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1、电子束直接金属成形技术,一、电子束技术发展及应用概况：电子束的发现至今已有一百多年的历史，“阴极射线”(cathode-ray)的名称出现甚至还在人们了解电子的性能之前。20世纪初的1907年，Marcello Von Pirani进一步发现了电子束作为高能量密度热源的可能性，他第一次用电子束作了熔化金属的试验，成功地熔炼了钽。,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1006-9W/cm2，功率可达到100kW。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。因此，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。此外
2、，电子束的高能量密度使得它在生产过程中的加工效率也非常高。,国内从20世纪60年代初起研究电子束焊接，随后开发了电子束熔炼等技术。80年代，电子束热处理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，无论在应用范围或经济性能方面，比电子束加工有优势。但实际上，电子束加工的优点并没有完全得到展示。,二、电子束加工的原理 电子束加工的原理 在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106一109wcm2)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(几分之一微秒)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几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部
3、熔化和气化，气化的部分被真空系统抽走。,电子束加工原理及设备组成图,电子枪系统,聚焦系统,电子束,工件,抽真空系统,电源及控制系统,2.1 电子束加工的特点：电子束加工的特点(1)电子束能够极其微细地聚焦，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工方法。(2)电子束能量密度很高，属非接触式加工、可加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。,(3)电子束的能量密度高，因而加工生产率很高。例如，每秒钟可在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。(4)由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材
4、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，价格较贵，生产应用有一定局限性。,2.2 电子束加工的应用：(1)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0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼吸附屏的孔，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，高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒3000孔。,(2)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，长度0.8mm，喷丝板厚度0.6mm。为使人造纤维具有光泽、松软有弹性、
5、透气性好，喷丝头的异型孔都是特殊形状。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。,(3)刻蚀 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和孔，如在硅片上刻出宽2.5um，深0.25um的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻蚀出40um宽的线条。还可在加工过程中对电阻值进行测量校准，这些都可用计算机自动控制完成。,(4)焊接 电子束焊接的特点 能量密度高，焊接速度快，
6、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，焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。,电子束焊接的应用：电子束焊接可焊接难熔金屑如铌、钼等。也可焊接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。电子束焊接还能完成一般焊接方法所难以实现的异种金属焊接。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。,因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。又因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，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的零部件，从而可以获得理想的技术性能和显著的经济
