电子束熔丝增材制造中丝端悬垂熔滴振荡的产生机理与抑制方法

梁志跃 ,  廖振宇 ,  张昊宇 ,  李自祥 ,  王力 ,  常保华 ,  都东

工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 231 -246.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 231 -246. DOI: 10.1016/j.eng.2023.12.012
研究论文

电子束熔丝增材制造中丝端悬垂熔滴振荡的产生机理与抑制方法

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Generation and Suppression of Pendant Droplet Oscillation in Electron Beam Directed Energy Deposition

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摘要

电子束熔丝增材制造是一类有发展潜力的新兴金属增材制造技术。但在该技术中，电子束对丝端悬垂熔滴的影响规律尚不明确。本研究期望通过分析丝端悬垂熔滴的振荡现象来提升对前述影响规律的认识。丝端悬垂熔滴的振荡现象阻碍了熔滴稳定地向熔池过渡，并制约了利用电子束熔丝增材制造技术制备点阵结构零件的可行性。因此，本研究还计划开发一种熔滴振荡的抑制方法。实验发现，熔滴振荡的主要特征是振幅逐渐增大且非对称。熔滴振荡的主要驱动力为电子束作用于熔滴局部表面产生的反冲压力。反冲压力的物理本质是电子束作用的局部表面的温度快速上升和温度不均匀分布。真空、高能量密度及旁路送丝是熔滴振荡的产生条件。本研究提出的电子束动态环绕熔化方法能够有效地抑制振荡，保障熔滴准确过渡至熔池中，并实现点阵结构零件柱状组元的稳定制备。电子束动态环绕熔化技术的振荡抑制机理是降低熔滴温度和提高温度分布均匀性。本研究提供了解释电子束对熔滴作用机制的物理基础和利用电子束熔丝增材制造制备复杂点阵结构零件的技术基础。

Abstract

Electron beam-directed energy deposition (EB-DED) has emerged as a promising wire-based metal additive manufacturing technique. However, the effects of EBs on pendant droplets at wire tips have not yet been determined. The aim of this study is to enhance the understanding of this action by analyzing the mechanism of droplet oscillation. The pendant droplet oscillation phenomenon hinders the stable transfer of droplets to the molten pool and limits the feasibility of manufacturing complex lattice structures by EB-DED. Hence, another aim of this study is to create an oscillation suppression method. An escalating asymmetric amplitude is the main characteristic of droplet oscillation. The primary oscillation-inducing force is the recoil force generated from the EB-acted local surface of the droplet. The physical mechanism of this force is the rapid increase and uneven distribution of the local surface temperature caused by the partial action of the EB. The prerequisites for droplet oscillation include vacuum conditions, high power densities, and bypass wire feeding processes. The proposed EB-dynamic surrounding melting (DSM) method can be applied to conveniently and effectively suppress oscillations, enable the accurate transfer of droplets to the molten pool, and achieve stable processes for preparing the strut elements of lattice structures. Lowering the temperature and improving the uniformity of its distribution are the mechanisms of oscillation suppression in EB-DSM. In this study, the physical basis for interpreting the mechanism by which EBs act on droplets and the technical basis for using EB-DED to prepare complex lattice structure parts are provided.

关键词

增材制造 / 电子束熔丝沉积 / 原位监测 / 悬垂熔滴

Key words

Additive manufacturing / Electron beam freeform fabrication / In situ monitoring / Pendant droplet

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梁志跃,廖振宇,张昊宇,李自祥,王力,常保华,都东. 电子束熔丝增材制造中丝端悬垂熔滴振荡的产生机理与抑制方法[J]. 工程（英文）, 2024, 37(6): 231-246 DOI:10.1016/j.eng.2023.12.012

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1 引言

金属增材制造作为一项运用自下而上思想的颠覆性制造技术，实现了终端使用零部件的创新设计及一体化制造[1]。这项技术具备高性能、复杂结构及客制化生产能力，以及缩短供应链的潜力，近年来其在航空航天、汽车、能源、医疗等领域受到了广泛的关注[2‒4]。增材制造中陡峭的温度场及高冷却速度等极端热条件，加之多样的原料形式及送进方式，使得其过程中存在着不同于传统制造方式的高度动态且非平衡的物理过程[5‒6]。随着增材制造技术的广泛应用，成形过程的一致性和可重复性成为限制其发展的主要挑战[7]。因此，详细了解增材制造成形物理过程的需求也日益增加。在粉末床熔化技术中，熔池是关键的物理过程[8]，有学者采用高速X射线监测[9‒10]和模拟仿真[11]等手段深入探究了熔池中匙孔孔隙的产生机理及行为。相比之下，丝材定向能量沉积技术包含了丝材熔化、熔池形成以及熔滴过渡三个主要物理过程[12]，其中熔池的流动[13‒15]以及熔滴过渡[16‒18]等行为是学者关注的重点，而对丝材熔化及熔滴行为的研究相对较少，尤其是在电子束熔丝增材制造技术领域。

