清華大學(xué)機(jī)械工程系林峰教授：電子束選區(qū)熔化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

2020年8月20日-21日，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)在安徽蕪湖市舉行，此次年會(huì)由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對(duì)本次會(huì)議進(jìn)行了直播。

△ 清華大學(xué)機(jī)械工程系教授 林峰

在“中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇”上，清華大學(xué)機(jī)械工程系教授林峰做了《電子束選區(qū)熔化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展》的主題演講，以下是本場(chǎng)演講的現(xiàn)場(chǎng)速記，經(jīng)大會(huì)組委會(huì)授權(quán)發(fā)布，希望對(duì)國(guó)內(nèi)關(guān)注電子束3D打印技術(shù)的讀者有所啟發(fā)。

林峰（清華大學(xué)機(jī)械工程系教授）：謝謝張老師的介紹，也感謝工信部裝備司、聯(lián)盟提供這個(gè)機(jī)會(huì)讓我們交流我們研究的成果。我今天介紹的是電子束選區(qū)熔化技術(shù)，這是一種熔融技術(shù)，我來(lái)自清華大學(xué)機(jī)械工程系。

這是我今天的提綱，這是今天上午凌晨五點(diǎn)半左右，我們拍攝的蕪湖的清晨，這預(yù)示著增材制造的事業(yè)蒸蒸日上，各位各位領(lǐng)導(dǎo)、各位嘉賓都能在增材行業(yè)發(fā)展取得你們的成果。

我今天先介紹電子束選區(qū)熔化技術(shù)的基本概念和進(jìn)展，也介紹我們的工作，一個(gè)是基于二次/背散射電子的形貌探測(cè)，還有一個(gè)是我們?cè)谘邪l(fā)的電子束/激光復(fù)合的技術(shù)。

首先介紹一下電子束選區(qū)熔化。

我們知道金屬制造有兩大類技術(shù)就是鋪粉和送粉。鋪粉標(biāo)準(zhǔn)上叫Powder  Bed粉末床熔融，用激光比較多一些。激光的特點(diǎn)就是精度比較高、熔池比較小，所以做一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是它的特點(diǎn)，像高孔、薄壁的結(jié)構(gòu)是它的優(yōu)勢(shì)，比送粉的尺寸稍微小一點(diǎn)，這是它的特點(diǎn)。但是和它不一樣的地方就是電子束，它們倆最大的區(qū)別就是能量的對(duì)應(yīng)，激光能量的轉(zhuǎn)化率和利用率低一些，不同的材料吸收率還不一樣，所以激光和材料是相關(guān)的，電子束正好相反，能量的利用率高、轉(zhuǎn)化率高，而且不同材料對(duì)于電子束能量的吸收是相似的，所以總的能量效率高一些。

激光的不足是溫度低了以后粉床溫度很低，一般不超過(guò)200度，帶來(lái)一些問(wèn)題比如致密度不足，成形效率較低，后處理較復(fù)雜，因?yàn)楹筇幚硪�去支撐，結(jié)構(gòu)要比較強(qiáng)壯才能防止變形。電子束正好相反，電子束有一個(gè)預(yù)熱過(guò)程，這個(gè)預(yù)熱過(guò)程可以把粉末床的預(yù)熱到一千度甚至一千一百度，所以它的預(yù)熱也是得力于能量的利用率和吸收率高，另外有很快的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎速度，可以在幾個(gè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行加熱，效率高一些。所以它的優(yōu)點(diǎn)就是粉末床溫度高，可以加熱到五六百度以上甚至一千度以上，內(nèi)應(yīng)力小，好處就是可以做一些脆性的材料，另外可以做電掃描，無(wú)機(jī)械慣性，所以沉積效率高一些。這是電子束打的零件，包括葉片。

這個(gè)技術(shù)在世界上最先推出來(lái)的是瑞典Arcam公司，從2002年推出第一款商品化EMBS-12系列，這是最早的系列用于醫(yī)療植入體和發(fā)動(dòng)機(jī)的零件上。A2主要是對(duì)航空航天的應(yīng)用，目前打印尺寸是200×200mm。后來(lái)推出的Q20系列，也就是針對(duì)醫(yī)療植入級(jí)的加工，這是在國(guó)際上做得非常領(lǐng)先的。另外它在TIAI葉片上、發(fā)動(dòng)機(jī)的零件上也展示了低應(yīng)力制造的優(yōu)勢(shì)。這是2019年巴黎航展上GE公司宣布為其在意大利增加制造葉片的生產(chǎn)規(guī)模，它已經(jīng)有了35臺(tái)設(shè)備，另外要再增加10臺(tái)F系列和17臺(tái)A系列，這也反映電子束選區(qū)熔化已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化、規(guī)模化的生產(chǎn)階段，所以GE公司在這方面有非常大的推動(dòng)作用。

