高能束流加工技術以高能量密度束流（電子束、激光、離子束等）為熱源與材料作用，從而實現材料去除、連接、生長和改性。高能束流加工該技術具有獨特的技術優勢，被譽為本世紀先進制造技術之一，受到越來越多的重視，應用領域不斷擴大。經過多年的發展，高能束流加工技術已經應用到焊接、表面工程和快速制造等方面，在航空、航天、船舶、兵器、交通、醫療等諸多領域發揮了重要作用。 高能束流束源品質的發展 高能束流加工技術的應用與發展和高能束流束源品質有著密切的關系。隨著科學技術的不斷發展，無論是電子束還是激光束，束流品質越來越好，能量密度、功率等參數越來越高，加工能力和加工質量都有所提高。 電子束束流品質主要有2 方面的內涵：一是束流和高壓的穩定性；二是束流的形態和能量分布。前者主要取決于高壓電源及相應控制系統；后者主要取決于電子槍及其電磁聚焦系統。 高壓電源是電子束加工設備的重要組成部分，自20 世紀50 年代以來，高壓電源的設計及制造技術經歷了3 個階段，即工頻變壓器、中頻發電機組、高頻開關式電源。在每個發展階段，高壓電源性能都得到了很大提高，特別是開關式高壓電源，高壓調節范圍更廣，有效功率更高、高壓紋波、設備體積更? Ｄ殼埃哐箍氐繚吹母鞲霾糠志迪至爍咂倒ぷ鞣絞劍ǔＴ謔髀砍痰那榭魷攏魑榷ǘ卻锏健?.25％，高壓的穩定度達到±0.25％。 束流形態和能量分布主要取決于電子槍及其所屬的電磁聚焦系統，目前沒有專屬的量化指標，通常可對束流的不同截面進行能量分布的測定，來分析束流形態和能量分布是否良好。目前，電子束流發生裝置（電子槍）技術發展迅速，已經由低壓小功率型發展到高壓大功率型（如表1所示），大大提升了加工能力和加工質量，同時拓展了電子束加工技術手段。 我國高壓電子束焊接設備的研制開發起步較晚，這主要因為高壓電子束加工設備中的電子槍和高壓電源設計制造技術難度大，測試試驗不易開展。目前，國內開展電子束焊接設備的研究較多，但主要局限于中壓、小功率電子束焊機的研究，高壓、大功率設備的研究相對較少。目前已經解決了大功率高壓電源和高壓電子槍的問題，國防科技重點實驗室對高能束流加工技術進行了系統深入的研究，并取得了一定成果，高壓電源的高壓、束流穩定度均達到了±0.25％，同時也開發了新型電子束能量密度測量裝置，以進行相關電子槍的研究改進。 新型激光器的不斷出現和技術上的不斷改進完善，有力地推動了激光技術在各個領域的應用，特別是20 世紀80 年代中后期以后，Nd:YAG 激光器和CO2激光器的性能進一步提高，輸出功率增大到千瓦和萬瓦級，使得材料的激光加工技術應用范圍進一步擴大，特別是激光焊接技術已由熱傳導焊向深熔焊轉變，焊接機制和原理發生了根本性變化。 在國外，輸出功率在10kW 左右的CO2激光加工系統已經成為穩定應用于各工業部門的常規焊接設備。在大功率激光焊接應用方面，法國焊接研究所于1993 年安裝并完成了45kW CO2激光器的調試工作，正在開展大厚度（40 ～ 50m m）單道焊技術基礎研究工作。1994 年和1996年，日本的Kinki先進材料加工研究所和日本鋼鐵公司也先后完成了45kW CO2激光器的安裝工作。與此同時，YAG 激光焊接系統的輸出功率也有較大提高，輸出功率4k W的商品化設備已推向市? ? 在國內，激光材料加工技術經歷了30 多年的發展歷史。經過國家多個五年計劃的攻關，激光加工設備從無到有，輸出功率一步步提高，還有多家單位都具有生產2～10kW CO2激光器系列產品的能力，也可制造千瓦級以下的YAG固體激光器。