电子束熔丝增材制造技术是一类以丝材为原料、以电子束为热源的增材制造技术。该技术具有能量转换效率高、能量利用率高、成形效率高、材料利用率高、零件尺寸大和零件致密度高等优势[19]。自20世纪90年代[20]提出相关概念以来，美国国家航空航天局兰利研究中心[21‒22]和美国西亚基公司大力推动了该技术的发展与应用，其已经成为成形速率最高的金属增材制造技术[23]，在近年来越来越受到学者和业界的关注与重视。近年来，世界上许多机构围绕电子束熔丝增材制造技术的零件组织与性能[24]、工艺设计[25]、原位材料合成[26]、过程仿真[27]、在线监测与控制[28‒29]以及装备制造[12]等诸多方面开展了研究，推动了对该技术工艺特征、成形规律等方面的理解。在监测领域，基于机器视觉传感的方法已得到应用[17,30]，近年来研究和发展了基于其他信号源的监测方法[31‒33]。该技术制备的零件也已经在陆地、海洋、航空、航天等多个领域内得到了应用，显示出了良好的发展前景[34]。但相较于其他类型的增材制造技术，开展电子束熔丝增材制造技术的机构和相关成果数量仍较少，尚处于发展的早期阶段。受限于封闭的真空环境等极端条件，对成形过程物理规律方面的研究仍然不够充分。

深入了解金属增材制造的物理过程的目的在于获得连续、高效的成形过程以及优异的成形质量，进而推动该技术在复杂、高性能零件制造等方面的广泛应用。点阵结构被认为是最复杂的一类零件，在结构轻量化等方面具有广阔的前景[35]。点阵结构难以采用铸造、机加工等基于自上而下思想的传统方法制造。增材制造技术被认为非常适合于制造点阵结构等复杂零件[1]。利用粉末床熔化技术制备金属点阵结构的工艺已经较为成熟，近期的相关研究已经从关注沉积过程转移到了关注点阵结构设计方法、结构优化、力学性能及应用前景等方面[36‒38]。虽然该技术能以高精度制备各类复杂的点阵结构零件，但其制造效率较低，且生产大型零件存在挑战。大型点阵结构零件不仅有更好的力学性能，还能为多功能集成提供足够的空间，具有更广阔的工程应用前景[39]。均匀液滴喷射技术可用于制备大尺寸金属点阵结构[40]，有学者开展了参数选择[41‒42]、热累积的影响[43]、抑制液滴滴落误差[44]以及液滴的滴落和附着行为[45]等方面的研究，但该技术目前通常用于铝合金、锡铅合金等低熔点材料。丝材定向能量沉积技术具有更高的成形效率、更好的零件致密度，逐渐被认为是中大型自由金属点阵结构快速制造的理想选择，尤其对于高熔点金属材料[46]来说。一些学者报道了利用以电弧为热源的丝材定向能量沉积技术制造点阵结构的研究，主要探讨了层间几何形状与尺寸受热输入、弧压、电流焊炬偏移量、放电时间等工艺参数的影响规律[46‒48]，成形零件的组织性能[49]以及成形策略规划[46]等方面。

