0 序 言
增材制造[1-2]的概念在20世纪80年代后期被提出来，国内开始对这项技术的研究是在20世纪90年代初.经过不到30年的时间，这一技术已经得到快速的发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔[3].金属材料的增材制造主要有电弧增材制造[4-5]、激光增材制造[6-7]以及电子束增材制造[8-9]三大类；电子束熔丝沉积(EBF3)技术因其精度高、制造功率大(几十千瓦)、效率高，在中、大型构件及对气体敏感性较强金属材料的增材制造领域具有独特优势[10-11].电子束增材制造因其能量利用率高，且太空中的真空环境使其更适用于太空环境的增材制造.出于对太空环境的操作性和安全性的考虑，电子束熔丝沉积相比于其它增材制造方式对太空环境具有更好的适用性[12-13].
1 电子束熔丝沉积特点
1.1 高功率和小束斑
电子束功率可达100 kW[11]，最小束斑直径小于1 mm，且由于电子束特殊的能量传递和转换机理，使其能量利用效率一般为75%[11]以上，最高可达 97%[14]，能量密度高达 107～109 W/cm2[15].如此高的能量密度使得电子束足以使任何材料迅速熔化或汽化，特别适用于超高熔点合金(钨、钽、铌)等的增材制造，并且利用电子束熔丝沉积方法，能够达到很高的沉积效率(22.68 kg/h)，适用于大型构件的增材制造[16].电子束熔丝沉积技术，由于电子束独特的“钉形“熔池形貌，穿透力强，可对多层(大于2层)沉积体进行重熔，消除或减少内部孔洞等缺陷，提高沉积体的致密度.
高功率、小束斑的特点虽然可以以很高的效率进行超高熔点金属的熔丝沉积增材制造，但是由于其功率高，加热温度高，合金元素烧损；材料受热快，一些高热导率、低弹性模量丝材(如紫铜等)存在较大温度梯度，容易受热变形，且电子束斑点小，无法像电弧一样有足够的热源作用范围来承受丝材偏离的影响，这就导致一旦丝材受热变形或受外部影响等，很容易造成沉积过程中断.
1.2 高真空和低散热
电子束熔丝沉积过程在真空条件下进行，一方面，由于真空环境洁净、无污染特点[17]，适用于活泼金属的增材制造.另一方面，真空环境缺少气体散热，热量只能够通过与之接触的工作台传导出去，这就使得电子束熔丝沉积过程散热慢，并且随着沉积层数的增加，工作台的散热作用越来越不明显，导致热量积累严重，容易产生沉积体组织上下不均匀或液态金属过多，沉积层熔池侧漏.
（3）混合料运输。应根据施工现场情况，如拌和站生产能力、运输距离与运载能力等来确定运输车辆数量，确保混合料摊铺连续不中断。装料时应分3次或5次呈品字形装料，减少装料过程中混合料产生的离析，装料完后应及时加盖帆布，降低水分蒸发，同时，运输过程中应尽量避免紧急刹车与加速，减少车辆晃动导致的混合料离析。
②混凝土浇筑。采用直升导管法浇筑。先往进料斗里注入适量的水泥砂浆，在储料簸箕内储存足够量的混凝土，一次进料确保挤出隔离球，并埋住导管底部。浇筑时连续作业，导管埋入混凝土中的深度控制在1～6m之间。同一槽孔内混凝土面保持均匀上升，各控制点高差控制在0.5m以内。上升速度不小于2m/h，浇筑过程中每30分钟测量一次槽孔内混凝土顶面深度，绘制混凝土上升曲线图，以指导浇筑施工和导管拆卸，控制混凝土浇筑质量。
肉牛粪污处理技术模式应根据肉牛场的养殖规模、投资能力、自有种植土地、机械化程度等情况灵活选择，技术路线应围绕“源头减量、清洁生产、资源化综合利用、防止二次污染”的原则。
与电子束焊接过程不同，电子束单道多层熔丝沉积过程，沉积层数较多时，熔池两侧并没有固态金属的约束，熔池边界为自由状态，工艺参数不合适时，过热的液态金属将沿着壁面流淌，导致熔池侧漏，且真空环境下，熔池外部压力接近于零，熔池内大量液态金属很容易蒸发至真空区域，真空内熔池的受力状态与常压下熔池的受力状态存在较大区别.