但是與國外相比，光束品質較差，元器件可靠性、穩定性方面需進一步提高。 目前，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能進一步提高。對于Nd:YAG激光器，為了克服其在高功率運轉時嚴重的熱透鏡效應、提高激光器的輸出功率和光束質量，發展了板條、管狀等新型激光器結構形式；另外，光纖傳輸極大地提高了焊接操作的靈活性。與此同時，CO2激光器由最初的橫流結構改為快速軸流結構，輸出功率極大提高；射頻激勵和微波激勵模式的建立減小了CO2激光器的體積，提高了效率和可調制性。 20 世紀90 年代，二極管泵浦固體激光器的出現，使激光器的體積大大縮小，光束質量高、壽命長，泵浦效率遠遠超過燈激勵方式，是一種很有前途的新型激光加工能源，必將在很大程度上替代現有的激光加工設備。 近年來，一些新型激光器相繼進入激光加工領域（如準分子激光器、發射5μm附近激光波長的CO激光器等），這將拓展激光焊接設備的新領域，促進激光加工技術向前發展。特別是光纖激光器的出現，無論是束流品質還是輸出功率都應該說是激光加工技術的一場革命性變化。 高能束流焊接技術 與傳統焊接技術相比，高能束流焊接技術具有諸多優勢： （1） 功率密度高。高能束流斑點尺寸小，功率密度大。焊接束流的功率密度通常達105～108W/cm2，而一般常規電弧焊的功率密度為102～104W/cm2。 （2）焊縫深寬比高。高能束流可實現高深寬比( 即焊縫深而窄) 的焊接，其中電子束深寬比達60 ∶1，可一次焊透0.1 ～ 300mm 厚度的不銹鋼板，激光焊的深寬比也達到20 ∶1。 （3）焊接速度快。高能束流的高能量密度使得焊接加熱集中，焊接熔化和凝固過程快、效率高，如利用電子束焊接厚125mm 的鋁板，焊接速度達4m/min，是氬弧焊的40 倍，1mm 厚薄板激光焊接速度可達到20m/min。 （4）焊件熱變形小，焊縫性能好。高能束流功率密度高，使得焊接熱輸入量少、焊件變形? ⒑負蠹庸ち啃。欣誚檔橢圃斐殺荊夷鼙苊夂附詠油紛櫓Я３ご螅菇油沸閱芨納疲桓呶倫饔檬奔潿獺⒑轄鷦厴賬鶘伲苡行Ц納坪阜煒故蔥閱堋? （5）焊縫純潔度高。真空對焊縫有良好的保護作用，高真空電子束焊尤其適合焊接鈦及鈦合金等活性材料。 （6） 工藝適應性強。焊接參數易于精確調節，焊接頭便于偏轉，焊接位置的可達性好，對焊接結構的焊接適應性優于常規電弧焊，不僅可應用于對接接頭、搭接接頭，而且特別適合于T 形接頭焊接。 （7）可焊材料多。適合于難焊材料焊接，不僅能焊金屬和異種金屬材料接頭，也可焊非金屬材料（如陶瓷、石英玻璃等）。 國外高能束流焊接技術研究水平與應用程度都比我國好。在電子束焊接方面，國外圍繞超高能密度裝置研制，設備智能化、柔性化、電子束流特性診斷，束流與物質作用機制，以及非真空電子束焊設備及工藝等方面開展了卓有成效的研究。在日本，加速電壓600kV、功率300kW 的超高壓電子束焊機已問世，一次可焊200mm 的不銹鋼，深寬比達70∶1。同時，日、俄、德開展了雙槍及填絲電子束焊接技術研究。在對大厚度板第1 次焊接的基礎上，通過第2 次填絲來彌補頂部下凹或咬邊缺陷；日本采用雙槍實現了薄板超高速焊接，反面無飛濺，成形良好。關于非真空電子束焊接，德國斯圖加特大學實現了母材為AlMg0.4 Si1.2 的旋轉件的填絲焊接，加絲材料為AlMg4.5Mn，送絲速度35m /min，焊接速度高達60m/min。非真空電子束焊接在汽車制造領域一直倍受重視并得到應用。