清華大學(xué)機械工程系林峰教授：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，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國增材制造產(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本次會議進行了直播。

△ 清華大學(xué)機械工程系教授 林峰

在“中國增材制造產(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，以下是本場演講的現(xiàn)場速記，經(jīng)大會組委會授權(quán)發(fā)布，希望對國內(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)盟提供這個機會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)，我來自清華大學(xué)機械工程系。

這是我今天的提綱，這是今天上午凌晨五點半左右，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)的基本概念和進展，也介紹我們的工作，一個是基于二次/背散射電子的形貌探測，還有一個是我們在研發(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，像高孔、薄壁的結(jié)構(gòu)是它的優(yōu)勢，比送粉的尺寸稍微小一點，這是它的特點。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200度，帶來一些問題比如致密度不足，成形效率較低，后處理較復(fù)雜，因為后處理要去支撐，結(jié)構(gòu)要比較強壯才能防止變形。電子束正好相反，電子束有一個預(yù)熱過程，這個預(yù)熱過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，可以在幾個點同時進行加熱，效率高一些。所以它的優(yōu)點就是粉末床溫度高，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，無機械慣性，所以沉積效率高一些。這是電子束打的零件，包括葉片。

這個技術(shù)在世界上最先推出來的是瑞典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)動機的零件上。A2主要是對航空航天的應(yīng)用，目前打印尺寸是200×200mm。后來推出的Q20系列，也就是針對醫(yī)療植入級的加工，這是在國際上做得非常領(lǐng)先的。另外它在TIAI葉片上、發(fā)動機的零件上也展示了低應(yīng)力制造的優(yōu)勢。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臺設(shè)備，另外要再增加10臺F系列和17臺A系列，這也反映電子束選區(qū)熔化已經(jīng)進入工業(yè)化、規(guī)�；�的生產(chǎn)階段，所以GE公司在這方面有非常大的推動作用。

清華是從2004年開始在國家自然科學(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)展起來的，中間也開發(fā)的一些工程化的實驗，中科院合肥的物質(zhì)研究院來應(yīng)用一些特殊材料的研究。清華學(xué)校里有一臺自己實驗性的設(shè)備，在這上面實現(xiàn)了電子束和激光復(fù)合的新的工藝。

我們開發(fā)的特點是可以用兩種材料，因為當(dāng)時從研究角度去開發(fā)這個設(shè)備，這個設(shè)備可以提供兩種材料進行梯度結(jié)構(gòu)的成形，這也是國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，可以看到兩個粉箱，分別裝不同的材料，形成梯度。我們把這個技術(shù)在2015年的時候進行產(chǎn)業(yè)化，之前是通過學(xué)校方式給用戶提供設(shè)備，后來我們發(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平臺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特的設(shè)備，特點就是可以做兩種材料的梯度結(jié)構(gòu)。這個產(chǎn)品也銷售到了俄羅斯，還是非常滿意的。

另外最近在國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，利用二次電子信號的在線監(jiān)測的功能，可以把表面信號探測出來。這個視頻可以看到逐層拍攝和成像信號，通過這個可以知道我們的工藝，進行實時調(diào)整，有70多個反饋信號，而且可以上網(wǎng)可以在手機APP上，機器一開工你可以回家，在手機APP就可以看到這個設(shè)備運行的情況，這套是聯(lián)網(wǎng)的。

除了這個之外我們把鋪粉過程、加熱過程和熔化過程模擬了之后把多尺度計算機模擬技術(shù)，整個熔化過程通過計算機的建模方式去研究包括傳熱、蒸發(fā)、流動各種物理變化都可以很細致地在微米和微秒尺度上把這個過程再現(xiàn)出來，這對于我們的研究，對于材料的成形過程包括參數(shù)和特點提供很好的支持。

在此基礎(chǔ)上我們可以做到多道成形過程的三維模擬，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，這個過程現(xiàn)在都可以仿真出來，這在國際上能做的沒有幾家，一般它就是最簡化的，做了很多簡化，所以這是多尺度、全流程的設(shè)計為我們認識這個工藝的過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)認識。