相较于电弧熔丝增材制造，电子束熔丝增材制造具有一些独特的优势，如更高的能量利用效率[50]、更优异的材料性能[51]、在太空零重力环境下在轨制造的潜力[52]等，而受到了一些学者的关注。目前，尚未见到采用电子束熔丝增材制造技术制备点阵结构零件的报道，这是因为研究电子束熔丝增材制造的学者总体较少，且多集中于通过沉积薄壁和实心形状等简单零件来探究材料的微观结构和性能[53‒55]。采用电子束熔丝增材制造技术制备点阵结构零件在尺寸、成形效率、致密度、层间一致性及难熔金属适应性方面具有潜在优势。我们在尝试利用该技术制备点阵结构零件所必需的基本柱状组元时，发现成形过程中金属丝端的悬垂熔滴在滴落前会出现围绕丝材与熔滴交界处的规律性往复振荡现象。熔滴振荡会影响熔滴过渡到熔池的准确性及稳定性，进而严重地影响了柱状结构的成形。目前有关电子束熔丝增材制造技术在沉积时的物理过程的研究，大多关注于熔池的流动及温度场[15,56‒57]、熔滴过渡[16,38]等，鲜有学者关注丝材熔化及熔滴行为。我们查阅文献发现仅有一篇文献[34]报道了电子束熔丝增材制造技术的熔滴振荡现象，并对其产生的原因进行了分析，但没有给出抑制方法。我们认为这篇文章中对熔滴振荡现象的分析和解释还有改进的空间，将在后文中对此进行详细评述。因此，我们在本文中尝试揭示电子束熔丝增材制造过程中的熔滴形成和振荡的典型行为及影响因素。我们通过机器视觉和前期开发的双通道吸收电流监测方法[33]探究了熔滴形成和振荡的特征以及电子束和金属蒸气对熔滴行为的影响。进一步结合热流体仿真阐释了熔滴振荡的产生机理。随后，我们提出了振荡抑制方法并实现了柱状结构的顺利制备。通过本文的研究，可以加深对电子束熔丝增材制造沉积过程中熔滴振荡现象的理解。此外，还可为阐释电子束对熔滴的作用机理提供物理基础，并为使用电子束熔丝增材制造技术制备复杂点阵结构零件提供技术基础。

2 方法

本研究在商用旁路送丝电子束熔丝增材制造设备（ZCompleX 3，西安智熔金属打印系统有限公司）内开展相关成形及监测实验。该设备电子枪最高加速电压为60 kV，最大束流为250 mA，真空室工作时气压低于5 × 10-2 Pa。电子枪及送丝机构固定，通过5轴工作台运动实现零件制造，其结构在我们之前的工作[33]中已有展示。实验中所用基板和丝材的材料均为Ti6Al4V，其中，丝材直径为2 mm。

双通道吸收电流监测系统如图1（a）中图所示，可分别从基板端和金属丝端获得成形过程中的吸收电流信号（absorbed current signal, ACS）。关于双通道吸收电流监测系统的硬件组成、信号来源及采集原理等内容，在我们之前的工作[33]中已有介绍。沉积过程中产生的吸收电流信号由双通道监测系统中的数据采集卡（PCIE-1840，中国台湾研华股份有限公司）以10 kHz的采样频率实时采集。本文定义电子定向移动的方向为电流的正方向。本研究采用局部加权回归散点平滑算法（locally weighted scatter-plot smoothing, LOWESS）对原始吸收电流信号进行平滑[33,60]。采用快速傅里叶变换方法对平滑后信号的频域进行分析（fast fourier transform, FFT），得到能量谱。采用变分模态分解方法（variational mode decomposition, VMD）和希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang transform, HHT）对平滑后信号的时频进行分析，得到时频谱。

此外，我们在该设备真空室内布置了机器视觉监测系统，该系统利用工业相机（DMK 23GV024, The Image Source Asia Co., Ltd., China）以640 px × 480 px的分辨率和100 fps的帧率实时监测成形过程，单个像素对应的实际尺寸约为0.125 mm。为提取熔滴的轮廓和形心坐标，本研究开发了图像处理算法，该算法依据灰度衬度对图像进行分割，采用高斯模糊算法降噪，随后进行阈值分割。本文还采用热流场仿真的方式研究熔滴长大过程及振荡行为，仿真模型、参数设定等内容见附录A中的S1节。

3 悬垂熔滴振荡现象

3.1 应用悬垂熔滴的必要性

电子束熔丝增材制造技术的高功率密度和真空环境限制了散热条件，因此制造点阵结构时应审慎考虑热输入问题。薄壁墙体等简单零件通过基板与金属丝的相对运动实现成形，避免了电子束持续地作用于已沉积层的同一位置，因此多层墙体零件可以稳定地成形。点阵结构零件柱状组元的几何特征是轴向尺寸大于径向尺寸，其成形时不需要前述的相对运动，而需要轴向的相对运动，如图1（a）中图所示[47]。因此，成形过程中电子束在基板平面内的作用位置基本固定，热量几乎仅沿轴向传导，散热空间受限。当采用类似直拉单晶硅的连续沉积工艺制备柱状组元时，仅能得到球冠状结构，如附录A中的图S1中左图所示。而当采用逐层冷却工艺时则能顺利地获得柱状结果，如图S1中右图所示。即使是能量密度较低、散热条件更好的电弧熔丝增材制造技术，在新近提出的可制备螺旋结构的高通量连续成形技术中依然存在需要停止热输入的冷却阶段[61]。因此，在不外加过多冷却装置的前提下，利用电子束熔丝增材制造技术制备柱状结构时需要层间冷却。本文所用工艺时序图如图1（a）中左图所示，在沉积过程中束流和丝材送进过程一同开启且工作台位置保持不变，待一层沉积完成后停止束流和送丝，进行冷却，同时调整工作台至下一层所需位置。