如手動變速器中同步環與齒輪采用非真空電子束焊接，生產率已超過500 件/h。最近，德國和波蘭的學者共同研制了真空電子束焊接時，安裝于真空室中的非接觸測溫裝置測量點最小直徑1.8mm，主要用于陶瓷和硬質合金的釬焊，該裝置可排除隨機的熱流干擾，測量精度高。 在國外電子束焊接是制造軍機大厚度鈦合金承力框、梁等的發展趨勢，俄羅斯和美國第3、4 代戰斗機的結構梁、框等重要承力件均采用電子束焊接技術。F -14 戰斗機鈦合金中央翼盒是典型的電子束焊焊接結構。該翼盒長7m，寬0.9m，整個結構由53 個鈦合金件組成，共70 條焊縫，焊接厚度為12 ～ 57.2mm，全部焊縫長達55m，電子束焊接使整個結構重量減輕270kg ；俄羅斯的蘇-27 飛機鈦合金框、圖波列夫設計局和烏克蘭巴頓所的鈦合金整體焊接壁板等結構均采用電子束焊接技術。尤其是目前最先進的第4 代戰斗機——美國的F -22 機身，很大一部分為焊接件，后機身鈦合金前后梁結構是由腹板加強的Ti-6-4 壁板與框架經電子束焊接而成的，包括3556c m 長的周向及縱向焊縫，厚度在6.4 ～25mm 之間，這是航空航天工業最復雜的焊接結構之一。 與常規焊接方法相比，激光能量密度高、加熱集中，以具有小孔效應的大功率激光深熔模式進行焊接時，焊縫深寬比大，焊接速度快，焊接結構變形小，焊縫質量高，而且激光焊接在大氣環境下完成，焊接可達性好。另外，激光焊接過程還具有易于集成化、自動化、柔性化的特點。因此，激光焊接特別適合于大型結構件的焊接，已成為21 世紀解決大型復雜結構制造的先進焊接技術之一。目前，激光焊接技術已成為衡量一個國家制造業現代化水平的重要標志。 目前，基于深熔焊的激光焊接已成為汽車行業焊接標準化工藝之一，在造船工業和航空、航天工業中的應用也已經起步，例如空客公司A380大型寬體客機制造技術中的亮點就是激光焊接技術在飛機壁板制造中的應用，且已成為A380 先進性的主要標志之一。另外，歐洲造船工業中船體板架構件（16m ×20m）制造中激光焊接的實際應用，美國海軍焊接中心（N J C）針對戰艦和裝甲車等開展的激光焊接應用技術研究，都充分展示了激光焊接在大型結構制造中的優勢和應用前景。 我國從20 世紀80 年代就開始了激光焊接技術研究，通過多年努力，已取得了長足進步：如成功實現汽車板坯激光拼焊、管道焊接；近年來，針對激光焊接鋁合金和鈦合金開展了基礎研究，已將激光焊接技術應用于飛機結構和飛機發動機結構制造中；另外，還有針對性地開展了激光填絲焊和激光電弧復合焊等激光焊接新技術的研究。 當前高能束流焊接被關注的主要領域為：高能束流設備的大型化——功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化；設備的智能化和加工的柔性化；束流品質的提高及診斷；束流、工件、工藝介質相互作用機制的研究；束流的復合及其效應研究；新材料的焊接及異種材料的焊接；焊接過程穩定性與可靠性調控。高能束流表面工程技術 高能束流表面工程技術是高能束流加工技術中一個重要的組成部分，已廣泛使用于武器裝備及國民經濟的多個領域。按照涂層的厚度來劃分，可分為無涂層的表面改性技術（激光沖擊強化、電子束毛化、精密局部熱處理）、10μm 以下的涂層（薄膜）制備技術（離子注入及沉積）、用于100μm 以上的涂層制備技術（電子束物理氣相沉積及等離子噴涂）。 