王 巖，李云哲，劉世鋒，黨 宇，石 英，王 建

(1. 西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)(2. 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，陜西 西安 710016)

1 前 言

隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)和航空航天的快速發(fā)展，傳統(tǒng)材料加工方法已不能滿足人們對(duì)結(jié)構(gòu)和功能一體化零件的制備需求，20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的新型材料加工方法——電子束選區(qū)熔化(selective electron beam melting，SEBM)是解決這一問(wèn)題的良好方法，迅速引起了全世界研究人員的興趣。SEBM是增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)中使用很廣泛的一種粉床材料成形工藝，是一種集機(jī)械、電子、材料、控制于一體的新型材料加工方法，與傳統(tǒng)材料制造方式不同，SEBM技術(shù)可以根據(jù)零件的三維(three dimensions，3D)模型，通過(guò)層層堆疊實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀部件的快速制造。這種層層疊加的材料加工方法的設(shè)計(jì)和制造自由度大，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)，是21世紀(jì)智能制造的重要組成部分，2012年英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》稱AM技術(shù)將推動(dòng)人類第三次工業(yè)革命。

本文將重點(diǎn)介紹SEBM技術(shù)的原理以及其在生物醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用案例。研究總結(jié)過(guò)去5年SEBM技術(shù)在金屬材料制備領(lǐng)域的最新研究成果，包括粉末材料的設(shè)計(jì)、制造工藝、微觀結(jié)構(gòu)和制備樣品的機(jī)械性能。在此基礎(chǔ)上，提出了一些思路和研究趨勢(shì)，供今后研究之用。

2 SEBM技術(shù)原理

SEBM技術(shù)是由瑞典Arcam公司首次開(kāi)發(fā)的金屬粉床AM技術(shù)中最常見(jiàn)、最成熟的技術(shù)之一。早期中國(guó)清華大學(xué)和西北有色金屬研究院在SEBM技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究。圖1顯示了SEBM機(jī)器主要由能源系統(tǒng)、真空室和建造平臺(tái)組成[1]。SEBM技術(shù)制備零件流程主要分為預(yù)熱、成形和自回火3個(gè)階段。計(jì)算機(jī)控制切片軟件將3D模型逐層分解[2-5]，粉末材料被高能電子束有選擇性的熔化，建造平臺(tái)上的粉末材料迅速冷卻凝固，然后建造平臺(tái)下降到一定高度，繼續(xù)鋪粉預(yù)熱第二層粉末，粉末的穩(wěn)定性得到改善，并持續(xù)熔化，直至3D模型零件被堆積成一個(gè)實(shí)體零件，整個(gè)過(guò)程在高功率、高真空環(huán)境中進(jìn)行[6, 7]。

圖1 SEBM機(jī)器工作原理[1]Fig.1 Working principle of SEBM machine[1]

3 SEBM成形金屬材料

電子束能量密度高，足以熔化各種高熔點(diǎn)的金屬，2019年有報(bào)道稱SEBM技術(shù)已經(jīng)可以熔化鎢金屬[8]。近年來(lái)，SEBM技術(shù)在鈦基合金、鐵基合金、鋁基合金、銅基合金、高溫鎳基合金、高熵合金等金屬材料制備方面取得了重大研究進(jìn)展。

3.1 鈦基合金

鈦及鈦基合金是20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)金屬材料。鈦因其低密度(4.52 g·cm-3)、高強(qiáng)度、高耐蝕性和生物相容性的特性而被廣泛應(yīng)用。然而鈦導(dǎo)熱系數(shù)較低、采用傳統(tǒng)刀具加工鈦產(chǎn)生的熱量不能被導(dǎo)出、容易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，使用鈦合金粉末被電子束有選擇性的熔化成形3D零件可以規(guī)避機(jī)械加工制備鈦合金的缺點(diǎn)，因此SEBM技術(shù)首先在鈦領(lǐng)域得到發(fā)展，目前TC4的SEBM加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，TC11、Ti2448[9]也得到了更多的研究。研究證實(shí)，使用SEBM技術(shù)制備的TC4的靜態(tài)力學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到、甚至超過(guò)其鍛造狀態(tài)水平[10]。

