在增材制造技术中，粉末是决定成形质量的关键因素。粉末的成分和颗粒形状对电子束增材制造过程中的成形质量起着至关重要的作用。WC（钨基）合金是增材制造技术中广泛应用的一种材料，由于其良好的高温力学性能、高密度、高硬度和良好的耐腐蚀性， WC合金在航空航天、能源和汽车工业等领域具有广泛应用。

金属增材制造

金属增材制造是增材制造技术最重要的一个分支。是以金属粉末/丝材为原料，以高能束（激光/电子束/电弧/等离子束等）作为刀具，以计算机三维CAD数据模型为基础，运用离散－堆积的原理，在软件与数控系统的控制下将材料熔化逐层堆积，来制造高性能金属构件的新型制造技术。其中包含电子束增材制造技术

关于电子束增材制造技术

电子束增材制造技术是基于粉末冶金原理，利用高能电子束对金属材料进行逐层增材制造，该技术能够实现低成本、快速制造复杂形状部件，具有成形精度高、成形速度快等特点，是增材制造技术发展的重要方向之一。

增材制造过程中，粉末原料对最终产品的组织和性能影响至关重要，与其他增材制造技术相比，电子束增材制造的粉末原料具有颗粒细小、孔隙率高、热膨胀系数小、熔点高和化学成分复杂等特点，因此，要保证增材制造过程中的成形质量，需要粉末原料满足以下要求：

（1）颗粒形貌：粉末颗粒形貌是决定电子束增材制造过程中成形质量的重要因素，而粉末颗粒形貌与成分又直接影响成形零件的组织和性能。

（2）孔隙率：粉末孔隙是导致增材制造零件存在气孔、疏松、组织不均匀等缺陷的主要原因，因此，控制粉末孔隙是提高增材制造零件质量的关键因素之一。

（3）流动性：粉末流动性是影响增材制造过程中成形质量的另一个重要因素，即粉末流动性。

粉末材料的选择

电子束增材制造技术中常用的粉末原料主要有钨、钼、铌、钽、碳和稀土元素等，本文将以W基合金为例，分别讨论这些粉末原料对增材制造过程中成形质量的影响。

（1）钨：钨在增材制造过程中，主要起到增强基体的作用。钨作为增材制造过程中重要的强化元素之一，对增材制造零件的强度、硬度等力学性能有重要影响。

目前，制备高比重W基合金主要采用钨粉+ 锌粉+ 镍粉三种粉末原料。其中，钨粉质量对成形质量影响较大，因此，选择合适的钨粉质量至关重要。

（2）钼：钼作为电子束增材制造过程中重要的强化元素之一，可以提高材料的强度和韧性。钼粉具有较好的塑性和可锻性，可以在一定程度上提高增材制造零件的强度。

钼粉主要以粉末状形式存在于 WC基体中，由于其熔点较高，因此钼粉末在电子束增材制造过程中不能直接使用。为了能够制备出性能优异的增材制造零件，需要对钼粉末进行进一步改性处理。

（3）铌：铌作为一种强韧化元素，可以提高材料强度、硬度和耐磨性。铌在增材制造过程中主要以粉末状形式存在于 WC基体中。铌的加入能够有效抑制W基合金增材制造过程中产生气孔、裂纹等缺陷，提高增材制造零件的致密度和硬度。

由于铌元素在粉末中的存在形式与钨不同，因此铌元素对粉末形貌和颗粒尺寸的影响也有所不同。有研究表明，铌元素在粉末中主要以颗粒状形式存在于 WC基体中，铌元素的加入可以有效抑制W基合金增材制造过程中产生气孔、裂纹等缺陷。

粉末型电子束增材造型技术

电子束增材制造技术是基于电子束成形原理，通过高能电子束对金属材料进行逐层堆积来快速制造复杂形状零件的技术。目前，电子束增材制造技术已经被广泛应用于航空航天、能源和汽车等领域。

