用于電子束增減材技術(shù)的電子束氣化切割工藝研究

李宏新，林 峰

（清華大學機械工程系，生物制造與快速成形技術(shù)北京市重點實驗室，北京100084 ）

電子束選區(qū)熔化（electron beam selective melting，EBSM）是以高速運動的電子為熱源，通過熔化粉末床逐層成形所需零件。相比于激光之類的其他熱源，EBSM 的電子聚焦和偏轉(zhuǎn)由電流驅(qū)動，無機械慣性，可實現(xiàn)更高速度的掃描；電子束的穿透深度可達數(shù)微米，物質(zhì)能量吸收率在80%以上。選區(qū)熔化技術(shù)可實現(xiàn)復雜形狀的自由成形且成形后無需去除或僅需去除少量材料，其生產(chǎn)成本大幅降低、生產(chǎn)周期大幅度縮短，因此尤其適合原型設(shè)計、單件產(chǎn)品定制以及復雜結(jié)構(gòu)成形，在航空航天、醫(yī)療植入物等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

但相比于傳統(tǒng)減材加工工藝，選區(qū)熔化技術(shù)由于存在表面粘粉、熔池流動等情況，其表面粗糙度較差[2]。為解決選區(qū)熔化過程中表面粗糙度的不足，近年來研究人員開發(fā)出各種增減材復合成形工藝。Sodick 公司開發(fā)了將激光粉末床熔融和銑削加工結(jié)合的OPM350L 機床[3]。Wei 等[4]采用OPM250L 機床成形了18Ni-C300 馬氏體時效鋼，結(jié)果表明：增減材復合成形件表面粗糙度顯著優(yōu)于激光粉末床熔融工藝成形件，且在表面硬度方面有明顯提升，但該技術(shù)存在因無法使用切削液、成形件溫度較高而導致的刀具快速磨損問題。漢邦科技將激光粉末床熔融與超短脈沖激光切割相結(jié)合，開發(fā)了一種增材制造微切割混合制造設(shè)備，可有效降低表面粗糙度值、解決孔位塌角等問題[5]。Abhi Ghosh 等[6]通過光束整形技術(shù)將飛秒激光的高斯分布光束變?yōu)?“平帽”型方形分布激光，并與激光粉末床熔融相結(jié)合實現(xiàn)增減材復合技術(shù)，多層成形后的側(cè)表面粗糙度Rt=（4.7±1）μm，這顯著優(yōu)于傳統(tǒng)激光粉末床熔融工藝成形件的結(jié)果，但側(cè)表面出現(xiàn)角度約3°的傾角。

作為一種高能量密度熱源，電子束同樣可用于材料去除加工。Cap 等[7-8]采用脈沖電子束研究了電子束電流、聚焦電流、脈沖頻率等對電子束鉆孔質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：相對于鈦板，低碳鋼更易實現(xiàn)鉆孔，其主要影響因素為材料沸點及熱導率等熱力學性質(zhì)。Hassel 等[9]采用最大加速電壓175 kV、最大電流140 mA 的非真空電子束焊接設(shè)備，實現(xiàn)對厚度5 mm 高強鋼和厚度6 mm 銅板的切割，結(jié)果顯示：提高加速電壓對實現(xiàn)切割功能有顯著幫助。

基于以上背景，清華大學課題組提出電子束粉末床熔融與切割復合的增減材技術(shù)，通過采用電子束對成形件輪廓進行氣化切割以試圖提高成形件表面質(zhì)量[10]。本研究基于清華大學產(chǎn)業(yè)化公司開發(fā)的QbeamLab 型電子束選區(qū)熔化設(shè)備進行了電子束氣化切割工藝開發(fā)，提出了跳轉(zhuǎn)脈沖切割和連續(xù)掃描快速切割兩種切割工藝，并與粉末床熔融工藝初步結(jié)合，成功制備出增減材試樣。

1 實驗設(shè)備及材料

本研究所用底板材料是厚度為10 mm 的316L不銹鋼，并在切割實驗之前被預熱至700 ℃。成形時所用粉末采用了粒徑分布在45～105 μm 之間、平均粒徑70 μm 的氣霧化球形316L 不銹鋼粉末，其元素分布和電鏡照片分別見表1 和圖1。