目前研究人員在TC4合金的SEBM工藝參數(shù)方面已經(jīng)探索得比較成熟。為了進(jìn)一步研究不同因素對(duì)TC4成形質(zhì)量的影響，Lee等[11]研究了粉床預(yù)熱效應(yīng)對(duì)TC4成形的影響，采用3D圖像處理來(lái)量化3種不同預(yù)熱條件下樣品的成形誤差，結(jié)果表明，長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)熱對(duì)零件的致密度影響不大，并且隨著能量密度的增加，最大構(gòu)造誤差從330增加到400 μm，如圖2所示。

圖2 樣品3D可視化誤差圖(a)；低預(yù)熱(b)、標(biāo)準(zhǔn)預(yù)熱(c)和高預(yù)熱(d)對(duì)樣品的構(gòu)造誤差[11]Fig.2 3D visualization error map of the sample (a); construction error plots of low preheating (b), standard preheating (c) and high preheating (d) for samples[11]

SEBM工藝的循環(huán)熱處理對(duì)打印的零件有顯著影響，Tang等[12]首次研究了SEBM制備深粉床TC4缺陷的3D特征及其對(duì)樣品拉伸特性的影響，發(fā)現(xiàn)缺陷在同一樣品的不同高度中分布不均，圖3表明在樣品的不同高度中，缺陷隨著樣品高度的增加而逐漸減少。樣品中部屈服強(qiáng)度最高，為928 MPa；延伸率最高為16.4%。

圖3 同一樣品不同高度中的缺陷[12]Fig.3 Defects in the same sample with different heights[12]

通常采用模擬方法可以降低實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的各種成本。Xiong等[13]使用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法模擬SEBM制備TC4合金的晶粒生長(zhǎng)行為，提出了一個(gè)集成的建?？蚣?，可以結(jié)合粉末特性和工藝，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)SEBM制備的TC4的微觀結(jié)構(gòu)。Tan等[14]利用實(shí)驗(yàn)和模擬解釋了SEBM中柱狀晶體的生長(zhǎng)行為，發(fā)現(xiàn)SEBM制造的TC4遵循傳統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)性晶粒生長(zhǎng)模型，其中柱狀β-Ti具有競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)，且隨著樣品建造高度增加，晶體結(jié)構(gòu)變得更強(qiáng)。

3.2 鐵基合金

鐵基合金是目前世界上消費(fèi)和使用量最大的金屬材料，并且鐵基合金SEBM技術(shù)在成本控制方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此研究者在鐵基合金的SEBM方面有一定的研究[15-17]。

為探討加工參數(shù)對(duì)316L不銹鋼成形特性的影響，Wang等[18]通過(guò)改變加工參數(shù)(速度函數(shù)(speed function,SF)和聚焦偏移(focus offset, FO))來(lái)制備樣品。圖4顯示了通過(guò)優(yōu)化316L樣品的SEBM加工參數(shù)，得到的不同樣品表面的過(guò)度熔化、熔化良好和多孔結(jié)構(gòu)。SEBM制備的316L屈服強(qiáng)度約為350 MPa，高于通過(guò)傳統(tǒng)鑄造[19]和鍛造[20]制備的，但其延伸率低于通過(guò)傳統(tǒng)加工方法制備的。如圖5顯示在低SF和高FO樣品中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的σ相沉淀，導(dǎo)致樣品在水平方向的延展性降低。因此研究人員多使用較高的SF和較低的FO避免σ相沉淀，但要確保樣品表面低粗糙度和高密度。Zhong等[21]首次使用SEBM技術(shù)和激光選區(qū)熔化(selective laser melting, SLM)技術(shù)分別制備用于核裂變的316L不銹鋼薄壁復(fù)合容器，優(yōu)化參數(shù)以制造幾乎致密的零件。SLM技術(shù)制備的零件表面精度高，SEBM技術(shù)制造的零件表面精度低，但成形效率高。在250 ℃的高溫下，SLM制備的樣品的屈服強(qiáng)度高于400 MPa，而SEBM制備的樣品屈服強(qiáng)度只有170 MPa，但延伸率高于SLM制備的樣品。進(jìn)一步分析樣品微觀結(jié)構(gòu)，在兩種樣品中均發(fā)現(xiàn)了熔池、晶界等微觀結(jié)構(gòu)。

