電子束粉末床熔融增材制造：綜述及其在中國的發(fā)展

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

清華大學和廣西大學的科研人員報道綜述了電子束粉末床熔融增材制造及其在中國的發(fā)展研究。相關論文以“Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: A Comprehensive Review and Its development in China”為題發(fā)表在《Additive Manufacturing Frontiers》上。

增材制造（AM）作為一項舉足輕重的創(chuàng)新技術，給制造業(yè)帶來了革命性的變化。憑借在增材制造領域三十多年的雄厚實力，中國已取得了重要的里程碑式成就，在相關機械和產(chǎn)品的部署和出口方面已成為全球重要的參與者。中國在粉末床熔融技術領域的突出地位體現(xiàn)在其巨大的市場份額上。電子束粉末床熔融技術（EB-PBF）以其低殘余應力和高成型效率而著稱，在國際上已引起了廣泛關注。自2004年清華大學啟動第一項EB-PBF研究以來，中國在這一領域取得了穩(wěn)步進展，實現(xiàn)了EB-PBF設備的商業(yè)化，并開發(fā)了多樣化的產(chǎn)品線。本綜述重點介紹了EB-PBF的研究進展，重點關注其在中國的發(fā)展，探討了新技術，并對未來的發(fā)展提出了見解。

圖1.電子束增材制造示意圖(a)送絲；(b)EB-PBF

圖2.(a)EB-PBF機器系統(tǒng)圖；(b)EB-PBF制造過程

圖3.EB與激光的能量轉換

圖4.(a)GE9X 發(fā)動機；(b)通過EB-PBF生產(chǎn)的TiAl渦輪葉片

圖5.（a）通過EB-PBF生產(chǎn)的Trent XWB97K前軸承葉片；（b）通過GE Additive生產(chǎn)的發(fā)動機噴嘴

圖6.通過EB-PBF生產(chǎn)的髖臼杯

圖7.商業(yè)化EB-PBF機器概覽

圖8.清華大學的EB-PBF發(fā)展里程碑

圖9.清華大學的EB-PBF機器：（a）EBSM-150；（b）EBSM-250I；（c）EBSM-250II；（d）EBSM-250III

圖10.EB-LHM工藝

圖11.EB-PBF工藝當前可能的建模策略概覽

圖12.熔池模擬結果：(a)平行熱自由表面晶格玻爾茲曼法；(b)有限體積法

圖13.EB-PBF形成的不同尺寸In738合金單晶：（a）成型掃描策略；（b-g）成型尺寸逐漸增大的單晶

圖14.（a）Freemelt公司的Pixelmelt®技術；（b）通過EB-PBF的點熔技術制造的SDSS 2507 樣品

圖15.機器學習在增材制造中的應用

圖16.預測EBM制造部件的內部缺陷

AM被認為是未來制造業(yè)的主要發(fā)展動力。近年來，EB-PBF技術作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ慕饘僭霾闹圃旆椒ǎ�在攻克技術難關的同時逐步走向產(chǎn)業(yè)化，在航空航天、醫(yī)療器械等行業(yè)得到了廣泛應用。中國在EB-PBF方面的基礎性研究已獲得國際認可，實現(xiàn)了自主研究和設備開發(fā)。中國在大規(guī)模和混合型EB-PBF技術方面取得了顯著進展。近年來，EB-PBF產(chǎn)業(yè)在科學研究和商業(yè)應用方面取得了快速發(fā)展。然而，該技術仍有進一步發(fā)展和改進的潛力。需要進一步研究的主要領域如下：

(1)擴大規(guī)模和陣列噴槍的穩(wěn)定性：大型L-PBF設備能夠通過陣列掃描技術成型寬度超過1 米的零件，它的出現(xiàn)凸顯了在EB-PBF方面取得進步的必要性。與激光設備相比，電子槍的陰極壽命和穩(wěn)定性相對較短，因此需要進一步研究EB-PBF設備的可擴展性。

(2)電子槍技術：提高電子槍的加速電壓，提高電子束光斑的精度，延長電子槍的使用壽命，對于EB-PBF的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)至關重要。

(3)集成化和智能自動化：加強EB-PBF工藝的集成化和智能自動化至關重要。建立一個包括粉末生產(chǎn)、零件制造和粉末回收的閉環(huán)制造生態(tài)系統(tǒng)，可以優(yōu)化整個生產(chǎn)生命周期。采用工業(yè)4.0原則、實時監(jiān)控制造質量、動態(tài)調整工藝參數(shù)，以及利用人工智能和大數(shù)據(jù)在打印過程中做出明智決策，可顯著提高EB-PBF的精度和效率，降低生產(chǎn)成本。

(4)模擬驅動的工藝優(yōu)化：利用仿真能力建立預測模型，將打印參數(shù)與零件性能（包括溫度曲線、溶質分布、冷卻速率和晶粒生長動態(tài)）聯(lián)系起來，可顯著減少缺陷，加快材料開發(fā)，最終實現(xiàn)卓越的產(chǎn)品質量。

(5)創(chuàng)新材料和工藝開發(fā)：目前，EB-PBF可用于生產(chǎn)醫(yī)用鈦合金以及不可焊接或易產(chǎn)生裂紋的合金（如高溫合金和金屬間化合物），這凸顯了擴大可打印材料范圍的必要性。因此，開發(fā)用于EB-PBF的專用金屬粉末減少缺陷和冒煙現(xiàn)象至關重要。此外，多合金混合粉末的原位合金化和制定粉末再利用準則保持質量標準也是需要探索的重要領域。

(6)理論和表征方面的進步：創(chuàng)新的理論框架和表征技術對于更好地理解AM部件的微觀結構與性能之間的相互作用至關重要。這可以加深對工藝參數(shù)、微觀結構和零件性能之間錯綜復雜關系的理解。

(7)增材/減材混合制造：目前，EB-PBF在形狀穩(wěn)定性和精度方面存在局限性，因此，除了提高形狀精度和效率外，還有必要探索混合制造模式，將電子束、超快激光和數(shù)控加工的優(yōu)勢結合起來。