電子束金屬增材制造的缺陷形成和過程控制綜述

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

電子束熱源由于其能量效率高，能夠利用自身的高掃描速率在真空環(huán)境下維持高溫環(huán)境，在加工一些特殊高性能材料時具有一定的優(yōu)勢。然而，缺陷阻礙了電子束增材制造（EBAM）的進一步應用。不穩(wěn)定的熔池會導致一些與加工穩(wěn)定性相關的缺陷，如冒煙、飛濺、附著力低、表面粗糙度高、殘余應力和變形高、元素蒸發(fā)等，進而引起微觀結構層面的缺陷，如孔隙率、各向異性和微觀結構、裂紋和位錯的不均勻性。而且，EBAM在高預熱溫度和高真空環(huán)境下的缺陷形成過程更加復雜，難以完全理解。因此，建立缺陷形成機制與加工穩(wěn)定性之間的關系對于控制缺陷、改善性能具有重要意義。

北京航空航天大學、中國航空制造技術研究院、南京理工大學、清華大學和北京衛(wèi)星制造廠等五單位研究人員在《Journal of Manufacturing Processes》期刊共同發(fā)表最新綜述文章“Electron beam metal additive manufacturing: Defects formation and in-process control”，基于電子束-材料相互作用因素，系統(tǒng)地描述了選擇性電子束熔化（SEBM）和電子束自由成形（EBF3）技術中這些缺陷的形成機制。該文討論了缺陷對拉伸和疲勞性能各向異性以及顯微硬度不均勻性影響的根本原因。此外，還總結了一些從影響熔池動力學因素方面控制缺陷的過程控制方法，包括沉積過程中熱工藝條件的控制、粉末改性和原位線材合金化以及過程在線輔助。這些方法將成為未來EBAM的進一步研究點，并能推動EBAM技術進一步應用以細化增材制造在特種高性能材料領域的需求。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應用！

電子束增材制造（EBAM）由于其能量效率高，并且能夠利用自身的高掃描速率在真空環(huán)境下維持高溫環(huán)境，因此在加工一些特殊高性能材料時具有一定的優(yōu)勢。本文分析了與加工穩(wěn)定性相關的缺陷和顯微組織缺陷的形成機制，介紹了EBAM加工穩(wěn)定性變量對缺陷的影響，以及缺陷對拉伸和疲勞性能各向異性以及材料不均勻性影響的根本原因。評估了顯微硬度，并深入探討了控制缺陷的工藝策略。可以得出以下結論：1）加工穩(wěn)定性相關水平顯示出冒煙、飛濺、附著力較低、表面粗糙度高、殘余應力和變形高以及元素蒸發(fā)等缺陷，這些缺陷主要取決于影響熔池動力學的這些因素的變化。在微觀結構層面，存在孔隙、微觀結構的各向異性和不均勻性、裂紋和位錯等缺陷。這些分別與重熔、相變、外延生長、定向凝固和元素偏析等熱循環(huán)有關。引起拉伸、疲勞和裂紋擴展各向異性和顯微硬度不均勻性的缺陷可歸因于各因素的微觀結構各向異性和不均勻性。2）影響熔池動力學的EBAM加工因素與缺陷形成顯著相關，具體來說：(i) 焦點位置、波形圖案、束流、掃描速度、加速電壓、基板厚度、材料和方向?qū)е聦嶋H熱輸入的差異由熔池獲得并改變?nèi)鄢氐男螤睿?ii) 不同的零件形狀、層內(nèi)線偏移、線序掃描模式、層間旋轉(zhuǎn)、停留時間和層熔體數(shù)量影響熔池內(nèi)的劇烈運動和熱梯度方向；(iii) 粉末狀態(tài)、送絲條件以及設定層厚與實際層厚的偏差影響試件中未熔合缺陷的數(shù)量和體積分數(shù)；(iv)熔池的傳熱和流體流動行為還受到加工氣氛的影響，如真空壓力、預熱溫度、氦氣比例等。

圖1. (a)SEBM過程和粉末-材料相互作用的物理機制；(b) EBF3過程和液滴過渡狀態(tài)；(c) EBAM 加工穩(wěn)定性相關缺陷；(d) EBAM 的微觀結構缺陷；(e) 機械性能的各向異性和異質(zhì)性；(f) 加工穩(wěn)定性變量；(g) 過程控制策略

