增材制造用金属粉末材料的关键影响因素分析(2)

１．３电子束熔炼

电子束熔炼（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ

Ｂｅａｍ

２．２材料

Ｍｅｌｔｉｎｇ，ＥＢＭ）是

粉末材料是目前最为常用的金属类增材制造用材料。金属粉末作为金属制件增材制造产业链中最

在高真空条件下，利用电子束将金属粉末熔融而成型的工艺方法。真空条件及电子束是ＥＢＭ与

Ｉ。ＭＤ及ＳＬＭ的主要区别。利用ＥＢＭ技术制造的零件致密性好，强度极高。

重要的一环，也是最大的价值所在。金属粉体材料

一般用于粉末冶金工业，粉末冶金成型是将粉末预成型后利用高压高温条件进行最终的定型，整个过程中，材料发生的物理冶金变化相对缓慢，材料有比

２增材制造工艺的主要影响因素

虽然实现增材制造的技术方法有多种，但加工机理基本一致，即材料在高能热源作用下快速融化，由于作用时间极短。熔融的金属在基体的冷却作用下发生快速凝固，从而实现在特定的扫描区域成型。增材制造制品的性能由热源量属性、材料特性及工

较充分的时间进行融合、扩散、反应。由于受粉末冶金加工时温度及压力的限制，为了保证工件的致密

性，要求使用的粉体材料尽可能地将成型腔体填充

完全。针对粉末冶金工艺的技术特点，已经发展出了一套比较完善的粉末评价方法及标准，有相对比较完善的指标可用来恒量粉体材料的性能，如粒径、

艺参数所决定，而热源类型及送粉方式是区分各种

增材制造技术的最根本因素。２．１热源

在金属增材制造领域，应用最为成熟的热源是

比表面积、粒度分布、粉体密度、流速、松装密度、孔

隙率等。对于粉末冶金而言，粉末的流动性、振实密度等指标是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指标。

增材制造工艺与粉末冶金工艺相比有明显的区别，粉末材料在热源作用下的冶金变化是极速的，成

激光和高能电子束。电子束与激光的工作原理不同，电子束的加热方式是高能电子穿过靶材的表面

进入到距表面一定深度后，再传给靶材原子能量，从而使靶材原子的振动加剧，把电子的动能转换为热能；激光的加热方式则为靶材表面吸收光子能量，激光并未穿过靶材表面。材料制造加工过程中，热源的功率及扫描速度一般是恒定的，即作用于材料的

型过程中粉体材料与热源直接作用，粉体材料没有模具的约束以及外部持久压力的作用。一般认为直

径小于１ｍｍ的粉体材料适用于增材制造，粒径在

５０“ｍ左右的粉体材料具有较好的成型性能［３］。与

粉末冶金工业相比，目前国内还没有形成成熟的评价方法或标准来判定粉末材料与增材制造工艺的适用性，增材制造用粉末的相关评价方法及指标需要进一步深人的研究与思考。２．３工艺过程

能量密度是恒定的，热源作用效果由材料对热源的吸收性能直接决定。材料对热源能量的吸收由两者

的作用机理、材料表面状态等因素所决定。对于最常用的激光热源，激光光能的吸收与波长、被照材料的反射率以及能量密度相关，在成型过程中，材料的

图１为典型的粉体填加方式示意图。可以看出采用铺粉方式时，热源优先作用于粉末，为保证粉末

与已成型区的冶金结合充分。需要确保加工过程中

表面状态、尺寸等因素对激光都有明显的制约作用。电子束由于其作用机理的不同，在增材制造过程中

表现出较激光更加良好的适配性。

高能热源

铺粉辊

熔池的深度及尺寸在一个合理范围内。当采用同步

送粉方式时，无论是同轴送粉还是侧向送粉方式，热

源对材料的作用分成作用于已成型区及作用于粉末

高能删源

喷§｛｛缘嘴

ｖ熔池

已成型区

（ａ）铺粉（ｂ）侧向送粉

（ｃ）同轴送粉

图ｌ典型送粉机制示意图

Ｆｉｇ．１

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ

ｄｉａｇｒ咖ｏｆ

ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｒｎ．

（ｃ）Ｃｏａｘｉａｌｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇ

４８１

（ａ）Ｐｏｗｄｅｒｃｏｖｅｒｉｎｇ（ｂ）Ｌａｔｅｒａｌｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