EBM成形零件后处理工艺研究

闫景玉，马俊飞，陈龙，陈雷，黄海龙，陈玉娟

（中航工业洪都，江西南昌330024）

EBM成形零件后处理工艺研究

闫景玉，马俊飞，陈龙，陈雷，黄海龙，陈玉娟

（中航工业洪都，江西南昌330024）

EEBM技术作为增材制造技术（3D打印）的一种，具有优越的技术优势。本文介绍了EBM成形技术的特点，并针对EBM成形零件，分别从表面质量、内部缺陷、力学性能等方面进行了研究，得出了改善零件这些方面质量的后处理工艺方法。

增材制造；EBM技术；表面质量；内部缺陷；力学性能；后处理工艺

0 引言

增材制造技术（俗称3D打印技术）作为一种新的制造模式，以其优越的技术特点，备受各国工业界青睐。

增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少加工工序，缩短制造周期[1]。

增材制造技术根据成形工艺不同，可以分为光固化成形技术（SLA）、激光选区烧结技术（SLS）、激光选区熔化技术（SLM）、电子束选区熔化（EBM）技术等[2]。本文就EBM技术成形零件的后处理工艺进行研究，以提高零件的综合性能。

1 EBM技术特点

电子束选区熔化技术EBM（Electron Beam Melting）是指利用计算机设计出零件的三维实体模型，对其进行分层处理并生成加工路径[3]。由偏摆线圈控制高能量密度的电子束按照规划的路径进行连续扫描，熔化铺放的粉末，层层堆积，直到制造出近净成型的产品，整个过程在真空环境中进行。

EBM系统主要由电子枪、真空室、真空机组、铺粉系统、工作台等几部分组成，如图1所示。

EBM成形技术具有如下特点：

1）成形零件性能优异；EBM技术成形过程电子束流扫描区域材料可以实现完全熔化，形成冶金结合，零件性能优越；

2）零件成形精度高；电子束扫描定位精度可达± 0.05mm；

图1 EBM系统组成

3）成形工艺过程简单：只需准备好粉末原料及待加工零件的三维模型即可；成型过程高度自动化，可无人值守、远程操作。

4）零件形状几乎不受限制：可以加工极复杂的镂空、旋臂、蜂窝结构，数据处理简单。

5）加工材料范围广：电子束几乎可以加工任何导体，不受材料反射的影响，对于各种金属均有稳定的吸收率，熔凝过程较为稳定[4]。

2 后处理工艺研究

虽然电子束选区熔化技术（EBM技术）具有诸多优点，成形后零件在许多情况下可以直接使用。但在航空航天领域，对于要求严格的零件，在成形原始状态下，必须通过其它后处理工艺才能满足要求。

2.1 提高表面质量方法

EBM直接成型后的零件表面粗糙度相对较粗糙，并且表面会沾上未完全熔化的粉末，侧面可见清晰的层间界限，如图2所示。

图2 EBM成型后表面状态

采用轮廓仪对EBM成形的试样顶面、底面进行了测试，EBM成形的TC4样品表面粗糙度为Ra16～Ra33，结果如图3～图6所示。

图3 EBM成形的TC4试样顶面粗糙度

图4 EBM成形的TC4试样底面粗糙度

图5 EBM成形的TC4试样侧面粗糙度

图6 EBM成型后经过吹砂处理的表面状态

通过对直接成型零件进行吹砂处理，去除了表面粘附的粉末，使表面质量有所提高。但表面粗糙度仍然较高，不能从根本上改善。

对于表面粗糙度要求较高的零件，可通过机加方法对表面进行处理，以达到较为理想的效果，如图7所示。

图7 机械加工后的表面粗糙度

2.2 改善内部缺陷方法

经测试发现，EBM成型的零件，内部会出现未熔合和气孔两种缺陷,见图8～图10。

未熔合缺陷一般较大，在X光检验时容易检出；而气孔的尺寸很小，一般在100μm以下，大部分小于50μm，X光难以分辨。

图8 未熔合缺陷（垂直于层面）

图9 未熔合缺陷（平行于层面）

图10 气孔缺陷

气孔几乎存在于所有EBM加工的试样中。一般靠近试样底部呈链状分布（X光可以检验），而在样品其余部分则随机出现。

为消除这些缺陷，将EBM零件进行了热等静压处理。

如图11～图12所示，EBM零件在X光检测下，发现有大量链状缺陷，而通过热等静压，发现缺陷几乎全部消失，证实热等静压对消除缺陷有明显作用。

图11 EBM态零件X光底图

图12 EBM+HIP态零件X光底图

2.3 力学性能改善方法

为验证热等静压对EBM零件力学性能的影响，对EBM成形过程中TC4试棒原始态及经过热等静压后的试棒进行了力学性能试验。

发现经过热等静压后的试棒，其拉伸强度及屈服强度并没有提升。而高周疲劳性能可以大幅提高。

EBM态TC4试棒疲劳极限约390MPa（表1），而EBM+HIP态TC4试棒疲劳极限约580MPa（表2）。

表1 EBM态TC4高周疲劳测试数据

表2 EBM+HIP态TC4高周疲劳测试数据

3 结论

通过对EBM成形零件后处理工艺研究，可以得出如下结论：

1）通过吹砂可以改善EBM零件表面质量，再通过机械加工类似方法获得理想的表面质量；

2）热等静压工艺，可以明显消除EBM零件成形过程中产生的未熔合及气孔缺陷；大幅提升EBM零件高周疲劳性能。

[1]卢秉恒,李涤生.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，4.

[2]郭日阳.3D打印技术及产业前景[J].自动化仪表,2015，3.

[3]赵剑峰,马智勇.金属增材制造技术[J].南京航空航天大学学报,2014，5.

[4]汤慧萍,王建.电子束选区熔化成形技术研究进展[J].中国材料进展,2015，3

>>>作者简介

闫景玉，男，1987年出生，2013年毕业于南京航空航大学，硕士，现从事飞行器结构设计工作。

Research on EBM Forming Part Post-treatment Technology

Yan Jingyu,Ma Junfei,Chen Long,Chen Lei,Huang Hailong，Chen Yujuan
（AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024）

EBM technique has superior technical advantages as one type of the additive manufacturing technique (3D printing).The paper introduces the characteristics of EBM forming technique and performs the research on surface quality,internal defect,mechanical property and so on against EBM forming part,the post-treatment technology method to improve part quality comes out.

additive manufacturing;EBM technique;surface quality;internal defect;mechanical property;posttreatment technology

2016-04-10）