先进制造技术 电子束直接金属成形技术

1、整理课件机械学院机械学院 张海鸥张海鸥整理课件 电子束的发现至今已有一百多年的历史，电子束的发现至今已有一百多年的历史，“阴极射线阴极射线”(cathode-ray)(cathode-ray)的名称出现甚至还在的名称出现甚至还在人们了解电子的性能之前。人们了解电子的性能之前。2020世纪初的世纪初的19071907年，年，Marcello Von PiraniMarcello Von Pirani进一步发现了电子束作为进一步发现了电子束作为高能量密度热源的可能性，他第一次高能量密度热源的可能性，他第一次用电子束作用电子束作了熔化金属的试验了熔化金属的试验，成功地熔炼了钽。，成功地熔炼了钽。整理

2、课件 高能量密度电子束加工时将电子束的动能在高能量密度电子束加工时将电子束的动能在材料表面转换成热能，能量密度高达材料表面转换成热能，能量密度高达10100 06-96-9W/cmW/cm2 2，功率可达到，功率可达到100kW100kW。由于能量与能量密度都非。由于能量与能量密度都非常高，电子束足以使任何材料迅速熔化或汽化。常高，电子束足以使任何材料迅速熔化或汽化。因此，因此，电子束不仅可加工钨、钼、钽等难熔金属电子束不仅可加工钨、钼、钽等难熔金属及其合金，还可对陶瓷、石英等材料进行加工及其合金，还可对陶瓷、石英等材料进行加工。此外，电子束的高能量密度使得它在生产过程中此外，电子束的高能量密

3、度使得它在生产过程中的加工效率也非常高。的加工效率也非常高。整理课件 国内从国内从2020世纪世纪6060年代初起研究年代初起研究，随后开发了随后开发了8080年代，年代，研究与开发也迅速发展。但随着激光进入研究与开发也迅速发展。但随着激光进入加工领域后，特别是在小功率激光加工方面，无加工领域后，特别是在小功率激光加工方面，无论在应用范围或经济性能方面，比电子论在应用范围或经济性能方面，比电子束加工有束加工有优势。但优势。但实际上，电子束加工的优点并没有完全实际上，电子束加工的优点并没有完全得到展示。得到展示。整理课件 电子束加工的原理电子束加工的原理 在真空条件下，利用聚在真空条件下，利用聚

4、焦后能量密度极高焦后能量密度极高(10(106 6一一10109 9w wcmcm2 2 ) )的电子束，以极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间( (几分几分之一微秒之一微秒) )内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到分的工件材料达到以上的高温，从而引起材以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，气化的部分被真空系统抽走。料的局部熔化和气化，气化的部分被真空系统抽走。整理课件电子束加工原理及设备组成图电子束加工原理及设备组成图电子枪系统电子枪系统聚焦系统聚焦系统电子

5、束电子束工件工件抽真抽真空系空系统统电源电源及控及控制系制系统统整理课件 电子束加工的特点电子束加工的特点 (1) ，甚至能聚焦到，甚至能聚焦到0.1um。所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加。所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。工方法。 (2) ，属非接触式加工、可加，属非接触式加工、可加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。导体材料都可加工。 整理课件 (3)电子束的能量密度高，因而电子束的能量密度高，因而。例。例如，每秒钟可在如，每秒钟可在2.5mm厚的钢板上钻厚的钢板上钻50个直径为个直径为0.4m

6、m的孔。的孔。 (4)由于电子束加工是在真空中进行，因而由于电子束加工是在真空中进行，因而，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。材料，以及纯度要求极高的半导体材料。 (5)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，生产应用有一定局限性。，生产应用有一定局限性。整理课件(1) 高速打孔高速打孔 电子束打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达电子束打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼吸附左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼

7、吸附屏的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，屏的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径，最宜用电子束高速打孔，高速打而且有时还可改变孔径，最宜用电子束高速打孔，高速打孔可在工件运动中进行，例如在孔可在工件运动中进行，例如在0.1mm厚的不锈钢上加工厚的不锈钢上加工直径为直径为0.2mm的孔，速度为的孔，速度为。整理课件 (2) 加工型孔及特殊表面加工型孔及特殊表面 电子束加工喷丝头异型孔截面。出丝口窄缝宽度电子束加工喷丝头异型孔截面。出丝口窄缝宽度0.03-0.07mm，长度，长度0.8mm，喷丝板厚度，喷丝板厚度0.6mm。为使人造纤维。为使人造纤维具有

8、光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异型孔都是具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异型孔都是特殊形状。特殊形状。 电子束不仅可加工各种直的型孔和型面，而且也可加电子束不仅可加工各种直的型孔和型面，而且也可加工弯孔和曲面。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子工弯孔和曲面。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子 束在工件内部偏转。控制电子速度和磁场强度，即可控制束在工件内部偏转。控制电子速度和磁场强度，即可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。如果同时改变电子束和工件曲率半径，加工出弯曲的孔。如果同时改变电子束和工件的相对位置，就可进行切割和开槽。的相对位置，就可进行切割和开槽。整理课件整理课件整理课件

9、(3) 刻蚀刻蚀 在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔，如在硅片上刻出宽和孔，如在硅片上刻出宽2.5um，深，深0.25um的细槽，的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻蚀出在混合电路电阻的金属镀层上刻蚀出40um宽的线条。宽的线条。还可在加工过程中对电阻值进行测量校准，这些都可还可在加工过程中对电阻值进行测量校准，这些都可用计算机自动控制完成。用计算机自动控制完成。整理课件 (4) 焊接焊接 电子束焊接的特点电子束焊接的特点 能量密度高，能量密度高，