圖4 通過(guò)優(yōu)化316L樣品的SEBM加工參數(shù)制備的樣品表面過(guò)度熔化、熔化良好和多孔結(jié)構(gòu)[18]Fig.4 Over-melted, well-melted, and porous structure of sample surface by optimization of SEBM preparation process parameters for 316L sample[18]

圖5 樣品腐蝕后微觀結(jié)構(gòu)表征[18]：(a)粗晶界SEM照片；(b)晶界和晶粒內(nèi)部析出的σ相粒子的SEM照片；(c) EDS映射顯示Fe的元素?fù)p耗以及Cr和Mo的富集Fig.5 Microstructure characterization of the sample after corrosion[18]：(a) SEM image of thick grain boundaries；(b) SEM image of σ phase particles precipitating at grain boundary and inside grains； (c) EDS mappings showing element depletion of Fe and enrichment in Cr and Mo

為研究SEBM制備樣品不同位置的微觀結(jié)構(gòu)變化，Olsón等[16]觀察到SEBM制備的樣品頂部、中間和底部微觀結(jié)構(gòu)有顯著差異，如圖6所示，在樣品頂部發(fā)現(xiàn)了明顯的熔池線，底部沒(méi)有熔池線但有明顯晶界。Cormier等[22]研究了SEBM制備的H13工具鋼的微觀結(jié)構(gòu)和性能，結(jié)果表明，直接打印的樣品幾乎沒(méi)有孔隙，且可獲得層間結(jié)合良好的零件，材料硬度可達(dá)到48～50 HRC。Segura等[23]發(fā)現(xiàn)SEBM制備的316L的屈服強(qiáng)度比鍛造制備的高76%，晶粒沿建造方向生長(zhǎng)，并有大量亞晶和位錯(cuò)，如圖7所示。位錯(cuò)的均勻分布提高了樣品的耐蝕性和機(jī)械性能，為核反應(yīng)堆和高質(zhì)量航空航天部件的制備提供了新方法。

圖6 SEBM制備樣品微觀結(jié)構(gòu)的頂視圖[16]：(a)頂部表面，(b)從頂部向下10 mm的位置，(c)從頂部向下40 mm的位置Fig.6 Top view of sample microstructure prepared by SEBM[16]: (a) top surface, (b) 10 mm from top surface, (c) 40 mm from top surface

圖7 SEBM制備的316L樣品的TEM照片[23]：(a)亞晶和亞晶界,(b)位錯(cuò)和亞晶界Fig.7 TEM images of 316L samples prepared by SEBM[23]: (a) sub-grain and sub-grain boundaries, (b) dislocation and sub-grain boundaries

目前，SEBM制造的鐵基合金種類不多，主要集中在316L不銹鋼。由于大多數(shù)鐵基合金具有磁性，磁性金屬粉末容易損壞真空系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器危害大，這也是造成鐵基合金種類開(kāi)發(fā)不多的因素之一。因此在開(kāi)發(fā)新型鐵基合金時(shí)，應(yīng)綜合考慮材料脫磁。

3.3 鋁基合金

鋁基合金因其低密度、高強(qiáng)度、高塑性、高耐蝕性等特性，成為繼鐵基合金之后使用最廣泛的金屬，特別適合用于制造渦輪增壓器葉片[24]。目前渦輪葉片傳統(tǒng)制造方法為鑄造，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易造成渦輪葉片開(kāi)裂等問(wèn)題。因此，薄壁渦輪葉片可采用SEBM技術(shù)進(jìn)行制備，大量學(xué)者對(duì)鋁基合金SEBM工藝進(jìn)行了探索。