7、效益。,(5)热处理 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分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，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0.3一0.8mm。,电子束热处理的特点 类似于激光热处理，但电子束的电热转换效率高，可达90，而激光的转换效率只有7一10。因电子束热处理在真空中进行，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前途。,(6)表面强化 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金层，从而获得更好的
8、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。,三、电子束与快速制造技术 在快速原型技术发展过程中，激光作用巨大。SLA、LOM、SLS的工艺基础都是激光，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，所需激光器功率越来越大，如:激光熔覆快速制造激光器功率一般应达到2-3kW，有的甚至更高(LASFORM激光器功率高达14-19kW)，设备投资巨大，运行成本高。而电子束具有的大功率，高能量利用率，无反射及真空加工环境使其在直接制造金属零件方面具有较突出的优势。,电子束与激光束
9、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7个优点:(1)能量利用率高。电子束的能量转换效率一般为75%以上，比激光的要高许多。(2)无反射、加工材料广泛。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。而电子束加工不受材料反射的影响，很易加工激光加工难加工的材料。,(3)功率高,电子束可以容易地做到几千瓦级的输出;而大多数激光器功率在1-5kW之间。(4)对焦方便，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;而电子束则是通过调节聚束透镜的
10、电流来对焦，因而可在任意位置上对焦。另外,激光束虽然在理论上光斑直径可小于1m,但实际使用中一般达不到,而电子束的束径可达0.1m,比激光小一个数量级,因而能够极其微细地聚焦,加工出的零件或模具精度和细微特征要比激光加工的好。,(5)加工速度更快，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20kHz，不需要运动部件;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。采用电子束代替激光运用于快速成形系统中,可减小加工误差并简化系统装置与控制软件的设计。快速成形系统中激光加工时
11、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,如下图1所示：,图1 RP之激光扫描系统示意图,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子束的强度、位置、聚焦进行直接控制。其位置控制准确度可达0.1um左右，强度和束斑的大小控制误差也在1%以下，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，电子束可控的高速扫描速度能达到900m/s，这也是SLS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，故成形件的内应力必会相应减小，其加工流程图如图2所示。,图2 电子束运用于RP中之加工
12、流程图,采用电子束替代SLS技术中的激光束,最大好处是省去激光扫描部分的机械传动装置,以软件控制代替,从而提高成形精度；且因扫描速度很高,可极大地提高系统效率。另外,利用网络技术,可形成一个以本系统为中心的快速响应制造系统,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方面,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3所示的模块。,图3成型系统控制软件结构模块图,(6)运行成本低，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N2、CO2、He等，尤其是He的价格较高;电子束一般不消耗气体
13、，仅消耗价格不算很高的灯丝，且消耗量不大。(7)设备可维护性好，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;激光器拥有的光学系统则需经常进行人工调整和擦拭，以便其发挥最大功率。,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电子束加工必须在真空环境中进行，从而使得工件尺寸受到一定限制，而且真空系统在一定程度上增加了电子束加工设备的复杂性和实现难度。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。在快速制造领域，电子束真空环境可避免金属