10、焊接速度焊接速度快，焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小，一般不用快，焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小，一般不用焊条，焊接过程在真空中进行因此，焊缝化学成分纯焊条，焊接过程在真空中进行因此，焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。净，焊接接头的强度往往高于母材。 整理课件 电子束焊接的应用：电子束焊接的应用： 电子束焊接可焊接电子束焊接可焊接难熔金屑难熔金屑如铌、钼等。也可焊如铌、钼等。也可焊接钛、锆、铀等化学性能接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属活泼的金属。 电子束焊接还能完成一般焊接方法所难以实现的电子束焊接还能完成一般焊接方法所难以实现的异异种金属焊接种金属焊接。如铜和不锈钢的焊接，

11、钢和硬质台金的。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质台金的焊接，铬、镍和钼的焊接等。焊接，铬、镍和钼的焊接等。 整理课件 因因电子束焊接对焊件的热影响小、变形小，可电子束焊接对焊件的热影响小、变形小，可在工件精加工后进行焊接。又在工件精加工后进行焊接。又因因它能实现异种金属它能实现异种金属焊接，所以就有可能将复杂的工件分成几个零件，焊接，所以就有可能将复杂的工件分成几个零件，这些零件可单独地使用最合适的材料，采用合适的这些零件可单独地使用最合适的材料，采用合适的方法来加工制造，最后利用电子束焊接成一个完整方法来加工制造，最后利用电子束焊接成一个完整的零部件，从而可以获得理想的技术性能和显著的的零部件，

12、从而可以获得理想的技术性能和显著的经济效益。经济效益。整理课件 (5) 热处理热处理 电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度，硬化深度可达度，硬化深度可达0.3一一0.8mm。整理课件 类似于激光热处理类似于激光热处理，但，但。因电子束热处理在真空中进。因电子束热处理在真空中进行，可

13、以防止材料的氧化；电子束设备的功率可以做行，可以防止材料的氧化；电子束设备的功率可以做得比激光功率还大，所以电子束热处理工艺很有发展得比激光功率还大，所以电子束热处理工艺很有发展前途。前途。 整理课件 (6) 表面强化表面强化 如果用电子束加热金属达到表面熔化，可在熔化如果用电子束加热金属达到表面熔化，可在熔化区加入添加元素，使金属表面形成一层很薄的新的合区加入添加元素，使金属表面形成一层很薄的新的合金层，从而获得更好的物理力学性能。铸铁的熔化处金层，从而获得更好的物理力学性能。铸铁的熔化处理可以产生非常细的莱氏体结构，其优点是抗滑动磨理可以产生非常细的莱氏体结构，其优点是抗滑动磨损。铝、钛、

14、镍的各种合金几乎全可进行添加元素处损。铝、钛、镍的各种合金几乎全可进行添加元素处理，从而得到很好的耐磨性能。理，从而得到很好的耐磨性能。整理课件 在快速原型技术发展过程中，激光在快速原型技术发展过程中，激光作用作用巨大。巨大。SLASLA、LOMLOM、SLSSLS的工艺的工艺基础基础都是激光，而快速原型技术也为激光都是激光，而快速原型技术也为激光开拓了应用范围。但在金属零件直接制造过程中，所需激开拓了应用范围。但在金属零件直接制造过程中，所需激光器功率越来越大，如光器功率越来越大，如: :激光熔覆快速制造激光器功率一激光熔覆快速制造激光器功率一般应达到般应达到2-3kW2-3kW，有的甚至更

15、高，有的甚至更高(LASFORM(LASFORM激光器功率高达激光器功率高达14-114-19 9kW)kW)，设备投资巨大，运行成本高。而电子束具有的，设备投资巨大，运行成本高。而电子束具有的使其在直使其在直接制造金属零件方面具有较突出的优势。接制造金属零件方面具有较突出的优势。整理课件 电子束与激光束同属高能束，能量密度在同一数量电子束与激光束同属高能束，能量密度在同一数量级。与激光相比，电子束存在以下级。与激光相比，电子束存在以下7 7个优点个优点: :电子束的能量转换效率一般为电子束的能量转换效率一般为75%75%以上，以上，比激光的要高许多。比激光的要高许多。金、银、铜、铝等对激光的

16、反金、银、铜、铝等对激光的反射率很高，且熔化潜热很高，不易熔化，故需足够高的能量射率很高，且熔化潜热很高，不易熔化，故需足够高的能量密度才能产生熔池；而熔池液态金属对激光的反射率迅速降密度才能产生熔池；而熔池液态金属对激光的反射率迅速降低，从而使熔池温度急剧升高，导致材料汽化。而电子束加低，从而使熔池温度急剧升高，导致材料汽化。而电子束加工不受材料反射的影响，很易加工激光加工难加工的材料。工不受材料反射的影响，很易加工激光加工难加工的材料。整理课件, ,电子束可以容易地做到几千瓦级的输出电子束可以容易地做到几千瓦级的输出; ;而大多而大多数激光器功率在数激光器功率在1-5kW1-5kW之间。之

17、间。，激光束对焦时，由于透镜的焦距是固定的，激光束对焦时，由于透镜的焦距是固定的，所以必须移动工作台所以必须移动工作台; ;而电子束则是通过调节聚束透镜的电而电子束则是通过调节聚束透镜的电流来对焦，因而可在任意位置上对焦。流来对焦，因而可在任意位置上对焦。 另外另外, ,激光束虽然在理论上光斑直径可小于激光束虽然在理论上光斑直径可小于1m,1m,但实但实际使用中一般达不到际使用中一般达不到, ,而而, ,因而能够极其微细地聚焦因而能够极其微细地聚焦, ,加工出的零件或加工出的零件或模具精度和细微特征要比激光加工的好。模具精度和细微特征要比激光加工的好。整理课件，电子束设备靠磁偏转线圈操纵电子束

