結(jié)果表明，未熔合缺陷導(dǎo)致晶粒形態(tài)出現(xiàn)明顯的不連續(xù)性，使缺陷延伸到多個(gè)增材層，并且發(fā)現(xiàn)了尺寸范圍為1.25～10 μm的氮化物和碳化物，該研究表明增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷不能通過(guò)后處理技術(shù)輕易修復(fù)，并且會(huì)降低增材制造零件的機(jī)械性能。

圖3 低碳電弧鑄造Mo絲沉積過(guò)程中熔池照片(a)，粉末冶金Mo絲沉積過(guò)程中熔池照片(b)[30]Fig.3 Images of the melt pool during deposition of the low-carbon arc-cast Mo wire (a) and the powder metallurgy Mo wire (b)[30]

目前利用電子束熔絲增材制造技術(shù)可以成功制造無(wú)缺陷、性能優(yōu)良、近凈成形的構(gòu)件，但由于工藝開(kāi)發(fā)的局限性，對(duì)于一些新材料難以避免會(huì)出現(xiàn)成形缺陷，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍。對(duì)于如何提高大型增材制造構(gòu)件的成形精度仍是未來(lái)的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2.2 組織性能研究

電子束熔絲增材制造成形件的微觀組織對(duì)其實(shí)際使用性能具有重要影響，增材制造過(guò)程中的工藝參數(shù)變化和循環(huán)熱作用會(huì)引起復(fù)雜的微觀組織轉(zhuǎn)變，因此對(duì)電子束熔絲增材制造過(guò)程中組織與性能的關(guān)系進(jìn)行研究非常重要。

Fuchs等[32]采用電子束熔絲增材制造技術(shù)在低碳鋼基體上制備非金屬絲材(G4SI1)熔覆層，研究了束流、加速電壓、行進(jìn)速度、送絲速度、送絲位置等參數(shù)與所得熔覆層幾何尺寸、高度、寬度和熔深的關(guān)系。結(jié)果表明，送絲位置是獲得穩(wěn)定過(guò)程的關(guān)鍵因素，通過(guò)增加束流和送絲速度等關(guān)鍵參數(shù)可以提高增材速率，不同的增材速率會(huì)引起不同的冷卻速率，從而形成不同的微觀結(jié)構(gòu)。Shu等[33]采用電子束熔絲增材制造技術(shù)制備銅/304不銹鋼梯度材料，結(jié)果如圖4所示，隨著銅層數(shù)的增加，鐵元素的分布會(huì)更加均勻，當(dāng)銅層數(shù)大于3時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)富鐵α相，過(guò)飽和的ε相在球狀α相中沉淀，而在樹(shù)枝狀的α相中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)ε相。于菁等[34]分別采用直徑2 mm的4043和4047鋁合金絲材進(jìn)行電子束熔絲增材制造，并研究成形件在不同方向上的微觀組織與力學(xué)性能及后續(xù)熱處理的影響。結(jié)果表明，成形的4043和4047合金的致密度分別為99.81%和99.88%，經(jīng)過(guò)熱處理后致密度略有降低，分別為98.94%和99.77%。成形樣品在長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向上的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)，4043合金的抗拉強(qiáng)度為120～127 MPa，伸長(zhǎng)率為12%～30%；4047合金的抗拉強(qiáng)度為151～155 MPa，伸長(zhǎng)率為15%～30%，經(jīng)熱處理后，樣品的強(qiáng)度略有降低，但塑性顯著提升。Kolubaev等[35]通過(guò)電子束熔絲增材制造技術(shù)制備302不銹鋼構(gòu)件，并開(kāi)展組織分析。結(jié)果表明，無(wú)論從哪個(gè)區(qū)域切割試件，都存在復(fù)雜的異質(zhì)枝晶結(jié)構(gòu)；圖5a為粗枝晶和細(xì)枝晶形成彼此錯(cuò)開(kāi)的聚集區(qū)，圖5b和5c表明在成形件的不同部位，枝晶具有不同的尺寸和取向。

圖4 銅/304不銹鋼梯度熔覆層的光學(xué)顯微組織照片[33]：(a)增材層宏觀形貌，(b)第一銅層的底部，(c)第二銅層，(d)第二和第三銅層的界面，(e)第三和第四銅層的界面Fig.4 Optical microscopic images for copper/304 stainless steel gradient deposition[33]：(a) overview of whole deposition, (b) bottom of first copper layer, (c) second copper layer, (d) interface of second and third copper layers, (e) interface of third and fourth copper layers