14、粉末(如Ti-6A1-4V)在液相烧结过程中氧化;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。,四、电子束直接快速制造技术4.1电子束直接快速制造技术定义 利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实;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;最后，去除多余的粉末便得到所需的三维零件。,4.2 特点 与选择性激光烧结工艺(SLS)相比，电子束快速制造技术在真空环境下成形，金属氧化的程度大大降低;真空环境同时也提供了一个良好的
15、热平衡系统，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。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;无需工模具，节省了制造成本，并减少了开发时间。,4.3 电子束快速制造技术研究现状 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Gothenburg的Arcam公司的电子束熔化技术EBM(Electron Beam Melting)，其工作原理与SLS类似，采用了一套严格的温度检测控制系统。下图为Arcam EBM S12的设备图，最大成形件尺寸为200mmX200mmX160mm，精度为0.3mm。目前该公司的产品已经在英国
16、Warwick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程研究所CVE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。,瑞典Chalmers工业大学与Arcam公司 电子束熔化 EBM（Electron Beam Melting）,Arcam EBM S12的设备图,成形件,另一种电子束快速制造技术是美国麻省理工学院的John Edward Matz提出的电子束实体自由制造技术EBSFF(Electron Beam Solid Freeform Fabrication)，它与激光近形制造技术LENS(Laser Engineered Net Sha
17、ping)较为类似，电子束固定不动，工作台在计算机的控制下，根据几何形体各层截面的坐标数据进行移动的同时，加工对象(金属丝)通过送丝机构被电子束熔化层层堆积而成。日本Osaka大学及韩国Pohang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。,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316L不锈钢粉末的微观组织结构，其组织细密均匀，没有发现
18、未熔颗粒。,电子束烧结316L不锈钢粉末的微观组织,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功能原型件及制造注射模和压铸模的嵌入件外，还在下列领域具有广阔的应用前景。,5.1 航空航天及汽车零部件 航空航天工业对零部件的性能要求高，批量少，制造成本高。如航空发动机涡轮盘一般采用体积模锻、粉末冶金与热等静压加等温锻技术制造，成本高
19、且存在夹杂，使得产品的疲劳寿命较低。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，能够保证产品的精确成分或高纯度;,而且在涡轮盘不同部位可以采用不同的加工工艺，使得涡轮盘轮缘部分为粗晶，有利于提高抗蠕变能力，轮心为细晶，有利于提高强度及疲劳性能，从而使涡轮盘的使用温度提高，重量减轻。据Arcam公司的网站介绍，一家著名的汽车制造集团购买了一套EBM S12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的应用前景。,5.2 颗粒增强铝基复合材料 陶瓷颗粒增强铝基复合材料是以SiC或A1203等陶瓷颗粒为增强体、铝合金为基体的新型材料。由于该材料既具有其陶瓷颗粒组分的高耐磨性
20、、高硬度(强度)及低膨胀系数的特点，又具有其基体组分铝合金的良好热传导性和低密度的特点，因而得到了世界各国的广泛关注和研究。,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，制约了它们的应用。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，而且可以成形任意形状(如带有冷却通道)的零部件，制造周期短，在复合材料制备领域必将占据一席之地。,电子束直接成形316L不锈钢零件工艺研究,1电子束选区熔化成形技术1.1工作原理 电子束选区熔化成形与激光选区烧结类似,利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理,先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实;然后,电子束在
21、计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化/烧结,层层堆积,直至整个零件全部熔化/烧结完成;最后,去处多余的粉末便得到所需的三维产品。,1.2系统组成 电子束选区熔化成形技术主要有送粉、铺粉、熔化/烧结等工艺步骤,其真空室内具备铺送粉机构、粉末回收箱及成形平台。同时,还包括电子枪系统、真空系统、电源系统和控制系统。其中,控制系统包括扫描控制系统、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。,试验设备为清华大学自行研制的EBSM-I型电子束选区熔化成形设备,成形区域100mm100mm,电子束功率3KW。EBSM-I设备与电子束焊接设备不同之处主要在于其运动系统和扫描控制系统,