SEBM加工參數(shù)會(huì)嚴(yán)重影響樣品微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。Yu等[25]使用不同掃描速度制備了Al-3Ti-1Sc合金，結(jié)果表明，在3 mm·s-1掃描速度下，凝固熔池中形成具有四方結(jié)構(gòu)的Al3(Ti、Sc、Fe)相，且可在室溫下保持四方結(jié)構(gòu)；掃描速度為20 mm·s-1制備的樣品，Al3(Ti、Sc)相被完全抑制，熔池中顯示出均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)，并具有超細(xì)沉淀物。Murr等[26]使用C-TiAl基合金粉末，采用Arcam A2打印了樣品，樣品主要為γ-TiAl(FCC)相，并且具有片狀γ/α2相，通過(guò)掃描電鏡表征發(fā)現(xiàn)該樣品片狀微觀結(jié)構(gòu)的間距為0.1～0.3 μm。直接打印的樣品硬度為4.1 GPa，屈服強(qiáng)度為0.37 GPa·cm3·g-1，與SEBM制備的TC4的0.27 GPa·cm3·g-1屈服強(qiáng)度相比，具有很大的優(yōu)勢(shì)。這些發(fā)現(xiàn)證明了C-TiAl基合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。Kenevisi等[27]研究了粉床預(yù)熱對(duì)SEBM制備Al2024合金的影響，并在350 ℃預(yù)熱溫度下制備了幾乎完全致密的樣品，樣品的強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到了314 MPa和191 MPa。Martin等[28]在鋁合金粉末中加入納米粒子對(duì)粉末進(jìn)行改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未添加納米粒子粉末制備的樣品有微觀裂紋，添加納米粒子粉末制備的樣品微觀裂紋被抑制，如圖8所示，這一發(fā)現(xiàn)為SEBM成形鋁基材料提供了新思路。

圖8 Al6061的SEM照片[27]：未添加Zr納米粒子制備的樣品觀察到大裂縫(左)，添加Zr納米粒子制備的樣品未觀察到開(kāi)裂(右)Fig.8 SEM images of Al6061[27]：large cracks observed without the addition of Zr nanoparticle (left), no cracking observed with the addition of Zr nanoparticles (right)

3.4 銅基合金

純銅和銅基合金具有良好的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，目前主要被用于制造發(fā)電機(jī)、散熱片、電纜、開(kāi)關(guān)設(shè)備和變壓器等電氣設(shè)備零件。純銅對(duì)激光的吸收率僅為2%，但對(duì)電子束的能量吸收率可以達(dá)到80%[29]。近年來(lái)，關(guān)于銅合金的SEBM研究越來(lái)越多。薄壁和具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的銅合金零件可被用于微熱交換器等器件。

Guschlbauer等[30]采用SEBM技術(shù)制備純銅，認(rèn)為樣品致密度的調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)整SEBM工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制備的樣品電導(dǎo)率高于58 MS·m-1時(shí)，樣品硬度為55 HV。此外，隨著線能量密度的增加，樣品的機(jī)械性能逐漸增大，最大拉伸強(qiáng)度可達(dá)到177 MPa，延伸率達(dá)到59%。Eichhorn等[31]認(rèn)為樣品導(dǎo)電性與粉末純度有關(guān)。Ramirez等[32]使用純度為99.8%的氣體霧化銅粉，采用Arcam A2制備了樣品。在直接打印的樣品中觀察到大量的沉淀錯(cuò)位，在SEBM制造的鎳基合金中也觀察到類似的現(xiàn)象[33]，這些沉淀錯(cuò)位顯著提高了樣品的硬度。

為了證明快速冷卻可以產(chǎn)生傳統(tǒng)冶金中難以實(shí)現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)，從而形成過(guò)飽和固溶體[34]。Momeni等[35]使用Cu和Cr的粉末混合物來(lái)制備樣品，由于Cu和Cr的熔點(diǎn)不同，Cu粉開(kāi)始熔化時(shí)，Cr粉仍然是固體顆粒，最終Cr粒子隨機(jī)分布在Cu基體中，結(jié)果表明，SEBM技術(shù)在實(shí)現(xiàn)超細(xì)合金過(guò)程中極有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員正在探索加工參數(shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和材料特性的影響。Torsten等[36]采用純度為78.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)銅粉和21.5%鋁粉制備樣品，通過(guò)提高掃描速度和降低電子束的功率，可以在樣品中觀察到由于能量攝入不足所引起的孔。Ralf等[37]研究了純銅粉中含氧量對(duì)SEBM成形能力的影響，發(fā)現(xiàn)使用高氧含量粉末通過(guò)SEBM技術(shù)制備的樣品更有可能形成裂紋。