18、的，电子束设备靠磁偏转线圈操纵电子束的移动来进行二维扫描，扫描频率可达移动来进行二维扫描，扫描频率可达20kHz20kHz，不需要运动部，不需要运动部件件; ;而激光必须转动反射镜或依靠数控工作台的运动来实现而激光必须转动反射镜或依靠数控工作台的运动来实现该功能。与激光相比，电子束移动更加方便且无运动惯性，该功能。与激光相比，电子束移动更加方便且无运动惯性，束流易于控制，因而可以实现快速扫描，成形速度快。束流易于控制，因而可以实现快速扫描，成形速度快。 采用电子束代替激光运用于快速成形系统中采用电子束代替激光运用于快速成形系统中, ,可减小加可减小加工误差并简化系统装置与控制软件的设计。快速成

19、形系统中工误差并简化系统装置与控制软件的设计。快速成形系统中激光加工时的扫描系统一般由计算机、控制卡、传感器、电激光加工时的扫描系统一般由计算机、控制卡、传感器、电机及驱动装置等组成机及驱动装置等组成, ,如下图如下图1 1所示：所示：整理课件图图1 RP1 RP之激光扫描系统示意图之激光扫描系统示意图整理课件 以电子束替代激光，则扫描运动完全由软件通过控制以电子束替代激光，则扫描运动完全由软件通过控制电路来控制，故可简化系统装置，并能通过磁场或电场对电路来控制，故可简化系统装置，并能通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦进行直接控制。其电子束的强度、位置、聚焦进行直接控制。其，强度和束斑的

20、大小控制误差也在，强度和束斑的大小控制误差也在1%1%以以下，可不必像激光加工那样考虑光斑误差补偿，这样就可下，可不必像激光加工那样考虑光斑误差补偿，这样就可简化系统控制软件设计。另外，简化系统控制软件设计。另外，这也是，这也是SLSSLS工艺所无法比拟的，高扫描速工艺所无法比拟的，高扫描速度，可使同一层上材料的凝固几乎同时完成，故成形件的度，可使同一层上材料的凝固几乎同时完成，故成形件的内应力必会相应减小，其加工流程图如图内应力必会相应减小，其加工流程图如图2 2所示。所示。整理课件图图2 2 电子束运用于电子束运用于RPRP中之加工流程图中之加工流程图整理课件 采用电子束替代采用电子束替代

21、SLSSLS技术中的激光束技术中的激光束, ,最大好处是省最大好处是省去激光扫描部分的机械传动装置去激光扫描部分的机械传动装置, ,以软件控制代替以软件控制代替, ,从而从而提高成形精度；且因扫描速度很高提高成形精度；且因扫描速度很高, ,可极大地提高系统效可极大地提高系统效率。另外率。另外, ,利用网络技术利用网络技术, ,可形成一个以本系统为中心的可形成一个以本系统为中心的快速响应制造系统快速响应制造系统, ,在新产品的设计、试制与功能验证在新产品的设计、试制与功能验证, ,尤其在模具制造和新产品市场推广及与客户的交流沟通尤其在模具制造和新产品市场推广及与客户的交流沟通方面方面, ,能大大

22、降低企业的各项成本和提高应变能力。整个能大大降低企业的各项成本和提高应变能力。整个成形系统控制软件的基本结构可做成如图成形系统控制软件的基本结构可做成如图3 3所示的模块。所示的模块。整理课件图图3 3成型系统控制软件结构模块图成型系统控制软件结构模块图整理课件 ，据国外统计，电子束运行成本是激光，据国外统计，电子束运行成本是激光运行成本的一半。激光器在使用过程中要消耗气体，如运行成本的一半。激光器在使用过程中要消耗气体，如N2N2、CO2CO2、HeHe等，尤其是等，尤其是HeHe的价格较高的价格较高; ;电子束一般不消电子束一般不消耗气体，仅消耗价格不算很高的灯丝，且消耗量不大。耗气体，仅

23、消耗价格不算很高的灯丝，且消耗量不大。，电子束加工设备零部件少的特点，电子束加工设备零部件少的特点使得其维护非常方便，通常只需更换灯丝使得其维护非常方便，通常只需更换灯丝; ;激光器拥有激光器拥有的光学系统则需经常进行人工调整和擦拭，以便其发挥的光学系统则需经常进行人工调整和擦拭，以便其发挥最大功率。最大功率。整理课件 由上可知，电子束加工较激光加工有许多独特的优势。由上可知，电子束加工较激光加工有许多独特的优势。影响电子束应用的主要问题是影响电子束应用的主要问题是。但在。但在真空环境下材料不会发生氧化反应，对于保证成形质量大有真空环境下材料不会发生氧化反应，对于保证成形质量大有好处。而激光虽

24、然可在非真空的条件下使用，但也常需要氢好处。而激光虽然可在非真空的条件下使用，但也常需要氢气、氮气等辅助气体保护，且这些气体一般不可重复使用。气、氮气等辅助气体保护，且这些气体一般不可重复使用。 在快速制造领域，电子束真空环境可避免金属粉末在快速制造领域，电子束真空环境可避免金属粉末( (如如Ti-6A1-4V)Ti-6A1-4V)在液相烧结过程中氧化在液相烧结过程中氧化; ;电子束功率大，能量利电子束功率大，能量利用率高，符合绿色制造的宗旨，因而用其快速制造可行。用率高，符合绿色制造的宗旨，因而用其快速制造可行。整理课件 利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，先在铺粉利用金属粉末在电子束轰击