圖5 電子束熔絲增材制造302不銹鋼成形件的棱晶光學(xué)顯微組織照片[35]：(a)縱向截面的頂部區(qū)域，(b)橫截面的中間區(qū)域，(c)縱向截面的底部區(qū)域Fig.5 Optical microscopic images of 302 stainless steel parts fabricated by electron beam freeform fabrication[35]：(a) top area in the longitudinal section, (b) middle area in the transverse section, (c) bottom area in the longitudinal section

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為航天航空、能源化工、船舶艦艇和生物醫(yī)療等領(lǐng)域的重要材料。電子束熔絲增材制造過(guò)程中的熱作用會(huì)對(duì)鈦合金的組織生長(zhǎng)方向產(chǎn)生影響。陳哲源等[36]采用電子束快速成形設(shè)備在TC4鈦合金基板上制備了TC4增材構(gòu)件，并對(duì)其組織特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在薄壁結(jié)構(gòu)中可以觀察到與沉積高度方向大約呈15°角的較為粗大(3～5 mm)的原始β柱狀晶，單個(gè)柱狀晶貫穿幾層到十幾層不等，可以觀察到明顯的層帶，并且原始β柱狀晶垂直向上生長(zhǎng)。潘士建[37]通過(guò)電子束熔絲沉積成形TC4合金，揭示了其組織形成及演變規(guī)律。結(jié)果表明，TC4成形件由沿沉積高度方向且穿過(guò)多個(gè)沉積層生長(zhǎng)的粗大柱狀晶構(gòu)成，柱狀晶的生長(zhǎng)方向出現(xiàn)了偏離豎直方向的現(xiàn)象；成形件的合金硬度為3038～3449.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為845 MPa，屈服強(qiáng)度為770 MPa，伸長(zhǎng)率為6.9%。蔡雨升[38]研究了電子束快速成形技術(shù)制備的TC18鈦合金柱狀晶生長(zhǎng)方向與拉伸主應(yīng)力方向呈不同角度時(shí)材料的拉伸變形行為及其損傷變形機(jī)制。結(jié)果表明，柱狀晶生長(zhǎng)方向與拉伸主應(yīng)力方向之間的不同角度對(duì)材料拉伸變形行為具有重要的影響，當(dāng)取樣方向與柱狀晶生長(zhǎng)方向平行時(shí)，塑性最好，表現(xiàn)為明顯的韌性斷裂；當(dāng)取樣方向與柱狀晶生長(zhǎng)方向呈45°時(shí)，材料的強(qiáng)度和塑性達(dá)到良好的匹配；而當(dāng)取樣方向與柱狀晶生長(zhǎng)方向呈 90°時(shí)，材料易發(fā)生脆性沿晶斷裂。柱狀晶與沉積高度方向存在一定角度是由于熔池溫度梯度和熱量散失不均勻?qū)е碌腫39]。張子陽(yáng)等[40]研究了電子束熔絲增材制造成形過(guò)程對(duì) TC4鈦合金的顯微組織及顯微硬度的影響。結(jié)果表明，添加橢圓掃描波形能夠增大電子束的作用范圍，使得能量分布更加均勻，在增材制造過(guò)程中熔融區(qū)和熔覆區(qū)都發(fā)生了初生α→β→α/α′的相轉(zhuǎn)變過(guò)程，基材區(qū)的顯微硬度(3038 MPa左右)明顯低于基材之外的區(qū)域(3439.8 MPa左右)，這與增材制造過(guò)程中基材被反復(fù)加熱有關(guān)。馬海英等[41]分析了電子束熔絲增材制造技術(shù)制備的TC4鈦合金直壁件堆積層高度方向上的組織與性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，成形件呈現(xiàn)出粗大β柱狀晶，與基材結(jié)合處主要由層片狀組織以及少量殘余α′相和β相組成，沿著堆積層頂部到基材距離的減小，硬度呈逐漸增加的趨勢(shì)，在堆積層與基材結(jié)合處，由于針狀馬氏體α′的出現(xiàn)，硬度達(dá)到最大。楊光等[42]研究了電子束熔絲增材制造技術(shù)制備的TC18合金組織特征，結(jié)果表明，沉積體的頂部為針狀馬氏體區(qū)，下部為網(wǎng)籃組織，網(wǎng)籃組織的片狀α相厚度不均勻，形成了截面上明暗相間的層帶狀過(guò)渡區(qū)。α相片層越厚，硬度值越小。