22、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,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,扫描速度能达到几千赫兹,从而保证成形区域的“同步熔化”。,2电子束选区熔化成形工艺研究2.1试验材料及方法 试验所用4种材料均为316不锈钢粉末,但制取方法和粒度大小不同,材料1、2为球形或泪滴形的气雾化不锈钢粉末,粒度分别为75和50;材料3、4为不规则形状的水雾化粉末,粒度分别为50和20。,2.2一维试验 分别对以上4种材料进行了一维成形试验。图2为扫描线宽度与扫描速度和束流强度的关系。扫描速度越低,扫描线宽度越大、周围的毛刺越多。束流过低则成形效率低下;束流过
23、大,气雾化粉末易发生粉末被吹开的现象,这和球形气雾化粉末流动性好有关。扫描速度较高时,气雾化粉末会被电子束吹开,这是因为已扫描粉末对周围粉末热传导作用有限,粉末间没有轻微粘结,其抵抗电子束压力的能力有限造成。50气雾化粉末的一维成形能力与75气雾化粉末基本相当。,图2扫描线宽度与扫描速度和束流强度的关系,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。试验发现,无论束流高低,水雾化粉末扫描形成的都是不连续的聚球状扫描线。束流越高得到的球状颗粒直径越大,熔化颗粒的间距也越大。由于水雾化粉末形状不规则,比表面积大,容易发生熔化,扫描速度的高低不会造成粉末被吹开。试验过程中同时发现,水雾化粉末存
24、在不同程度的粉末飞溅现象,飞溅高度在20以内。20水雾化粉末比50水雾化粉末的飞溅现象轻,其原因在于粒度越小,比表面积越大,越易熔化,且粒度越小,粉末的流动性越差,均造成粒度较小的水雾化粉末飞溅程度明显降低。,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,粒度越小的水雾化粉末的飞溅现象越不明显;气雾化粉末能得到连续的致密扫描线,但气雾化粉末的扫描速度过低(15/),与二维、三维成形试验的需要尚有较大的差距,因此,本研究采用气雾化粉末与水雾化粉末相搭配进行二维试验。,2.3 二维试验 根据一维试验结果,二维试验采用材料为气雾化粉末的比例在40%60%,并添加少量(1%3%
25、)助熔剂的混合粉末。按照颗粒大小级配搭配的原则,选取的水雾化粉末粒度为20,松装密度为(2.93.2)103/3;气雾化粉末的粒度为75,松装密度为(4.54.8)103/3;混合粉末的松装密度在(3.84.4)103/3之间。二维试验的扫描方式为单向填充扫描。,本研究的工艺名称为选区同步熔化技术,即将能量分散多次加热粉末,并尽量提高扫描速度,达到“同步”熔化,从而降低温度梯度,减少翘曲、裂纹等缺陷的发生。为此,将该工艺分为3个阶段:“固定粉末”阶段、“粉末预热”阶段和“熔化成形”阶段。,“固定粉末”阶段通过对粉末进行适当预热使粉末粘结在一起,以便为粉末熔化做准备。这一阶段束流不能过高,否则易
26、造成粉末发生明显的聚球现象,因此将束流设定在0.30.5之间。扫描速度适中,如果扫描速度过快,粉末易飞溅;扫描速度过低,粉末则易聚球。“粉末预热”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,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。,“粉末熔化”阶段不仅要保证粉末完全熔化,而且要保证温度场均匀,因为温差过大容易产生热应力,造成层片翘曲。扫描速度过快,粉末达不到完全熔化;扫描速度过慢,粉末熔化容易聚球,导致层片不连续。通过工艺试验,最终确定扫描速度在100200mm/s之间。,通过以上分析,初步确定的各个阶段扫描工艺参数见表1,电子束加速电压维持在50KV不变
27、。从表1可以看出,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。对于本试验所选用的混合粉末,束流为0.3mA,扫描速度为300mm/s,扫描线间距为0.1mm。粉末预热阶段则主要通过数值模拟,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。通过数值模拟,本阶段的扫描次数确定为3次,束流从1.0,1.5,2.0mA逐级增加,扫描速度相应为400,600,800mm/s,扫描线间距为0.4mm。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参数选择,采用的正交表为9(34),因素水平如表2所示。,经过对熔化成形阶段不同工艺参数的试验,以层片无空洞
28、、断裂及不翘曲为考核指标并进行级差分析,确定的工艺参数为束流2.5mA,扫描速度为100mm/s,扫描线间距为0.1mm,其中扫描速度和聚焦方式对二维试验结果影响不大。,2.4三维试验 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,但对层片之间的粘结影响非常大,扫描速度为100mm/s时,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式成形的三维实体试样在KH1000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,大部分为等轴晶粒的奥氏体组织,每层上表面晶粒较为粗大,并有少量未熔颗粒;下表面晶粒则