25、下熔化的原理，先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实平面上铺展一层粉末并压实; ;然后，电子束在计算机的控制然后，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓信息进行有选择的烧结，金属粉末在电子下按照截面轮廓信息进行有选择的烧结，金属粉末在电子束的轰击下被烧结在一起，并与下面已成形的部分粘接，束的轰击下被烧结在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部烧结完成层层堆积，直至整个零件全部烧结完成; ;最后，去除多余的最后，去除多余的粉末便得到所需的三维零件。粉末便得到所需的三维零件。整理课件 与选择性激光烧结工艺与选择性激光烧结工艺(SLS)(SLS)相比，电子束快相比，电子束快速制造技术在真空

26、环境下成形，金属氧化的程度大速制造技术在真空环境下成形，金属氧化的程度大大降低大降低; ;真空环境同时也提供了一个良好的热平衡真空环境同时也提供了一个良好的热平衡系统，从而加大了成形稳定性，零件的热平衡得到系统，从而加大了成形稳定性，零件的热平衡得到较好的控制。另外，成形速度得到较大提高。较好的控制。另外，成形速度得到较大提高。 与传统工艺相比，电子束快速制造技术零件材与传统工艺相比，电子束快速制造技术零件材料利用率高，未熔化粉末可重新利用料利用率高，未熔化粉末可重新利用; ;无需工模具无需工模具，节省了制造成本，并减少了开发时间。，节省了制造成本，并减少了开发时间。整理课件 电子束在快速制造

27、领域的应用在国际上比较领先的是瑞电子束在快速制造领域的应用在国际上比较领先的是瑞典典GothenburgGothenburg的的ArcamArcam公司的电子束熔化技术公司的电子束熔化技术EBM(Electron EBM(Electron Beam Melting)Beam Melting)，其工作原理与，其工作原理与SLSSLS类似，采用了一套严格的类似，采用了一套严格的温度检测控制系统。下图为温度检测控制系统。下图为Arcam EBM S12Arcam EBM S12的设备图，最大的设备图，最大成形件尺寸为成形件尺寸为200mmX200mmX160mm200mmX200mmX160mm，精

28、度为，精度为0.3mm0.3mm。目前该。目前该公司的产品已经在英国公司的产品已经在英国WarwickWarwick大学及美国南加州大学等多大学及美国南加州大学等多家快速制造领域的研究机构得到使用，并与英国剑桥真空工家快速制造领域的研究机构得到使用，并与英国剑桥真空工程研究所程研究所CVECVE建立了合作关系，应用领域已经延伸到汽车、建立了合作关系，应用领域已经延伸到汽车、航空航天及医疗领域。航空航天及医疗领域。整理课件 Arcam EBM S12Arcam EBM S12的设备图的设备图成形件成形件整理课件 另一种电子束快速制造技术是美国麻省理工学院的另一种电子束快速制造技术是美国麻省理工学

29、院的John Edward MatzJohn Edward Matz提出的电子束实体自由制造技术提出的电子束实体自由制造技术EBSFF EBSFF (Electron Beam Solid Freeform Fabrication )(Electron Beam Solid Freeform Fabrication )，它与激，它与激光近形制造技术光近形制造技术LENS (Laser Engineered Net Shaping)LENS (Laser Engineered Net Shaping)较较为类似，电子束固定不动，工作台在计算机的控制下，根为类似，电子束固定不动，工作台在计算机的控

30、制下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，加工对据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，加工对象象( (金属丝金属丝) )通过送丝机构被电子束熔化层层堆积而成。通过送丝机构被电子束熔化层层堆积而成。 日本日本OsakaOsaka大学及韩国大学及韩国PohangPohang大学等使用电子束在金属大学等使用电子束在金属表面熔覆金属粉末方面也进行了大量的研究工作。表面熔覆金属粉末方面也进行了大量的研究工作。整理课件 国内，电子束在加工金属粉末方面的研究工作较少，国内，电子束在加工金属粉末方面的研究工作较少，在快速制造领域的研究刚刚开始。清华大学激光快速成形在快速制造领域的研究刚刚开始。

31、清华大学激光快速成形中心作为国内最早开展快速成形技术研究的单位，联合国中心作为国内最早开展快速成形技术研究的单位，联合国内主要的电子束设备提供单位进行了多方论证，目前已经内主要的电子束设备提供单位进行了多方论证，目前已经开展了电子束烧结快速制造方面的研究，下图为清华大学开展了电子束烧结快速制造方面的研究，下图为清华大学激光快速成形中心采用电子束烧结激光快速成形中心采用电子束烧结316L316L不锈钢粉末的微观不锈钢粉末的微观组织结构，其组织细密均匀，没有发现未熔颗粒。组织结构，其组织细密均匀，没有发现未熔颗粒。整理课件电子束烧结电子束烧结316L316L不锈钢粉末的微观组织不锈钢粉末的微观组织

32、整理课件五、电子束在快速制造领域的应用前景五、电子束在快速制造领域的应用前景 目前，电子束在快速制造领域方面的应用大多处在实验目前，电子束在快速制造领域方面的应用大多处在实验室研究阶段，距离实际的生产还有一定的差距，但电子束具室研究阶段，距离实际的生产还有一定的差距，但电子束具有的大功率和真空工作环境非常有利于金属零件直接快速制有的大功率和真空工作环境非常有利于金属零件直接快速制造造; ;并且随着设计的多元化和个性化，快速制造技术的需求也并且随着设计的多元化和个性化，快速制造技术的需求也必将推动电子束在该领域的迅速发展。必将推动电子束在该领域的迅速发展。 电子束快速制造技术除了可小批量制造电子