2 电子束熔丝沉积设备
美国航天局(NASA)兰利研究中心[12, 13]最早研究电子束熔丝沉积技术，根据设备的应用环境不同分别研制出落地式(Ground-based)和便携式(Portable)两种电子束熔丝沉积设备.落地式设备搭载了一个42 kW，60 kV加速电压的电子束枪和一个独立式双送丝机构，可以根据需要装载不同直径和不同材质的丝材；具有6轴运动功能；真空室尺寸为 2.7 m×2.5 m×2 m，可达真空度为 5×10-5 torr，主要用于大型航天结构件的制造与修复.便携式设备搭载了一个3～5 kW、10～30 kV加速电压的电子束枪和一个单送丝机构；具有4轴运动功能；真空室尺寸为0.9 m×0.9 m×0.9 m，真空度可达1×10-6 torr，主要用于小型零件的制造和修复以及在模拟太空环境的设备上进行相关的研究.
美国西亚基公司(Sciaky)[16]在2004年开发了电子束熔丝沉积设备，如图1所示，该设备使用60 kW/60 kV的电子束枪，最大沉积速率可达22.68 kg/h，材料利用率比传统加工工艺高79%.
“师严然后道尊，道尊然后民之敬学”“附手、高揖、拜”简单的揖礼三拜将“自强不息、厚德载物、孝亲尊师”的传统经典植根于中和学子的心中。学生行儒家拜师束脩六礼对孩子们来说更是一次意义非凡的体验与荣耀，中和学子会随着阅历的增加，逐渐领悟，体知其中的微言大义。
图1 西亚基公司研制的电子束熔丝沉积设备
Fig.1 EBF3 equipment manufactured by Sciaky
北京航空制造工程研究所[18]在国内较早开始研究电子束熔丝沉积技术，研制了电子束熔丝沉积增材制造设备，搭载了10 kW/60 kV的电子束枪，如图2所示.利用该设备进行了钛合金熔丝沉积工艺的研究.
图2 北京航空制造工程研究所研制的电子束熔丝沉积设备
Fig.2 EBF3 equipment manufactured by AVIC Beijing Aeronautical Manufactring Technology Research Institute
3 电子束熔丝沉积材料及方法
3.1 铝合金
Taminger等人[19-21]研究了电子束流、送丝速度、移动速度等因素对2219铝合金沉积制造的成形和组织的影响.定性的提出了这些因素对成形和组织的影响规律：随着移动速度逐渐增加，沉积体高度逐渐减小.且移动速度越大，晶粒越细小；随着送丝速度逐渐减小，高度逐渐减小.且送丝速度越大，晶粒越细小.电子束流和送丝速度同时增加，导致熔池的深度与宽度变大，晶粒粗大，且容易产生熔池侧漏.在此研究基础上，利用电子束熔丝沉积技术成功制造出几个铝合金成形件，如图3所示.并分析了铝合金沉积体不同表面加工方式的利弊.同时，NASA还研究了利用不同表面处理方式加工沉积体的优点与缺点.
图3 2219铝合金电子束熔丝沉积快速成形件(mm)
Fig.3 Examples of parts made of 2219 aluminium using the EBF3 process
NASA等人[22]研究了电子束加速电压对熔丝沉积过程中熔池的影响.研究结果表明，熔池和热影响区的深度在加速电压为30～50 kV之间几乎不变，稍大于加速电压为20 kV的情况；由于散热的影响，随着沉积层的数目增加，沉积层的宽度有所增大，层间的条带越来越不明显.
Taminger等人[23]研究了微重力状态下的电子束熔丝沉积技术.研究结果表明，在正常重力状态下，丝末端与熔池之间的距离d对沉积过程影响不大，d＞0时，由于重力大于表面张力使得细小的熔滴可以过渡到熔池中；而在微重力状态下，d=0时，熔滴通过表面张力与润湿力的作用进入熔池，而当d＞0时，由于表面张力的作用，熔滴粘着在丝的端部，如图4所示.并且随着送丝的进行，在电子束的作用下不断变大，一旦熔滴接触到熔池，在润湿力和表面张力的共同作用下，粗大的熔滴才能够过渡到熔池中.重力对沉积体的高度和微观组织影响不大.随着沉积层数的增加，冷却速度不断减小，对于壁厚比较薄的铝合金，当沉积层数小于5层时，主要通过基材散热，冷却速度较快；当沉积层数大于5层时，热量传输路径被限制在之前的沉积层里，冷却速度较慢，熔池的温度较高.
图4 微重力状态下熔滴形貌
Fig.4 Droplet morphology under microgravity
3.2 钢材
Wanjara等人[24-25]在321不锈钢底板上以347不锈钢和BNi-2镍基钎料为焊丝进行熔丝沉积的研究.研究结果表明，Ti，(Nb, Ti)和Nb碳氮化物的形成可有效抑制有害碳化铬的形成并指出熔丝沉积体的高度与沉积的层数之间为线性关系，力学性能与母材相当，抗腐蚀性能良好.行走速度从20 cm/min减小到15 cm/min，可以使BNi-2沉积体的气孔率下降到0.6%以下.沉积体的质量很大程度上取决于沉积的速度和层数.
