清华大学机械工程系林峰教授：电子束选区熔化技术现状与发展

2020年8月20日-21日，中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行，此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导，中国增材制造产业联盟主办，繁昌县人民政府协办，南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

△ 清华大学机械工程系教授 林峰

在“中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛”上，清华大学机械工程系教授林峰做了《电子束选区熔化技术现状与发展》的主题演讲，以下是本场演讲的现场速记，经大会组委会授权发布，希望对国内关注电子束3D打印技术的读者有所启发。

林峰（清华大学机械工程系教授）：谢谢张老师的介绍，也感谢工信部装备司、联盟提供这个机会让我们交流我们研究的成果。我今天介绍的是电子束选区熔化技术，这是一种熔融技术，我来自清华大学机械工程系。

这是我今天的提纲，这是今天上午凌晨五点半左右，我们拍摄的芜湖的清晨，这预示着增材制造的事业蒸蒸日上，各位各位领导、各位嘉宾都能在增材行业发展取得你们的成果。

我今天先介绍电子束选区熔化技术的基本概念和进展，也介绍我们的工作，一个是基于二次/背散射电子的形貌探测，还有一个是我们在研发的电子束/激光复合的技术。

首先介绍一下电子束选区熔化。

我们知道金属制造有两大类技术就是铺粉和送粉。铺粉标准上叫Powder  Bed粉末床熔融，用激光比较多一些。激光的特点就是精度比较高、熔池比较小，所以做一些复杂的结构是它的特点，像高孔、薄壁的结构是它的优势，比送粉的尺寸稍微小一点，这是它的特点。但是和它不一样的地方就是电子束，它们俩最大的区别就是能量的对应，激光能量的转化率和利用率低一些，不同的材料吸收率还不一样，所以激光和材料是相关的，电子束正好相反，能量的利用率高、转化率高，而且不同材料对于电子束能量的吸收是相似的，所以总的能量效率高一些。

激光的不足是温度低了以后粉床温度很低，一般不超过200度，带来一些问题比如致密度不足，成形效率较低，后处理较复杂，因为后处理要去支撑，结构要比较强壮才能防止变形。电子束正好相反，电子束有一个预热过程，这个预热过程可以把粉末床的预热到一千度甚至一千一百度，所以它的预热也是得力于能量的利用率和吸收率高，另外有很快的偏转转弯速度，可以在几个点同时进行加热，效率高一些。所以它的优点就是粉末床温度高，可以加热到五六百度以上甚至一千度以上，内应力小，好处就是可以做一些脆性的材料，另外可以做电扫描，无机械惯性，所以沉积效率高一些。这是电子束打的零件，包括叶片。

这个技术在世界上最先推出来的是瑞典Arcam公司，从2002年推出第一款商品化EMBS-12系列，这是最早的系列用于医疗植入体和发动机的零件上。A2主要是对航空航天的应用，目前打印尺寸是200×200mm。后来推出的Q20系列，也就是针对医疗植入级的加工，这是在国际上做得非常领先的。另外它在TIAI叶片上、发动机的零件上也展示了低应力制造的优势。这是2019年巴黎航展上GE公司宣布为其在意大利增加制造叶片的生产规模，它已经有了35台设备，另外要再增加10台F系列和17台A系列，这也反映电子束选区熔化已经进入工业化、规模化的生产阶段，所以GE公司在这方面有非常大的推动作用。

清华是从2004年开始在国家自然科学基金“电子束金属粉末熔融沉积成形工艺研究”的基础上发展起来的，中间也开发的一些工程化的实验，中科院合肥的物质研究院来应用一些特殊材料的研究。清华学校里有一台自己实验性的设备，在这上面实现了电子束和激光复合的新的工艺。

我们开发的特点是可以用两种材料，因为当时从研究角度去开发这个设备，这个设备可以提供两种材料进行梯度结构的成形，这也是国际上比较少的在粉末床熔融工艺上比较特殊的工艺。这是我们开发的设备，可以看到两个粉箱，分别装不同的材料，形成梯度。我们把这个技术在2015年的时候进行产业化，之前是通过学校方式给用户提供设备，后来我们发现这种方式不能持续，所以就开始产业化，利用清华大学在天津的高端装备研究院这个平台成立了天津清研智束公司，提供的Qbeamlab设备算是世界上比较独特的设备，特点就是可以做两种材料的梯度结构。这个产品也销售到了俄罗斯，还是非常满意的。

