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电子束选区熔化增材制造技术研究现状分析1. 本文概述随着现代制造业的快速发展，增材制造技术作为一种创新制造方法，在航空航天、生物医疗、汽车制造等领域展现出了巨大的应用潜力。
电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting, EBSM）作为增材制造技术的一种，以其高精度、高效率和优异的机械性能等特点受到广泛关注。
本文旨在对电子束选区熔化增材制造技术的研究现状进行全面分析，包括其工作原理、关键工艺参数、材料适用性、优势与挑战以及在不同领域的应用情况。
通过对现有文献的综述和案例分析，本文将深入探讨EBSM技术的发展趋势，为其未来的研究和应用提供理论指导和实践参考。
2. 电子束选区熔化增材制造技术基本原理EBSM系统首先通过电子枪产生高能电子束。
电子枪通常采用场发射或热发射的方式，产生高速电子流。
这些电子流在高压电场的作用下被加速，形成高能电子束。
电子束的能量密度通常在107至109Wcm范围内，足以熔化大多数金属和合金。
电子束在计算机控制下精确地扫描金属粉末层。
当电子束照射到粉末上时，其能量被粉末吸收并转化为热能，导致粉末局部熔化。
电子束的扫描路径和功率密度可以精确控制，以确保只有预定区域的粉末被熔化。
熔化的粉末在重力和表面张力的作用下保持形状，并与下层已固化的材料相结合。
随着电子束的连续扫描，熔化区域逐渐扩展，逐层构建出所需的三维结构。
这一过程中，熔化与凝固快速交替进行，要求精确控制温度，以防止热应力和变形。
EBSM过程通常在真空或保护气氛中进行，以防止熔化金属与空气中的氧气、氮气等发生反应，避免氧化和污染。
气氛控制对于保持零件质量至关重要，特别是在处理易氧化或对气氛敏感的合金时。
制造完成后，零件通常需要去除支撑结构并进行后续的热处理、机加工等，以达到最终的设计要求和使用性能。
电子束选区熔化增材制造技术因其高能量密度、高精度和良好的材料适应性，在航空航天、生物医疗、高端制造等领域展现出巨大的应用潜力。
涂层表面改性提高材料耐腐蚀性策略一、涂层表面改性技术概述涂层表面改性技术是一种通过在材料表面施加涂层来提高其耐腐蚀性能的方法。
这种技术广泛应用于各种工业领域，尤其在海洋、化工、航空航天等对材料耐腐蚀性有特殊要求的行业中。
涂层不仅可以提高材料的耐腐蚀性，还能增强其耐磨性、耐高温性等其他性能。
1.1 涂层表面改性技术的核心原理涂层表面改性技术的核心原理是通过在材料表面形成一层保护膜，这层膜可以是金属的、非金属的或者有机的，其目的是隔离材料与腐蚀介质的接触，从而减缓或阻止腐蚀过程的发生。
涂层的保护作用主要体现在以下几个方面：- 物理隔离：涂层形成一层屏障，阻止腐蚀介质如氧气、水分和腐蚀性化学物质与材料基体接触。
- 化学保护：某些涂层材料含有能够与腐蚀介质反应的活性成分，通过化学反应消耗腐蚀介质，减缓腐蚀过程。
- 电化学保护：涂层可以通过形成电化学屏障，改变材料表面的电位，从而抑制腐蚀电池的形成。
1.2 涂层表面改性技术的应用领域涂层表面改性技术的应用领域非常广泛，主要包括以下几个方面：- 海洋工程：海洋环境中的高盐分和微生物活动对材料腐蚀性极强，涂层技术可以有效提高海洋工程结构的耐腐蚀性。
- 化工行业：化工设备经常接触各种腐蚀性化学品，涂层技术可以保护设备免受化学腐蚀。
- 航空航天：航空航天器在极端环境下工作，涂层技术可以提高其结构材料的耐腐蚀性和耐高温性。
二、涂层表面改性技术的种类与发展涂层表面改性技术经过多年的发展，已经形成了多种类型，每种类型都有其独特的性能和应用场景。
