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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710016）
來(lái)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(guó)內(nèi)外競(jìng)相發(fā)展和應(yīng)用的金屬增材制造技術(shù)之一。近年來(lái)，國(guó)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(zhǎng)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(wèn)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(gè)方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)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(duì)其發(fā)展趨勢(shì)、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(chēng)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(guó) GE公司收購(gòu)）發(fā)展起來(lái)的一種金屬增材制造技術(shù)。 與通常被稱(chēng)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(zhǎng)期以來(lái)全球只 有瑞典Arcam公司一家能夠生產(chǎn)和銷(xiāo)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(shì)。 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(gè)粉末床熔融增材制造裝備裝機(jī) 量中占比僅為6%。近年來(lái)，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(dòng)機(jī)領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用的鼓舞，全球已有超 過(guò)9家機(jī)構(gòu)通過(guò)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(zhǎng)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(wèn)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(lái)國(guó)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(guò)程監(jiān)控技術(shù)方面的 新進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)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(mén)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(guò)二十余年的努力，長(zhǎng)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(wèn)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(jí)強(qiáng)流電子束的微米級(jí)精細(xì)聚焦是電子 束粉末床熔融增材制造裝備未來(lái)發(fā)展需解決的關(guān)鍵 問(wèn)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(guò)發(fā)展在線熔池、溫 度場(chǎng)等監(jiān)控技術(shù)，結(jié)合跨尺度、多物理場(chǎng)的模擬， 有助于加深對(duì)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(shì)。

（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(guò)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