另外最近在国家科技部的支持下开展大尺寸的EBSM设备，可以做到高度是400mm，我们这个是方形的。

除此之外我们利用电子束和材料的相互作用的特点，利用二次电子信号的在线监测的功能，可以把表面信号探测出来。这个视频可以看到逐层拍摄和成像信号，通过这个可以知道我们的工艺，进行实时调整，有70多个反馈信号，而且可以上网可以在手机APP上，机器一开工你可以回家，在手机APP就可以看到这个设备运行的情况，这套是联网的。

除了这个之外我们把铺粉过程、加热过程和熔化过程模拟了之后把多尺度计算机模拟技术，整个熔化过程通过计算机的建模方式去研究包括传热、蒸发、流动各种物理变化都可以很细致地在微米和微秒尺度上把这个过程再现出来，这对于我们的研究，对于材料的成形过程包括参数和特点提供很好的支持。

在此基础上我们可以做到多道成形过程的三维模拟，扫完一道再扫一道，这是在单层面上，相当于扫了一道，扫完之后再铺一层粉末，铺完之后再去粉末上去熔化，这个过程现在都可以仿真出来，这在国际上能做的没有几家，一般它就是最简化的，做了很多简化，所以这是多尺度、全流程的设计为我们认识这个工艺的过程提供良好的模型支撑，为表面的形貌的形成和缺陷形成、边缘形状有了很好的基础认识。

这是利用我们的设备打印的零件，包括钛合金的叶轮、硬质合金试样和铜合金的蜂窝结构，不同的材料。

左边是TH，我们利用选择性蒸发的技术，通过在不同的区域给它输入不同的能量，使里面元素的恢复不一样，这是在TIAI金属化合物的基础上，把TH两个字铝的成分大量蒸发，变成另外一种新的材料，这两种材料形成梯度结构，或者一种多材料的非均质的结构，可以很好地控制材料的分布，控制性能要比通过多材料输入的方式更加可控。TH这两个字是通过材料的蒸发，我们是用选择性蒸发的方式得到多材料的结构。右边这个图是我们打印的EBM制备的镍基合金738定向/单晶试，表面是柱状形，中间还有一块均匀的我们认为是形成了单晶，左边这块单晶结构非常大，所以我们希望通过这种方式能够得到一些单晶结构，也是发挥电子束对材料的控制性的特点。

这是我们打印的一些医疗器械，包括椎间融合器、髋臼杯、下颌骨，电子束打印的特点比激光器打的要粗，这一般来说是一个缺点，但是对医疗来说反而是一个优点。这是打印的复杂结构，做一些点阵结构和拓扑优化的结构。

目前在天津的产业化已经形成了三个系列产品：一个是Lab系列，针对科研用试验用可以做双金属梯度结构的设计；中间是Med设备，主要针对医疗器械生产，可靠性和稳定性大大提高，针对单晶阴极，寿命达到一千小时。后面是Aero针对航空航天领域专用，尺寸是350×350×400，装备的电子枪也是到了6千瓦。这是打印的叶片材料，包括钛铝的叶片材料，十几片或者二十几片同时生产，生产效率也提高了。

这是我们现在在电子束选区熔化的进展。

再下面介绍一下二次电子背散射用于探测表面信号的。

电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射线或者伽马射线反射出来，还有一部分成为背散射电子或者散射电子，我们在电子束的成形过程同样有这些信号产生，所以这个真空室里面伽马射线辐射很强，所以里面的很多电子元器件容易被破坏，所以很多传感器放在那里很容易被破坏掉。但是二次电子这种接收传感是比较简单的，一块金属片就可以接收电流信号。所以我们通过对二次电子的信号接收来判断表面的形貌。这是我们把一块钱硬币放在成形平台上，从顶端收集反射的二次电子，就可以把表面形貌重构出来，它反映了表面的起伏情况。同样我们把打印的试样放在那里也可以把形貌反映出来，当然这个试样反映出来只能看到起伏的形状，并不能准确判断这是凹出来的地方或者凸出来的地方，或者有些复杂的情况判断不清楚。这是每一层都拍摄二次电子的成像，我们也可以对它进行监测，后面可以追溯成形过程，但是没法判断到底是什么形貌，是凹还是凸，所以我们开发一种新的方式把电子的接收器同时放在两边，从两个侧面接收二次电子的信号，这样更好地反应形貌的变化。左边和右边信号对于一些起伏比较缓的凹坑和凸起，两边信号完全相反，这边是高的时候那边就低，那边低的时候这边就高，对于很深的洞，电子进去以后它出不来，哪个方向都出不来，所以它的信号两边都是向下，都是一个减弱的信号。通过两侧的信号的比对，我们就可以判断它是高出来还是凹下去，还是很深的洞，这使我们判断这个形貌有更加丰富的信息。下面这个图是左边和右边相减，相减以后可以加强某一侧起伏的变化，如果把两边信号加在一起以后起伏比较缓慢的部分就相互抵消了，颜色变浅，中间深坑的地方有一个很深的洞的地方就加深了，那我们就判断起伏的地方可能是我的参数不太合理，电子束的功率、扫描的速度可能不太合理，如果是黑的深坑的那个地方，那个地方是有一个洞，可能形成孔洞缺陷，我们设法修补它，利用这个特点就可以实时在线检测表面形貌，有些缺陷可以在成形过程对参数进行实时修复。

