电子束选区熔化成形316L不锈钢的工艺研究

机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERING第50卷第21期2014年11月Vol.50No.21Nov.2014DOI：10.3901/JME.2014.21.152电子束选区熔化成形316L不锈钢的工艺研究*郭超1,2,3林峰1,2,3葛文君1,2,3(1.清华大学机械工程系北京100084；2.清华大学先进成形制造教育部重点实验室北京100084；3.清华大学生物制造与快速成形技术北京市重点实验室北京100084)摘要：电子束选区熔化是一种利用电子束逐层熔化金属粉末制造三维实体零件的增材制造技术，在航空航天、医学植入体等领域有很好的应用前景。利用316L不锈钢粉末为材料，研究粉末熔化阶段电子束功率恒定、单遍扫描对成形件上表面粗糙度的影响。发现电子束功率P与扫描速度v的比值是影响上表面形貌的关键因素，随着P/v值的增加，上表面形貌由网结状变化为沟壑状，同时粉末材料的飞溅增加。研究上表面形貌随成形高度增加而演变的过程，发现形貌随高度增加不断恶化，并解释了形貌恶化的原因。提出电子束功率递增、多遍扫描的方法，先用低功率电子束使粉末材料熔化聚球但不飞溅，再用大功率电子束使材料重新熔化并充分流动、浸润。这种方法改善了成形件上表面的形貌，表面粗糙度Ra小于8μm，获得的组织均匀细密，致密度高达99.96%。相对于单遍扫描，多遍扫描不会造成主要元素的额外烧损。关键词：增材制造；电子束；选区熔化；表面形貌；扫描方法中图分类号：TN29StudyontheFabricationProcessof316LStainlessSteelviaElectronBeamSelectiveMeltingGUOChao1,2,3LINFeng1,2,3GEWenjun1,2,3(1.DepartmentofMechanicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084;2.KeyLaboratoryforAdvancedMaterialsProcessingTechnologyofMinistryofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084;3.BiomanufacturingandRapidFormingTechnologyKeyLaboratoryofBeijing,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract：Electronbeamselectivemelting(EBSM)isanadditivemanufacturingtechnologythatutilizesanelectronbeamtobuildthree-dimensionalobjectlayerbylayerfrommetalpowder,andcanbeappliedinmanufacturingaerospacecomponentsandmedicalimplants.Effectofthesingle-passscanningwithconstantpoweronthetopsurfacetopographyisstudiedbyusingthe316Lstainlesssteelpowdermaterial.It’sfoundthattheratiooftheelectronbeampowerPtothescanningvelocityvisthekeyfactoraffectingthetopsurfacetopography.WiththeincreaseofP/v,thetopsurfacetopographychangestoagullytypefromaballing-nettype,andthespattersincrease.Theevolutionofthetopsurfacetopographywiththeincreaseofthefabricatedheightisalsostudied.Andit’sfoundthatthetopographyworsenswiththeincreaseofthefabricatedheight.Thereasonsforthetopographyworseningareexplainedindetail.Amulti-passscanningprocesswithprogressivelyincreasingpowerisdeveloped,anditlargelyimprovesthetopsurfacetopographyofthefabricatedparts.TheroughnessRaofthetopsurfaceislowerthan8μm.Uniformandfinemicrostructurescanbeobtained,andtherelativedensityofthefabricatedsamplereachesupto99.96%.Comparedtothesingle-passprocess,themulti-passprocessdoesnotcauseadditionalmeltinglossoftheelements.Keywords：additivemanufacturing；electronbeam；selectivemelting；surfacetopography；scanningmethod0前言*增材制造技术根据零件的CAD数据不断累加材料制造三维实体零件，是近20年来信息技术、新*2013北京市科技计划资助项目(D13110400300000)。20131205收到初稿，20140707收到修改稿材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术[1]。