為了使增材制造成形件具有良好的力學(xué)性能，除了合理的工藝外，熱處理往往是必不可少的。黃志濤等[43]研究了電子束熔絲增材制造技術(shù)制備的TC4鈦合金成形件的組織與性能。結(jié)果表明，TC4鈦合金件組織為異常粗大的β柱狀晶，經(jīng)熱處理后，顯微組織由片狀初生α相、β轉(zhuǎn)變組織及晶界α相組成。室溫拉伸性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，x、y方向抗拉強(qiáng)度與自由鍛件的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，室溫沖擊韌性達(dá)到70 J/cm2，約為自由鍛件及鑄件實(shí)測(cè)值的兩倍。鎖紅波等[44]采用電子束熔絲增材制造技術(shù)制備了TC4鈦合金件，并對(duì)其顯微組織和快速成形態(tài)、退火態(tài)、熱等靜壓態(tài)下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，快速成形合金的組織特征為沿堆積高度方向生長(zhǎng)的貫穿多層沉積層的粗大柱狀晶以及分布于層間及堆積路徑間的明暗相間的帶狀條紋，各種狀態(tài)下室溫拉伸性能均有明顯的各向異性，其中x、y兩個(gè)方向強(qiáng)度較高，z軸方向強(qiáng)度低，但塑性較好。黃志濤等[45]利用電子束熔絲增材制造技術(shù)制備了TC18鈦合金試樣，研究了熱處理工藝對(duì)TC18鈦合金顯微組織和性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)熱等靜壓處理后，宏觀組織為典型的沿堆積高度方向生長(zhǎng)的粗大β柱狀晶，片層狀初生α相隨著固溶溫度的升高而逐漸減少，當(dāng)固溶溫度為830 ℃時(shí)全部消失；隨著固溶溫度的升高，試樣對(duì)應(yīng)的顯微硬度值增大；相同固溶處理?xiàng)l件下，隨時(shí)效溫度的升高，β轉(zhuǎn)變組織中次生α相片層寬度明顯增大，對(duì)應(yīng)的顯微硬度值降低。隨后，他們[46]又研究了單絲工藝和雙絲工藝在相同熱處理工藝條件下對(duì)電子束熔絲增材制造技術(shù)制備的TC18鈦合金組織與性能的影響。結(jié)果表明，采用兩種工藝制備的成形件對(duì)應(yīng)的宏觀組織均為異常粗大的β柱狀晶，單絲工藝成形件的晶粒尺寸較雙絲工藝成形件細(xì)??；兩種工藝成形件經(jīng)熱處理后的顯微組織均為片狀初生α相、β轉(zhuǎn)變組織及晶界α相，單絲工藝的片狀初生α相含量多于雙絲工藝的，且片層間距??；單絲工藝對(duì)應(yīng)的塑性及穩(wěn)定性均高于雙絲工藝(單絲工藝成形件的拉伸塑性在5.5%～8.5%區(qū)間分布，而雙絲工藝成形件的拉伸塑性多數(shù)在0.5%～8.0%區(qū)間分布)，強(qiáng)度略低于雙絲工藝(單絲工藝對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為1067～1095 MPa、屈服強(qiáng)度為1005～1034 MPa；雙絲工藝對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為1091～1118 MPa、屈服強(qiáng)度為1045～1066 MPa)。楊洋等[47]研究了固溶溫度對(duì)電子束熔絲增材制造技術(shù)制備的TC17鈦合金組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，成形件為沿堆積高度方向生長(zhǎng)的柱狀晶組織，在柱狀晶內(nèi)部為細(xì)小的(α+β)板條構(gòu)成的網(wǎng)籃狀組織。隨固溶溫度升高，(α+β)→β發(fā)生進(jìn)行，初生α相含量減少，導(dǎo)致塑性降低(原始態(tài)材料拉伸塑性為7.5%，當(dāng)固溶溫度升高至860 ℃時(shí)，材料拉伸塑性降低至1.8%)、強(qiáng)度增大(成形件原始態(tài)時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度為908 MPa，當(dāng)固溶溫度升高至860 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度升高至1176 MPa)。