3.5 鎳基合金

鎳基合金具有高強(qiáng)度、高耐氧化性、高耐蝕性和高溫耐熱性，可在高溫環(huán)境下(920～980 ℃)長(zhǎng)時(shí)間服役。鎳基合金中的γ/γ′相可以提供更高的屈服強(qiáng)度，如圖9所示[38]。鎳基合金優(yōu)良的耐蝕性使其在海洋、環(huán)保、能源、石化等重要領(lǐng)域具有多種應(yīng)用，近年來(lái)，其主要被應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)部件、緊固件、飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等。目前，鎳基合金的SEBM研究主要集中在鎳基超級(jí)合金[39]，如NiTi合金、Rene142、IN738、IN625、IN713和IN718等。

圖9 γ/γ′相微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片[38]：(a)俯視圖，(b)左視圖Fig.9 SEM images of the microstructure of γ/γ′[38]: (a) vertical view, (b) left view

Ding等[40]研究了SEBM技術(shù)工藝參數(shù)對(duì)IN718的影響，在能量密度較低的樣品內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了大量缺陷，因此探索合適的工藝參數(shù)對(duì)打印件的質(zhì)量控制尤為重要。對(duì)打印樣品進(jìn)行觀察，在樣品中觀察到完全柱狀的細(xì)晶，且晶粒朝<001>方向生長(zhǎng)，同時(shí)在樣品中發(fā)現(xiàn)小于30 nm的γ相和γ′相。對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理后發(fā)現(xiàn)，相同的打印參數(shù)導(dǎo)致樣品延伸率在5%至25%之間發(fā)生較大變化，最大抗拉強(qiáng)度可達(dá)1200 MPa。Cakmak等[41]采用不同SEBM建造策略來(lái)制備IN718樣品，使用有限元分析機(jī)械性能，研究點(diǎn)構(gòu)造和連續(xù)線構(gòu)造[42]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果是否合理。研究發(fā)現(xiàn)，不同的構(gòu)造策略會(huì)影響晶粒大小，使用連續(xù)線打印的樣品微觀結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，如圖10所示。

圖10 點(diǎn)構(gòu)建和線構(gòu)建的IN718材料的EBSD照片[41]Fig.10 EBSD images of IN718 by point-build and line-build[41]

Ding等[43]在SEBM過(guò)程中研究了IN718微觀結(jié)構(gòu)形成的基本原則，并利用有限元模擬溫度分布、熔池形貌和微觀組織結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，模擬的熔池形狀大小與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，而微觀組織轉(zhuǎn)化和晶粒生長(zhǎng)與模擬結(jié)果相反。為進(jìn)一步確定SEBM工藝中的固態(tài)微結(jié)構(gòu)如何演變?yōu)榉旨?jí)微結(jié)構(gòu)，建立SEBM鎳基高溫合金的熱分布演化規(guī)律，Koepf等[44]使用有限元和細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型耦合來(lái)模擬SEBM過(guò)程中樣品的微觀結(jié)構(gòu)變化，為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)中觀察到的微觀結(jié)構(gòu)是否一致，使用CMSX-4鎳基高溫合金粉末制備了樣品，結(jié)果表明，有限元分析為晶體生長(zhǎng)模型提供了預(yù)溫度場(chǎng)，可成功預(yù)測(cè)塊狀樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

Deng等[45]發(fā)現(xiàn)在SEBM制造的IN718微結(jié)構(gòu)中，Laves相體積分?jǐn)?shù)從上表面向下開(kāi)始增加，在距上表面150 μm處達(dá)到的峰值，約2.3%；達(dá)到峰值后開(kāi)始下降，在距上表面1800 μm處逐漸下降至0。Zhou等[46]研究了SEBM制備的NiTi合金的微觀結(jié)構(gòu)、相變和機(jī)械性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NiTi合金的微觀結(jié)構(gòu)是柱狀晶并且具有超彈性，這是由于Ni4Ti3沉淀所致，如圖11所示。該樣品在冷卻過(guò)程中發(fā)生B2→B19的相變，在加熱過(guò)程中進(jìn)行B19→B2相變。在循環(huán)壓縮試驗(yàn)中，NiTi合金在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定的超彈性，采用SEBM制備的NiTi合金的壓縮性能優(yōu)于采用SLM制備的。