WC合金是一种重要的高温合金材料，具有良好的高温力学性能，但是 WC合金的热导率较低，且 WC合金的熔点较高，因此，在增材制造过程中容易产生气孔、疏松等缺陷。

在增材制造过程中，激光烧结技术能够克服电子束成型技术对材料致密度和晶粒尺寸的限制。激光烧结技术是一种新型的增材制造方法，其基本原理是利用激光在材料表面照射产生的能量将材料熔化并向内部传递并熔化周围金属形成熔池。

在激光烧结过程中，通过调整激光功率、扫描速度等参数可实现材料的组织结构优化，从而制备出满足性能要求的零件。

此外，与其他增材制造方法相比，电子束增材制造技术具有加工速度快、成形精度高和成形效率高等优势。

与传统加工方法相比，电子束增材制造过程中粉末原料中存在大量自由电子和空穴，这些自由电子和空穴在电子束照射下会产生大量热量并最终导致粉末烧结温度升高。

因此，如何降低粉末原料中自由电子和空穴对数量是提高增材制造零件质量的重要因素之一。

高比重钨基合金

钨基合金是一种重要的功能材料，具有良好的高温力学性能、抗高温氧化能力、优异的耐腐蚀性等，其在航空航天、能源和汽车工业等领域具有广泛应用。本文探究了不同粉末原料对粉床型电子束增材制造高比重钨基合金成形过程的影响。

（1）粉末原料对增材制造高比重钨基合金成形过程的影响研究表明，在电子束增材制造过程中，添加适当比例的 TiC作为保护剂，能够有效改善增材制造高比重钨基合金组织和性能。

（2）粉末颗粒形貌对增材制造高比重钨基合金成形过程的影响研究表明，在电子束增材制造过程中，粉末颗粒形貌会对成形过程产生显著影响。

（4）粉末流动性对增材制造高比重钨基合金成形过程的影响研究表明，粉末流动性是影响增材制造高比重钨基合金成形质量的重要因素之一。

综上所述，本文研究了粉末原料对电子束增材制造高比重钨基合金成形过程的影响，为未来粉床型电子束增材制造高密度 WC合金的研究提供参考。

综上所述，粉末原料对电子束增材制造高比重钨基合金成形过程的影响研究表明，在增材制造高比重钨基合金过程中，添加适量比例的 TiC作为保护剂，能够有效改善增材制造高比重钨基合金成形过程。

这主要是因为 TiC具有优异的抗氧化性能和较好的化学稳定性，能够有效保护增材制造高比重钨基合金成形过程。

此外，通过研究不同粉末原料对增材制造高比重钨基合金成形过程的影响可知，粉末颗粒形貌和粉末流动性也是影响增材制造高比重钨基合金成形质量的重要因素之一。

粉末增材制造工艺的特点

粉末增材制造工艺的热源以激光和电子束为主。根据不同的粉末送料方法，以激光为热源的粉末增材制造技术可以分为两类：一类是同步送粉的激光熔化沉积技术（Laser metal deposition，LMD），另一类则是预铺粉床的选择性激光熔化（Selective laser melting，SLM）。激光金属沉积技术（LMD），也被称为直接激光沉积技术（Direct laser deposition,DLD），利用高功率的激光照射在金属表面上加热产生熔池，通过供粉喷嘴将金属粉末注入熔池中并完全将其熔化，接着通过移动工作台或者喷头，进一步使熔化的粉末结合凝固，从而完成冶金结合和构件成形。这种技术的特点在于利用了高能激光束作为热源，成形的金属零部件精度高，表面质量好，只需要进行一定的喷丸和抛光处理即可用于实际应用。选择性激光熔化技术（SLM）预先铺设粉床，高能激光束随后会按照计算机模拟的路径行进并熔化粉床，最后逐层烧结以获得所需的部件。其工艺流程简洁，成形的组织性能优异，通常能够达到锻件水平，而此工艺的缺点在于其生产周期较长以及受到零部件尺寸的限制，无法生产大型部件。

以电子束为热源的粉末增材制造技术一般为电子束选区熔化技术（Electron beam melting，EBM），采用高功率的电子束在高真空和充分加热的腔室中快速扫描前体粉末层，逐层熔化堆积得到三维实体的零件。该技术由于在制备大型金属零部件时其热影响区较大，导致整体零部件的残余应力也非常大，与激光增材制造技术相比略显不足，但值得一提的是，电子束选区熔化技术在后续的发展和改进过程中通过能够优化工艺参数，以较高生产率生产几乎完全致密且无残余应力的零件