較多學(xué)者對(duì)電子束熔絲增材制造成形件的組織與力學(xué)性能進(jìn)行了研究，典型材料的力學(xué)性能對(duì)比如表1所示。未來(lái)仍需系統(tǒng)研究增材制造過(guò)程中工藝-組織-性能內(nèi)在關(guān)系，尤其在增材熱作用對(duì)組織特點(diǎn)、相成分調(diào)控及力學(xué)性能方向性影響規(guī)律方面。此外，熱處理工藝對(duì)增材制造成形件的組織與性能的調(diào)控也是研究的熱點(diǎn)方向。

表1 典型材料的電子束熔絲增材制造成形件的力學(xué)性能

2.3 成形機(jī)理與控制研究

利用視覺(jué)傳感系統(tǒng)可以對(duì)電子束熔絲增材制造過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)分析熔池的形態(tài)進(jìn)行溫度控制，能夠?qū)﹄娮邮劢z增材制造過(guò)程中的絲束關(guān)系、熔滴過(guò)渡行為等進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)控，進(jìn)而改善電子束熔絲增材制造成形件的成形精度和力學(xué)性能，這對(duì)提高電子束熔絲增材制造過(guò)程的穩(wěn)定性以及自動(dòng)化程度具有重要意義。國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者對(duì)電子束熔絲增材制造過(guò)程中的視覺(jué)傳感系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要體現(xiàn)在熔池形態(tài)及溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)和成形控制方面。

電子束熔絲增材制造技術(shù)是在真空環(huán)境下利用高能電子束流作為熱源，直接在基體或者前一增材層表面形成熔池，通過(guò)送絲系統(tǒng)將絲材融化成熔滴，隨著工作臺(tái)的移動(dòng)，使熔滴之間沿著預(yù)定的路徑逐滴相連，逐漸形成新的增材層，之后按照設(shè)計(jì)的路徑層層堆積形成增材零件。張秉剛等[49]基于視覺(jué)傳感的方法建立了如圖6所示的焊接熔池視覺(jué)傳感系統(tǒng)，用來(lái)獲得鈦合金電子束焊接熔池圖像，并采用二值形態(tài)學(xué)圖像處理算法對(duì)熔池圖像進(jìn)行處理。結(jié)果表明，當(dāng)熔寬波動(dòng)較大時(shí)，表面成形質(zhì)量較差，而當(dāng)熔寬波動(dòng)較小時(shí)，表面成形質(zhì)量較好；所開(kāi)發(fā)的圖像處理算法的熔寬檢測(cè)誤差均在0.1 mm 以內(nèi)，完成整個(gè)熔寬提取過(guò)程所需時(shí)間大約為30 ms，可以滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要。李曉鵬[50]采用電荷耦合器件(CCD)視覺(jué)傳感系統(tǒng)輔助電子束填絲試驗(yàn)，研究了絲材的熔化機(jī)制，以及絲材填入和送絲速度的變化對(duì)熔池和匙孔動(dòng)態(tài)行為的影響。結(jié)果表明，電子束熔絲焊的前置送絲方式比后置送絲方式的工藝過(guò)程更為穩(wěn)定，對(duì)焊接過(guò)程中的波動(dòng)適應(yīng)能力更強(qiáng)，可用工藝范圍也更寬。在保證電子束噴嘴不被燒損的前提下，送絲角度越大，絲材對(duì)電子束的遮擋作用越小，且送絲的指向性越好，絲材以液橋過(guò)渡形式向熔池中過(guò)渡時(shí)，絲材對(duì)熔池的干擾作用最小，焊接過(guò)程最穩(wěn)定。趙健[51]基于CCD視覺(jué)傳感系統(tǒng)對(duì)電子束填絲熔化過(guò)渡行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明，前置填絲方位可以保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定與填絲精度，送絲角度的增加會(huì)導(dǎo)致熔深增大；不同絲束空間位向關(guān)系、過(guò)渡高度與送絲速度共同影響著電子束熔絲過(guò)程中的絲材熔化過(guò)渡行為；降低過(guò)渡高度可以降低金屬蒸氣對(duì)絲材熔化過(guò)渡行為及焊縫成形的不良影響，因此保證送絲速度與熔化速度匹配是獲得穩(wěn)定過(guò)渡的基礎(chǔ)。NASA蘭利研究中心的研究人員在過(guò)去15年中一直在開(kāi)發(fā)電子束熔絲增材制造工藝，Zalameda和Taminger等[52, 53]為了獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的增材構(gòu)件，使用如圖7所示的近紅外(NIR)相機(jī)對(duì)電子束熔絲增材制造系統(tǒng)的熔池和凝固區(qū)域進(jìn)行成像，并用于溫度和空間測(cè)量，這些測(cè)量與閉環(huán)控制系統(tǒng)相結(jié)合，以在整個(gè)增材制造期間保持一致的熱條件，通過(guò)熱成像中的信息來(lái)檢測(cè)沉積層的早期缺陷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的實(shí)時(shí)評(píng)估。結(jié)果表明，將NIR相機(jī)結(jié)合到系統(tǒng)中可以改善增材制造成形件的一致性，并提供了缺陷的實(shí)時(shí)檢測(cè)能力，最終可以使用這種增材制造工藝制備更加優(yōu)良可靠的成形件。

