西北有色金屬研究院 尹敏，王建：電子束粉末床熔融增材制造裝備和工藝研究進(jìn)展

作者：尹　敏（西安航空學(xué)院材料工程學(xué)院, 西安 710077），王　建（西北有色金屬研究院金屬多孔材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710016）
來源：粉末治金技術(shù)編輯部


電子束粉末床熔融增材制造技術(shù)具有功率大、能量利用率高、掃描速度快、成形應(yīng)力低、真空環(huán)境成形等突出特點(diǎn)， 是國內(nèi)外競相發(fā)展和應(yīng)用的金屬增材制造技術(shù)之一。近年來，國內(nèi)外在電子束粉末床熔融增材制造裝備和工藝方面取得多項(xiàng)突 破性進(jìn)展，長期困擾該技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展應(yīng)用的成形尺寸小和電子槍陰極壽命短等問題已經(jīng)得到了有效解決，并且涌現(xiàn)出多種新成 形工藝和成形質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)，在高熔點(diǎn)、高反射率、脆性難加工金屬材料復(fù)雜構(gòu)件增材制造方面展現(xiàn)出更加廣闊的應(yīng)用前 景。本文從裝備發(fā)展、在線監(jiān)控和成形工藝三個方面，對國內(nèi)外近年來電子束粉末床熔融增材制造技術(shù)的新進(jìn)展進(jìn)行了綜述， 并對其發(fā)展趨勢、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

電子束粉末床熔融（electron beam powder bed fusion，EB-PBF）技術(shù)通常被稱之為電子束選區(qū)熔 化（selective electron beam melting，SEBM），是 上世紀(jì)90年代瑞典Arcam公司（2016年被美國 GE公司收購）發(fā)展起來的一種金屬增材制造技術(shù)。 與通常被稱之為激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）的激光粉末床熔融增材制造技術(shù) （laser powder bed fusion，L-PBF）相比，電子束 粉末床熔融增材制造技術(shù)具有功率大、能量利用率 高、掃描速度快、成形應(yīng)力低、真空環(huán)境成形等突 出特點(diǎn)，特別適合高熔點(diǎn)、高反射率、高活性、脆 性金屬材料復(fù)雜構(gòu)件的增材制造[1−6]。

電子束粉末床熔融技術(shù)自誕生之日起就引起學(xué) 術(shù)界和工業(yè)界的濃厚興趣。然而，長期以來全球只 有瑞典Arcam公司一家能夠生產(chǎn)和銷售電子束粉 末床熔融增材制造裝備，并未像激光粉末床熔融技 術(shù)一樣呈現(xiàn)出百花齊放、快速發(fā)展和應(yīng)用的態(tài)勢。 Wohlers Report 2022的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[7]表明，電子束粉 末床熔融裝備在整個粉末床熔融增材制造裝備裝機(jī) 量中占比僅為6%。近年來，受電子束粉末床熔融 增材制造多孔植入物和TiAl低壓渦輪葉片在醫(yī)療 和航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用的鼓舞，全球已有超 過9家機(jī)構(gòu)通過技術(shù)創(chuàng)新推出了各具特色的商業(yè)化 電子束粉末床熔融增材制造裝備，長期困擾該技術(shù) 發(fā)展應(yīng)用的成形尺寸小和電子槍陰極壽命短等問題 已經(jīng)得到了有效解決，并且涌現(xiàn)出了多種新成形工 藝和成形質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)，為電子束粉末床熔融 增材制造的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外在電子束粉末床熔融 增材制造裝備、工藝以及成形過程監(jiān)控技術(shù)方面的 新進(jìn)展，并對其發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景進(jìn)行展望，以 期為從事電子束粉末床熔融增材制造技術(shù)的研究機(jī) 構(gòu)和政策制定部門提供參考。

精選圖表

結(jié)論

（1）電子束粉末床熔融技術(shù)是金屬增材制造 主要發(fā)展方向之一。經(jīng)過二十余年的努力，長期困 擾該技術(shù)發(fā)展的成形尺寸小和電子槍陰極壽命短等 問題已被有效解決。進(jìn)一步提高電子束聚焦精度以 及實(shí)現(xiàn)毫安級強(qiáng)流電子束的微米級精細(xì)聚焦是電子 束粉末床熔融增材制造裝備未來發(fā)展需解決的關(guān)鍵 問題。

（2）電子束功率大、掃描速度快等特點(diǎn)使電 子束粉末床熔融增材制造技術(shù)在工藝優(yōu)化和組織調(diào) 控方面具有更大的自由度。通過發(fā)展在線熔池、溫 度場等監(jiān)控技術(shù)，結(jié)合跨尺度、多物理場的模擬， 有助于加深對電子束粉末床熔融增材制造材料和構(gòu) 件組織形成機(jī)制的理解，進(jìn)而形成融合組織性能調(diào) 控和質(zhì)量控制的智能成形工藝，這是電子束粉末床 熔融增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（3）隨著大尺寸電子束粉末床熔融增材制造 裝備的逐漸成熟，如何通過粉末床預(yù)熱、掃描熔化 等工藝創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)大尺寸高溫粉末床快速散熱和搭接 區(qū)的高質(zhì)量成形還需要進(jìn)一步深入研究。

YIN Min, WANG Jian✉.Research progress on equipment and processes of electron beam powder bed fusion additive manufacturing[J]. Powder Metallurgy Technology, 2025, 43(2): 224-232.

https://doi.org/10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2023070008