逐层沉积的模式则需考虑层间一致性的问题，熔滴过渡是决定层间一致性的关键过程[31]。按照熔滴接触熔池前的长大时间t g和熔滴滴落前与熔池接触时间t c的差异可分为四种熔滴过渡模式[33]，如图1（a）中右图所示。液桥过渡模式（DT1）的特点在于金属丝端与熔池之间通过液桥稳定地连接，能够保障简单结构零件的层间一致性[16]。而柱状组元成形则需要保证轴向各层的一致性。如前文所述，柱状组元在轴向上不能采用连续沉积，因此不需要依靠液桥过渡来保障轴柱状结构的一致性。此外，液桥过渡模式会受图1（a）中图距离d、送丝速度v w、束流I b等多个参数的影响，其工艺窗口较窄且易受到扰动而破坏，在多层成形过程中很难保证一直维持液桥过渡[12,33]。一旦偏离液桥过渡模式，熔滴的形成可能引发飞溅、残余熔滴等，影响层间一致性，还有可能导致成形中断。因此，我们认为没有必要一定采用液桥过渡，应当考虑选择其他过渡模式。

液桥过渡的不稳定性与金属丝熔化过程和过渡到熔池的过程间存在耦合关系有关，对二者的解耦有助于提升成形过程的稳定性和工艺的可重复性[12]。在小滴接触过渡模式（DT2）或大滴接触过渡模式（DT3）下，熔滴滴落之前仍会建立丝材与熔池的连接，即熔滴过渡行为仍然会受到熔池的影响。而大滴非接触过渡模式（DT4）下，丝端形成的悬垂熔滴在滴落前不与熔池接触，实现了熔滴形成与过渡过程的完全解耦，为距离d等参数的选择提供了更宽的窗口，使得该模式更容易保持，且单层沉积的稳定性仅与悬垂熔滴尺寸（熔化时间）和落点有关。此外，较大的距离d可以避免粘丝现象，对于异常情况（如丝材送偏）也有更大的处理空间。因此，选取大滴非接触过渡模式作为点阵结构制备的过渡模式能够满足轴向沉积稳定性要求，并且具有足够的鲁棒性。因此，在该模式下丝端悬垂熔滴的形成及滴落行为就成为关键的物理过程。

需要指出的是，如第1节所言，电子束熔丝增材制造技术在太空环境中具有独特的应用优势。但前文中提及的大滴非接触过渡模式需要依靠熔滴重力实现过渡，故在太空中依靠此模式实现点阵结构零件制备可能存在一定困难。因此本文探讨的重点为地面环境下电子束对丝材熔化过程中熔滴的影响，太空失重环境超出了本文范围，将在后续工作中进行探究。

3.2 熔滴振荡的特征及影响

我们在加速电压U b为60 kV、束流I b为30 mA、送丝速度v w为0.5 m⸱min-1下监测了熔滴形成和滴落过程。我们发现熔滴滴落前会出现剧烈振荡，如图1（b）和附录A中的视频S1所示。悬垂熔滴的振荡行为主要在金属丝轴线与电子束轴线所构成的振荡平面内进行，所获监测图像为熔滴在振荡平面内的投影。通过分析熔滴在图像中的形心位置变化规律[62]，发现熔滴主要在水平方向上振荡，最大振幅约为4.5 mm，与熔滴自身的尺寸相当。