表1 316L 不銹鋼粉元素分布

圖1 316L 不銹鋼粉末電鏡照片

實驗在QbeamLab 型電子束選區(qū)熔化設(shè)備上進行（圖2）。該設(shè)備的加速電壓為60 kV、最大束電流為50 mA、電子束最大跳轉(zhuǎn)速度大于1 km/s、電子束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動信號發(fā)生卡頻率為40 kHz。實驗開始前，將真空室的真空度抽至5×10-2Pa，后回填氦氣至0.15 Pa 并保持至實驗結(jié)束。

圖2 實驗用QbeamLab 型電子束選區(qū)熔化設(shè)備

實驗結(jié)束后，采用線切割方法取出試樣并用砂紙打磨后拋光。為觀測試樣顯微組織，實驗采用卡爾試劑（2 ml HNO3、6 mL HF 和927 mL 蒸餾水混合溶液）腐蝕20 min；用VHX-500 數(shù)碼顯微系統(tǒng)觀測切割槽形貌；用Sigma 300 場發(fā)射電子顯微鏡觀測切割槽附近微觀組織；用VHX-6000 數(shù)碼顯微系統(tǒng)對切割及成形表面進行成像及表面粗糙度測量。

2 兩種切割工藝

本研究通過前期預實驗發(fā)現(xiàn)，在切割過程中應(yīng)避免特定位置的單位時間內(nèi)熱輸入過高，否則會引起過度熔化，從而造成熔池擴散。受限于現(xiàn)有電子束開關(guān)電流的響應(yīng)速度（在0.1～1 ms 之間），無法直接實現(xiàn)脈沖電子束功能，實驗借助于電子束的快速跳轉(zhuǎn)特性，通過跳轉(zhuǎn)點掃或跳轉(zhuǎn)線掃兩種模式模擬脈沖電子束，從而實現(xiàn)電子束切割功能。

2.1 跳轉(zhuǎn)點掃

跳轉(zhuǎn)點掃是將需要掃描的線段分為10 段，設(shè)定掃描點距d=0.1 mm，依次掃描10 條線段的一個點后，再移至下一個點。掃描路徑見圖3b，這等效于獲得了占空比為10%的脈沖電子束（圖3a）。該掃描模式的主要控制參數(shù)有：電子束束流I（mA）、單點停留時間t（ms）、掃描遍數(shù)m（遍）。實驗所用參數(shù)見表2，其中單條切割線長度為40 mm。

表2 跳轉(zhuǎn)點掃不同切割參數(shù)

圖3 跳轉(zhuǎn)點掃策略下的掃描路徑與電子束示意

通過控制單點停留時間t，可控制脈沖電子束等效頻率（q/t）。等效掃描速度v 可表示為：

2.2 跳轉(zhuǎn)線掃

在跳轉(zhuǎn)線掃模式下，本研究采用高速掃描并控制掃描線長不低于特定值，以避免特定位置在單位時間內(nèi)的熱輸入過高而引起過度熔化。根據(jù)前期實驗設(shè)定單次掃描線長200 mm，其中有效切割線長40 mm，在此情況下將熱源看作占空比為20%的脈沖電子束。在該模式下，實驗掃描策略是每次掃描完成后將方向旋轉(zhuǎn)180°進行往復掃描，掃描線點距d=0.1 mm。該掃描策略的主要控制參數(shù)與跳轉(zhuǎn)點掃模式相同，實驗所選參數(shù)見表3。

表3 跳轉(zhuǎn)線掃不同切割參數(shù)

3 實驗結(jié)果及分析

本研究采用前述兩種切割工藝模式及相關(guān)參數(shù)，對不銹鋼底板進行切割，跳轉(zhuǎn)點掃、跳轉(zhuǎn)線掃模式下的切割結(jié)果分別見圖4a 和圖4b。在每個參數(shù)條件下，實驗按照從下至上的順序掃描，遍數(shù)依次增加。如圖4b 右側(cè)所示的切割線，是為了避免有效切割線段在單位時間內(nèi)的熱輸入過高而設(shè)置的電子束每次切割完有效切割線段后需跳轉(zhuǎn)到的位置。