1 激光沖擊強化技術 在激光沖擊強化技術應用方面，美國G E 公司已開始利用激光對渦輪風扇葉片和F110- G E -100/129的風扇第I 級工作葉片進行沖擊強化，以提高葉片表面壓應力、防止葉片裂紋；L LNL 與MI C 公司合作進行F110 發動機（F15E，F16C/D）及F119 發動機( F -22) 葉片的強化工作；L S P 公司采用可移動的激光沖擊強化裝置對飛機結構進行強化。 我國現役的W P13 發動機壓氣機Ⅰ級、Ⅱ級葉片在外場使用中發生多起葉尖裂紋、掉塊故障。近年來，國家某重點型號、空軍“殺手锏”工程發動機在外場也發生了多起壓氣機二級葉片葉尖裂紋、掉塊故障，造成故障的主要原因是高階復合振動導致葉片高周疲勞失效。目前一級壓氣機葉片采用常規的噴丸技術，但覆蓋率、零件變形都難以控制，強化工藝存在困難。與機械噴丸相比，葉片經激光沖擊強化后葉片表面產生的殘余壓應力層深、表面質量好、疲勞性能提高幅度大。激光束的可達性好，可以對葉片進行局部強化，葉片的雙面強化工藝可以很好地控制葉片變形。另外，航空飛機上部分疲勞關鍵部位的孔結構難以采用機械噴丸強化，但可以用激光束對孔結構進行強化，并且在飛機焊接結構上也存在焊后強化的需求。 2 離子注入及沉積技術 對于離子注入及沉積技術，國外已在航空零件、生物材料、模具和刀具等方面有了廣泛的應用，該技術日益成為金屬材料表面處理不可缺少的重要手段。在此項工藝的發展進程中，美國和英國進展最快，效果最明顯。1983 年美國國防部制定了一項離子束聯合發展計劃，聯合美國各軍事研究所、科研部門和高等院校開展改善武器裝備的研究，即采用離子束技術改善熱汽輪機、航天器、飛機、艦艇和其他武器裝備關鍵部件的性能，以延長這些裝備的使用壽命。目前在航空航天及其他軍事領域的應用有：航天飛機主機的渦輪使用泵軸承、導航儀器軸承、噴氣發動機主軸軸承、直升機傳動裝置的齒輪、航天設施的小型精密齒輪、燃料噴嘴和火箭往復活塞等，成效顯著。 3 電子束物理氣相沉積技術 電子束物理氣相沉積技術在航空領域也具有獨特的優勢。如國外在飛機發動機上廣泛應用電子束物理氣相技術制造渦輪葉片熱障涂層，提高了渦輪使用溫度50 ～200℃。德國ALD 公司對EB-PVD技術的研究已經達到了一個相當高的水平，其產品不僅在航空領域得到了廣泛應用，而且在光學涂層、半導體制造等其他工業領域也有所應用。目前，ALD 公司已經擁有大規模生產葉片涂層的EB-PVD 設備，一臺工業化生產的設備日產量估計可達上百片葉片甚至更多。其前景規劃中，一方面針對TBC涂層材料，找到比w （Y2O3）=6% ～ 8% 穩定的ZrO2陶瓷隔熱效果更好、性能更優越的新型改性陶瓷或幾種陶瓷聯合的復合陶瓷，從而進一步提高熱端部件的工作溫度；另一方面致力于多種工藝的聯合交叉，從而降低工藝復雜性和制作成本，提高涂層質量；此外還將對涂層的結構展開新的研究，有可能采用多層材料的涂層等。美國賓夕法尼亞州立大學也在進行微層及微結構涂層的研究，以及制備具有更好粘結強度的結合層。 美國GE 公司現采用SULZERM E T C O 公司制造的用于大批量生產的全自動真空等離子噴涂設備制備航空發動機渦輪導向葉片及工作葉片的抗氧化涂層及熱障涂層的MCrAlY 粘結底層，質量十分優良。美國PW 公司在航空發動機的渦輪導向葉片上使用等離子噴涂熱障涂層也非常成功。F119、P W2000、P W4000、J T9D -7R4、V2500 發動機渦輪導向葉片均采用了ZrO2熱障涂層系統，達到的主要技術指標有：0.25mm 厚的熱障涂層，可使結構基體溫度降低150℃以上、壽命超過5000h，真空等離子噴涂的MCrAlY抗氧化涂層達到完全抗氧化級，梯度熱障涂層及納米熱障涂層壽命提高30% 以上，納米耐磨涂層耐磨性能提高50% 以上。 