圖11 NiTi粉末和SEBM制備的NiTi樣品的XRD圖譜(a)；NiTi樣品(b)、Ni4Ti3沉淀(c)和均勻分布在基體中的Ni4Ti3沉淀(d)的TEM照片[46]Fig.11 XRD spectra of NiTi powder and NiTi sample prepared by SEBM (a); TEM images of NiTi sample (b), Ni4Ti3 precipitation (c) and Ni4Ti3 precipitation distributed in the matrix (d)[46]

3.6 高熵合金

高熵合金是由5種或5種以上等量或大約等量金屬形成的合金。傳統(tǒng)合金只有大約2或3種金屬，以Ti為例，添加Al和V可以形成Ti6Al4V合金。以往的研究發(fā)現(xiàn)，添加的合金元素種類越多，越容易出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，但高熵合金沒(méi)有這種現(xiàn)象發(fā)生，并且具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐磨性和耐蝕性。

目前，電弧熔煉被廣泛應(yīng)用于制備高熵合金，Popov等[47]首次使用不同元素粉末混合物，通過(guò)SEBM工藝制備了Al0.5Cr1.0MoNbTa0.5多原子高熵合金。在制備過(guò)程中，由于每種元素熔點(diǎn)差異較大，且鋁元素容易發(fā)生蒸發(fā)，導(dǎo)致最終雖然樣品成功被制備，但微觀結(jié)構(gòu)并不完全統(tǒng)一，打印的樣品具有較大孔隙。研究發(fā)現(xiàn)，在1300 ℃下保溫24 h可顯著降低樣品孔隙，并使SEBM制備的樣品成分發(fā)生變化，該混合元素粉末的方法為SEBM制備高熵合金提供了新的研究思路。

Fujieda等[48]成功將SEBM技術(shù)應(yīng)用于AlCoCrFeNi合金的制備，直接打印的零件具有優(yōu)良的延展性，斷裂強(qiáng)度是傳統(tǒng)工程材料SUS304斷裂強(qiáng)度的6倍，達(dá)到1400 MPa。結(jié)合SEBM的成形特點(diǎn)，有望擴(kuò)大其潛在應(yīng)用領(lǐng)域，如高品質(zhì)耐用的金屬部件、油井和天然氣鉆井設(shè)備。Kuwabara等[49]使用AlCoCrFeNi粉末，研究了SEBM制備的AlCoCrFeNi高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)腐蝕行為，XRD圖譜表明鑄造態(tài)樣品和SEBM樣品頂部均為BCC結(jié)構(gòu)，SEBM樣品底部包含BCC和FCC結(jié)構(gòu)，鑄造態(tài)樣品底部?jī)H有BCC結(jié)構(gòu)，如圖12所示。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SEBM樣品和鑄造態(tài)樣品的點(diǎn)腐蝕電位分別為0.178和0.112 V，經(jīng)過(guò)電化學(xué)腐蝕后得到了鑄造態(tài)樣品和SEBM樣品的表面腐蝕形態(tài)，如圖13所示，表明SEBM制備的樣品具有更加優(yōu)異的耐蝕性。

圖12 鑄造態(tài)樣品和SEBM樣品的XRD衍射圖譜[49]Fig.12 XRD spectra of cast sample and SEBM sample[49]

圖13 鑄造態(tài)樣品(a，b)和SEBM樣品(c，d)電化學(xué)腐蝕測(cè)量后表面形態(tài)[49]Fig.13 Surface morphology of cast sample (a, b) and SEBM sample (c, d) after electrochemical corrosion measurement[49]

Fujieda等[50]使用SEBM技術(shù)成功地制備了CoCrFe-NiTiMo高熵合金，研究發(fā)現(xiàn)，鑄件樣品的整體機(jī)械性能低于SEBM樣品。原子探針?lè)治霭l(fā)現(xiàn)Ni和Ti元素在鑄件中存在偏析，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于SEBM樣品的。掃描透射電子顯微鏡-X射線能譜(STEM-EDX)分析表明，Ni3Ti金屬間化合物在SEBM樣品中均勻分布，拉伸斷裂裂紋沿Ni3Ti與基體的邊界進(jìn)行擴(kuò)展，這是SEBM樣品延伸率低的主要原因(圖14)。