MATZ等人[26]研究了718高温合金电子束熔丝制造过程中碳化物颗粒的生长方式，建立了一个数学模型来计算熔丝过程中的碳化物的生长，所得结果与试验相符合.研究结果表明，利用电子束熔丝沉积技术可显著减小碳化物的尺寸，并可使碳化物从不规则的扁平状转变为规则的球形.
3.3 钛合金
Bush等人[27]研究了钛合金的电子束熔丝沉积制造工艺.研究结果表明，Ti-6Al-4V沉积体的微观形貌为柱状晶，Ti-8Al-1Er沉积体的微观形貌为等轴晶，并且弥散有Er2O3增强相，如图5所示.
图5 Ti-8Al-1Er沉积体中的 Er2O3 增强相
Fig.5 Er2O3 in Ti-8Al-1Er deposits
Stecker等人[16]利用TC4为原材料成功制造出一个万向节(重100 kg)，如图6所示.相对于传统的制造技术节省材料约50%，并得出沉积速率与沉积时间和沉积成本之间的关系曲线.
勘查区内人类工程活动对滑坡体影响较大，主要为坡体前缘人工切坡修建房屋，形成了局部的临空面，楼高6～8层，滑坡后缘为五星学校的工程施工场地，地表标高151～152 m，滑坡体上及两侧种植了橘子树。人类工程活动过程中形成不少陡坎，对山坡地貌有所改变。
Wallace等人[28]利用Ti-6Al-4V为原材料，研究了加速电压、束流、移动速度、送丝速度和聚焦电流对沉积体成形的影响.研究结果表明，移动速度对沉积体的高度和宽度影响最大，束流和加速电压对其影响较大；送丝速度对沉积体高度影响较大，但对沉积体宽度影响较小；聚焦电流对沉积体高度和宽度影响效果不明显.
图6 TC4 电子束熔丝沉积制造的万向节
Fig.6 Gimbal made of TC4 using the EBF3 process
NASA研究了利用电子束熔丝沉积技术制备CP-Ti和Ti-8Al-1Er钛合金梯度材料.研究结果表明，化学成分的梯度变化将导致屈服强度、抗拉强度和弹性模量等性能的梯度变化.另外，NASA对Ti-6Al-4V电子束熔丝沉积过程中Al元素烧损问题进行研究，如图7所示.研究结果表明，通过增加金属丝中Al元素含量或降低电子束功率均可解决Al元素烧损问题.
图7 Ti-6Al-4V 沉积体中 Ti和 Al元素含量
Fig.7 Contents of Ti and Al in Ti-6Al-4V products by EBF3
陈哲源等人[18]利用电子束熔丝沉积技术沉积出Ti-6Al-4V钛合金不同结构试样，分析了沉积体的成形特点，探讨了组织形貌特征及形成机制.研究结果表明，对于薄壁结构，采用合理的工艺参数，获得的熔积层的宽度为7.4 mm，层高为1.5 mm；结构纵截面的组织形貌特征是原始β柱状晶与沉积高度方向大约成15°角，较为粗大，宽3～5 mm，单个柱状晶贯穿几层到十几层熔积层不等.对于实体结构，熔积间距为4.7 mm时得到的试样表面较为平整，熔积高度基本一致；试样纵截面可观察到明显的层带，而原始β柱状晶垂直向上生长.
陈彬斌等人[29-30]研究了TC4钛合金的电子束熔丝沉积技术，结果表明电子束熔丝沉积的熔池具有宽度大、深度小、深宽比小的特点，深宽比通常小于1；在沉积区以及相邻的近热影响区均发现了不同体积分数的α相和α'相，沉积区与近热影响区的冷却速度均在20～410 ℃/s的范围内.熔滴对熔池温度场与流场具有一定的影响，但随着熔滴在熔池表面凝固，其对熔池的影响也不断减弱，熔池会逐渐恢复至熔滴沉积前的状态.熔池恢复后的体积因为熔滴的加入会有所增加，但是温度场和流场的特征与未添加送丝工艺的基本相似，如图8所示.