图1（c）中展示了熔滴形成过程中形心横坐标位置曲线及双通道吸收电流信号。振荡现象主要发生在熔滴形成的末期，且振幅呈逐渐增大的趋势，能量谱显示振荡频率约为12.8 Hz。在熔滴显著振荡前，存在熔滴的形心横坐标基本保持恒定，以该阶段内形心纵坐标方向（即重力方向）为界，将振荡平面分为左侧区（像素坐标减小）和右侧区（像素坐标增大）。熔滴在右侧区内的振幅和停留时间均小于左侧区，表明熔滴振荡是不对称的。进一步地，我们将电子束所在的空间范围称为电子束区，其余空间称为等离子体区[63]。在小束流下基板端吸收的电流信号与入射束流之间存在线性映射关系，但束流的增大会使得信号逐渐偏离线性映射关系[64]。在熔滴振荡之前，基板端吸收电流信号略大于零，在振荡发生后，当熔滴向右侧区运动时呈现信号数值增大，向左侧区运动时则回落至振荡前的初始值。而丝端吸收的电流信号全程均小于零，表明空间中阳离子密度更大，熔滴向右侧区运动时丝端吸收的电流信号数值减小说明电子的影响加剧。吸收电流监测分析表明熔滴在等离子区和电子束区之间往复振荡。此外，我们还使用纯钼、铌和镍丝材进行了相同的监测实验，均观察到了类似的熔滴振荡现象，如附录A中的图S2所示，说明熔滴振荡现象并非特定材料的特有现象。

熔滴振荡会对柱状组元的制备产生不利影响，因此需要进一步开展研究。图1（d）显示熔滴从丝端脱离后获得了水平方向的初速度，进而通过平抛运动落至远离熔池的基板未熔化区域，这可能会降低柱状组元的层间结合强度。不仅如此，如图1（e）所示，在同一条件下三个熔滴在滴落过程中的时-空轨迹并不重合。熔滴滴落到基板后不同熔滴的形心距离较大，甚至会超过熔滴直径，进而导致凝固后获得形状不规则且层间结合不良的结构，如图1（f）所示。在现有状态下，电子束熔丝增材制造难以用于制备点阵结构中的柱状组元，应当采取措施抑制熔滴的振荡，确保熔滴准确进入熔池。为实现这一目标，需要深入了解熔滴振荡现象的影响因素并进一步分析其产生机理。

4 悬垂熔滴振荡的不同行为

文献[59]报道了电子束熔丝增材制造过程的熔滴振荡现象，该研究认为熔滴振荡是由熔池产生的金属蒸气与熔滴的相互作用所致，熔滴所受熔池蒸气反冲压力的方向为重力的反方向，如图2（g）所示。为了验证这一观点的合理性以及进一步了解熔滴的振荡行为，我们通过改变束流I b和送丝速度v w，探究了热输入和质量输入变化对熔滴振荡的影响。我们选择了束流I b为30 mA、40 mA和50 mA及送丝速度v w为0.5 m⸱min-1、1.0 m⸱min-1和1.5 m⸱min-1进行参数组合，如图2（g）所示。特别地，在I b = 30 mA和v w = 1.5 m⸱min-1的组合下，多次试验发现丝材均无法熔化，因此我们对其他8个参数组合的结果进行了比较和分析。通过融合视觉和吸收电流的信息，我们对每组参数下的多个熔滴的形成过程进行了监测。图2（a）展示了8个参数组合下的一个熔滴形成至滴落的时间内，双通道吸收电流时域信号和熔滴形心坐标变化曲线的示例。由于吸收电流信号能够具有更高的采样频率且能够同时反映熔滴振荡和空间等离子等诸多信息，我们对吸收电流信号进行了定量分析，相关结果如图2（b）~（f）所示。

图2（b）展示的一个熔滴周期内丝端吸收束流信号平均值能够反映熔滴所处空间内的金属蒸气及等离子体的产生情况。在全部参数组合下丝端吸收电流信号的平均值均为负值，说明金属的气化和电离过程非常剧烈，空间电荷过补偿现象使得熔滴处的空间电势为正[65]。丝端吸收电流平均值的数值随束流I b的增加而增加。在高真空条件下，单位面积熔池在单位时间内气化的质量 m ˙ e v p可用简化后Hertz-Knudsen方程描述，如式（1）[66]所示。空间中的等离子体主要来源于金属蒸气的热电离和电子束轰击电离，热电离的电离度α T可用式（2）所示的萨哈方程描述，电子束轰击电离的电离度α E如式（3）所示[67]。随着束流I b的增大，金属蒸气的产生速率和电离程度均会增大，导致丝端吸收电流信号平均值增加。因此，束流I b的增加能够加剧金属蒸气的产生和电离。

m ˙ e v p = α e v p P s M 2 π R T
α T 2 1 - α T 2 = C T 5 2 P s e x p   - e ϵ k B T
α E = σ e b l E I b e u v S E