圖14 SEBM樣品和鑄造樣品拉伸曲線(a)和元素分布(b)，SEBM樣品的元素分布(c)，拉伸試樣裂紋沿Ni3Ti和基體邊界擴(kuò)展照片(d)[50]Fig.14 Tensile curves (a) and element distribution (b) of SEBM sample and casting sample, element distribution of SEBM sample (c), images of tensile sample cracks spread along the boundary between Ni3Ti and matrix (d)[50]

Wang等[51]使用CoCrFeNiMn粉末制備了樣品，直接打印的樣品孔隙度較高，約為1.19%，在最佳打印參數(shù)下可獲得高致密度(99.4%)的塊體試樣。對(duì)樣品進(jìn)行EBSD分析發(fā)現(xiàn)，樣品沿打印方向具有<100>方向的晶體學(xué)取向，平均晶粒寬度為65 μm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Mn和Ni元素發(fā)生偏析，如圖15所示。機(jī)械性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，SEBM樣品和鑄造態(tài)樣品具有相同的機(jī)械性能，最大拉伸強(qiáng)度均達(dá)到了497 MPa。Thurston等[52]研究了溫度對(duì)CrMnFeCoNi疲勞裂紋生長(zhǎng)行為的影響，研究結(jié)果表明其強(qiáng)度可在低溫環(huán)境中得到改善，是一種優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)材料。

圖15 通過(guò)SEBM建造的CoCrFeNiMn樣品的SEM和相應(yīng)元素分布照片(a)，圖15a放大區(qū)域EBSD反極圖上顯示晶界(b)，相應(yīng)Mn元素分布照片(c)，Kernel average misorientation照片(d)[51]Fig.15 SEM and the corresponding elemental distributions images of the SEBM-built CoCrFeNiMn sample (a)， EBSD-IPF maps on the enlarged zone of Fig.15a showing the grain boundaries (b), corresponding Mn element distribution image (c)，Kernel average misorientation image (d)[51]

4 SEBM應(yīng)用

4.1 生物醫(yī)學(xué)

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，SEBM技術(shù)打破了人們對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的認(rèn)知，目前已有眾多研究人員致力于SEBM技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。圖16a顯示了SEBM制造的鈦半骨盆種植體，實(shí)體規(guī)格為80 mm×143 mm×150 mm[53]。SEBM技術(shù)可以根據(jù)模型精確地制備出植入物的弧度，并且?guī)в芯W(wǎng)狀的多孔結(jié)構(gòu)適合細(xì)胞生長(zhǎng)粘附，是采用傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的。該植入體于2016年6月植入人體內(nèi)，患者目前恢復(fù)良好。圖16b為Yan等[54]采用SEBM技術(shù)制備的3D網(wǎng)狀鈦合金，可用作患者下頜骨，相比傳統(tǒng)工藝，通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)制備的植入物可以減少患者手術(shù)所需的時(shí)間。圖16c是利用SEBM工藝制造的股骨植入物，SEBM制造出的多孔點(diǎn)陣材料可以大幅降低植入物彈性模量，使其彈性模量與人骨相當(dāng)，從而減少應(yīng)力屏蔽，當(dāng)植入物與彈性模量較小的骨頭發(fā)生相互作用時(shí)，可以有一定的緩沖，發(fā)生輕微變型而不致于發(fā)生破碎[55]。2018年西北有色金屬研究院湯慧萍研究團(tuán)隊(duì)成功應(yīng)用SEBM技術(shù)打印出鉭膝關(guān)節(jié)支撐部件，并為患者進(jìn)行了手術(shù)，這也是首例SEBM鉭外科植入物手術(shù)取得成功的案例。

4.2 汽車工業(yè)

中國(guó)人均汽車擁有量目前處于世界較低水平，SEBM技術(shù)在汽車行業(yè)有非常廣闊的前景。經(jīng)過(guò)多年研究，目前SEBM技術(shù)在汽車行業(yè)已有大量應(yīng)用[56]。相比于其他方法制備的零件，SEBM技術(shù)具有獨(dú)特的成形方式，根據(jù)3D模型構(gòu)建復(fù)雜零件，再通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化成形出結(jié)構(gòu)功能一體化零件，達(dá)到相同功能的零件可以節(jié)省大量原材料，減輕汽車重量，同時(shí)降低油耗，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。Juechter等[56]使用SEBM工藝成功地制備了渦輪增壓器葉片，如圖16d所示。SEBM技術(shù)在汽車維修方面也發(fā)揮著不可替代的作用，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度極快，加劇了產(chǎn)品的更新?lián)Q代，若汽車發(fā)生故障，市面上很難找到相同的配件，該技術(shù)可根據(jù)零件的3D模型快速制造出和它功能一樣的配件，使得維修變得方便快捷，同時(shí)還可以減少配件的批量生產(chǎn)，減少囤貨并且節(jié)約資源。