李兴军代表“脸红冒汗”的“窘态”并非个例，全县各代表述职评议会场都上演着类似的场景。会场时常因代表们的精彩报告响起热烈的掌声，也常有代表因选民的提问一时语塞而“脸红冒汗”。
图8 熔滴滴落前后流场分布特征
Fig.8 Flow distribution before and after the droplet falling
闫五柱等人[31]研究了TC4电子束熔丝沉积加劲肋面板的残余应力与变形.研究结果表明，面板的变形方向与加劲肋的沉积方向相反，加劲肋的沉积轨迹对面板的变形具有很大的影响，残余应力最大位置在加劲肋的交叉口处；正面沉积完的加劲肋最大变形位置位于面板的中心处，变形高达0.336 mm，反面沉积之后最大变形减小至0.124 mm.
3.4 最新电子束熔丝沉积方法
乌克兰红波公司研究了空心阴极电子束熔丝沉积工艺，如图9所示.利用此方法可进行半液态电子束熔丝沉积，解决了失重环境下沉积过程中熔滴过渡问题.
福建既是自贸试验区，又是“海丝”核心区，是两大战略的汇合点。国家给福建自贸试验区的定位是：贸易对接台湾地区，功能承接“一带一路”。一方面，要突出对台特色，深化两岸经济合作，着力两岸贸易、政策的互联互通，推动两岸共建“海上丝绸之路”；另一方面，面向东南亚，加强港口、口岸和城市的合作，着力海上互联互通，打造服务“海丝”的高端航运服务平台；与沿线国家和地区深化海洋经济合作，建成“海丝”海洋经济圈；大力发展海洋文化创意产业，促进“民心相通”。
图9 半液态电子束熔丝沉积工艺
Fig.9 Semi-liquid EBF3 process
4 电子束熔丝沉积技术展望
电子束增材制造因其大功率、高利用率、真空无污染等优势，使其受到广泛的关注和研究.综合国内外研究现状，国内在设备及方法等方面均与国外存在较大差距.目前电子束熔丝沉积主要集中于对工艺的研究.由于真空环境熔池的状态与常压下熔池的状态存在较大区别，常规的焊接熔池理论并不完全适用于熔丝沉积过程，缺少沉积过程熔池自由边界稳定性机理分析；电子束熔丝沉积的原材料主要集中于铝、钢和钛等常用的材料，这些材料并不能发挥电子束高能量密度和真空洁净等优势，缺少对活泼难熔金属电子束熔丝沉积技术的研究.综合当前电子束熔丝沉积的研究工作，可以推断未来的电子束熔丝沉积的发展方向如下.
(1) 电子束熔丝沉积基础理论研究.目前华中科技大学对滴状过渡下熔池的温度场及流场进行了研究，但赵健等人[32]研究结果表明，液桥过渡相比于滴状过渡稳定性更好.电子束熔丝沉积技术缺乏沉积过程熔池内部传热传质及边界稳定性等的理论指导.
丘陵地区生猪养殖很容易受到亚热带气候的影响，入春时节气候变化较多，若养殖管理跟不上变化，易引发细菌性疾病，2～4月龄仔猪最易感染沙门氏菌，成年猪发病较少。猪副伤寒又称猪沙门氏菌病，主要是由猪霍乱和猪伤寒沙门氏菌引起，急性副伤寒会造成仔猪死亡，但临床较多的是慢性副伤寒，病猪发育迟缓会给养猪业带来经济损失。
(2) 活泼难熔金属的增材制造及复合材料和梯度材料的制备.目前所见文献均为铝、钢和钛等常用材料，并没有高温难熔金属材料及异种材料的增材制造.电子束的高功率、高能量密度和真空洁净等优势并没有得到充分利用.
(3) 电子束熔丝沉积设备研发.电子束熔丝沉积可采用双丝及多丝、同种或异种材料.目前研究结果均为单丝熔丝沉积技术，利用多丝沉积技术可大大提高沉积效率，并且可进行复合材料及梯度材料的制备.
(4) 沉积体应力及变形分析.增材制造技术相比于传统的焊接技术是一个微分—积分的过程，每层沉积过程可及时调控热输入等其它参数，进而对沉积体的应力和变形进行控制.
(5) 大型复杂构件路径规划.电子束熔丝沉积的高效率适用于大型构件的制造.但由于真空环境下散热差等特点，利用电子束熔丝沉积制备大型复杂构件需对沉积路径进行规划，从而避免或减少熔池侧漏及组织不均匀性，调整沉积体内部应力分布及变形控制.
5 结束语
电子束熔丝沉积增材制造技术在过去的十多年里得到了快速的发展，但由于缺乏相关的标准，目前只能用于非关键构件的制造，并不能在航空、航天等领域得到广泛应用.当前的研究现状与普及应用还存在较大的差距，需在电子束熔丝沉积基础理论研究、设备研发、复合材料制备及应力与变形控制等方面展开系统的研究.
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