29、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,但对于不连续的金属粉末来说,电子运动到金属粉末的空隙中无法继续前行所造成。,电子束快速制造技术制备SiCp/A1复合材料,颗粒增强金属基复合材料(MMCs)，尤其是碳化硅颗粒增强的铝基复合材料(简称SiCp/Al)已成为MMCs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了巨大的应用潜力。该材料主要的两种制备方法是:液相法和固相法。其中液相法的常见问题，如SiC颗粒与铝合金熔液浸润性差、SiC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SiCp/Al复合材料的性能。粉末
30、冶金法也由于设备昂贵、工艺复杂等问题，制约了该材料在工业生产中的应用。因此，SICp/Al复合材料的研究开发工作一度跌入低谷。但最近几年，SICp/Al复合材料作为关键性承载构件在先进飞机上找到了出路，应用前景日趋看好，其研究开发工作也再度升温。,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。快速成形技术制备金属基复合材料主要有两条途径:第一条是用快速成形方法先制备陶瓷预制件，然后用压力浸渗或无压浸渗的方法将金属溶液浸渗到预制件中;第二条是将金属与陶瓷粉末混合均匀后，用高能束熔化金属粉
31、末，直接制备出少无切削加工的颗粒增强金属基复合材料零件。,1 快速成形技术与SiCp/A1复合材料 采用快速成形技术制备SiCp/A1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SiCp/A1复合材料的报道则较少，主要有激光选区烧结制造技术和激光熔覆快速制造技术两种方法。,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。有色金属研究总院程晶等人则采用激光熔覆
32、快速成形技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SiCp/Al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围很窄。,采用激光制备SiCp/A1复合材料存在的主要问题是:铝合金对激光的反射率很高，并且铝的熔化潜热很高，不易熔化，所以需要足够高的能量密度才能产生熔池。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。,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。与激光不同的是，电子束加工具有无反射及在真空环境
33、成形材料不会被氧化等优点，因而在制备SiCp/A1复合材料中不仅能克服激光熔覆工艺中铝合金不易熔化及熔化后反射率过低引起的温度升高等不利因素，而且可以有效避免铝合金熔液的氧化，是一种非常具有前途的SiCp/A1复合材料制造方法。,2 电子束烧结快速制备SiCP/Al复合材料2.1 工艺路线 与传统的复合材料制备方法相比，电子束烧结快速制造技术提供了一种更为高效便捷的途径，其具体制备工艺路线如下:铝合金粉末和Sic颗粒首先按一定比例在真空球磨机上进行机械混合后送人专用的储料箱或送粉缸，然后采用辊子或刮平装置将送人到工作平台上的复合粉末在基板上均匀铺平，电子束在计算机的控制下按照扫描轮廓进行扫描烧
34、结。烧结完毕后，工作台下降一定高度，进行下一层的烧结，层层堆积，最后得到整个零件。电子束烧结快速制造原理如图2所示。,图2 电子束烧结快速制造示意图,2.2 主要特点 采用电子束烧结快速制造技术制备SiCp/Al复合材料的特点主要有:(1)避免氧化。传统铸造法制造工艺中铝合金的氧化一直都是制约材料性能提高的一个重要因素，而电子束具有的真空环境正好可以避免铝合金的氧化。(2)能量利用率高、无反射。与激光熔覆快速制造技术和激光烧结技术相比，铝合金对电子束的反射率几乎为零，大部分能量都被铝合金所吸收，不存在熔池温度急剧升高的可能性，进而Al与Sic反应生成脆相Al3C4的几率降低了，工艺参数选择范围
35、大。,(3)可以制备任意体积分数的SiCp/Al复合材料。利用粉末冶金法的混粉工艺可以得到不同体积分数的SiCp/Al复合粉末，从而使得电子束烧结技术不仅可以制备出低体积分数的结构级复合材料，而且可以制备出中、高体积分数的光学级和电子级SiCp/Al 复合材料，在一台设备上可以制备多种体积分数的SiCp/Al复合材料。(4)成形速度快。粉末冶金法采用的是固态烧结，烧结周期长，工艺复杂;电子束烧结采用的则是液相烧结，颗粒与基体的润湿性好，工艺流程短。,(5)任意形状件成形。电子束烧结快速制造技术可以成形复杂的中空耐热SiCp/Al 零件，通过电子束熔化金属粉末形成金属微滴并组装(堆积)，此微滴几
36、乎可以成形任意形状的零件，成形件具有较高的精度，避免了脆性复合材料二次加工至所需形状的困难。,电子束选区烧结系统粉末操纵装置,一、粉末操纵装置设计需求分析 电子束选区烧结系统由5个子系统构成。工艺控制子系统是整个系统的中枢,控制、协调系统各部分的工作以实现电子束选区烧结工艺;束流扫描子系统和粉末操纵子系统负责对系统中的物质流(粉末材料)进行处理,是工艺的最终执行部分;数据处理子系统负责系统中数据流的管理与维护,为控制驱动子系统提供数控文件;环境控制子系统为工艺提供必要的环境条件,如真空度、温度等。粉末操纵子系统由粉末操纵装置及控制驱动部分组成。粉末操纵装置是电子束选区烧结系统的重要组成部分。,
