摘要：本文通過球粉熔合理論和試驗方法闡述了熔粉成形過程，探究電子束熔粉成形過程的粉末熔合機制。結(jié)果表明，試驗結(jié)果吻合熔粉理論模型。熔合初期，離散粉末預(yù)熱后小粒徑的粉末顆粒幾乎完全熔入大顆粒中，顆粒與顆粒之間相連形成聚合結(jié)構(gòu)。熔合中期，粉末中形成大體積空隙，在熔池溶體表面張力的作用下呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)，且相互之間連通。熔合末期，因材料擴散傳質(zhì)和表面張力的作用，氣孔逐漸被排除，致密度接近理論密度。由于電子束接觸位置的熱載荷較高且向周圍散熱速度較快，因此成形件內(nèi)部出現(xiàn)大量板條狀馬氏體晶粒。

近年來，電子束選區(qū)熔粉技術(shù)（EBSM）在快速成形領(lǐng)域成為重點研究課題，與激光選區(qū)熔粉技術(shù)（LSM）相比，可以顯著節(jié)約制造成本，且不需要退火等熱處理，主要原因在于熔粉成形的原材料，LSM技術(shù)使用粉末粒徑小于EBSM技術(shù)使用的粉末，粉末制造成本就高出很多。瑞典Arcam公司的EBM機較有名氣，雖然國內(nèi)的電子束熔粉快速成形機集成度不高但功能方面相差不大。大多學(xué)者在電子束輸入能量和成形效果方面進(jìn)行了大量的試驗，很少有人從量化的角度探究粉末熔合過程。因此本文在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合特定的電子束熔粉工藝，探討了電子束點陣輸入能下的粉末熔合機制。

1試驗

1.1試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為桂林獅達(dá)公司自制的THDW-3型電子束熔粉打印機，電子槍的型號為M176，電子槍真空度為5×10－2Pa，熔粉成形室注入氦氣之后的真空度為0.3 Pa。電子槍的參數(shù)如表1所示。成形設(shè)備如圖1所示。

1.2試驗方法

本文以不銹鋼316L（022Cr17Ni12Mo2）球粉為成形原料，顆粒直徑為45~106μm（如圖2所示）【316L不銹鋼的微觀組織：相鄰熔覆道之間的搭接良好。組織主要由胞狀晶和呈外延生長的柱狀晶組成，柱狀晶的取向各不相同。由于熔池邊界處粉末未熔化區(qū)域溫度較低，因此一部分晶粒沿著熔池邊界外延生長，同時在SLM過程中，熔池內(nèi)部經(jīng)歷快速冷卻，表面張力形成梯度，熔池內(nèi)部存在“馬戈紊流”，熔池內(nèi)發(fā)生對流，導(dǎo)致熔池內(nèi)部散熱方向發(fā)生改變，因此，造成晶粒顯示出不同的生長方向。胞狀晶呈正六邊形，為柱狀晶的截面，柱狀晶晶粒十分細(xì)小，直徑分布在0.4～0.7μm。】，根據(jù)筆者已有的研究結(jié)果選擇合適的工藝，詮釋顆粒群的熔合線收縮和再結(jié)晶過程。由于試驗粉末顆粒直徑分布廣，為了建立粉末計算模型，用式（1）、（2）計算了顆粒群的當(dāng)量直徑d和算術(shù)平均直徑d。

的當(dāng)量直徑，μm；ni為當(dāng)量直徑為di的顆粒的個數(shù)。計算可知，試驗粉末的算術(shù)平均直徑為65μm。再取100 mL的試驗粉料稱重，凈重為0.40 kg；計算得到試驗粉末體積孔隙率ε為0.49，因此粉末顆粒并非最緊密堆積狀態(tài)。熔粉制備了橫截面積為5 cm2，長5 cm的圓棒，每層鋪粉0.10 mm，實驗流程如圖3所示。

2熔粉數(shù)值模型

2.1熔合初期

電子束熔粉與激光熔粉不同，因為電子束是以帶電粒子的定向運動產(chǎn)生的動能作為能量來源的，所以必須有導(dǎo)電回路才能不斷地轟擊工件。但粉末層是孔隙材料，導(dǎo)電性較差，因此在電子束接觸粉末的瞬間可能出現(xiàn)靜電潰散現(xiàn)象。為了確定熔粉初期的工藝模式，文章選用了雙球模型，計算不發(fā)生靜電潰散時的臨界線收縮量，結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。計算公式如式（3）。

式中：L0為燒結(jié)前的球心距，m；ΔL為燒結(jié)之后的縮短值，m；r為顆粒初始當(dāng)量半徑，m；試驗粉末當(dāng)量半徑為33μm。x為燒結(jié)頸半徑，m；ρ為頸部曲率半徑，m；θ為頸部擴展處中心連線與球心連線的夾角。試驗選取的線收縮率為0.11，用此收縮率控制電子束預(yù)熱輸入能，再代入動力學(xué)算式（4）。

式中：γ為界面張力，N/m；δ為原子或離子等質(zhì)點的直徑，m；Dυ為原子自擴散系數(shù)（體積擴散系數(shù)），m2/s；k

為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度，K；t為燒結(jié)時間，s。通過上述方程和實際散熱情況，計算出打印件每層粉末預(yù)熱時間。本文保證沉積層下方溫度為700℃，用1 mA束流，2倍束斑直徑大小的間距依次掃描該層沉積域粉末進(jìn)行預(yù)熱，時長3 s，掃描4次。