2.1 传统涂层技术传统涂层技术主要包括热喷涂、电镀、化学镀等方法。
这些方法通过在材料表面形成一层金属或合金涂层来提高其耐腐蚀性。
虽然这些技术成熟可靠，但存在一些局限性，如涂层与基体的结合力较弱，涂层的均匀性和致密性难以保证。
2.2 高性能涂层技术随着科技的进步，新型高性能涂层技术应运而生，如纳米涂层、复合涂层、自修复涂层等。
这些技术利用纳米材料的独特性能，或者通过复合多种材料来提高涂层的综合性能。
电子束表面改性技术的研究及应用探讨电子束表面改性技术是现代材料科学中的一个重要研究方向。
该技术是通过向材料表面注入电子束，使原有的结构发生改变，从而达到增强材料性能的目的。
这种技术主要应用于材料表面的微观结构改变和材料性能的改善。
今天我们来探讨一下电子束表面改性技术的研究和应用。
一、电子束表面改性技术的研究电子束表面改性技术是金属表面改性的一种有效方法。
电子束表面改性技术的原理是通过电子束的加速器将电子束加速到一定的能量后，注入到材料表面，使其发生结构变化。
电子束注入后，材料表面上的晶体会发生位错、变形等变化，从而改变其物理性质。
电子束表面改性技术的研究主要针对对材料表面的改变进行研究。
目前主要的研究方向有以下几个：1. 电子束注入量的控制电子束注入量的大小对材料的性质改善有重要的影响。
过度注入会造成材料的熔化或蒸发，导致严重的损坏。
因此，需要通过精确的控制电子束的注入量，以达到材料表面的最佳改性效果。
2. 电子束的能量电子束的能量对材料表面的改性效果有显著影响。
通过调节电子束的能量，可以改变材料表面的晶体结构，从而提升材料的性能。
3. 电子束注入时间和速度电子束注入时间和速度也对电子束表面改性技术的效果有重要的影响。
一般来说，注入时间和速度都需要控制在合适的范围内，以避免材料表面的熔化、蒸发或其他形变等问题。
二、电子束表面改性技术的应用电子束表面改性技术的应用不仅局限于材料改性，还可以应用于其他领域。
以下是其主要应用领域：1. 电子束表面改性技术在航空航天领域的应用电子束表面改性技术在航空航天领域的应用越来越广泛。
它可以用于制造各种支架、引擎和其他重要部件。
电子束表面改性技术可以提升这些材料的性能，降低摩擦系数和阻力等，大大提高了安全性和寿命。
2. 电子束表面改性技术在医学领域的应用电子束表面改性技术在医学领域的应用也很广泛。
它可以用于制造人造骨骼植入物、心脏支架和其他医疗器械。
电子束表面改性技术还可以增强这些材料的生物相容性，从而减少排异反应的几率。
表面改性技术班级：材料092姓名：朱光辉学号：109012042 课程: 现代表面技术表面改性技术概述：表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。
表面改性技术的研究和应用已有多年。
70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。
表面改性的特点是：（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。
（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。
（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。
（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。
表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。
表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。
