摘要：本文通过球粉熔合理论和试验方法阐述了熔粉成形过程，探究电子束熔粉成形过程的粉末熔合机制。结果表明，试验结果吻合熔粉理论模型。熔合初期，离散粉末预热后小粒径的粉末颗粒几乎完全熔入大颗粒中，颗粒与颗粒之间相连形成聚合结构。熔合中期，粉末中形成大体积空隙，在熔池溶体表面张力的作用下呈现柱状结构，且相互之间连通。熔合末期，因材料扩散传质和表面张力的作用，气孔逐渐被排除，致密度接近理论密度。由于电子束接触位置的热载荷较高且向周围散热速度较快，因此成形件内部出现大量板条状马氏体晶粒。

近年来，电子束选区熔粉技术（EBSM）在快速成形领域成为重点研究课题，与激光选区熔粉技术（LSM）相比，可以显著节约制造成本，且不需要退火等热处理，主要原因在于熔粉成形的原材料，LSM技术使用粉末粒径小于EBSM技术使用的粉末，粉末制造成本就高出很多。瑞典Arcam公司的EBM机较有名气，虽然国内的电子束熔粉快速成形机集成度不高但功能方面相差不大。大多学者在电子束输入能量和成形效果方面进行了大量的试验，很少有人从量化的角度探究粉末熔合过程。因此本文在已有研究的基础上，结合特定的电子束熔粉工艺，探讨了电子束点阵输入能下的粉末熔合机制。

1试验

1.1试验设备

试验设备为桂林狮达公司自制的THDW-3型电子束熔粉打印机，电子枪的型号为M176，电子枪真空度为5×10－2Pa，熔粉成形室注入氦气之后的真空度为0.3 Pa。电子枪的参数如表1所示。成形设备如图1所示。

1.2试验方法

本文以不锈钢316L（022Cr17Ni12Mo2）球粉为成形原料，颗粒直径为45~106μm（如图2所示）【316L不锈钢的微观组织：相邻熔覆道之间的搭接良好。组织主要由胞状晶和呈外延生长的柱状晶组成，柱状晶的取向各不相同。由于熔池边界处粉末未熔化区域温度较低，因此一部分晶粒沿着熔池边界外延生长，同时在SLM过程中，熔池内部经历快速冷却，表面张力形成梯度，熔池内部存在“马戈紊流”，熔池内发生对流，导致熔池内部散热方向发生改变，因此，造成晶粒显示出不同的生长方向。胞状晶呈正六边形，为柱状晶的截面，柱状晶晶粒十分细小，直径分布在0.4～0.7μm。】，根据笔者已有的研究结果选择合适的工艺，诠释颗粒群的熔合线收缩和再结晶过程。由于试验粉末颗粒直径分布广，为了建立粉末计算模型，用式（1）、（2）计算了颗粒群的当量直径d和算术平均直径d。

的当量直径，μm；ni为当量直径为di的颗粒的个数。计算可知，试验粉末的算术平均直径为65μm。再取100 mL的试验粉料称重，净重为0.40 kg；计算得到试验粉末体积孔隙率ε为0.49，因此粉末颗粒并非最紧密堆积状态。熔粉制备了横截面积为5 cm2，长5 cm的圆棒，每层铺粉0.10 mm，实验流程如图3所示。

2熔粉数值模型

2.1熔合初期

电子束熔粉与激光熔粉不同，因为电子束是以带电粒子的定向运动产生的动能作为能量来源的，所以必须有导电回路才能不断地轰击工件。但粉末层是孔隙材料，导电性较差，因此在电子束接触粉末的瞬间可能出现静电溃散现象。为了确定熔粉初期的工艺模式，文章选用了双球模型，计算不发生静电溃散时的临界线收缩量，结构模型如图4所示。计算公式如式（3）。

式中：L0为烧结前的球心距，m；ΔL为烧结之后的缩短值，m；r为颗粒初始当量半径，m；试验粉末当量半径为33μm。x为烧结颈半径，m；ρ为颈部曲率半径，m；θ为颈部扩展处中心连线与球心连线的夹角。试验选取的线收缩率为0.11，用此收缩率控制电子束预热输入能，再代入动力学算式（4）。

式中：γ为界面张力，N/m；δ为原子或离子等质点的直径，m；Dυ为原子自扩散系数（体积扩散系数），m2/s；k

为玻尔兹曼常数；T为温度，K；t为烧结时间，s。通过上述方程和实际散热情况，计算出打印件每层粉末预热时间。本文保证沉积层下方温度为700℃，用1 mA束流，2倍束斑直径大小的间距依次扫描该层沉积域粉末进行预热，时长3 s，扫描4次。