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SEBM技术

SEBM原理及特点

***Selective Electron Beam Melting，SEBM)是一种粉床沉积技术，该技术基于离散堆积原理，以电子束为热源，在计算机的控制下选择性地熔化金属粉末，逐层熔化，层层叠加，最终形成致密的三维金属零部件。该技术具有成形速度快、成形效率高、能量利用率高、成形件力学性能出色等优点，可成形具有复杂形状的高性能金属零部件。此外，电子束的扫描速度快、作用深度深、粉末床较厚，其成形效率可达到激光粉末床熔融技术的4倍。

如图1所示，电子枪的灯丝受热产生的激发电子在加速电压的作用下形成高速电子束，电磁透镜令高速电子束聚焦成一点，随后在偏转透镜作用下进行偏转，计算机控制电子束选择性地熔化金属粉末，从而实现零部件的快速成形。粉末材料SEBM 成形时，首先，将待加工零件的三维模型使用软件进行切片处理，得到三维零件的所有二维截面信息；在真空室内，以聚焦电子束为热源，在电磁偏转线圈的作用下，由计算机控制电子束逐点扫描零件截面区域内的金属粉末，使其实现熔化融合，而未被熔化的金属粉末仍松散堆积；完成一层加工后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，新熔化层与前一层熔合为一体；重复上述过程直至完成所有二维截面的扫描熔合，待零件冷却后从真空室中取出，在粉末回收系统中用高压空气吹掉松散粉末，得到三维零件[1]。

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图 1电子束选区熔化成形装备结构示意图

SEBM技术优缺点

材料的致密度受到粉末粒子流动能力、材料构建策略等多个因素共同影响，相较于SLM技术，SEBM通常能更好地实现材料的均匀致密化，同时SEBM拥有更快的扫描速度，其制备大尺寸样品能力和成品表面质量均优于SLM技术[2]。SEBM技术与SLM技术相比拥有以下优点[3]：

能量利用率高，转换效率≥75%；

无反射，可加工材料广泛，成形过程中液态金属相比熔化前对激光的反射率迅速降低，从而使熔池温度急剧升高，导致材料气化；

电子束穿透能力强，加工速度快；

易某某，通过调节聚束透镜的电流实现电子束在任意位置上对焦；

设备功率高，可轻松达到千瓦级输出功率；

运行成本低，一般不消耗惰性气体；

设备维护简单，而激光成形设备的复杂光学系统需要经常维护以保持其输出功率；

在真空环境下工作，减少了杂质的污染。

同时SEBM技术也有其固有的缺陷：（1）打印前需长时间抽真空，真空度要求高，会消耗较多电能，对设备的气密性要求较高；（2）打印完成后，不能打开真空室，热量只能通过辐射散失，降低了打印效率。

SEBM技术应用

电子束选区熔化成形技术具有扫描速度快、能量利用率高、成形零部件力学性能好等优点，广泛应用于航空航天、生物医疗、汽车制造等领域。

3.1航空航天领域

随着电子束增材制造技术理论研究的不断深入，国内外诸多航空***在镍基、钛基、铝基等关键典型构件电子束增材制造一体化成形及应用方面开展了大量研究。美国的CalRAM公司利用SEBM技术制造了Ti-6Al-4V发动机带罩叶轮，如图2所示。通用电气旗下的Avio Aero公司采用SEBM技术制造了全球最大的喷气发动机 GE9X的TiAl涡轮叶片，如图3所示，引起了业内的广泛关注。TiAl基合金具有低密度，高弹性模量，高比刚度和强度以及在高温下具有良好的抗蠕变性的优异性能，因此它们可用于航空航天领域。但是，由于TiAl合金在室温下的延展性差，因此其应用受到限制。Nb的添加可以通过细化晶粒来提高室温下TiAl合金的力学性能和延展性[4]。Nb-TiAl合金被认为是可替代航空航天用镍基高温合金的下一代轻质耐热结构材料，但其室温脆性和加工性能差使得传统的加工制备方法均难以满足工程应用需要。SEBM技术的发展与应用给TiAl基合金研究提供了新方向。