33、束快速制造技术除了可小批量制造外，还在下列领域具有广外，还在下列领域具有广阔的应用前景。阔的应用前景。整理课件 航空航天工业对零部件的性能要求高，批量航空航天工业对零部件的性能要求高，批量少，制造成本高。如少，制造成本高。如航空发动机涡轮盘航空发动机涡轮盘一般采用一般采用体积模锻、粉末冶金与热等静压加等温锻技术制体积模锻、粉末冶金与热等静压加等温锻技术制造造，成本高且存在夹杂，使得产品的，成本高且存在夹杂，使得产品的低周疲劳寿低周疲劳寿命较低命较低。如果采用电子束熔化镍基高温合金，材。如果采用电子束熔化镍基高温合金，材料不会和坩埚发生反应，能够料不会和坩埚发生反应，能够保证产品的精确成保证产品

34、的精确成分或高纯度分或高纯度; ;整理课件 而且在涡的轮盘不同部位可以采用不同的加工而且在涡的轮盘不同部位可以采用不同的加工工艺，使得工艺，使得涡轮盘轮缘部分为粗晶涡轮盘轮缘部分为粗晶，有利于提高抗，有利于提高抗蠕变能力，蠕变能力，轮心为细晶轮心为细晶，有利于提高强度及疲劳性，有利于提高强度及疲劳性能，从而使涡轮盘的能，从而使涡轮盘的。 据据ArcamArcam公司的网站介绍，公司的网站介绍，20032003年一家著名的年一家著名的汽车制造集团购买了一套汽车制造集团购买了一套EBM S12EBM S12设备进行产品开设备进行产品开发研究，电子束快速制造技术在汽车领域具有广阔发研究，电子束快速制

35、造技术在汽车领域具有广阔的应用前景。的应用前景。整理课件 陶瓷颗粒增强铝基复合材料是以陶瓷颗粒增强铝基复合材料是以SiCSiC或或A1A12 20 03 3等等陶瓷颗粒为增强体、铝合金为基体的新型材料。由陶瓷颗粒为增强体、铝合金为基体的新型材料。由于该材料于该材料既具有其陶瓷颗粒组分的既具有其陶瓷颗粒组分的高耐磨性、高硬高耐磨性、高硬度度( (强度强度) )及低膨胀系数及低膨胀系数的特点，又具有其基体组分的特点，又具有其基体组分铝合金的铝合金的良好热传导性和低密度良好热传导性和低密度的特点，的特点，因而得到因而得到了世界各国的广泛关注和研究。了世界各国的广泛关注和研究。整理课件 但是，目前常用

36、的制备方法，如液态金属搅但是，目前常用的制备方法，如液态金属搅拌法和复合铸造法，均存在一些问题，制约了它拌法和复合铸造法，均存在一些问题，制约了它们的应用。们的应用。 电子束快速制造技术具有的真空环境不仅可电子束快速制造技术具有的真空环境不仅可避免铝合金基体的氧化，烧结出的零件强度高，避免铝合金基体的氧化，烧结出的零件强度高，而且可以成形任意形状而且可以成形任意形状( (如带有冷却通道如带有冷却通道) )的零部的零部件，制造周期短，在复合材料制备领域必将占据件，制造周期短，在复合材料制备领域必将占据一席之地。一席之地。整理课件思考题思考题1 1、相比于金属零件激光直接快速成形技、相比于金属零件

37、激光直接快速成形技术，电子束快速成形金属零件技术有何术，电子束快速成形金属零件技术有何特点？特点？整理课件整理课件1.11.1工作原理工作原理 电子束选区熔化成形与激光选区烧结类似电子束选区熔化成形与激光选区烧结类似, ,利用利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理金属粉末在电子束轰击下熔化的原理, ,先在铺粉平面先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实上铺展一层粉末并压实; ;然后然后, ,电子束在计算机的控制电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化/ /烧结烧结, ,层层层层堆积堆积, ,直至整个零件全部熔化直至整个零件全部熔化/ /烧结完成烧结完成

38、; ;最后最后, ,去处多去处多余的粉末便得到所需的三维产品。余的粉末便得到所需的三维产品。整理课件1.21.2系统组成系统组成 电子束选区熔化成形技术主要有电子束选区熔化成形技术主要有等工艺步骤等工艺步骤, ,其真空室内具备其真空室内具备铺送粉机构铺送粉机构、粉末回收箱粉末回收箱及及成形平台成形平台。同时。同时, ,还包括还包括电子枪系统电子枪系统、真空系统真空系统、电源系统电源系统和和控制系统控制系统。其中。其中, ,控制系统包控制系统包括括扫描控制系统、运动控制系统、电源控制系统、真扫描控制系统、运动控制系统、电源控制系统、真空控制系统和温度检测系统空控制系统和温度检测系统。整理课件 试

39、验设备为清华大学自行研制的试验设备为清华大学自行研制的EBSM-IEBSM-I型电子型电子束选区熔化成形设备束选区熔化成形设备, ,成形区域成形区域100mm100mm100mm,100mm,电子电子束功率束功率3KW3KW。EBSM-I设备与电子束焊接设备不同之设备与电子束焊接设备不同之处主要在于其处主要在于其, ,其中扫描控其中扫描控制系统将上位机处理好的数据转换成电压模拟量后制系统将上位机处理好的数据转换成电压模拟量后, ,通过数模转换和功率放大电路实时传递给偏转线圈通过数模转换和功率放大电路实时传递给偏转线圈, ,操纵电子束在指定区域成形操纵电子束在指定区域成形, ,扫描速度能达到扫描