清華是從2004年開始在國(guó)家自然科學(xué)基金“電子束金屬粉末熔融沉積成形工藝研究”的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，中間也開發(fā)的一些工程化的實(shí)驗(yàn)，中科院合肥的物質(zhì)研究院來(lái)應(yīng)用一些特殊材料的研究。清華學(xué)校里有一臺(tái)自己實(shí)驗(yàn)性的設(shè)備，在這上面實(shí)現(xiàn)了電子束和激光復(fù)合的新的工藝。

我們開發(fā)的特點(diǎn)是可以用兩種材料，因?yàn)楫?dāng)時(shí)從研究角度去開發(fā)這個(gè)設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可以提供兩種材料進(jìn)行梯度結(jié)構(gòu)的成形，這也是國(guó)際上比較少的在粉末床熔融工藝上比較特殊的工藝。這是我們開發(fā)的設(shè)備，可以看到兩個(gè)粉箱，分別裝不同的材料，形成梯度。我們把這個(gè)技術(shù)在2015年的時(shí)候進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，之前是通過(guò)學(xué)校方式給用戶提供設(shè)備，后來(lái)我們發(fā)現(xiàn)這種方式不能持續(xù)，所以就開始產(chǎn)業(yè)化，利用清華大學(xué)在天津的高端裝備研究院這個(gè)平臺(tái)成立了天津清研智束公司，提供的Qbeamlab設(shè)備算是世界上比較獨(dú)特的設(shè)備，特點(diǎn)就是可以做兩種材料的梯度結(jié)構(gòu)。這個(gè)產(chǎn)品也銷售到了俄羅斯，還是非常滿意的。

另外最近在國(guó)家科技部的支持下開展大尺寸的EBSM設(shè)備，可以做到高度是400mm，我們這個(gè)是方形的。

除此之外我們利用電子束和材料的相互作用的特點(diǎn)，利用二次電子信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)的功能，可以把表面信號(hào)探測(cè)出來(lái)。這個(gè)視頻可以看到逐層拍攝和成像信號(hào)，通過(guò)這個(gè)可以知道我們的工藝，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，有70多個(gè)反饋信號(hào)，而且可以上網(wǎng)可以在手機(jī)APP上，機(jī)器一開工你可以回家，在手機(jī)APP就可以看到這個(gè)設(shè)備運(yùn)行的情況，這套是聯(lián)網(wǎng)的。

除了這個(gè)之外我們把鋪粉過(guò)程、加熱過(guò)程和熔化過(guò)程模擬了之后把多尺度計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，整個(gè)熔化過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)的建模方式去研究包括傳熱、蒸發(fā)、流動(dòng)各種物理變化都可以很細(xì)致地在微米和微秒尺度上把這個(gè)過(guò)程再現(xiàn)出來(lái)，這對(duì)于我們的研究，對(duì)于材料的成形過(guò)程包括參數(shù)和特點(diǎn)提供很好的支持。

在此基礎(chǔ)上我們可以做到多道成形過(guò)程的三維模擬，掃完一道再掃一道，這是在單層面上，相當(dāng)于掃了一道，掃完之后再鋪一層粉末，鋪完之后再去粉末上去熔化，這個(gè)過(guò)程現(xiàn)在都可以仿真出來(lái)，這在國(guó)際上能做的沒(méi)有幾家，一般它就是最簡(jiǎn)化的，做了很多簡(jiǎn)化，所以這是多尺度、全流程的設(shè)計(jì)為我們認(rèn)識(shí)這個(gè)工藝的過(guò)程提供良好的模型支撐，為表面的形貌的形成和缺陷形成、邊緣形狀有了很好的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)。

這是利用我們的設(shè)備打印的零件，包括鈦合金的葉輪、硬質(zhì)合金試樣和銅合金的蜂窩結(jié)構(gòu)，不同的材料。

左邊是TH，我們利用選擇性蒸發(fā)的技術(shù)，通過(guò)在不同的區(qū)域給它輸入不同的能量，使里面元素的恢復(fù)不一樣，這是在TIAI金屬化合物的基礎(chǔ)上，把TH兩個(gè)字鋁的成分大量蒸發(fā)，變成另外一種新的材料，這兩種材料形成梯度結(jié)構(gòu)，或者一種多材料的非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可以很好地控制材料的分布，控制性能要比通過(guò)多材料輸入的方式更加可控。TH這兩個(gè)字是通過(guò)材料的蒸發(fā)，我們是用選擇性蒸發(fā)的方式得到多材料的結(jié)構(gòu)。右邊這個(gè)圖是我們打印的EBM制備的鎳基合金738定向/單晶試，表面是柱狀形，中間還有一塊均勻的我們認(rèn)為是形成了單晶，左邊這塊單晶結(jié)構(gòu)非常大，所以我們希望通過(guò)這種方式能夠得到一些單晶結(jié)構(gòu)，也是發(fā)揮電子束對(duì)材料的控制性的特點(diǎn)。

