航空（kōng）鋁棒EBM 3D打（dǎ）印：晶粒（lì）定向生長控製與（yǔ）高性能鋁合金製造

隨著航（háng）空航天領域對輕（qīng）量化、高性能金屬構件的需求日（rì）益增長，電子束熔（róng）融（Electron Beam Melting, EBM）3D打（dǎ）印技術憑借其高能束流特性與真空環（huán）境優勢（shì），成為航空鋁合金複雜結構件製造的重要技術（shù）方向。然而，EBM過程中晶粒的定向生長控製直接影響構件（jiàn）的力學性能和服役壽命。本文從材料設計、工（gōng）藝優（yōu）化、多物理場耦合及後處（chù）理技術等方麵（miàn），探討航空鋁棒深（shēn）加工中EBM技術的晶粒定向生（shēng）長調控策略。

一、EBM技術特性與晶粒生長的挑戰

技（jì）術優勢與工（gōng）藝特點

EBM通過高（gāo）能電子束逐層熔化金屬粉末，在真（zhēn）空環境下可避免氧化問題，尤其適合鈦合金、鋁合金等活潑金屬的加工。其高能量密（mì）度和（hé）低熱應力特性，有助於減少裂紋並實現複雜內腔結構成形。

然而（ér），EBM過程中熔池快速（sù）凝固的特點易導致柱狀晶外延生長，形成各向異性組織，降低構件塑性。

晶粒定向（xiàng）生長的（de）核心問題

溫度梯度與凝（níng）固速度：EBM過程中，熔池的冷卻速率和熱流（liú）方向直接影響晶粒形（xíng）態。較高的溫度梯度促進柱狀（zhuàng）晶生長，而低梯度或等軸晶區則（zé）需（xū）通過形核劑或工藝調控實現。

熔體流動（dòng）幹擾：反衝壓力與馬蘭戈尼效應引發的熔池流動可能打亂晶粒生長方（fāng）向（xiàng），需通過多物理場模擬優化（huà）工藝（yì）參數4。

二、晶粒定向生長的調控策略

合金設計與微合金化

Sc/Zr微合金化：添加Sc、Zr等元素可形成Al3(Sc,Zr)納（nà）米顆粒，作為（wéi）異質形核位點細化晶粒。例（lì）如，Al-Mg-Sc-Zr合金經EBM成（chéng）形後（hòu）晶粒尺寸從（cóng）84 μm細化至19.5 μm，抗拉強度提升至388 MPa，同時保（bǎo）持22.5%的延伸率。

稀土改性：如Al-Ti-C-B（TCB）細化劑可誘導熔池邊界形成（chéng）等軸晶異質結構，使AlSi10Mg合金的抗拉強度從381 MPa提升至479 MPa，延伸率從4.8%增至11.1%。

工藝參數優化與創新技術

點熔化（Point Melt）技（jì）術：GE公司推出的EBM點熔化技術通過離散點狀熔凝策略，降低溫度（dù）梯度並提高各向同性，使鎳基合金渦輪（lún）葉片的表（biǎo）麵粗糙度接近激光熔覆水平，同時實現定向凝固與單晶潛力。

掃描策略優化：采用單向正交分區掃描可降低孔隙率35%，結合激光能量分布調控（kòng）（如350-400W功率區間（jiān）），改善熔池搭接方式以減（jiǎn）少（shǎo）內應力。

多物理（lǐ）場耦合模擬

清華大學團隊通過雙向耦合計算流體動力學（CFD）與枝晶生長模型，揭示了熔體（tǐ）流動對晶粒取向的影響規律。模擬（nǐ）結果表明，熔池（chí）邊界（jiè）處的流場擾動可促進（jìn）等軸晶（jīng）形成，為工藝參數優化提供理論（lùn）依據。

中科院金屬（shǔ）所開發的有限元模型（ProCAST）可預測定向凝固過程中溫度（dù）場（chǎng）與晶粒生（shēng）長行為，顯著提高單晶葉片合格率3。

後處理強化技術

激光（guāng）衝（chōng）擊強化（LSP）：北航團隊采（cǎi）用LSP閉（bì）合近表麵氣孔並引入（rù）梯度組織，結合退火處（chù）理平衡強（qiáng）度與塑性，使Al-Mg合金的屈服強（qiáng）度提升（shēng）46%，延伸（shēn）率恢複至27.2%。

熱（rè）處理調控：350°C時（shí）效處（chù）理可促進Al-Mg-Sc-Zr合金中納米析出相的均勻分布，優化（huà）位錯（cuò）密（mì）度與晶界結構。

三、應用案例與未來展望

典型應用

航空發動機葉片：GE公司利用EBM點熔化技（jì）術（shù）製造的鈦鋁合金葉片，實現了局（jú）部微觀（guān）結構控製與定向凝固性能優化。

大尺寸結構件：清研智束通過電子束多槍拚接技術，成功打印米級鈦合金構件，突破傳（chuán）統工藝限（xiàn）製。

技術（shù）發展趨勢

智能化與AI集成（chéng）：基於機器學習優化工藝參數、實時缺（quē）陷（xiàn）檢測與動態（tài）調（diào）控，可顯著提高EBM成形的穩定性和效（xiào）率。

複合製造技術（shù）：結（jié）合增（zēng）減材複合加工（如激光銑削與熔覆同步），實現“一（yī）次成型即終件”目標，提升表麵精度（dù）至Ra0.6 μm。