3）過程控制策略如可控工藝參數(shù)調(diào)節(jié)影響熔池穩(wěn)定性、凝固過程和顯微組織形貌，但單純通過改變EBAM參數(shù)并不容易完全消除缺陷。粉末改性和線材原位合金化可以實現(xiàn)CET、微觀結構細化、相變、裂紋緩解和微觀偏析。然而，金屬合金等軸凝固所需的低G值需要通過大量的試驗和錯誤來實現(xiàn)。超聲波振動可以改善微觀結構的各向異性和非均質(zhì)性，控制孔隙率并抑制裂紋。然而，零件的幾何形狀可能會影響超聲波條件，并且無法在構建高度保持恒定的振幅。因此，磁致伸縮換能器通過調(diào)整頻率并考慮EBF3中導線的振動自動調(diào)諧到可變諧振條件將是未來進一步的研究點。逐層混合處理，使層間產(chǎn)生累積殘余壓應力，可解決施工階段的開裂、分層問題。然而，這些混合制造技術需要額外的設備集成，以實現(xiàn)幾何精度、復雜性和靈活性方面的全面性能改進。使用原位反向散射成像進行動態(tài)監(jiān)測需要對電子束進行額外的重新掃描，以揭示3D缺陷，從而調(diào)整處理窗口。而其他監(jiān)測方法必須事先了解適當?shù)募庸�參�?shù)范圍。因此，原位監(jiān)測仍需進一步研究：i）將物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型相結合，加快數(shù)據(jù)采集速度；ii）多信息融合，提高監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和可靠性；iii）實現(xiàn)從表面狀態(tài)監(jiān)測到內(nèi)部缺陷和微觀結構的一體化。預測建模用于模擬熔池形狀、焊絲熔滴轉(zhuǎn)移、智能掃描策略、預測晶粒結構、臨界裂紋條件、加工參數(shù)和斷裂韌性、孔隙率和表面粗糙度以及元素蒸發(fā)等目的。然而，開發(fā)這種復雜程度的模型涉及高昂的計算成本和商業(yè)代碼訪問限制。

圖2. SEBM中(a)飛濺、(b)附著力較低等缺陷示意圖

圖 3. 模擬 SEBM 凝固熔池區(qū)域 (a) 速度1m/s，(b) 速度6m/s

SEBM過程中能量輸入、表面形態(tài)和孔隙缺陷之間的關系示意圖

熱裂紋形成過程中的微觀結構和成分演變

缺陷緩解的關鍵在于增強電子束增材制造（EBAM）工藝中能量-材料相互作用狀態(tài)的穩(wěn)定性、材料制備、填充和改性方法、增強EBAM設備的穩(wěn)定性以及閉環(huán)環(huán)路反饋系統(tǒng)對于減少缺陷以推動進一步的應用至關重要。因此，還有很多方面需要加強，可以作為進一步深入的方向。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應用！(1) 材料性能優(yōu)化：i)為EBAM設計新材料和多合金設計系統(tǒng)；ii)粉末混合物的化學計量比、均勻性、元素蒸發(fā)、流動特性和填充特性的精確控制；iii)用于SEBM的重力送粉系統(tǒng)，以防止粉末暴露于氧化系統(tǒng)，以及用于EBF3的特殊多級送絲機；(iv)智能控制送絲/送粉狀態(tài)，感知表面狀況并自動優(yōu)化能量輸入和送絲/送粉量。(2) 設備改進：i)優(yōu)化基于等離子體陽極的高功率增材制造專用電子槍束源；ii)混合熱源集成，如多絲多熱源協(xié)同控制或在熔池中引入加速和湍流馬蘭戈尼流、超聲波和沖擊波。iii)增強設備的長期穩(wěn)定性，實現(xiàn)長時間工作時光束質(zhì)量、加速電壓、預熱溫度、真空度、氦氣的可靠性和穩(wěn)定性，并在出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象后及時建立在線補救措施，包括基板預熱溫度維持和粉末補充是SEBM基礎研究的未來方向。

(3) 與加工穩(wěn)定性相關的缺陷的過程控制是減輕任何缺陷的先決條件。在這方面，開發(fā)實時閉環(huán)控制系統(tǒng)和過程中調(diào)整工藝參數(shù)以解決與加工穩(wěn)定性相關的缺陷，包括在高溫高壓環(huán)境下對熔池進行現(xiàn)場觀察作為結合多物理場的數(shù)值模擬。

Shi Y, Gong S, Xu H, et al. Electron beam metal additive manufacturing: Defects formation and in-process control[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2023, 101: 386-431.

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.06.013