這是我們打印的一些醫(yī)療器械，包括椎間融合器、髖臼杯、下頜骨，電子束打印的特點(diǎn)比激光器打的要粗，這一般來(lái)說(shuō)是一個(gè)缺點(diǎn)，但是對(duì)醫(yī)療來(lái)說(shuō)反而是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這是打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，做一些點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)。

目前在天津的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)形成了三個(gè)系列產(chǎn)品：一個(gè)是Lab系列，針對(duì)科研用試驗(yàn)用可以做雙金屬梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；中間是Med設(shè)備，主要針對(duì)醫(yī)療器械生產(chǎn)，可靠性和穩(wěn)定性大大提高，針對(duì)單晶陰極，壽命達(dá)到一千小時(shí)。后面是Aero針對(duì)航空航天領(lǐng)域?qū)Ｓ�，尺寸�?50×350×400，裝備的電子槍也是到了6千瓦。這是打印的葉片材料，包括鈦鋁的葉片材料，十幾片或者二十幾片同時(shí)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率也提高了。

這是我們現(xiàn)在在電子束選區(qū)熔化的進(jìn)展。

再下面介紹一下二次電子背散射用于探測(cè)表面信號(hào)的。

電子束打印材料表面除了80%的能量被材料吸收以外，有部分能量以X射線或者伽馬射線反射出來(lái)，還有一部分成為背散射電子或者散射電子，我們?cè)陔娮邮�的成形過(guò)程同樣有這些信號(hào)產(chǎn)生，所以這個(gè)真空室里面伽馬射線輻射很強(qiáng)，所以里面的很多電子元器件容易被破壞，所以很多傳感器放在那里很容易被破壞掉。但是二次電子這種接收傳感是比較簡(jiǎn)單的，一塊金屬片就可以接收電流信號(hào)。所以我們通過(guò)對(duì)二次電子的信號(hào)接收來(lái)判斷表面的形貌。這是我們把一塊錢硬幣放在成形平臺(tái)上，從頂端收集反射的二次電子，就可以把表面形貌重構(gòu)出來(lái)，它反映了表面的起伏情況。同樣我們把打印的試樣放在那里也可以把形貌反映出來(lái)，當(dāng)然這個(gè)試樣反映出來(lái)只能看到起伏的形狀，并不能準(zhǔn)確判斷這是凹出來(lái)的地方或者凸出來(lái)的地方，或者有些復(fù)雜的情況判斷不清楚。這是每一層都拍攝二次電子的成像，我們也可以對(duì)它進(jìn)行監(jiān)測(cè)，后面可以追溯成形過(guò)程，但是沒(méi)法判斷到底是什么形貌，是凹還是凸，所以我們開發(fā)一種新的方式把電子的接收器同時(shí)放在兩邊，從兩個(gè)側(cè)面接收二次電子的信號(hào)，這樣更好地反應(yīng)形貌的變化。左邊和右邊信號(hào)對(duì)于一些起伏比較緩的凹坑和凸起，兩邊信號(hào)完全相反，這邊是高的時(shí)候那邊就低，那邊低的時(shí)候這邊就高，對(duì)于很深的洞，電子進(jìn)去以后它出不來(lái)，哪個(gè)方向都出不來(lái)，所以它的信號(hào)兩邊都是向下，都是一個(gè)減弱的信號(hào)。通過(guò)兩側(cè)的信號(hào)的比對(duì)，我們就可以判斷它是高出來(lái)還是凹下去，還是很深的洞，這使我們判斷這個(gè)形貌有更加豐富的信息。下面這個(gè)圖是左邊和右邊相減，相減以后可以加強(qiáng)某一側(cè)起伏的變化，如果把兩邊信號(hào)加在一起以后起伏比較緩慢的部分就相互抵消了，顏色變淺，中間深坑的地方有一個(gè)很深的洞的地方就加深了，那我們就判斷起伏的地方可能是我的參數(shù)不太合理，電子束的功率、掃描的速度可能不太合理，如果是黑的深坑的那個(gè)地方，那個(gè)地方是有一個(gè)洞，可能形成孔洞缺陷，我們?cè)O(shè)法修補(bǔ)它，利用這個(gè)特點(diǎn)就可以實(shí)時(shí)在線檢測(cè)表面形貌，有些缺陷可以在成形過(guò)程對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修復(fù)。