高能束流快速制造技術 高能束流快速制造技術是基于離散/ 堆積原理的增材成形技術，由零件三維C A D 模型數據驅動，可以直接制造出零件實體，能夠大大減少制造工序、縮短生產周期、節省材料及經費，目前已發展到金屬原型直接制造階段。其熱源主要有激光、電子束等，加工形式有熔融沉積（絲材、粉末）及選區熔化（粉末）等。 1 金屬粉末激光熔融沉積技術 該技術是基于快速原型技術和同步送粉激光多層熔覆技術相結合而發展起來的新技術，其發展歷史可追溯到20 世紀70 年代末期關于激光多層熔覆的研究上，但由于當時計算機建模及分層切片等圖形處理技術較困難，研究工作局限于徑向對稱的簡單形狀零件，并將注意力集中到材料和熔覆工藝的研究上。 從20 世紀90 年代開始，隨著快速原型技術的逐漸成熟，金屬粉末激光熔融沉積技術在西方發達國家逐漸成為材料加工領域的研究熱點，并迅速進入高速發展階段。國內外眾多研究機構對同軸送粉激光快速成形技術的原理、成形工藝、熔凝組織、零件幾何形狀和力學性能等基礎性問題開展了大量研究工作。美國S a n d i a 國家實驗室、L o s A l o m o s 國家實驗室和密西根大學J.Mazumder 教授研究組分別提出了技術原理相類似的激光近成形制造技術(Laser Engineered NetShaping， LENS)、激光直接制造技術(Directed Laser Fabrication，D L F ) 和金屬直接沉積( D i r e c tMetal Deposition， DMD) 技術。目前，國外先進制造系統典型代表有德國T r u m p f 和美國P O M 公司DMD505、美國Huffman 公司HP-205、美國Op t ome c 公司L e n s850、Aeromet 公司Lasform 等。國外已經利用這些商業化的技術及設備取得了實質性的成果，可制備疊層材料、功能復合材料、裁縫式地制成“變成分”的材料或零件和修復高附加值的鈦合金葉片、整體葉盤等構件，且其力學性能達到鍛件的水平。其相關成果已在武裝直升機，AIM 導彈，波音7X7 客機，F/A-18E/F、F-22戰機等方面均有實際應用。譬如，AeroMet 公司利用Lasform 技術制備F -22 戰機的TC4 鈦合金接頭滿足疲勞壽命2 倍要求、F/A-18E/F的翼根吊環滿足疲勞壽命4 倍要求且靜力加載到225% 仍未破壞等，為軍用飛機與發動機制造鈦合金結構件的試生產件。 國內最早從1998 年開始了相關技術的研究工作。國家對該研究非常重視，并給予了大力支持，先后安排了973 計劃、863 計劃和總裝“十五”、“十一五”預研等項目。北京航空航天大學、西北工業大學、高能束流加工技術國防科技重點實驗室、清華大學等國內研究機構也開展了激光快速成形與修復技術及其設備的開發研制，并取得了一定成果。譬如，北京航空航天大學王華明教授研究組已開發同軸送粉激光快速成形技術及裝備，并制備了一些鈦合金結構件。然而，該技術難以制備復雜結構薄壁部件。 2 金屬絲材高能束熔融沉積技術 金屬絲材高能束熔融沉積技術是在激光和電子束送絲焊接基礎上發展起來的快速制造技術。由于在真空環境工作，其冶金質量高，特別是鈦合金等活性技術的快速制造，其發展速度非常快。 1995 年，美國麻省理工學院John Edward Matz 在世界上首次用電子束自由成形直接制造技術（E B F3）技術試制了I n718 合金渦輪盤。