表面改性技术方法：1、金属表面形变强化方法及其应用常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷九、滚压和内孔挤压等强化工艺。
喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。
已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。
喷丸强化原理：（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；二是形成了高的宏观残余压应力。
热喷涂涂层的重熔后处理工艺研究进展安树春,程汉池,栗桌新,高晨表面技术引言热喷涂涂层是由熔化状态热喷涂粉末粒子以高速喷向基体,一层一层有规律地叠加形成不连续结构,在基体表面经过碰撞、变形和凝固等过程后形成,涂层呈典型的层状结构,内部不同程度地存在着微孔,从而影响了与金属基体的结合强度和表面层致密度,因此难以适应较恶劣的环境,这限制了它的应用范围及使用寿命。
重熔处理是利用热源将合金中最易熔化的成分熔化,产生的液相有助于扩散过程的强化和成分的渗透,熔化的结果使热喷涂涂层与基体的结合区由原来堆叠的层状组织变为致密和较均匀的组织,孔隙减少甚至消失。
因此采用适当的重熔处理,可改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量,从而提高涂层的耐磨、耐蚀性。
目前,重熔处理技术主要有激光、电子束、TIG重熔、火焰重熔、整体加热和感应重熔等,本文拟对这些重熔技术进行综述,以期促进这些工艺技术的发展,指导实际应用。
[摘要]热喷涂涂层呈典型的层状结构,孔隙度较高,且与基体结合为物理结合,难以适应较恶劣的环境,这限制了它的应用范围及使用寿命。
重熔处理可以改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量,提高涂层使用性能。
综述了各种涂层重熔处理新工艺的研究现状,介绍了重熔后的组织和性能,分析比较了各工艺的不同,以期促进该技术的发展,指导实际应用,并展望了其推广应用的前景。
[关键词]重熔处理;等离子喷涂;热喷涂涂层;组织;裂纹1激光重熔1.1激光重熔原理热喷涂激光重熔工艺,即先用火焰、电弧、等离子或爆炸喷涂等方法在基材上制备金属或陶瓷涂层,然后在使用保护气氛的条件下用激光束进行扫描熔化处理(即二步法),见图1。
激光具有很高的能量密度和稳定的输出功率,可以明显改善涂层的组织和性能。
激光重熔时,试件在高能量激光束的照射下,使基体材料表面薄层与根据需要加入的陶瓷或合金涂层同时快速熔化、混合,形成厚度为10~1 000μm的表面熔化层。
熔化层在凝固时获得的冷却速度可达105~108℃/s,相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度,又由于熔化层液体内部存在扩散作用和表面张力效应等物理现象,使材料表面仅在很短时间(50μs~2ms)内就形成了具有所需深度和化学成分的表面合金化层。
中国空间科学技术 2010年10月 Chinese Space Science and T echnology 第 5 期硅化物涂层电子束重熔表面改性技术于斌 靳庆臣 刘志栋 何俊(兰州物理研究所,兰州730000)摘要在Nb521铌合金表面采用料浆烧结法制备硅化物涂层,利用高频扫描电子束对硅化物涂层进行重熔处理,通过扫描电子显微镜对处理样品表面形貌进行组织结构分析。
研究表明,经过电子束重熔处理,硅化物涂层表面陶瓷晶粒粒度降低,表面粗糙度降低,陶瓷颗粒之间烧结作用增强,重熔区域与未处理区域具有明显的边界,电子束能量分布较均匀,电子束重熔提高了硅化物涂层的抗氧化性能和抗热震性能。
