金属机械器件电子束熔化自由成形技术优化

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：图3-102 EBM自由成形过程原理图典型的电子束烧结自由成形系统通常由电子枪、工作室（真空室）、真空系统、电气控制系统和电源等组成［31，34]。图3-106是EBF自由成形系统中采用的送丝机构。图3-109和图3-110是美国NASA用电子束烧结自由成形的铝件。对于电子束烧结自由成形的尺寸为150mm×150mm×160mm的钢工件而言，其尺寸精度在±0.3mm以内，相当于铸造的精度。表3-5 电子束烧结自由成形的Ti6Al4V与H13模具钢的机械性能比较

近年来出现的电子束熔化自由成形有两种：电子束熔化（Electron Beam Melt-ing，EBM）和电子束自由成形（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF）。

图3-102是EBM自由成形工艺过程原理图［32]，它类似于激光烧结自由成形，差别在于其能量源是电子束，而不是激光束。EBM自由成形时，首先在工作台上铺设一层粉材（如金属粉）并压实；然后，电子束在计算机的控制下按照工件截面轮廓的信息进行选择性地扫描，金属粉末在电子束的轰击下被烧结在一起，构成工件一层的截面轮廓，并与下面已成形的部分粘接；一层扫描完成后，工作台向下或电子束向上移动一层高度，进行下一层的铺粉、扫描、烧结，构成工件新一层截面轮廓，并牢固地粘接在前一层上，如此重复直至整个工件成形完成；最后，去除未烧结的多余粉材便得到所需的三维工件。

图3-103是EBF自由成形原理图^［33，36]，它类似于熔融挤压自由成形，差别在于能量源是电子束，而不是热源和挤压力。EBF自由成形时，电子束熔化送丝机构送入的丝材（如金属丝），并选择性地将其沉积在工作台上，逐层地堆积成三维工件。

图3-102 EBM自由成形过程原理图

典型的电子束烧结自由成形系统通常由电子枪、工作室（真空室）、真空系统、电气控制系统和电源等组成^［31，34]。电子枪（见图3-104）是产生和控制电子光学系统的总称，其电极系统由阴极、偏压电极和阳极组成。阴极处于高的负电位，它与接地的阳极之间形成电子束的加速电场。偏压电极可以通过调节其相对于阴极负电位的大小和改变偏压电极形状以及位置来调节电子束流的大小和改变电子束的形状。工作室（见图3-105）常用低碳钢板制成，以便屏蔽外部磁场对电子束轨迹的干扰，工作室表面通常镀镍或作其他处理，以便减少表面吸附气体、飞溅物及油污等，缩短抽真空时间和便于工作室的清洁工作。真空系统用于对电子枪室和工作室抽真空。电源系统包括高压电源、阴极加热电源和偏压电源。图3-106是EBF自由成形系统中采用的送丝机构。

图3-103 EBF自由成形原理图

图3-104 电子枪

图3-105 工作室

图3-106 EBF自由成形系统中采用的送丝机构

与激光束比较，电子束有如下优点^［29，31]：

（1）功率大，功率密度和能量利用率高

大多数激光器功率在1～5kW之间，而电子束的最大功率能达到激光功率的数倍，其连续热源功率密度比激光束高很多（可达1×10⁷W／mm²），并且电子束的能量利用率高（可达到90％以上），而激光束的能量利用率只有约10％。

（2）焦斑小

激光束的理论焦斑直径可小于1μm，但实际使用中一般达不到（在自由成形机上通常为60～100μm），而电子束的焦斑可达0.1μm，比激光小一个数量级，因而能精细地聚焦，有利于成形工件上的细微特征（例如0.76mm的壁）。

（3）扫描速度快

对于工件截面上的二维扫描运动，电子束是通过改变磁偏转线圈电流来实现的，无机械惯性，扫描频率可达20kHz；而激光束是通过振镜的偏转或数控工作台的运动来实现的。因此，电子束的扫描速度更快、控制精度更高。据美国NASA的研究报告，电子束烧结自由成形的沉积效率可在2500cm³／h以上。

（4）对焦方便

激光束对焦时，由于透镜的焦距是固定的，必须移动工作台；而电子束则是通过调节聚焦电流来对焦的，因而可以在任意位置上对焦。

（5）可加工材料广泛

大部分金属（如金、银、铜、铝等）对激光的反射率很高（室温下为40％～95％），熔化潜热也很高，从而导致不易熔化。而且一旦熔化形成熔池后，反射率迅速降低，使得熔池温度急剧上升，导致材料汽化。而电子束可以不受加工材料反射的影响，很容易加工用激光束难以加工的材料，而且有高真空工作环境，可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化，这一点对钛、钛合金和半导体材料的加工尤为可贵。

图3-107和图3-108是用瑞典Arcam AB公司生产的电子束烧结自由成形机制