圖16 SEBM制備的TC4骨盆植入物(a)[53]、TC4頜骨植入物(b)[54]、股骨植入物(c)[55]和渦輪葉片(d)[56]Fig.16 TC4 semipelvic implant(a)[53], (b) TC4 jaw[54], (c) femoral implant[55] and turbine blade (d)[56] prepared by SEBM

4.3 航空航天

SEBM在一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成形零件方面有很大優(yōu)勢(shì)，對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在使零件達(dá)到同樣功能的同時(shí)可以有效提高材料利用率、節(jié)省時(shí)間、節(jié)省資源、降低經(jīng)濟(jì)成本，在航空航天領(lǐng)域已有較多的研究與應(yīng)用。目前已經(jīng)采用SEBM技術(shù)制備了BE-4火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、渦輪、噴嘴和轉(zhuǎn)子。GE-Avio公司使用SEBM技術(shù)制備的除油器零件和TiAl發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片，將零件原有質(zhì)量減少了30%，且將要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并實(shí)際應(yīng)用。Tang等[57]使用SEBM技術(shù)制備了TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)蜂窩狀油氣分離器轉(zhuǎn)子，這種結(jié)構(gòu)的分離器轉(zhuǎn)子有1100 MPa的抗壓強(qiáng)度，比傳統(tǒng)泡沫結(jié)構(gòu)分離器轉(zhuǎn)子抗壓強(qiáng)度高出5倍，通過(guò)建模優(yōu)化，這種分離器轉(zhuǎn)子很有可能被應(yīng)用于下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中的油氣分離。Guo等[58]研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和榫頭的過(guò)渡結(jié)合，使用SEBM技術(shù)制備了TC4和Ti47Al2Cr2Nb雙合金材料梯度結(jié)構(gòu)，并且過(guò)渡區(qū)結(jié)合良好，界面厚度約為300 μm。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上，SEBM技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)多年,以自己特有的成形優(yōu)勢(shì)，深受廣大研究者的關(guān)注，并且在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)有所應(yīng)用。為了使這項(xiàng)技術(shù)更好地為社會(huì)服務(wù)，其未來(lái)研究有以下4點(diǎn)需要注意：

(1)SEBM技術(shù)制備樣品的熔池凝固、晶粒形核長(zhǎng)大以及組織轉(zhuǎn)變等行為仍然需要探究，以指導(dǎo)人們更好地應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。

(2)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，SEBM制備的樣品表面粗糙度大，在人體內(nèi)長(zhǎng)期服役可能會(huì)造成表面碎屑脫落，從而殘留在人體導(dǎo)致發(fā)炎等一系列癥狀，如何使植入物穩(wěn)定安全地在人體內(nèi)服役仍存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在航空航天和汽車工業(yè)等領(lǐng)域，要持續(xù)激發(fā)社會(huì)創(chuàng)新活力，設(shè)計(jì)更加優(yōu)異的模型，為汽車、航空航天零件減重。

(3)SEBM成形工藝對(duì)成形件質(zhì)量的影響最大，未來(lái)需開(kāi)發(fā)一種方法可以將新材料的最佳工藝探索時(shí)間由幾周甚至幾個(gè)月縮短到幾個(gè)小時(shí)，以減少工作量，節(jié)約研發(fā)成本。

(4)制備樣品時(shí)樣品表面粘結(jié)的粉末顆粒導(dǎo)致樣品表面粗糙度大是金屬粉床熔融避免不了的難題，對(duì)于樣品表面粗糙度的處理，采用化學(xué)腐蝕、機(jī)械加工等方法目前均已被證明可行，根據(jù)不同的需求采用不同的處理方式綜合探究出最佳經(jīng)濟(jì)實(shí)用的后處理方式，這也是迫切需要解決的問(wèn)題之一。