关键词电子束重熔 表面粗糙度抗氧化性能 形貌 硅化物涂层 卫星1 引言铌是一种难熔金属,由于其在高温下有较好的力学性能而被广泛地应用于航空、航天等领域,但是铌合金的氧化行为使其应用受到限制[1]。
硅化物涂层作为铌合金的高温保护涂层,在高温氧化时,涂层表面形成一层玻璃态氧化物膜,延长涂层的高温使用寿命,在高温氧化过程中,熔融态硅化物可以封闭涂层中的裂纹。
这一现象受到学者们的广泛关注,并开展了进一步提高硅化物涂层的抗氧化性能的研究[2]。
涂层的电子束重熔可以改善涂层组织及提高性能[3]。
Weisenbur ge对镍基合金表面CoNiCrAlY 涂层进行了电子束重熔研究,处理后超音速火焰喷涂涂层和真空等离子喷涂涂层表面粗糙度分别由62 m和47 m下降至3 7 m和8 m,近表层30~40 m厚度范围内气孔被彻底消除,高温氧化试验涂层氧化膜增长速率降低[4]。
H am atani对CoCrW合金表面应用高速火焰热喷涂法制备的NiCrFeSi涂层进行电子束重熔研究,指出涂层气孔数量、表面粗糙度和涂层/基体界面粘结强度是优化电子束改性工艺参数的标准[5]。
U tu研究了电子束重熔对高速火焰热喷涂方法制备的CoNiCrAlY涂层耐腐蚀性能的影响,电子束重熔技术可以显著降低涂层气孔和氧化物含量,涂层耐腐蚀性能有较大程度的提高[6]。
目前,星用发动机材料多为以硅化物体为抗氧化涂层的铌合金,因此,延长硅化物涂层的抗氧化寿命是卫星长寿命发展的需求,为此作者研究了电子束重熔对铌合金表面硅化物涂层的表面形貌和性能的影响。
2 试验方法试验用基体材料为铌合金,利用烧结方法制备硅化物涂层,涂层试样尺寸为50mm 12m m 3m m,试验设备是法国T ECH M ET A公司生产的6kW电子束焊机。
首先进行电子束扫描波形的设计,然后利用该波形的电子束对硅化物涂层进行重熔处理;通过工作台的移动实现电子束对试验样品表面的垂直辐照,在真空条件下,利用优化的工艺参数进行涂层单道电子束重熔改性处理。
工艺参数见表1。
利用JSM 5500扫描电镜分析重熔涂层表面组织形貌。
收稿日期:2009 11 03。
收修改稿日期:2010 03 16表1 硅化物涂层电子束重熔工艺参数工艺参数电压/kV电流/mA 重熔速率/(mm/min)扫描频率/H z 规范3093002003电子束扫描波形设计电子束扫描能量输入均匀性是开展电子束表面改性技术前提,电子束扫描波形直接影响电子束熔覆涂层表面熔池的温度场,进而影响熔池表面温度及熔体的粘度、熔体密度、合金元素的扩散、熔覆改性层组织结构均匀性、表面平整度、气孔或裂纹。
Knyazeva 指出电子束扫描频率大于50H z 时在波形范围内产生的热输入等同于一个有效热源[7]。
电子束扫描控制系统研究表明,频率至少在500H z 以上时,平面加热才可以认为是面热源,此时所获得温度场的温度起伏较小,当扫描的频率达到1000H z 时几乎可以认为没有温度的波动。
图1 扫描波形轨迹电子束几乎没有质量和惯性,可以通过电磁场的控制实现电子束的偏转扫描。
通过前期大量试验验证,按照以下要求设计波形,可以保证电子束扫描波形范围内能量输入较均匀:1)扫描波形左右对称;2)扫描波形由光滑曲线构成;3)扫描波形上轨迹和下轨迹曲率相近,即包含的离散化数据点相近;4)扫描波形中不出现尖锐拐点;5)扫描波形高频扫描时无畸变现象;6)扫描波形纵向幅值小于横向幅值,纵向即为电子束重熔时工件运动方向。
获取能量输入较均匀的扫描波形参数和形状分别如表2和图1(a)所示。
电子束扫描波形轨迹见图1,其中所设计扫描波形轨迹如图1(a),电子束扫描等效热源近似形状如图1(b)。