圖6 熔池視覺(jué)傳感系統(tǒng)[49]Fig.6 Visual sensing system of molten pool[49]

圖7 近紅外(NIR)相機(jī)系統(tǒng)[52]Fig.7 Near infrared (NIR) camera system[52]

在電子束熔絲增材制造過(guò)程中，熔滴過(guò)渡行為對(duì)成形質(zhì)量具有重要影響。Zhao等[54]通過(guò)靜力平衡模型和視覺(jué)傳感系統(tǒng)分析了金屬蒸氣反沖力對(duì)電子束增材制造過(guò)程中絲材熔化過(guò)渡物理行為的影響，揭示了不穩(wěn)定的非接觸過(guò)渡機(jī)理。如圖8所示，在過(guò)渡高度為10 mm時(shí)，過(guò)渡包含兩個(gè)階段：第一階段，金屬蒸氣水平方向的分力超過(guò)了絲材對(duì)熔滴表面張力在水平方向上的分力，進(jìn)而將熔滴沿水平方向推了出去；第二階段，隨著焊接的進(jìn)行，絲材上接近與遠(yuǎn)離熱源兩部分的溫差逐漸縮小，絲材由彎曲變直，使其回歸到熔池正上方，當(dāng)熔滴重力大于絲材端部對(duì)熔滴表面張力與金屬蒸氣反沖力在豎直方向上的合力時(shí)，熔滴發(fā)生過(guò)渡進(jìn)入熔池，為了避免金屬蒸氣反沖力對(duì)成形穩(wěn)定性的影響，需減小過(guò)渡高度。

數(shù)值模擬技術(shù)可以對(duì)電子束熔絲增材制造過(guò)程中的溫度場(chǎng)、熔池流場(chǎng)和應(yīng)力變形等進(jìn)行研究，能夠?qū)﹄娮邮劢z增材制造過(guò)程給出高效率的理論指導(dǎo)。Tang等[55]采用三維瞬態(tài)模型來(lái)解釋TC4合金單道電子束熔絲增材制造過(guò)程中熔池的傳熱和流體流動(dòng)行為。結(jié)果表明，焊接熔池前部有劇烈的流體流動(dòng)，熱毛細(xì)管力是流體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力，熔滴沖擊效應(yīng)會(huì)周期性地影響熔池的傳熱和流體流動(dòng)，電子束的高頻橢圓掃描可以減小熔池的溫度梯度和流體流動(dòng)，但光束掃描基本上不會(huì)改變?nèi)鄢匦螤?，如圖9所示，模擬熔池與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。Hu等[56]通過(guò)模擬熔池中傳熱和流體流動(dòng)的耦合行為與TC4合金的電子束熔絲增材制造中的工藝參數(shù)的函數(shù)關(guān)系來(lái)揭示電子束的熔滴過(guò)渡行為(液橋過(guò)渡、液滴過(guò)渡和中間過(guò)渡)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，隨著熱輸入的增加，過(guò)渡模式從液滴過(guò)渡變?yōu)橐簶蜻^(guò)渡，其中液橋過(guò)渡是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，具有穩(wěn)定的過(guò)渡行為，成形質(zhì)量良好。在此過(guò)程中，熔滴過(guò)渡行為主要由反沖壓力驅(qū)動(dòng)，而表面張力會(huì)使液橋發(fā)生斷裂，這兩個(gè)因素的相互作用導(dǎo)致了成形過(guò)程中液橋幾何形態(tài)的振蕩(振蕩頻率約為200 Hz)，當(dāng)動(dòng)態(tài)平衡被打破時(shí)，發(fā)生液滴過(guò)渡。Yan等[57]采用非耦合熱力有限元模擬方法，對(duì)采用電子束在平板上熔絲沉積加強(qiáng)筋的過(guò)程進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果表明，板的翹曲方向與加強(qiáng)筋的堆積方向相反，瞬態(tài)溫度主要沿加強(qiáng)筋根部分布，最低溫度出現(xiàn)在加強(qiáng)筋形成的網(wǎng)格中心，最大殘余應(yīng)力發(fā)生在x方向與y方向加強(qiáng)筋的交點(diǎn)處。Chen等[58]首次將接觸理論引入到增材制造變形計(jì)算中，與傳統(tǒng)的純剛度或純彈性邊界約束相比，該模型考慮了工件與夾具的接觸，可以提高增材制造變形模擬的精度。結(jié)果表明，隨著沉積層數(shù)的增加，基體橫向變形的主導(dǎo)作用逐漸減小，翹曲變形逐漸增大，成為工件與夾具接觸力的主要組成部分。