40、速度能达到, ,从而保证成形区域的从而保证成形区域的。整理课件2.12.1试验材料及方法试验材料及方法 试验所用试验所用4 4种材料均为种材料均为316316不锈钢粉末不锈钢粉末, , 但制但制取方法和粒度大小不同取方法和粒度大小不同, ,材料材料1 1、2 2为球形或泪滴形为球形或泪滴形的的, ,粒度分别为粒度分别为7575和和5050; ;材料材料3 3、4 4为不规则形状的为不规则形状的, ,粒度分别为粒度分别为5050和和2020。整理课件2.22.2一维试验一维试验 分别对以上分别对以上4 4种材料进行了一维成形试验。图种材料进行了一维成形试验。图2 2为扫描线为扫描线宽度与扫描速度

41、和束流强度的关系。宽度与扫描速度和束流强度的关系。越低越低, ,扫描扫描线宽度越大、周围的毛刺越多线宽度越大、周围的毛刺越多。过低则成形效率低下过低则成形效率低下; ;束流过大束流过大, ,气雾化粉末易发生粉末被吹开的现象气雾化粉末易发生粉末被吹开的现象, ,这和球形气这和球形气雾化粉末流动性好有关。雾化粉末流动性好有关。扫描速度较高时扫描速度较高时, ,气雾化粉末会被气雾化粉末会被电子束吹开电子束吹开, ,这是因为已扫描粉末对周围粉末热传导作用有这是因为已扫描粉末对周围粉末热传导作用有限限, ,粉末间没有轻微粘结粉末间没有轻微粘结, ,其抵抗电子束压力的能力有限造成其抵抗电子束压力的能力有限

42、造成。5050气雾化粉末的一维成形能力与气雾化粉末的一维成形能力与7575气雾化粉末基气雾化粉末基本相当。本相当。整理课件图图2 2扫描线宽度与扫描速度和束流强度的关系扫描线宽度与扫描速度和束流强度的关系整理课件 水雾化粉末的一维成形能力与气雾化粉末具有较大的差水雾化粉末的一维成形能力与气雾化粉末具有较大的差别。别。束流越高得到的球状颗粒直径越大。束流越高得到的球状颗粒直径越大, ,熔化熔化颗粒的间距也越大。由于水雾化粉末形状不规则颗粒的间距也越大。由于水雾化粉末形状不规则, ,比表面积大比表面积大, ,容易发生熔化容易发生熔化, ,扫描速度的高低不会造成粉末被吹开。试验过扫描速度的高低不会造

43、成粉末被吹开。试验过程中同时发现程中同时发现, ,。2020水雾化粉末比水雾化粉末比5050水雾化粉末的水雾化粉末的飞溅现象轻飞溅现象轻, ,其原因在于粒度越小其原因在于粒度越小, ,比表面积越大比表面积越大, ,越易熔化越易熔化, ,且且粒度越小粒度越小, ,粉末的流动性越差粉末的流动性越差, ,均造成粒度较小的水雾化粉末飞均造成粒度较小的水雾化粉末飞溅程度明显降低。溅程度明显降低。整理课件 从以上两种类型的粉末一维试验结果可以看出从以上两种类型的粉末一维试验结果可以看出, ,水雾化粉末不易发生吹粉现象水雾化粉末不易发生吹粉现象, ,粒度越小的水雾化粉粒度越小的水雾化粉末的飞溅现象越不明显末

44、的飞溅现象越不明显; ;气雾化粉末能得到连续的致气雾化粉末能得到连续的致密扫描线密扫描线, ,但气雾化粉末的扫描速度过低但气雾化粉末的扫描速度过低(1(15 5/ /),),与二维、三维成形试验的需要尚有较大的差距与二维、三维成形试验的需要尚有较大的差距, ,因此因此, ,。整理课件2.3 2.3 二维试验二维试验 根据一维试验结果根据一维试验结果, ,二维试验采用材料为二维试验采用材料为气雾化粉末的比气雾化粉末的比例在例在40%40%60%,60%,并添加少量并添加少量(1%(1%3%)3%)助熔剂的混合粉末助熔剂的混合粉末。按照。按照颗粒大小级配搭配的原则颗粒大小级配搭配的原则, ,选取的

45、水雾化粉末粒度为选取的水雾化粉末粒度为2020, ,松松装密度为装密度为(2.9(2.93.2)3.2)10103 3/ /3 3; ;气雾化粉末的粒度为气雾化粉末的粒度为7575, ,松装密度为松装密度为(4.5(4.54.8)4.8)10103 3/ /3 3; ;混合粉末的松装密度混合粉末的松装密度在在(3.8(3.84.4)4.4)10103 3/ /3 3之间。二维试验的扫描方式为单向之间。二维试验的扫描方式为单向填充扫描。填充扫描。整理课件 本研究的工艺名称为本研究的工艺名称为, ,即将即将能量分散多次加热粉末能量分散多次加热粉末, ,并尽量提高扫描速度并尽量提高扫描速度, ,达到

46、达到“同步同步”熔化熔化, ,从而降低温度梯度从而降低温度梯度, ,减少翘曲、裂纹减少翘曲、裂纹等缺陷的发生。为此等缺陷的发生。为此, ,将该工艺分为将该工艺分为3 3个阶段个阶段: :“固定固定粉末粉末”阶段、阶段、“粉末预热粉末预热”阶段和阶段和“熔化成形熔化成形”阶阶段。段。整理课件 “固定粉末固定粉末”阶段通过对粉末进行适当预热使粉末粘结在阶段通过对粉末进行适当预热使粉末粘结在一起一起, ,以便为粉末熔化做准备。这一阶段束流不能过高以便为粉末熔化做准备。这一阶段束流不能过高, ,否则否则易造成粉末发生明显的聚球现象易造成粉末发生明显的聚球现象, ,因此将束流设定在因此将束流设定在0.3

