不锈钢真空电子束选区烧结工艺研究(2)
4.3基板及烧结结构的微观组织特征分析 21
4.3.1 304不锈钢及其熔合区显微组织： 21
4.3.2 314型不锈钢粉末粉末烧结层之间的显微组织 23
4.4 硬度分析 24
4.5 拉伸性能测试试验 25
4.6典型缺陷分析 26
4.6.1 吹粉现象 26
4.6.2 起球现象 26
4.6.3 气孔 27
4.7本章小结 27
结论 28
致谢 30
参考文献 31
作为打印技术的一个重要分支和一种全新概念的制造技术，增材制造技术经过二十多年进展已经开始逐渐成为当前先进制造技术领域技术创新蓬勃发展的源泉。增材制造这种新型的制造方法受到人们的越来越广泛的关注，它不仅能实现粉末状金属或者塑料等可粘合材料的快速成型，达到工程上的使用要求，而且，由它制造出的构件的性能往往好于传统工艺方法所制造的构件性能。增材制造技术在工业，医疗，民用等领域都有着比较广泛的应用。本文则是阐述了利用电子束作为烧结热源，在真空条件下，使铺展在304不锈钢基板上面的314型不锈钢粉末金属粉末熔化成型，在已成型的金属粉末上面继续铺展粉末再次熔化成型，并使其与已成型的部分实现粘接的过程。使用电子束作为热源，分析多种偏转扫描方式、束流参数下的接头微观组织、成分、力学性能，提出较优的烧结工艺参数。同时对实验过程中出现的吹粉和起球现象进行研究，找到合适的解决方法。
1.1. 增材制造技术的概念
增材制造(material additive manufacturing)即3D打印(3 Dimensional Printing)，它是指把烧结材料一次熔化的快速成型技术，它的基础是数字模型文件，所使用烧结的材料是金属粉末或者塑料等可粘合的材料，通过逐层烧结并且叠加不同形状的连续层方式来构造三文的任何物体的技术[1]。
1.2 激光增材制造与电子束增材制造
目前的金属零件增材制造工艺大部分都是采用激光作为热源在气体的保护下对金属粉末进行烧结的。激光作为一种金属材料的加工手段，在技术上比较成熟，而且可控性好。电子束作为另一种的高能束流，也已经在金属零件快速成形领域得到了应用[2-3]，并且也显示出了一些独特的优势。
金属零件激光增材制造技术是使用激光作为烧结时的热源来使金属粉末融化从而制造出各式各样相对复杂的金属零件，它在本质上其实就是运用CAD软件进行的激光三文熔覆过程，典型过程如图1.1[4]所示。激光增材制造技术具有如下独特的优势:（1）节省材料，制造速度快，成本低；（2）无需使用模具，从而制造成本低了15%-30%,生产周期少了45%-70%；（3）能够生产出其他方法不易生产的零件；（4）激光增材制造技术是属于快速凝固的一种烧结的技术，由它所制造出的金属零件的致密度非常得高，而且微观的组织也很细小和均匀，金属零件的综合性能比如说强度，拉伸性能等也超过了基板的综合性能；（5）近成形件可以直接拿来使用或或者只需要一点的后续处理便可以使用。[5]激光制造的零件形状复杂，虽然精度较高，但是致密度不足，性能稍差[6]（相比如电子束而言）。
图1.1 金属零件激光增材制造的典型过程
电子束在增材制造的过程中与激光增材制造有很多相同之处，比如制造速度快，节省成本，零件性能优等特点，但是电子束与激光是不同的热源，激光增材制造技术过程中需要使用惰性气体来进行保护，而电子束则是在真空室中进行的。电子束与激光相比，具有穿透力强，作用深度大，能量利用率高，材料性能高，材料吸收率高且稳定，达到了全密度材料的强度水平[7]等优点，但也存在一个特殊的问题：“粉末溃散”（即吹粉）[8]现象。这种现象主要是由于电子束经过高压加速过后具有了相当大的动能，当电子高速轰击金属原子使之加热、升温时，电子的部分动能从而直接转化为粉末微粒的动能。当粉末的流动性较好时，粉末颗粒就会被电子束给“推开”，形成吹粉现象。防止“吹粉”的基本原则是提高粉床的稳定性，克服电子束的“推力”。经过研究，采用了四项主要措施：降低粉末的流动性，对粉末进行预热[9],对成形底板进行预热和优化电子束扫描方式[10-11]。总体来说电子束作为热源在增材制造技术上还是有相当大的优势和可取之处的，相比如激光增材制造的高要求，高成本，低利用率等劣势越发突出来说，电子束有着不可替代的地位和影响。
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