电子束粉末床熔融增材制造：综述及其在中国的发展

来源：长三角G60激光联盟

清华大学和广西大学的科研人员报道综述了电子束粉末床熔融增材制造及其在中国的发展研究。相关论文以“Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: A Comprehensive Review and Its development in China”为题发表在《Additive Manufacturing Frontiers》上。

增材制造（AM）作为一项举足轻重的创新技术，给制造业带来了革命性的变化。凭借在增材制造领域三十多年的雄厚实力，中国已取得了重要的里程碑式成就，在相关机械和产品的部署和出口方面已成为全球重要的参与者。中国在粉末床熔融技术领域的突出地位体现在其巨大的市场份额上。电子束粉末床熔融技术（EB-PBF）以其低残余应力和高成型效率而著称，在国际上已引起了广泛关注。自2004年清华大学启动第一项EB-PBF研究以来，中国在这一领域取得了稳步进展，实现了EB-PBF设备的商业化，并开发了多样化的产品线。本综述重点介绍了EB-PBF的研究进展，重点关注其在中国的发展，探讨了新技术，并对未来的发展提出了见解。

图1.电子束增材制造示意图(a)送丝；(b)EB-PBF

图2.(a)EB-PBF机器系统图；(b)EB-PBF制造过程

图3.EB与激光的能量转换

图4.(a)GE9X 发动机；(b)通过EB-PBF生产的TiAl涡轮叶片

图5.（a）通过EB-PBF生产的Trent XWB97K前轴承叶片；（b）通过GE Additive生产的发动机喷嘴

图6.通过EB-PBF生产的髋臼杯

图7.商业化EB-PBF机器概览

图8.清华大学的EB-PBF发展里程碑

图9.清华大学的EB-PBF机器：（a）EBSM-150；（b）EBSM-250I；（c）EBSM-250II；（d）EBSM-250III

图10.EB-LHM工艺

图11.EB-PBF工艺当前可能的建模策略概览

图12.熔池模拟结果：(a)平行热自由表面晶格玻尔兹曼法；(b)有限体积法

图13.EB-PBF形成的不同尺寸In738合金单晶：（a）成型扫描策略；（b-g）成型尺寸逐渐增大的单晶

图14.（a）Freemelt公司的Pixelmelt®技术；（b）通过EB-PBF的点熔技术制造的SDSS 2507 样品

图15.机器学习在增材制造中的应用

图16.预测EBM制造部件的内部缺陷

AM被认为是未来制造业的主要发展动力。近年来，EB-PBF技术作为一种极具发展潜力的金属增材制造方法，在攻克技术难关的同时逐步走向产业化，在航空航天、医疗器械等行业得到了广泛应用。中国在EB-PBF方面的基础性研究已获得国际认可，实现了自主研究和设备开发。中国在大规模和混合型EB-PBF技术方面取得了显著进展。近年来，EB-PBF产业在科学研究和商业应用方面取得了快速发展。然而，该技术仍有进一步发展和改进的潜力。需要进一步研究的主要领域如下：

(1)扩大规模和阵列喷枪的稳定性：大型L-PBF设备能够通过阵列扫描技术成型宽度超过1 米的零件，它的出现凸显了在EB-PBF方面取得进步的必要性。与激光设备相比，电子枪的阴极寿命和稳定性相对较短，因此需要进一步研究EB-PBF设备的可扩展性。

(2)电子枪技术：提高电子枪的加速电压，提高电子束光斑的精度，延长电子枪的使用寿命，对于EB-PBF的大规模工业化生产至关重要。

(3)集成化和智能自动化：加强EB-PBF工艺的集成化和智能自动化至关重要。建立一个包括粉末生产、零件制造和粉末回收的闭环制造生态系统，可以优化整个生产生命周期。采用工业4.0原则、实时监控制造质量、动态调整工艺参数，以及利用人工智能和大数据在打印过程中做出明智决策，可显著提高EB-PBF的精度和效率，降低生产成本。

(4)模拟驱动的工艺优化：利用仿真能力建立预测模型，将打印参数与零件性能（包括温度曲线、溶质分布、冷却速率和晶粒生长动态）联系起来，可显著减少缺陷，加快材料开发，最终实现卓越的产品质量。

(5)创新材料和工艺开发：目前，EB-PBF可用于生产医用钛合金以及不可焊接或易产生裂纹的合金（如高温合金和金属间化合物），这凸显了扩大可打印材料范围的必要性。因此，开发用于EB-PBF的专用金属粉末减少缺陷和冒烟现象至关重要。此外，多合金混合粉末的原位合金化和制定粉末再利用准则保持质量标准也是需要探索的重要领域。

(6)理论和表征方面的进步：创新的理论框架和表征技术对于更好地理解AM部件的微观结构与性能之间的相互作用至关重要。这可以加深对工艺参数、微观结构和零件性能之间错综复杂关系的理解。

(7)增材/减材混合制造：目前，EB-PBF在形状稳定性和精度方面存在局限性，因此，除了提高形状精度和效率外，还有必要探索混合制造模式，将电子束、超快激光和数控加工的优势结合起来。