电子束选区烧结工艺研究(2)

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4.4.2起球现象.21

4.4.3孔洞.22

4.5本章小结.23

结论.24

致谢.25

1 绪论电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）技术是一种金属材料的快速制造技术。从 1994 年提出电子束金属快速成形的概念至今，电子束选区熔化成形技术的产品已经应用于机械制造、航空航天、船舶等多个工业民用领域。其实，电子束仅属于金属材料快速制造技术中的一类。金属材料的快速制造技术分为激光选区熔化技术和电子束选区熔化技术。本文描述的是在真空条件下，烧结热源选择电子束，是均匀铺展在 304 不锈钢基本上的 Cr13马氏体型不锈钢金属粉末熔化成型，并在已成型的金属粉末上面继续铺展粉末再次熔化成型，使其与已成型的部分实现粘接的过程。通过使用电子束作为热源，分析多种偏转扫描方式、束流参数下的接头微观组织、成分、力学性能，提出较优的烧结工艺参数。同时对实验过程中出现的吹粉和起球现象进行研究，从而找到合适的解决方法。
1.1 增材制造技术的概念增材制造(material additive manufacturing)也叫 3D打印(3 Dimensional Printing)，它是指熔化烧结材料的快速成型技术，这种技术的基础是数字模型文件，所使用的烧结的材料可以是金属粉末或者塑料等可粘合的材料，逐层烧结并且通过叠加不同形状的连续层的方式来构造三维的任何物体的技术[1]。
1.2 激光增材制造与电子束增材制造当今金属零件在增材制造方面的工艺大部分都是在气体的保护下利用激光为热源对金属粉末进行烧结的。激光作为一种金属材料的加工方法，在技术上较为成熟，并且可控性高。而电子束作为另外的的高能束流，也已经在金属零件快速成型领域得到了应用[2-3]，并且凸显出了一些较为独特的优势。金属零件的激光快速制造技术是通过利用激光作为烧结热源来使金属粉末熔化从而制造出各式各样比较复杂的金属零件，其实它在本质上就是通过 CAD软件进行的激光三维熔覆过程，典型的过程如图 1.1[4]。激光快速制造技术具有以下优势:（1）制造速度快，成本较低，较为节省材料；（2）不需要使用模具，使制造成本降低了 15%-30%,生产周期也减少了 45%-70%；（3）能够生产其他技术不易生产的零件；（4）激光快速制造技术属于一种快速凝固的烧结技术，所制造出的金属零件的致密度非常高，而且微观组织也较为细小和均匀，金属零件的综合性能比如说强度和拉伸性能也超过了基板的综合性能；（5）近成型金属零件通常可以直接拿来使用或者只需要一点点细微的后续处理便可以使用[5]。电子束在增材制造的过程中与激光增材制造有很多相同之处，比如制造速度很快，节省成本，零件性能优越等特点[6]，但是电子束与激光又是不同的热源，激光增材制造技术过程中是需要使用惰性气体来进行保护的，而电子束则是在真空室中进行的。电子束与激光相比，具有穿透力强，作用深度大，能量利用率高，材料性能高，材料吸收率高且稳定，达到了全密度材料的强度水平[7]等优点，但也存在一个特殊的问题：即“粉末溃散” （吹粉）[8]现象。这种现象的主要原因是由于电子束经过高压加速过后具有了相当大的动能，当电子高速轰击金属原子使之加热、升温时，电子的部分动能从而直接转化为粉末微粒的动能。当粉末的流动性比较好时，粉末颗粒就会被电子束给“推开” ，形成吹粉现象。防止“吹粉”的基本原则是提高粉床的稳定性，克服电子束的“推力” 。经过研究，采用了四项主要措施：降低粉末的流动性，对粉末进行预热[9],对成形底板进行预热和优化电子束扫描方式[10-11]。总体来说电子束作为热源在增材制造技术上还是有相当大的优势和可取之处的，相比如激光增材制造的高要求，高成本，低利用率等劣势越发突出来说，电子束有着不可替代的地位和影响。