47、0.30.50.5之间。扫描速度适中之间。扫描速度适中, ,如果扫描速度过快如果扫描速度过快, ,粉末易飞溅粉末易飞溅; ;扫描速度过低扫描速度过低, ,粉末则易聚球。粉末则易聚球。 “粉末预热粉末预热”阶段主要将固定好的粉末提升到一定温度阶段主要将固定好的粉末提升到一定温度。这一阶段的功率逐步提高。这一阶段的功率逐步提高, ,并加大扫描速度和扫描线间距并加大扫描速度和扫描线间距, ,采取多次提升方法将粉末均匀预热。采取多次提升方法将粉末均匀预热。整理课件 “粉末熔化粉末熔化”阶段不仅要保证粉末完全熔化阶段不仅要保证粉末完全熔化, ,而且要保证而且要保证温度场均匀温度场均匀, ,因为温差过大容

48、易产生热应力因为温差过大容易产生热应力, ,造成层片翘曲。造成层片翘曲。扫描速度过快扫描速度过快, ,粉末达不到完全熔化粉末达不到完全熔化; ;扫描速度过慢扫描速度过慢, ,粉末熔粉末熔化容易聚球化容易聚球, ,导致层片不连续。通过工艺试验导致层片不连续。通过工艺试验, ,最终确定扫描最终确定扫描速度在速度在100100200mm/s200mm/s之间。之间。整理课件 通过以上分析通过以上分析, ,初步确定的各个阶段扫描工艺参数见表初步确定的各个阶段扫描工艺参数见表1,1,电电子束加速电压维持在子束加速电压维持在50KV50KV不变。不变。 从表从表1 1可以看出可以看出, ,电子束选区熔化成

49、形技术中参数众多。固电子束选区熔化成形技术中参数众多。固定粉末阶段的扫描工艺参数与材料特性具有很大的关联。对于定粉末阶段的扫描工艺参数与材料特性具有很大的关联。对于本试验所选用的混合粉末本试验所选用的混合粉末, ,束流为束流为0.3mA,0.3mA,扫描速度为扫描速度为300mm/s,300mm/s,扫扫描线间距为描线间距为0.1mm0.1mm。粉末预热阶段则主要通过数值模拟。粉末预热阶段则主要通过数值模拟, ,以扫描以扫描起点与终点的温度差较小为目标进行工艺参数选择。通过数值起点与终点的温度差较小为目标进行工艺参数选择。通过数值模拟模拟, ,本阶段的扫描次数确定为本阶段的扫描次数确定为3 3

50、次次, ,束流从束流从1.0,1.5,2.0mA1.0,1.5,2.0mA逐级逐级增加增加, ,扫描速度相应为扫描速度相应为400,600,800mm/s,400,600,800mm/s,扫描线间距为扫描线间距为0.4mm0.4mm。对层片结果影响最大的粉末熔化成形阶段则采取正交试验进行对层片结果影响最大的粉末熔化成形阶段则采取正交试验进行参数选择参数选择, ,采用的正交表为采用的正交表为9(39(34 4),),因素水平如表因素水平如表2 2所示。所示。整理课件整理课件整理课件 经过对熔化成形阶段不同工艺参数的试验经过对熔化成形阶段不同工艺参数的试验, ,以层片无以层片无空洞、断裂及不翘曲为

51、考核指标并进行级差分析空洞、断裂及不翘曲为考核指标并进行级差分析, ,确定的确定的工艺参数为束流工艺参数为束流2.5mA,2.5mA,扫描速度为扫描速度为100mm/s,100mm/s,扫描线间距扫描线间距为为0.1mm,0.1mm,其中扫描速度和聚焦方式对二维试验结果影响其中扫描速度和聚焦方式对二维试验结果影响不大。不大。整理课件2.42.4三维试验三维试验 以二维试验确定的工艺参数进行三维试验以二维试验确定的工艺参数进行三维试验, ,发现在二维试发现在二维试验熔化阶段的扫描速度和聚焦方式虽然对二维层片的影响效果验熔化阶段的扫描速度和聚焦方式虽然对二维层片的影响效果有限有限, ,但对层片之间

52、的粘结影响非常大但对层片之间的粘结影响非常大, ,扫描速度为扫描速度为100mm/s100mm/s时时, ,层片间结合情况最好层片间结合情况最好, ,表现为冶金结合。分别选取不同聚焦方表现为冶金结合。分别选取不同聚焦方式成形的三维实体试样在式成形的三维实体试样在KH1000KH1000视频显微分析仪下进行层片间视频显微分析仪下进行层片间结合情况观察。表面聚焦成形件的层间结合微观组织结合情况观察。表面聚焦成形件的层间结合微观组织, ,大部分大部分为等轴晶粒的奥氏体组织为等轴晶粒的奥氏体组织, ,每层上表面晶粒较为粗大每层上表面晶粒较为粗大, ,并有少量并有少量未熔颗粒未熔颗粒; ;下表面晶粒则较

53、为细小。其中的原因可能是电子束下表面晶粒则较为细小。其中的原因可能是电子束虽然对金属板材具有很好的穿透力虽然对金属板材具有很好的穿透力, ,但对于不连续的金属粉末但对于不连续的金属粉末来说来说, ,电子运动到金属粉末的空隙中无法继续前行所造成。电子运动到金属粉末的空隙中无法继续前行所造成。整理课件整理课件 颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料(MMCs)(MMCs)，尤其是碳化硅颗粒增强，尤其是碳化硅颗粒增强的铝基复合材料的铝基复合材料( (简称简称SiCp/Al)SiCp/Al)已成为已成为MMCsMMCs发展的主要方向之发展的主要方向之一，在航空航天、汽车及微电子仪表等行业中显示出