西北有色金属研究院( NIN) 采用SEBM技术制备的航天发动机主动冷却喷管，该喷管不仅为曲面结构，而且管壁周围均布有70个直径为1mm贯通的小孔，这是传统制造方法无法实现的，如图4所示[5]。此研究结果对于未来航空航天异形零部件的制备具有重要意义。

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图2利用SEBM技术制造的Ti–6Al–4V叶轮

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图 3 Avio Aero公司利用SEBM技术制造的TiAl涡轮叶片

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图4 NIN利用SEBM技术制备的带内部冷却流道的喷管

3.2生物医疗领域

钛及钛合金具有弹性模量低、比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等优点，在生物医疗领域得到了广泛应用。然而钛合金植入物和人体骨刚度的不匹配会造成应力屏蔽现象，导致骨吸收，引起假体松动。相关研究表明，使用多孔结构能够使钛合金植入物的弹性模量与人体骨匹配，预防应力屏蔽现象。由于钛合金的熔点较高，在高温下对氧气等气体化学亲和性极高，且使用传统制造技术制造多孔结构存在困难，孔隙大小和形状也很难控制。粉末材料的电子束选区熔化成形是在真空环境下完成的，更有利于获得性能优良的产品，因而该技术在生物医疗领域得到了广泛应用[6]。

FIXA Ti-POR和Lima Corporate公司使用EBM技术制备的髋臼杯(图5)最早在2007年就已经实现商业化应用，2014年Zimmer公司的金属骨小梁髋臼系统获得中国注册证，进入国内市场。爱康医疗基于EBM的3D ACT技术制备的髋臼杯在2015年进入商业化应用，先后完成了人工椎体(如图6)、全颈椎、多节段胸腰椎、髋关节（如图7）、人工全某某、半骨盆（骶髂关节至耻骨）等多项个性化设计假体置换，先后获得国内金属3D打印植入物的NMPA注册许可。统计数据显示，截止2017年底，仅增材制造技术制备的Ti-6Al-4V髋白垫块在全球临床的应用超过就己经超过了20万某某[7]。

由此可见， SEBM 技术在生物医疗领域应用前景十分广阔。利用SEBM 技术可实现医疗植入物的小批量定制化制造，可通过对植入物的孔隙形状、大小与分布进行调节来使植入物的性能与人体骨的性能相适应，最大限度减小应力屏蔽现象。

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图5 SEBM 技术制备的髋臼杯 图6 SEBM 技术制备的椎体假体

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图7 SEBM 技术制备的

骨小梁多孔髋臼杯

3.3其它领域

德克萨斯大学埃尔帕索分校的I.A. Segura等人利用SEBM技术成形316L不锈钢，发现其与传统技术制造的316L不锈钢相比，SEBM 316L不锈钢具有更高的屈服强度和抗拉强度[8]。为利用SEBM技术制备核反应堆组件提供了数据，说明了AM作为实现高强度耐腐蚀合金的新概念的前景。美国麻省***的Sachs教授较早地提出了注塑模随形冷却技术并进行了研究，认为该项技术将增材制造最主要的４个应用之一[9]。探索研究将金属增材制造技术与传统模具制造工艺相结合，并通过随形水路的优化设计来提高复杂模具的冷却效率和成型品质，从而实现模具冷却技术的进一步发展。

4 SEBM成形材料与性能研究现状

目前文献报道的SEBM成形材料涵盖了不锈钢、钛及钛合金、TiAl金属间化合物、镍基高温合金、铝合金和铜合金等多种金属及合金材料，其中关于力学性能的报道较多。

表1给出了瑞典Arcam公司SEBM成形TC4钛合金的室温力学性能。由表1可 以看出，无论是沉积态，还 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 d by Electron Beam Melting. Metallurgical and Materials Transactions A 42, 3491-3508, doi:10.1007/s1***-2 (2011).

12 Hosseini, E. & Popovich, V. A. A review of mechanical properties of additively manufactured Inconel 718. Additive Manufacturing 30, doi:10.1016/j.addma.2019.100877 (2019).

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