2002 年，美國航空宇航局Langley研究中心、西雅基(Sciaky Inc.) 公司、洛克希德·馬丁(Lockheed Martin) 公司先后公開相關研究。目前，可以制造出形狀比較復雜的零件，最大沉積速率超過3500cm3/h，性能達到鍛件水平。西雅基(Sciaky Inc.) 公司利用該項技術直接制造第4 代戰斗機F -22上鈦合金AMAD 支座、吊耳和萬向結，直升機的螺旋槳支架等。NASA Langley研究中心持續開展了微重力條件下的成形試驗，以便未來在太空中使用該技術。 在熔化金屬絲材的電子束自由成形直接制造技術方面，高能束流加工技術國防科技重點實驗室開發了國內首臺60k V /8k W 定槍E B F3 設備及配套的專用電子束快速成形分層處理軟件，可成形尺寸200mm×150mm×150mm ；研究了TC4 合金的力學性能，其強度、塑性及疲勞性能均可達到鍛件水平。 3 高能束選區熔化技術 高能束選區熔化技術是利用激光和電子束為熱源，基于粉末床逐層鋪粉/ 熔化而成型全致密金屬零件的快速制造技術。通過粉末的支撐和散熱作用，該技術可制備任意復雜結構的零部件，特別是傳統制造技術無法實現的蜂窩或點陣結構、復雜型腔結構等。根據能源形式不同，該技術可分為激光選區熔化技術和電子束選區熔化技術。 激光選區熔化技術及其設備的典型代表主要有德國EOS公司EOSINT M270 和英國MCP 公司的Realizer。EOSINT M270 設備的沉積速度為2 ～20mm3/s，層厚控制范圍為20 ～100μm，聚焦直徑為100～ 500μm，所制備近凈成形零部件的表面粗糙度可達到利用磨粒流加工的精度要求；且該設備可直接制備多孔燃燒室罩、減少制孔工序。該設備加工艙環境可通過循環洗氣系統進行控制，達到加工環境超純凈狀態。另外，該設備已廣泛應用于歐洲空客飛機、羅·羅公司發動機等的某些零部件的制造。 電子束選區熔化技術的典型代表是瑞典Arcam A B 公司的S12。從2003 年開始，該公司開發了EBM技術及設備，目前以制造E B M 設備為主，兼顧成形技術開發。美國、日本、英國、德國等許多研究機構，在不同領域開展應用研究。現在，生物醫學植入物方面的研究已較為成熟，航空航天及汽車等領域也在積極開展研究。美國波音機器人工廠及NASA Marshall 空間飛行器中心的研究方向是飛行器及火箭發動機結構制造以及月球或空間站環境下的金屬直接成形制造。 電子束粉末熔融快速成形方面，清華大學與桂林電器科學研究所合作研制了試驗設備，用于基礎實驗研究，目前仍處于實驗室研究階段。幸福曼德智能工程技術公司引進的其外方合作伙伴瑞典Arcam AB 公司S12 型設備已于2007 年9 月安裝完畢，隨即投入生產，主要生產醫用鈦合金關節頭，工藝較為成熟。 總之，高能束快速制造諸多技術各有優缺點，關鍵是如何充分發揮其獨特優勢，抑制其劣勢。粉末快速制造加工過程復雜，可制造形狀復雜的零件；送絲快速制造加工成本低，加工過程較簡單。應基于鈦合金零部件的類型、服役條件、制造方法經濟可承受性，選擇高能束快速制造技術及設備加工。隨著高能束快速制造技術發展和商用設備的不斷完善，該技術將被廣泛應用于高性能多功能復雜鈦合金構件的制備及修復。結束語 高能束流諸多加工技術已在多種制造領域取得了較為廣泛的應用，是本世紀先進制造技術中不可缺少的特種加工技術。隨著激光、電子束、等離子體等高能束流品質的發展，高能束流加工技術及其設備將不斷改進，其加工質量會更高，加工制造領域會更廣。