54、了巨大的一，在航空航天、汽车及微电子仪表等行业中显示出了巨大的应用潜力。该材料主要的两种制备方法是应用潜力。该材料主要的两种制备方法是: :液相法和固相法。液相法和固相法。其中液相法的常见问题，如其中液相法的常见问题，如SiCSiC颗粒与铝合金熔液浸润性差、颗粒与铝合金熔液浸润性差、SiCSiC颗粒在基体合金中易偏聚、增强体与基体之间极易发生化颗粒在基体合金中易偏聚、增强体与基体之间极易发生化学反应等，均没有得到很好的解决，影响了学反应等，均没有得到很好的解决，影响了SiCp/AlSiCp/Al复合材料复合材料的性能。粉末冶金法也由于设备昂贵、工艺复杂等问题，制约的性能。粉末冶金法也由于设备昂

55、贵、工艺复杂等问题，制约了该材料在工业生产中的应用。因此，了该材料在工业生产中的应用。因此，SICp/AlSICp/Al复合材料的研复合材料的研究开发工作一度跌入低谷。但最近几年，究开发工作一度跌入低谷。但最近几年，SICp/AlSICp/Al复合材料作复合材料作为关键性承载构件在先进飞机上找到了出路，应用前景日趋看为关键性承载构件在先进飞机上找到了出路，应用前景日趋看好，其研究开发工作也再度升温。好，其研究开发工作也再度升温。整理课件 快速成形技术迄今已出现了几十种工艺，其中大部分工快速成形技术迄今已出现了几十种工艺，其中大部分工艺都可以制备复合材料，特别是对难加工的金属及陶瓷基复艺都可以制

56、备复合材料，特别是对难加工的金属及陶瓷基复合材料，快速成形技术制备的零件后续加工余量小甚至不需合材料，快速成形技术制备的零件后续加工余量小甚至不需要。要。 快速成形技术制备金属基复合材料主要有两条途径快速成形技术制备金属基复合材料主要有两条途径: :第第一条是一条是用快速成形方法先制备陶瓷预制件，然后用压力浸渗用快速成形方法先制备陶瓷预制件，然后用压力浸渗或无压浸渗的方法将金属溶液浸渗到预制件中或无压浸渗的方法将金属溶液浸渗到预制件中; ;第二条是第二条是将将金属与陶瓷粉末混合均匀后，用高能束熔化金属粉末，直接金属与陶瓷粉末混合均匀后，用高能束熔化金属粉末，直接制备出少无切削加工的颗粒增强金属

57、基复合材料零件制备出少无切削加工的颗粒增强金属基复合材料零件。整理课件1 1 快速成形技术与快速成形技术与SiCp/A1SiCp/A1复合材料复合材料 采用快速成形技术制备采用快速成形技术制备SiCp/A1SiCp/A1复合材料的研究复合材料的研究报道大多集中于前言提到的第一条技术路线，即采用报道大多集中于前言提到的第一条技术路线，即采用快速成形技术先制造出陶瓷预制件，然后浇注铝液得快速成形技术先制造出陶瓷预制件，然后浇注铝液得到。采用第二条技术路线直接得到到。采用第二条技术路线直接得到SiCp/A1SiCp/A1复合材料复合材料的报道则较少，主要有的报道则较少，主要有激光选区烧结制造技术激光

58、选区烧结制造技术和和激光激光熔覆快速制造技术熔覆快速制造技术两种方法。两种方法。整理课件 激光选区烧结快速制造技术中，金属粉末起到了粘结剂激光选区烧结快速制造技术中，金属粉末起到了粘结剂的作用，将陶瓷粉末粘结成形，烧结过程需要在惰性气体的的作用，将陶瓷粉末粘结成形，烧结过程需要在惰性气体的保护下进行。从事激光选区烧结直接制备金属基复合材料的保护下进行。从事激光选区烧结直接制备金属基复合材料的主要研究单位是瑞士联邦材料检测和研究实验室。主要研究单位是瑞士联邦材料检测和研究实验室。 有色金属研究总院程晶等人则采用激光熔覆快速成形技有色金属研究总院程晶等人则采用激光熔覆快速成形技术进行了这方面的尝试

59、，他们基于快速成形原理，通过高功术进行了这方面的尝试，他们基于快速成形原理，通过高功率激光熔化同轴输送的率激光熔化同轴输送的SiCp/AlSiCp/Al复合粉末，可直接制备出具复合粉末，可直接制备出具有一定几何形状的近致密的复合材料，但其可调节的功率范有一定几何形状的近致密的复合材料，但其可调节的功率范围很窄。围很窄。整理课件采用激光制备采用激光制备SiCp/A1复合材料存在的主要问题是复合材料存在的主要问题是: : 铝合金对激光的反射率很高，并且铝的熔化潜热铝合金对激光的反射率很高，并且铝的熔化潜热很高，不易熔化，所以需要足够高的能量密度才能产很高，不易熔化，所以需要足够高的能量密度才能产生

60、熔池。而且熔池一旦形成，液态金属对激光的反射生熔池。而且熔池一旦形成，液态金属对激光的反射率迅速降低，从而使熔池温度急剧升高，导致铝的汽率迅速降低，从而使熔池温度急剧升高，导致铝的汽化及化学反应的发生，因而能量密度又不能过高，工化及化学反应的发生，因而能量密度又不能过高，工艺参数较难控制。艺参数较难控制。整理课件 以下将探讨的电子束烧结快速制造技术使用的以下将探讨的电子束烧结快速制造技术使用的电子束与激光一样同属高能量密度源。与激光不同电子束与激光一样同属高能量密度源。与激光不同的是，电子束加工具有无反射及在真空环境成形材的是，电子束加工具有无反射及在真空环境成形材料不会被氧化等优点，因而在制