电子束选区熔化(Electronbeamselectivemelting，EBSM)是众多增材制造工艺的一种。类似于激光选区熔化，电子束选区熔化工艺利用电子束在真空室中逐层熔化金属粉末、由CAD模型直接制造金属零件。EBSM技术的成形过程如下：活塞下降一个层厚的距离，在底板或已成形零件的上表月2014年11月郭超等：电子束选区熔化成形316L不锈钢的工艺研究153面铺一层粉末，然后电子束选择性扫描并熔化截面内的粉末，完成一层的成形；重复以上过程，直到零件分层成形全部完成。目前，激光选区熔化的相关研究工作已经开展较为深入，如华南理工大学的吴伟辉等[2]对激光选区熔化成形系统及工艺进行了研究，解决了其中的关键技术问题。相对于激光，电子束能量密度高，材料对电子束能量几乎全部吸收、没有反射，成形件完全致密，无须提高致密度的后处理[3]。由于成形在真空环境下进行，EBSM技术在成形钛合金等对氧敏感的金属材料方面有很大的优势[4]。目前，EBSM技术已经实现316L不锈钢、钛合金、镍基高温合金、TiAl基高温合金等难成形金属材料的成形。MURR等[5]利用EBSM实现了钛合金Ti-6Al-4V的增材制造，其力学性能与锻件相当。FACCHINI等[6]对EBSM成形的Ti-6Al-4V的微观组织与力学性能做了深入的分析。EBSM在成形多孔的钛合金医学植入体方面具有很大优势。HARRYSSON等[7-8]设计了多种网格结构并用EBSM成形，比较了不同网格结构的力学性能。LI等[9]设计了一种蜂窝状的多孔结构，通过EBSM工艺制造并测试。EBSM还可用于高温合金的成形，比如镍基高温合金[10-11]、钛铝高温合金[12-13]，成形零件具有优良的力学性能。这些研究工作表明，EBSM技术在航空航天、医学植入体等领域有很好的应用前景。在EBSM成形过程中，成形件的上表面形貌和内部微观组织是判断工艺质量的重要指标[14]。理想的成形件上表面应该尽量平整，不平整的上表面形貌会导致以下问题：一是降低成形件的尺寸精度；二是成形件表面的凸起部分不利于铺粉器的移动，容易卡住甚至损坏铺粉器；三是不平整的上表面会导致下一层粉末厚度不均匀，粉末层较厚的区域在成形中熔化不充分，形成层间孔隙缺陷。EBSM成形件的内部应当高度致密，组织细化，具有快速熔凝特征。大部分EBSM成形研究利用瑞典Arcam公司的商业化电子束选区熔化设备与工艺。该工艺使用的粉末材料事先经过优化选择，利用恒定功率的电子束对粉末层单遍扫描，得到致密零件。该工艺对粉末材料的要求比较高，对不同粉末材料的适应性不足。在实际研究中发现，对于某些材料，电子束功率恒定、单遍扫描难以找到合适的工艺参数，成形件的表面质量、内部组织不够理想。为此，提出电子束功率递增、多遍扫描的方法，以316L不锈钢粉末为材料，比较了该工艺与电子束功率恒定、单遍扫描工艺的成形效果，研究了不同工艺对EBSM成形件的上表面形貌及微观组织的影响。1试验设备、材料与方法试验采用清华大学自主研发的EBSM-250电子束选区熔化设备。图1是设备的电子枪与真空室部分的示意图。图1EBSM设备的电子枪与真空室部分示意图灯丝发射的电子被阳极电压加速，依次通过聚焦线圈、偏转线圈，作用在工作平台上。通过控制通过偏转线圈的电流，可以实现电子束的偏转扫描。工作平台上设置有活塞缸以及铺粉器，用于逐层铺设粉末。真空室内真空度可达10−3Pa，电子枪最大功率3.5kW，束斑直径约0.4mm，电子束的偏转范围为200mm×200mm，采用数字化的电子束扫描系统，电子束的偏转精度优于±0.2mm。通过成形控制软件实现分层成形的连续自动进行，可对电子束功率、扫描速度、扫描路径、粉末层厚度等参数进行调节。试验采用316L不锈钢粉末为材料，粉末颗粒为球形，粒径分布为30～180μm，平均粒径为80μm。试验所用底板为316L不锈钢板，尺寸为230mm×230mm×10mm。在真空室中，利用电子束在底板上逐层熔化粉末进行成形试验。成形之前进行底板预热：1.5kW的大功率电子束以20m/s的速度快速扫描底板上180mm×180mm的方形区域，扫描线间距1mm，预热时间45min。底板预热的目的是使铺在底板上的第一层粉末轻微烧结，避免粉末在电子束作用下积累电荷而在电荷斥力下溃散。机械工程学报第50卷第21期期154粉末层厚度为0.1mm，每一层的成形都包括粉末预热、粉末熔化两个阶段。粉末预热阶段的目的是使粉末材料进一步升温烧结，获得一定的强度以避免在电子束作用下溃散。在粉末预热阶段，电子束以10m/s的速度扫描粉末层上180mm×180mm的方形区域，扫描线间距1mm，预热时间70s，电子束功率由60W随时间递增至1.2kW；粉末材料的最终熔化发生在粉末熔化阶段，粉末熔化阶段的工艺参数对成形件上表面的形貌起决定性的影响。粉末熔化阶段的扫描线间距为0.2mm，使用不同的电子束功率P、扫描速度v进行成形。成形结束后，烧结的粉末可以在轻微外力下去除并回收利用，留下与底板固结的成形件。对成形件上表面形貌进行记录分析，将成形件沿电子束扫描方向的垂直面切开，利用光学显微镜观察上表面轮廓及微观组织，以研究成形件上表面形貌及微观组织的影响因素与原因。利用排水法测定试样的致密度，利用接触式粗糙度测量仪测量成形件上表面粗糙度，利用X射线能谱仪对粉末及成形件的元素成分进行测定并比较。2试验结果的分析与讨论2.1P/v值对成形件上表面形貌的影响图2是在底板上成形的9个成形件，成形层数均为50层，对应的电子束功率P、扫描速度v如表1所示。可以发现，相同的P/v值得到的成形件上表面形貌基本相同，随着P/v值由0.48升高到1.44，成形件上表面形貌由网结状逐渐过渡至沟壑状。试验观察还发现，P/v值越大，粉末材料的飞溅现象越严重。图3是拍摄的预热后的粉末层在电子束作用下飞溅的照片，飞溅的产生一方面是由于粉末材料导电性能差，在电子束作用下积累电荷，在同种电荷的斥力下飞溅；另一方面是由于熔池与周边环境剧烈的温度差使熔池周围的粉末材料溅出。图2不同工艺参数得到的上表面形貌表1粉末熔化阶段的工艺参数零件编号速度/(mm/s)功率/W功率速度比1