在这以外进行电子束激光的复合，刚才说了电子束和激光束的优劣势，这两个有互补性，那我们可以把它们加在一起综合起来优势互补、取长补短，合在一起以后电子束激光复合选区熔化，就是EB-LHM（电子束-激光复合选区融化）。

朴素的想法就是通过粉末床，电子床把粉末床加热到一定温度，用激光扫描轮廓表面，用电子束填充中间，我们做了一个对比试验，第一个是表面和内部的填充都是用电子束扫描的；第二个是表面和内部都是用激光扫描的；第三个是表面用激光扫描，中间用电子束扫描。纵坐标是表面粗糙度，可以看到电子束的选区表面的光洁度提高了，但是跟激光还是有点差距，所以至少用激光和电子束复合可以改善电子束成形零件的表面质量。

另外我们利用电子束和激光的不同特点，可以控制粉末床的温度，对于电子束可以用激光进行简单的预烧结让它不吹粉，这样把粉末床的温度降下来，因为粉末床的温度加高很多用处是防止吹粉效应，用电子束把粉末床的温度提高之后纯粹用激光成形，这两者都试了一下。可以看到用电子束来讲如果把粉末床的温度降低以后，它的拉伸性能会提高，但是延展率会降低一些。比较有意思的对于激光来讲，如果把粉末床温度常规的200度以下升高到七八百度以后，我们成形的TC4的材料拉伸以后延展长度略有提高，但是延展率也提高了，拉伸塑形也提高了，所以我们把粉末床的温度提高一定程度以后把强度和韧性都有所提高。这点我们觉得还是很有意思，粉末床的温度对于材料的成形，对于材料性能起到非常关键的核心作用。所以激光的作用范围是光斑比较小、能量比较低，电子束的光斑比较大、能量比较高，它们两者是互补关系，但是如果从材料成形的角度讲，我们在很大的范围调整它的光斑大小，在很大的范围去调整它的能量高低的话，那我们可以用更多更丰富的手段改变成形工艺、控制材料性能。所以电子束和激光复合以后可以会产生很多工艺的特点，得到很多新的有意思的功能，这是我们最近发展的。比如K4002是难焊高温合金脆性很强，我们通过激光电子复合以后直接可以把裂纹烧除，制作出没有裂纹，还是很难的，纯粹用激光肯定做不了，纯粹用电子束也有难度，复合起来可以得到比较好的效果。

我们后来也在开发一些设备，更加集成了，把电子枪和振镜集成在一起，电子枪配的是3千瓦是常规的，激光功率是配的1千瓦，利用这个做一些难架构、难焊的材料成形，我们觉得还是很有希望的对于难加工的成形问题。

结论：电子束粉末床熔融工艺是一种潜力巨大的增材制造技术，其能量大、效率高，粉末床可预热、制件热应力小，材料适应性广，特别适于一些难加工、脆性材料。另外我们国家在此领域取得明显进步，包括装备和理论基础，以及工艺都取得一定成果，已经逐步掌握EBSM自主知识产权，推出的国产装备已打破国外公司的垄断。我们将激光与电子束复合以后，不但解决了激光选区熔化和电子束选区熔化各自的不足，还创新出很多新工艺，大大提高粉末床熔融工艺的材料适应性、制件性能的可控性，为解决高性能、难加工材料的成形制造难题提供了新的技术途径。

这是我的全部报告，谢谢大家！