粉末原料对成型后性能的影响

目前，国内外学者对粉末原料对电子束增材制造高比重钨基合金成形过程的影响进行了大量研究。在粉末原料方面，已有研究表明，通过优化电子束增材制造高比重钨基合金粉末的颗粒形貌、成分和粒度分布，能够得到具有更高致密度的 WC合金零件。

在粉末流动性方面，大多数学者主要关注粉末颗粒流动性对电子束增材制造高比重钨基合金成形过程的影响，对其颗粒形貌、成分和粒度分布的研究较少。

在颗粒形貌方面，研究表明，电子束增材制造高比重钨基合金中存在大量的细观缺陷，如气孔、裂纹和孔洞等；而通过调控电子束增材制造高比重钨基合金粉末颗粒形貌，能够有效控制粉末颗粒形貌，进而提高 WC合金零件的致密度和致密度均匀性。

在粉末颗粒粒径分布方面，研究表明，粉末粒度越细、颗粒间距离越小、分布越均匀，则能更好地改善电子束增材制造高比重钨基合金成形后的组织和性能。

此外，通过调控电子束增材制造高比重钨基合金粉末颗粒形貌和成分，能够实现对 WC合金零件显微组织、显微硬度和力学性能的有效控制。

在粉末粒度分布方面，研究表明，颗粒尺寸越小、分布越均匀且粒度分布越均匀的粉末原料成形后零件的致密度和致密度均匀性更好。

综上所述，研究表明电子束增材制造高比重钨基合金中存在大量细观缺陷、表面粗糙和晶粒粗大等问题。要获得具有更高致密度、更好组织和性能的 WC合金零件，需要对电子束增材制造高比重钨基合金的粉末原料进行优化。

粉末原料对未来应用的影响

（1）在增材制造领域，钨基合金具有优异的高温力学性能、耐热冲击性能和耐腐蚀性，能够满足未来高温零部件的使用要求。

由于钨金属的熔点高、密度大、硬度高，因此钨金属在高温环境下的抗腐蚀能力较差，为了解决这一问题，国内外研究者一直致力于研究如何改善钨金属的抗腐蚀能力。

目前，通过改变钨金属粉末原料中的杂质含量、添加稀土元素和对钨粉进行表面处理等方法能够改善钨金属的抗腐蚀性能，但这些方法目前均处于实验室阶段，且尚未实现工业化生产。

随着增材制造技术的发展，通过控制工艺参数和选择合适的粉末原料可以进一步提高增材制造件的抗腐蚀性能。

（2）在汽车领域，由于汽车发动机工作环境恶劣、工作温度高和零件内部存在大量的热应力集中点，因此汽车零部件对材料的高温力学性能和耐腐蚀性能提出了更高要求。

目前，增材制造技术在汽车零部件领域已得到了广泛应用，但由于目前增材制造技术尚不能直接应用于汽车零部件生产中，因此仍然需要通过各种方法提高增材制造件的性能。

将增材制造与汽车零部件生产工艺相结合是一种可行的方法。通过选择合适的粉末原料、调整粉末粉末冶金工艺参数和增材制造设备参数等可以进一步提高增材制造件的力学性能和耐腐蚀性能。

（3）在航空航天领域，随着航空航天技术的不断发展，对增材制造件提出了更高要求。目前增材制造件仍然存在精度较低、成形过程复杂、易出现缺陷等问题，这些问题限制了增材制造技术在航空航天领域上的应用。

增材制造技术已经成为实现低成本、高性能金属零件快速制造的重要手段之一，电子束增材制造技术是增材制造技术发展的一个重要方向。

随着增材制造技术的不断发展，尤其是基于粉床型电子束增材制造技术的开发和应用，增材制造过程中粉末原料的性质对最终产品的组织和性能具有重要影响，因此，粉末原料在电子束增材制造过程中起着至关重要的作用。

文章来源： 胖仔研究社，数字化企业网，长三角激光联盟