隨著航空航天領(lǐng)域?qū)p量化、高性能金屬構(gòu)件的需求日益增長(zhǎng)，電子束熔融（Electron Beam Melting, EBM）3D打印技術(shù)憑借其高能束流特性與真空環(huán)境優(yōu)勢(shì)，成為航空鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造的重要技術(shù)方向。然而，EBM過(guò)程中晶粒的定向生長(zhǎng)控制直接影響構(gòu)件的力學(xué)性能和服役壽命。本文從材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、多物理場(chǎng)耦合及后處理技術(shù)等方面，探討航空鋁棒深加工中EBM技術(shù)的晶粒定向生長(zhǎng)調(diào)控策略。

一、EBM技術(shù)特性與晶粒生長(zhǎng)的挑戰(zhàn)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與工藝特點(diǎn)

EBM通過(guò)高能電子束逐層熔化金屬粉末，在真空環(huán)境下可避免氧化問(wèn)題，尤其適合鈦合金、鋁合金等活潑金屬的加工。其高能量密度和低熱應(yīng)力特性，有助于減少裂紋并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)成形。

然而，EBM過(guò)程中熔池快速凝固的特點(diǎn)易導(dǎo)致柱狀晶外延生長(zhǎng)，形成各向異性組織，降低構(gòu)件塑性。

晶粒定向生長(zhǎng)的核心問(wèn)題

溫度梯度與凝固速度：EBM過(guò)程中，熔池的冷卻速率和熱流方向直接影響晶粒形態(tài)。較高的溫度梯度促進(jìn)柱狀晶生長(zhǎng)，而低梯度或等軸晶區(qū)則需通過(guò)形核劑或工藝調(diào)控實(shí)現(xiàn)。

熔體流動(dòng)干擾：反沖壓力與馬蘭戈尼效應(yīng)引發(fā)的熔池流動(dòng)可能打亂晶粒生長(zhǎng)方向，需通過(guò)多物理場(chǎng)模擬優(yōu)化工藝參數(shù)4。

二、晶粒定向生長(zhǎng)的調(diào)控策略

合金設(shè)計(jì)與微合金化

Sc/Zr微合金化：添加Sc、Zr等元素可形成Al3(Sc,Zr)納米顆粒，作為異質(zhì)形核位點(diǎn)細(xì)化晶粒。例如，Al-Mg-Sc-Zr合金經(jīng)EBM成形后晶粒尺寸從84 μm細(xì)化至19.5 μm，抗拉強(qiáng)度提升至388 MPa，同時(shí)保持22.5%的延伸率。

稀土改性：如Al-Ti-C-B（TCB）細(xì)化劑可誘導(dǎo)熔池邊界形成等軸晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使AlSi10Mg合金的抗拉強(qiáng)度從381 MPa提升至479 MPa，延伸率從4.8%增至11.1%。

工藝參數(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新技術(shù)

點(diǎn)熔化（Point Melt）技術(shù)：GE公司推出的EBM點(diǎn)熔化技術(shù)通過(guò)離散點(diǎn)狀熔凝策略，降低溫度梯度并提高各向同性，使鎳基合金渦輪葉片的表面粗糙度接近激光熔覆水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)定向凝固與單晶潛力。

掃描策略優(yōu)化：采用單向正交分區(qū)掃描可降低孔隙率35%，結(jié)合激光能量分布調(diào)控（如350-400W功率區(qū)間），改善熔池搭接方式以減少內(nèi)應(yīng)力。

多物理場(chǎng)耦合模擬

清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)雙向耦合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）與枝晶生長(zhǎng)模型，揭示了熔體流動(dòng)對(duì)晶粒取向的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明，熔池邊界處的流場(chǎng)擾動(dòng)可促進(jìn)等軸晶形成，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

中科院金屬所開(kāi)發(fā)的有限元模型（ProCAST）可預(yù)測(cè)定向凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)與晶粒生長(zhǎng)行為，顯著提高單晶葉片合格率3。

后處理強(qiáng)化技術(shù)

激光沖擊強(qiáng)化（LSP）：北航團(tuán)隊(duì)采用LSP閉合近表面氣孔并引入梯度組織，結(jié)合退火處理平衡強(qiáng)度與塑性，使Al-Mg合金的屈服強(qiáng)度提升46%，延伸率恢復(fù)至27.2%。

熱處理調(diào)控：350°C時(shí)效處理可促進(jìn)Al-Mg-Sc-Zr合金中納米析出相的均勻分布，優(yōu)化位錯(cuò)密度與晶界結(jié)構(gòu)。

三、應(yīng)用案例與未來(lái)展望

典型應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片：GE公司利用EBM點(diǎn)熔化技術(shù)制造的鈦鋁合金葉片，實(shí)現(xiàn)了局部微觀結(jié)構(gòu)控制與定向凝固性能優(yōu)化。

大尺寸結(jié)構(gòu)件：清研智束通過(guò)電子束多槍拼接技術(shù)，成功打印米級(jí)鈦合金構(gòu)件，突破傳統(tǒng)工藝限制。

技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

智能化與AI集成：基于機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化工藝參數(shù)、實(shí)時(shí)缺陷檢測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控，可顯著提高EBM成形的穩(wěn)定性和效率。

復(fù)合制造技術(shù)：結(jié)合增減材復(fù)合加工（如激光銑削與熔覆同步），實(shí)現(xiàn)“一次成型即終件”目標(biāo)，提升表面精度至Ra0.6 μm。