在這以外進(jìn)行電子束激光的復(fù)合，剛才說(shuō)了電子束和激光束的優(yōu)劣勢(shì)，這兩個(gè)有互補(bǔ)性，那我們可以把它們加在一起綜合起來(lái)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，合在一起以后電子束激光復(fù)合選區(qū)熔化，就是EB-LHM（電子束-激光復(fù)合選區(qū)融化）。

樸素的想法就是通過(guò)粉末床，電子床把粉末床加熱到一定溫度，用激光掃描輪廓表面，用電子束填充中間，我們做了一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，第一個(gè)是表面和內(nèi)部的填充都是用電子束掃描的；第二個(gè)是表面和內(nèi)部都是用激光掃描的；第三個(gè)是表面用激光掃描，中間用電子束掃描�？v坐標(biāo)是表面粗糙度，可以看到電子束的選區(qū)表面的光潔度提高了，但是跟激光還是有點(diǎn)差距，所以至少用激光和電子束復(fù)合可以改善電子束成形零件的表面質(zhì)量。

另外我們利用電子束和激光的不同特點(diǎn)，可以控制粉末床的溫度，對(duì)于電子束可以用激光進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)燒結(jié)讓它不吹粉，這樣把粉末床的溫度降下來(lái)，因?yàn)榉勰┐驳臏囟燃痈吆芏嘤锰幨欠乐勾捣坌��?yīng)，用電子束把粉末床的溫度提高之后純粹用激光成形，這兩者都試了一下�？梢钥吹接秒娮邮鴣�(lái)講如果把粉末床的溫度降低以后，它的拉伸性能會(huì)提高，但是延展率會(huì)降低一些。比較有意思的對(duì)于激光來(lái)講，如果把粉末床溫度常規(guī)的200度以下升高到七八百度以后，我們成形的TC4的材料拉伸以后延展長(zhǎng)度略有提高，但是延展率也提高了，拉伸塑形也提高了，所以我們把粉末床的溫度提高一定程度以后把強(qiáng)度和韌性都有所提高。這點(diǎn)我們覺(jué)得還是很有意思，粉末床的溫度對(duì)于材料的成形，對(duì)于材料性能起到非常關(guān)鍵的核心作用。所以激光的作用范圍是光斑比較小、能量比較低，電子束的光斑比較大、能量比較高，它們兩者是互補(bǔ)關(guān)系，但是如果從材料成形的角度講，我們?cè)诤艽蟮姆秶�調(diào)整它的光斑大小，在很大的范圍去調(diào)整它的能量高低的話，那我們可以用更多更豐富的手段改變成形工藝、控制材料性能。所以電子束和激光復(fù)合以后可以會(huì)產(chǎn)生很多工藝的特點(diǎn)，得到很多新的有意思的功能，這是我們最近發(fā)展的。比如K4002是難焊高溫合金脆性很強(qiáng)，我們通過(guò)激光電子復(fù)合以后直接可以把裂紋燒除，制作出沒(méi)有裂紋，還是很難的，純粹用激光肯定做不了，純粹用電子束也有難度，復(fù)合起來(lái)可以得到比較好的效果。

我們后來(lái)也在開發(fā)一些設(shè)備，更加集成了，把電子槍和振鏡集成在一起，電子槍配的是3千瓦是常規(guī)的，激光功率是配的1千瓦，利用這個(gè)做一些難架構(gòu)、難焊的材料成形，我們覺(jué)得還是很有希望的對(duì)于難加工的成形問(wèn)題。

結(jié)論：電子束粉末床熔融工藝是一種潛力巨大的增材制造技術(shù)，其能量大、效率高，粉末床可預(yù)熱、制件熱應(yīng)力小，材料適應(yīng)性廣，特別適于一些難加工、脆性材料。另外我們國(guó)家在此領(lǐng)域取得明顯進(jìn)步，包括裝備和理論基礎(chǔ)，以及工藝都取得一定成果，已經(jīng)逐步掌握EBSM自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，推出的國(guó)產(chǎn)裝備已打破國(guó)外公司的壟斷。我們將激光與電子束復(fù)合以后，不但解決了激光選區(qū)熔化和電子束選區(qū)熔化各自的不足，還創(chuàng)新出很多新工藝，大大提高粉末床熔融工藝的材料適應(yīng)性、制件性能的可控性，為解決高性能、難加工材料的成形制造難題提供了新的技術(shù)途徑。

這是我的全部報(bào)告，謝謝大家！