37、常规电子束加工工艺的加工对象一般为金属零件,真空室内需要三维工作台或旋转工作台以及卡具等。而电子束选区烧结设备的真空成形室内需安装粉末材料操纵装置,以实现与激光选区烧结工艺类似的粉末储、供、铺、压等功能和Z轴升降功能。由于电子束加工的特殊性,使得电子束选区烧结工艺对粉末操纵装置有如下五个方面的特殊要求:,(1)真空成形室的大小直接影响设备的成本,因此要求在满足要求的前提下,粉末操纵装置尽量紧凑,尽量减小真空室内空间。(2)电子束在真空室内的运动极易受到磁场干扰,因此需要尽量避免真空室内磁性材料的存在。(3)实验研究标明,真空室进气时刻会产生较强气流,而工艺使用的材料均为细小金属粉末材料,重量很
38、小,极易被气流吹起,有损害真空室内运动部件的可能,因此要求粉末操纵装置在结构上有防范这一事件的能力。,(4)由于工艺在封闭的真空室中进行,无法在工艺过程中添加成形材料,因此需要粉末操纵装置具有足够的材料存储空间。(5)为了充分利用电子束扫描无惯性的特点,该粉末操纵装置无需实现扫描的机械结构,这一点与激光选区烧结有很大不同。,二、粉末操纵装置设计 如上所述,电子束选区烧结对粉末操纵装置的要求与激光选区烧结有很大不同,必须在设计环节中予以充分考虑。同时作为选择性烧结工艺中的一种,电子束选区烧结仍然要求该粉末操纵装置实现一般该类工艺中粉末操纵装置的功能,即粉末的存储、按需供给、铺平、压实、以及多余粉
39、末的回收、Z轴升降等。以下从几个方面讨论装置的设计。,2.1 总体布局与材料选取 在总体布局上应充分利用空间,以求最大限度减小真空室体积;在制造选材上，应尽量考虑非磁性材料,以避免因磁化而对电子束扫描精度和聚焦性能产生影响;电动机等动力元件本身带有磁场，因此需要尽量布置在真空室外或采取磁场屏蔽措施。,2.2 真空系统针对性设计 鉴于真空室进气时气流冲击的问题,也对真空系统进行了针对性设计,基本技术路线是减小真空阀单个进气口面积,而增加进气口数量,在工作时采取逐一打开的方式,避免了大量气体瞬间涌入真空室而吹飞粉末现象的出现。,2.3 储、供料方式设计 选区烧结工艺的加工对象是粉末材料,有2种供料
40、方式:下置供料和上置供料。下置供料均采用活塞缸式,其特点是供料步骤简单,供料行程非常小,供料量可以精确控制。但结构不够紧凑且相对复杂,会造成成型室内空间的较大浪费,这在电子束选区烧结中是不可取的。此外活塞缸供料时缸内所储粉末必须全部被推动,对摩擦力和重量较大的金属粉末来说,所需驱动功率较大。,上置供料的料斗式供料则较好地利用了成型室内的空间,供料时利用重力使粉末自动填满料斗下端供料后留下的空位而不需对粉末做整体推动,因此功率很小,供料机构可以设计的十分紧凑。此外,料斗供料机构可与装置其他部分结构相对独立,相对于其他部分装配精度要求较低,更换粉末材料和维护十分方便,符合模块化设计思想。基于以上考
41、虑,本系统中采用了料斗式储、供料方式。,2.4 粉末铺压机构设计 选区烧结工艺对铺粉机构的基本要求是将粉末在成形区域均匀铺平并使之具有一定的密实程度。目前采用的铺粉方式主要有4种:滚筒式、刮板式、移动料斗式以及上述几种组合而成的复合式。,滚筒式铺粉中滚筒做旋转和平动合成运动,利用对粉末向前的推力分量和粉末的流动性将多余粉末推走,并利用圆弧外形将未推走的粉末压平。刮板式铺粉中刮板仅做平动,一般仅能铺平,而无法压实粉末。若其工作边有圆弧或楔形特征结构时,则可以实现压实功能。,这两种铺粉方式均适用于下置供料方式。对于上置供料,由于在粉末从供料机构出口到铺粉平台之间存在一段自由落体运动,有造成粉末飞散
42、并污染设备的可能。移动料斗适合于上置供料方式。就铺粉和压实功能方面而言,与刮板相似,其优点在于整个铺粉过程中粉末的运动均受到严格的控制,在最终铺平之前始终保存在总料斗或移动料斗中,避免了前两种铺粉方式中出现的粉末自由流动阶段,有利于保持成型室的清洁。,上述这3种基本的铺粉方式在实现铺平和压实的功能方面均存在缺陷。对滚筒式而言,虽然可以实现粉末铺平与压实,但当滚筒最低点速度不为零时,会与已压实粉末之间产生水平方向的摩擦力,造成粉末层或制件移位甚至产生裂纹。工作边有圆弧或楔形特征的后两种方式也存在这一问题。没有压实功能的刮板与移动料斗本身不具备完整的粉末铺压功能。基于以上考虑,本系统中采用了滚筒-
43、移动料斗复合铺粉方式。移动料斗在平移中将粉末铺平而未压实,滚筒以平动加转动的方式实现粉末的压实。,2.5 Z轴传动设计 Z轴的功能是实现升降平台的升降,为了满足小层厚成形的要求,需要较高的定位精度。目前在选区烧结系统Z轴传动中得到应用的有齿轮齿条和滚珠丝杠两种传动方式。齿轮齿条传动结构简单,成本低,但在无减速环节的条件下所需驱动力较大,且精度有限,难以满足小层厚的要求。滚珠丝杠传动能满足很小的层厚要求并保证较高的精度,另外由于丝杠自身的减速作用使得所需驱动功率较小。,基于以上考虑,本系统中Z轴采用滚珠丝杠传动。Z轴传动机构的布局直接影响粉末操纵装置垂直方向的高度,进而影响真空室的高度,因此合理设计Z轴传动机构的布局对减小真空室,降低设备成本有重要意义。本系统中Z轴驱动以及传动部分均布置在真空室外,通过真空直线运动动密封将直线运动传入真空室内直接驱动升降平台运动。这样的布局使升降平台的有效行程从铺粉平台延伸到接近真空室底部,充分利用了真空室内的空间。,一般讲真空动密封的采用均在一定程度上影响真空室内真空度的提高,但电子束选区烧结系统的Z轴运动方式为断续、微步进式运动,且在工作过程中仅做指向真空室外的单向运动,因此不易将真空室外的气体携入真空室,能够将动密封对真空度的影响减到最小。,