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，控制性能要比通過多材料輸入的方式更加可控。TH這兩個字是通過材料的蒸發(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)揮電子束對材料的控制性的特點。

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，電子束打印的特點比激光器打的要粗，這一般來說是一個缺點，但是對醫(yī)療來說反而是一個優(yōu)點。這是打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，做一些點陣結(jié)構(gòu)和拓撲優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。

目前在天津的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)形成了三個系列產(chǎn)品：一個是Lab系列，針對科研用試驗用可以做雙金屬梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計；中間是Med設(shè)備，主要針對醫(yī)療器械生產(chǎn)，可靠性和穩(wěn)定性大大提高，針對單晶陰極，壽命達到一千小時。后面是Aero針對航空航天領(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)熔化的進展。

再下面介紹一下二次電子背散射用于探測表面信號的。

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，還有一部分成為背散射電子或者散射電子，我們在電子束的成形過程同樣有這些信號產(chǎn)生，所以這個真空室里面伽馬射線輻射很強，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單的，一塊金屬片就可以接收電流信號。所以我們通過對二次電子的信號接收來判斷表面的形貌。這是我們把一塊錢硬幣放在成形平臺上，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，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，當(dāng)然這個試樣反映出來只能看到起伏的形狀，并不能準(zhǔn)確判斷這是凹出來的地方或者凸出來的地方，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，我們也可以對它進行監(jiān)測，后面可以追溯成形過程，但是沒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放在兩邊，從兩個側(cè)面接收二次電子的信號，這樣更好地反應(yīng)形貌的變化。左邊和右邊信號對于一些起伏比較緩的凹坑和凸起，兩邊信號完全相反，這邊是高的時候那邊就低，那邊低的時候這邊就高，對于很深的洞，電子進去以后它出不來，哪個方向都出不來，所以它的信號兩邊都是向下，都是一個減弱的信號。通過兩側(cè)的信號的比對，我們就可以判斷它是高出來還是凹下去，還是很深的洞，這使我們判斷這個形貌有更加豐富的信息。下面這個圖是左邊和右邊相減，相減以后可以加強某一側(cè)起伏的變化，如果把兩邊信號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地方，那個地方是有一個洞，可能形成孔洞缺陷，我們設(shè)法修補它，利用這個特點就可以實時在線檢測表面形貌，有些缺陷可以在成形過程對參數(shù)進行實時修復(fù)。

在這以外進行電子束激光的復(fù)合，剛才說了電子束和激光束的優(yōu)劣勢，這兩個有互補性，那我們可以把它們加在一起綜合起來優(yōu)勢互補、取長補短，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，我們做了一個對比試驗，第一個是表面和內(nèi)部的填充都是用電子束掃描的；第二個是表面和內(nèi)部都是用激光掃描的；第三個是表面用激光掃描，中間用電子束掃描。縱坐標(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，可以控制粉末床的溫度，對于電子束可以用激光進行簡單的預(yù)燒結(jié)讓它不吹粉，這樣把粉末床的溫度降下來，因為粉末床的溫度加高很多用處是防止吹粉效應(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。可以看到用電子束來講如果把粉末床的溫度降低以后，它的拉伸性能會提高，但是延展率會降低一些。比較有意思的對于激光來講，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度和韌性都有所提高。這點我們覺得還是很有意思，粉末床的溫度對于材料的成形，對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，它們兩者是互補關(guān)系，但是如果從材料成形的角度講，我們在很大的范圍調(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)合以后可以會產(chǎn)生很多工藝的特點，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，我們通過激光電子復(fù)合以后直接可以把裂紋燒除，制作出沒有裂紋，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)合起來可以得到比較好的效果。

我們后來也在開發(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，利用這個做一些難架構(gòu)、難焊的材料成形，我們覺得還是很有希望的對于難加工的成形問題。

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。另外我們國家在此領(lǐng)域取得明顯進步，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自主知識產(chǎn)權(quán)，推出的國產(chǎn)裝備已打破國外公司的壟斷。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。

這是我的全部報告，謝謝大家！