表2 电子束扫描波形参数波形参数波形幅值/mm 束斑直径/mm 扫描方式扫描波形轨迹设计112 6线扫描见图14 试验结果与讨论图2左侧和右侧分别为同一试样铌合金硅化物涂层重熔后表面形貌和原涂层表面形貌,电子束图2 硅化物涂层电子束重熔表面形貌重熔快速熔化和凝固过程导致涂层表面晶粒粒度降低,增强了硅化物金属陶瓷涂层的烧结作用,涂层表面大晶粒被电子束打碎熔化,凝结为小颗粒并烧结在一起,重熔层表面和原涂层表面界面分明说明电子束能量输入较均匀。
图3(a)和(c)所示为硅化物涂层重熔前表面形貌。
铌合金表面料浆烧结制备硅化物涂层是通过固液反应扩散形成的,涂层表面粗糙度较大,绝大部分由熔融的岛屿状表面相连接。
在烧结后期冷却过程中,涂层中金属硅化物冷却收缩,表面颗粒之间有较大的应力存在,涂层表面表现为粗糙的岛屿状相连,并形成微小孔洞,孔洞为氧提供了扩散通道,可见硅化物通过烧结不能完全抑制空洞的产生[8]。
此外由于孔洞的存在,在氧化的过程中,在此处造成氧的积累和氧浓度的提高,促进氧向涂层和铌合金基体扩散,使涂层寿命降低。
金属陶瓷涂层电子束重熔过程相当对涂层进行二次烧结作用,电子束重熔后的涂层表面仍较粗糙,但表面陶瓷颗粒形态及分布较均匀,涂层/基体的冶金结合增强。
文献[9]研究表明,二次熔烧的涂层比加涂一次的涂层表面组织均匀、致密,具有更宽的过渡层。
过渡层可有效阻止裂纹的进一步扩展,从而提高涂层的高温抗氧化性能。
如图3(b)和(d)所示,电子束重熔处理后,涂层表面陶瓷颗粒的烧结作用增强,较大颗粒被电子束击碎熔化冷却成为小颗粒烧结在一起,表面熔化较均匀,表面粗糙度降低。
由于涂层表面凸起颗粒熔化填补孔隙,重熔后涂层表面空洞密度降低。
本文采用高频扫描电子束进行重熔,高频扫描电子束在波形范围内等同于一个等效热源[7],涂层在电子束加热熔化情况下,经过电子束扫描搅拌涂层表面熔池,使涂层表面熔化金属流向空隙的倾向增强,从而使涂层更致密,空隙率降低。
电子束重熔促进涂层/基体之间的元素扩散,增强涂层元素的渗透深度,过渡层宽化,提高涂层/基体的粘结强度,电子束能量输入均匀性保证了涂层/基体熔化连续,且增强了涂层的致密度,降低孔隙率,能够有效地阻止氧向基体扩散,起到对铌合金基体的保护作用。
图3 硅化物涂层重熔前后表面形貌对比由图3(d)可见,电子束重熔处理后,在表面产生了若干裂纹,这是由于电子束重熔过程中,涂层中高熔点的铌硅金属间化合物快速熔化和冷却收缩,在热应力作用下,表面颗粒之间产生很大的应力,尤其是形状不规则的颗粒的一些曲率半径较小的尖角处,存在应力集中,很容易使这些区域萌生裂纹。
在涂层快速凝固过程中,涂层、涂层和基体的结合界面及基体发生了不同程度的凝固收缩,由此引发的应力也促使裂纹进一步扩展。
裂纹附近陶瓷颗粒几乎未产生塑性变形,涂层对裂纹扩展的阻碍作用很小,硅化物涂层韧性较差,说明热应力较大,远远高于陶瓷颗粒界面间的断裂强度。
电子束重熔的裂纹防治问题是电子束表面改性技术开展的前提,前期研究表明,硅化物涂层电子束重熔裂纹产生的倾向很大,在能量密度相同的前提下,采用小束流、慢速、大扫描半径、高频扫描进行重熔,可以获取无裂纹的重熔涂层。
电子束重熔处理后涂层表面粗糙度显著降低,表面陶瓷颗粒粒度降低,这与SEM得到的分析结果一致。
扫描电子束使涂层快速熔化凝固,涂层表面凸起陶瓷颗粒首先被熔化而凝固为细小颗粒,熔化金属由于重力作用填补颗粒之间的空隙,使得凸起颗粒消除和凹陷部位生长。
电子束的高频扫描使扫描波形范围内能量输入均匀,表面熔池各区域温度梯度小,熔池液态金属均匀流动,金属元素扩散均匀。
电子在波形范围内高频扫描对涂层表面熔池起到搅拌作用,提高了涂层表面熔池的流动性,液态金属流向凹陷部位的能力增强。
上述原因导致重熔后涂层表面粗糙度降低。