圖4 兩種工藝模式下的切割結(jié)果

由圖4a 所示編號為D-4、D-5 的試樣可見，在跳轉(zhuǎn)點掃模式下，由于掃描方向為單向掃描，隨著電子束流的增大，切割過程中的熔池不斷擴展，并在馬蘭戈尼效應(yīng)及蒸氣反沖壓力作用下向掃描方向的相反方向移動，最終在掃描線起始處堆積了大量凝固金屬[11]。對比圖4b 可見，采用每次旋轉(zhuǎn)180°的跳轉(zhuǎn)線掃模式可避免上述現(xiàn)象的出現(xiàn)。

采用線切割工藝將圖4 所示試樣自加工設(shè)備取下并磨樣，再沿著垂直切割線方向觀測切割槽的形狀。本研究選取兩種掃描模式對應(yīng)的最優(yōu)切割參數(shù)，具體是：①在跳轉(zhuǎn)點掃模式下，以束流6 mA、單點停留時間2 ms（等效速度0.05 m/s）分別重復掃描切割200 遍、400 遍（圖5）；②在跳轉(zhuǎn)線掃模式下，以束流20 mA、切割速度6 m/s 分別重復掃描切割2000 遍、4000 遍（圖6）。

圖5 跳轉(zhuǎn)點掃模式下的切割效果

圖6 跳轉(zhuǎn)線掃切割效果

統(tǒng)計切割槽寬度W（μm）及深度D（μm），并采用單點蒸發(fā)速率指標對切割效率進行對比，所得結(jié)果分別見表4 和表5。在跳轉(zhuǎn)點掃模式下，切割槽腰部存在頸縮、底部成水滴狀的情況，故數(shù)據(jù)統(tǒng)計底部水滴最寬處（表4 所示寬度）和腰部最窄處（表4所示寬度括號內(nèi)數(shù)據(jù)）。將單點蒸發(fā)速率s（μm/ms）定義為每個掃描點在單位時間內(nèi)的切割深度，在兩種掃描模式下分別由式（2）和式（3）計算：

表4 跳轉(zhuǎn)掃描不同遍數(shù)下切割槽尺寸及切割效率

表5 連續(xù)掃描不同遍數(shù)下切割槽尺寸及切割效率

對比兩種模式的參數(shù)發(fā)現(xiàn)，跳轉(zhuǎn)線掃模式下的等效單點停留時間t=d/v=0.017 ms，其數(shù)值不到跳轉(zhuǎn)點掃停留時間的百分之一，但前者的電子束流是后者的2.5 倍。對比兩種模式的切割截面發(fā)現(xiàn)，跳轉(zhuǎn)點掃獲得的切割面呈現(xiàn)明顯的底部擴大和中間頸縮的趨勢，而跳轉(zhuǎn)線掃獲得了平直狀態(tài)的切割槽。分析前者切割槽不均勻的原因，可能是單點停留時間過長，此時切割槽底部的熔池擴展并在蒸氣反沖壓力和表面張力作用下向上流動，從而使切割槽出現(xiàn)不均勻狀態(tài)。

對比兩種模式的切割速率發(fā)現(xiàn)，跳轉(zhuǎn)線掃模式在功率僅增加2.5 倍的情況下，其切割效率達到跳轉(zhuǎn)點掃模式的約8 倍，且切割槽寬度不到另一種模式的一半。究其原因是，跳轉(zhuǎn)線掃模式下的單點停留時間顯著降低，從而可在抑制熔池擴散的情況下采用更高的電子束功率，繼而提高蒸發(fā)速率并獲得更高的深寬比。綜上可知，無論是切割速度還是切割質(zhì)量方面，跳轉(zhuǎn)線掃切割相比于跳轉(zhuǎn)點掃切割都具有明顯優(yōu)勢。

在跳轉(zhuǎn)線掃切割模式、速度6 m/s、束流20 mA、重復4000 遍等條件下測量得到切割槽側(cè)表面三維輪廓及表面粗糙度，與典型電子束選區(qū)熔化成形件側(cè)表面進行對比的結(jié)果分別見圖7 和圖8?？煽闯?，電子束選區(qū)熔化成形件的側(cè)表面由于表面粘粉、粉末未完全熔化及熔池不穩(wěn)定流動等存在明顯起伏，而切割槽側(cè)表面（圖7b 所示深色部分）則相對較平整。經(jīng)測量，切割槽側(cè)表面的切割表面粗糙度優(yōu)于Ra10 μm，顯著低于電子束選區(qū)熔化成形件的側(cè)表面粗糙度值（Ra25 μm）。