圖8 第一階段(a～c)和第二階段(d～f)熔滴過(guò)渡物理過(guò)程[54]：(a) 絲材偏移，(b) 液滴受力，(c) 熔滴飛行，(d) 絲材回歸，(e) 液滴受力，(f) 熔滴滴落Fig.8 Physical processes of metal transfer in the first stage (a～c) and second stage (d～f)[54]：(a) deviation of the wire, (b) force on liquid wire, (c) flight of the droplet, (d) return of the wire, (e) force on liquid wire, (f) dripping of the droplet

圖9 模擬熔池輪廓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的比較[55]：(a)不添加絲材，(b)添加絲材Fig.9 Comparison between predicated weld pool profiles with experiments results[55]: (a) without wire feeding, (b) with wire feeding

對(duì)電子束熔絲增材制造過(guò)程的精確控制和有效預(yù)測(cè)對(duì)于增材制造成形件的精度和性能調(diào)控具有重要意義，目前已有較多學(xué)者對(duì)電子束熔絲增材制造過(guò)程中的熔滴過(guò)渡行為和溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，利用視覺(jué)傳感系統(tǒng)和數(shù)值模擬可以對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而反饋給工藝制定，能夠有效減少缺陷并提高成形精度和質(zhì)量。但目前電子束熔絲增材制造過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)還不成熟，其熔池表面的劇烈變化以及真空環(huán)境都會(huì)給監(jiān)測(cè)過(guò)程帶來(lái)較大的困難，難以全面直觀地獲得電子束熔池信息。未來(lái)需要實(shí)現(xiàn)電子束熔絲增材制造過(guò)程的多信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研制，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬和工藝定型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而提高成形質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，由于電子束熔絲增材制造技術(shù)具有高精度、高效率、快速制造等優(yōu)勢(shì)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外電子束熔絲增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與成果，從成形精度與缺陷、微觀組織與性能、成形機(jī)理與控制3個(gè)方面對(duì)電子束熔絲增材制造技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)論述，認(rèn)為其未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向有：

(1)由于送絲過(guò)程中的絲材擺動(dòng)與熔池流動(dòng)凝固收縮，導(dǎo)致電子束熔絲增材制造成形件的成形精度下降，難以達(dá)到數(shù)控加工精度。在大尺寸結(jié)構(gòu)件的制造過(guò)程中，易導(dǎo)致成形件發(fā)生變形，造成應(yīng)力集中，未來(lái)應(yīng)該對(duì)送絲穩(wěn)定性和大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的增材路徑進(jìn)行優(yōu)化，從而降低構(gòu)件應(yīng)力集中，提升構(gòu)件成形精度與性能。

(2)電子束熔絲增材制造過(guò)程中的熱力分配及微觀組織轉(zhuǎn)變過(guò)程極為復(fù)雜，其成形機(jī)理有待進(jìn)一步闡明，對(duì)于揭示電子束熔絲增材制造過(guò)程中工藝、組織與性能的關(guān)系具有重要意義。

(3)電子束熔絲增材制造過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于成形機(jī)理的闡明至關(guān)重要，但是目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能滿足制造過(guò)程中的多信號(hào)監(jiān)測(cè)，未來(lái)需要引入多信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的控制。