重熔涂层经过高温氧化试验及热震试验表明,涂层抗热震能力显著提高,这是因为电子束重熔增强了涂层/基体的冶金结合,提高了涂层/基体的粘结强度。
重熔使涂层/基体元素扩散作用增强,由于Nb的渗透使硅化物涂层韧性提高,过渡层宽化,涂层/基体在快速升温和降温过程中的应变协调性提高,涂层和基体界面裂纹产生倾向降低。
涂层表面粗糙度降低,在表面陶瓷颗粒之间由于凝固收缩产生了应力减小,应力集中的倾向减小,在这些区域萌生裂纹的可能性降低。
涂层空隙率降低,涂层进一步烧结,组织细化致密,提高了对氧原子渗透的阻碍作用。
上述诸多因素导致硅化物涂层的高温抗氧化性能和抗热震性能提高。
5 结束语电子束重熔处理后,硅化物涂层表面陶瓷晶粒粒度降低,表面粗糙度降低,组织结构更加均匀,表面层孔隙率降低,表面组织更加致密。
电子束重熔对硅化物涂层的二次烧结使涂层表面陶瓷颗粒烧结作用增强,增强了涂层/基体之间的元素渗透,提高了涂层致密度、组织均匀性和涂层/基体的粘结强度。
硅化物重熔处理后,涂层/基体获得了更好的冶金结合,使涂层/基体变形协调性增强,涂层/基体的界面裂纹产生的倾向降低,涂层组织更加致密,裂纹萌生倾向减小,对裂纹扩展的阻碍作用进一步增强,涂层的高温抗氧化性能和抗热震性能提高。
参 考 文 献[1] 白新德,邱钦伦,甘东文,等.铌在空气中的氧化动力学及成膜机制的研究[J].清华大学学报,1998,38(6):71-73.[2] 王禹,陈旻,郜嘉平,等.T i Cr Si硅化物涂层结构及裂纹扩展[J].稀有金属材料与工程,2000,29(5):315-320.[3] 何俊,于斌,张涛,等.预置涂层电子束熔覆改性技术研究[J].航天制造技术,2008,25(6):1-5.[4] WEISENBU RG ER A,R IZZI G,SCRIV A N I A,et al.P ulsed electro n beam tr eatment of M Cr AlY bondcoats forEB PV D T BC systems par t1of2:coat ing pr oduction[J].Sur face&Coating s T echnolog y,2007,202: 704-708.[5] HI DEK I H AM AT A NI,Y A SU N OBU M I YA ZA K I.Optimization o f an electro n beam r emelting o f H V OFspray ed allo ys and carbides[J].Surface and Coating s T echnolog y,2002,154:176-181.[6] U T U D,BRA NDL W,M AR GIN EA N G,et al.M or pho log y and phase modificat ion of H V OF spr ayedM Cr A lY coating s r emelted by electro n beam ir radiation[J].Vacuum,2005,77:451-455.[7] 郭光耀,刘方军,韩瑞清.电子束扫描控制系统[J].焊接学报,2003,24(1):91-93.[8] 肖来荣,蔡志刚,宋成.M o(Si,A l)2高温抗氧化涂层的形貌与结构研究[J].兵器材料科学与工程,2006,29(3):50-53.[9] 肖来荣,蔡志刚,殷磊,等.料浆烧结法制备改性Si Cr F e高温抗氧化涂层的研究[J].稀有金属与硬质合金,2006,34(2):16-20.作者简介于 斌 1983年生,2008年获兰州理工大学材料学专业硕士学位,工程师,从事航天压力容器设计工作。
