一． 研究背景
毕业设计开题报告
金属增材制造技术又被称为3D打印技术以及快速成形技术。增材制造技术是通过将金属材料逐层增加从而使数字模型制造成三维实体物件，它的最主要的特点就是分层制造，可以通过数字模型直接制造非常复杂的三维立体零件，而且不需要模具以及机械加工，它有众多优点，包括：制造周期短，材料利用率高以及生产成本低等等。[1] 金属材料的增材制造主要包括激光增材制造，电弧增材制造以及电子束增材制造。其中电子束熔丝沉积技术在精度，制造功率以及效率方面相对于其他两个更加有优势。电子束熔丝沉积是在真空条件下进行的，因为真空环境没有污染，所以电子束熔丝沉积技术适用于一些活泼金属。但是由于真空环境缺少气体可以用来散热，热量只能通过工作台以热传递的方式散热出去，所以散热的速度非常的慢，并且热量积累到一定程度的时候，熔池容易发生侧漏。[2]
虽然跟其他金属材料高能束快速制造技术，电子束熔丝沉积技术有着很多优势，但是电子束熔丝沉积技术并不是特别完美的，其仍有很多问题没有得到很好地解决，比如：内部冶金缺陷，显微组织形成规律，内应力演化规律以及构型开裂预防等材料，工艺基础理论问题。[3] 通过大量的研究发现，通过电子束熔丝沉积技术制造出来的构件其显微组织中存在着很多的柱状晶，这很大程度上引起了大家的关注，于是大家做了很多的工作去研究柱状晶的形成机理，同时研究其对构件在性能上的一些影响（它的优缺点），以及如何控制它的形成。
二． 研究现状
电子束熔丝沉积增材制造技术工艺随着新材料、新工艺、新设备的进步在飞速发展着。美国航天局（NASA）兰利研究中心是全世界最早研究电子束熔丝沉积增材制造技术的机构，它分别研制出了落地式和便携式两种电子束熔丝沉积设备。而美国西亚基公司在2004年开发的电子熔丝沉积设备，大大地提高了材料的利用率，比传统加工工艺高百分之七十九。与此同时北京航空制造工程研究所是国内比较早开始研究电子束熔丝沉积技术。最近的研究方法是乌克兰红波公司研究出来的空心阴极电子束熔丝沉积工艺。[2]未来的电子束研究会在基础理论，设备研发以及构件内部应力及变形这些方面进行。但是电子束现在的研究仍然存在着很多问题，其中包括电子束熔丝沉积技术是通过逐层叠加材料的方式进行的，但由于在真空中无法快速散热，铺覆上面的层是就相当于给下面的层进行了热处理，从而导致凝固层变厚，沿着高度方向出现了组织和性能梯度，对构件性能有着不利影响，在构件组织的基地方向发现了很多孔洞。[4]我们下面着重要研究构件内部柱状晶对构件的影响，以及如何降低或者消除柱状晶对构件的影响。
三． 现有问题
通过电子束熔丝沉积技术制造出来的构件在沿高度方向形成单方向的粗大柱状晶，这是由于在电子束熔丝沉积快速制造过程中，熔池的温度梯度很高，但是真空中散热很慢且是通过热传递的方式散热，因此沿高度方向的热量就远大与其他方向，而热量朝着基体方向散失，同时由于构件内部不同地方的散热速度不一样，因此热量散失的不均匀性导致了柱状晶与沉积高度方向呈一定角度。[5]但是通过研究发现柱状晶的存在对于构件来说会有一些不利的影响，柱状晶的性能有方向性，所以在一些塑形较差的合金中如果柱状晶比率高的话，容易导致再热加工破裂。一些学者对柱状晶进行了研究，并且提出了一些对应的方法。其中包括激光增材制造中，由于柱状晶的方式为外延生长，不同于等轴晶，所以具有一定的优势，在对加强形成件高温强度，疲劳性能，蠕变性能，抗氧化性能以及耐腐蚀性能都有一定作用。[6]不同的扫描速度以及激光的功率对柱状晶的生长有影响，只要改变这两个因素就可以得到想要得到的柱状晶的形态。同时也有人研究轧制对电子束成形后的原始组织影响很大，在消除组织中的孔洞的时候轧制有着非常大的作用。
现在我们研究的方向分别是消除柱状晶的存在以及减小柱状晶的影响，以下是一些个人的设想：
（1）柱状晶的形成主要是因为有温度梯度的存在，如果逐层增加材料的时候让已经铺覆的层完全冷却则可以避免柱状晶的形成，但是因为真空状态散热非常的慢所以这个方法很浪费时间，所以考虑是否可以在制造过程中对构件喷洒酒精等一些极其容易挥发的物质加速冷却，并且要考虑以怎么样的形式添加。
（4）增材制造之后对其进行何种热处理可以消除柱状晶或者减小柱状晶的影响。
四． 本课题拟采用的研究手段
通过增材制造制备综合性能优良的钛合金试板；材料性能测试：显微硬度测试，拉伸性能测试；多尺度表征：通过EDS，SEM，XRD等显微表征手段对材料的微观界面进行分析，深入研究增材热过程对组织演变的影响，并分析组织和性能的对应关系。通过科学手段分别对上面四个设想进行实验论证，总结每个工艺方法的优势和不足。
五． 参考文献
- 于菁,王继杰,倪丁瑞,肖伯律,马宗义,潘兴龙.电子束熔丝沉积快速成形2319铝合金的微观组织与力学性能[J].金属学报,2018,54(12):1725-1734.
[2]陈国庆，树西，张秉刚，冯吉才. 国内外电子束熔丝沉积增材制造技术发展现状[A].焊接学报,2018.