圖7 不同樣件的表面三維輪廓對比

圖8 跳轉(zhuǎn)線掃切割表面與電子束選區(qū)熔化成形件側(cè)表面的表面粗糙度對比

對前述參數(shù)下的切割試樣進行表面拋光、腐蝕后，通過掃描電鏡觀察得到的顯微組織情況見圖9和圖10。基體為奧氏體組織，觀測切割槽熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)，切割槽上方的熱影響區(qū)顯著大于下方的。究其原因是，設(shè)備電子束束斑半高寬在200～300 μm之間，在切割過程中電子束外圍能量無法到達切割槽底部而聚集于切割槽兩側(cè)上表面，從而導致熱量不斷聚集使熔池擴展，且熔池表面不斷蒸發(fā)形成圓弧狀輪廓及較厚的熱影響區(qū)。

圖9 切割槽微觀組織

圖10 切割槽微觀組織局部放大

4 增減材復合試樣制備

根據(jù)前述結(jié)論，采用跳轉(zhuǎn)線掃模式對電子束選區(qū)熔化成形試樣側(cè)表面進行切割，以探索電子束增減材復合成形的可行性。其中，選區(qū)熔化成形參數(shù)為掃描速度0.25 m/s、體能量密度80 J/mm3、層厚0.1 mm、掃描線距0.2 mm、真空度0.15 Pa；成形試樣尺寸為30 mm×30 mm，切割參數(shù)為成形90 層后采用速度6 m/s、電流15 mA、掃描遍數(shù)4000 遍；為防止單位時間內(nèi)固定位置熱量輸入過高，設(shè)置單遍掃描線長200 mm，掃描線沿著成形試樣輪廓向外偏置1.7 mm。由于試樣外輪廓總長為120 mm，試樣的切割線沿著輪廓每條邊的方向外延20 mm。

分別對成形試樣的上表面、未切割側(cè)表面、切割后側(cè)表面進行表征，所得結(jié)果見圖11 和圖12?？煽闯?，在復合切割工藝條件下，試樣的側(cè)表面粗糙度從Ra25 μm 以上降至約Ra12 μm，接近其上表面的粗糙度，這也初步驗證了將電子束選區(qū)熔化與電子束切割結(jié)合起來進行電子束增減材復合制造的可行性。

圖11 復合工藝三維輪廓

圖12 復合工藝獲得的不同表面的粗糙度

5 結(jié)論

針對電子束選區(qū)熔化技術(shù)側(cè)表面粗糙度較差的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)有電子束選區(qū)熔化設(shè)備開發(fā)出針對316L 不銹鋼材料的跳轉(zhuǎn)點掃和跳轉(zhuǎn)線掃兩種電子束切割方法，得到以下結(jié)論：

（1）采用兩種方法都可獲得深度大于1 mm 的切割槽，其中跳轉(zhuǎn)點掃獲得的切割槽截面成腰部頸縮、底部擴大的形狀，而跳轉(zhuǎn)線掃獲得的切割槽上下寬度一致。

（2）跳轉(zhuǎn)線掃模式下獲得的切割槽具有更大的深寬比，其切割效率是跳轉(zhuǎn)點掃的約8 倍。跳轉(zhuǎn)線掃模式下獲得的最優(yōu)切割槽側(cè)表面粗糙度優(yōu)于Ra10 μm，其熱影響區(qū)沿著切割槽側(cè)表面向下逐漸減小。

（3）采用跳轉(zhuǎn)線掃模式與電子束選區(qū)熔化相結(jié)合，使成形件的側(cè)表面粗糙度從Ra25 μm 以上降至約Ra12 μm，初步驗證了基于電子束選區(qū)熔化和電子束切割復合的電子束增減材技術(shù)的可行性，為后續(xù)進一步工作奠定了基礎(chǔ)。