式中，α evp为蒸发系数；T为温度；P s为温度T下的饱和蒸气压；M为摩尔质量；R为摩尔气体常量；B为常数；e为电子电荷量；ϵ为电离电势；k B为玻尔兹曼常量；σ eb为电子束轰击电离截面；l E为电子束与蒸气的有效作用长度；u v为蒸气运动速度；S E为电子束束斑面积。

从图2（c）中可以看出，束流I b变化未明显影响熔滴周期，而送丝速度v w的影响更显著。这表明，在熔滴滴落临界条件中，重力和表面张力之间的大小关系变化占据主导作用。若仅受重力和表面张力关系的影响，在相同的束流I b下熔滴周期应与送丝速度v w呈现线性负相关的关系，但图2（c）中并未体现出理想的线性关系，这是由于熔滴剧烈振荡造成的。图2（d）展示了熔滴振荡阶段内基板端吸收电流信号能量谱的峰值频率f p，在全部参数组合下的f p均在15 Hz左右。随着送丝速度v w的提高，从图2（a）右侧给出的熔滴形心变化曲线可以看出，熔滴质量的快速增加使得熔滴振荡行为的规律性下降，且熔滴振荡前的稳定段也缩短，熔滴的不稳定性增加，可能导致峰值频率f p的略微上升。而束流I b的变化对熔滴振荡峰值频率f p的影响不大。

图2（e）给出了基板端吸收电流信号能量谱中频率在f p ± 2.5 Hz区间（振荡频率区间）内的信号能量占信号总能量的比例，可以反映信号振荡阶段振幅的相对大小。振荡频率区间的信号能量占比随着束流I b的上升而逐渐降低。结合图2（a）左图中给出的吸收电流时域信号可知，占比降低主要由吸收信号的振幅明显下降所致。然而，图2（a）右图给出的形心坐标变化曲线却表明束流I b上升未导致熔滴振荡的实际振幅明显下降。因此，束流I b增大加剧了金属蒸气的产生及电离和空间电荷的过补偿现象，因此吸收电流信号振幅降低。最后，我们利用希尔伯特-黄变换对基板端吸收电流信号进行了时频分析。图2（f）中的结果给出了基板端吸收电流信号的频率处于f p ± 2.5 Hz区间内的时间之和占熔滴周期的比例，其可以反映出熔滴振荡的相对持续时间，也可以反映振荡现象开始的早或晚。当送丝速度v w增大时，熔滴开始振荡的时间更早，振荡过程的持续时间占比也更大。但束流I b的增大未对振荡的持续时间产生显著的影响。

图2（b）和（e）得到的结果表明，束流I b的增加会加剧空间内金属蒸气的产生和电离。由于基板及熔池的位置保持固定，束流的增加一定会增大熔池的热输入和温度，即空间电荷过补偿的加剧与熔池处金属的剧烈蒸发有关。因此，束流I b增大会增加自熔池产生的金属蒸气反冲压力F v,m。根据文献[59]，熔池产生的金属蒸气反冲压力的变化应当会影响熔滴的振荡行为，比如改变单熔滴周期、振幅及振荡起始等。但我们在图2中并未发现熔滴振荡行为明显地受到束流变化的影响。此外，我们在附录A中的图S2和图S3中展示了在不同距离d（反映熔滴与熔池的距离）下的熔滴振荡行为。结果显示，距离d增大时，丝端吸收电流信号数值下降，表明熔滴处空间的阳离子密度降低，熔池产生的金属蒸气反冲压力对熔滴的影响应减小，但熔滴振荡的振幅、周期等几乎没有受到影响。另一方面，若按文献[59]的分析，当熔滴运动到熔池区域上方（电子束区内）时，应当呈现出向重力反方向运动的趋势，但我们未观察到此现象。此外，这一受力形式也无法解释图1（c）中展示的熔滴振荡非对称现象。综上所述，根据在不同参数下对熔滴振荡行为的影响实验结果，我们认为文献[59]中提出的熔池产生的金属蒸气是熔滴振荡的主要驱动力的观点可能并不准确。因此，我们进一步探究了熔滴振荡的产生原因和驱动力。

5 熔滴振荡现象的产生

5.1 熔滴振荡机理分析

熔滴振荡现象具有振幅逐渐增大和非对称的特点，与悬垂熔滴在表面张力和重力控制下产生的自然振动存在明显不同[68]。这提示我们，振荡过程中存在持续的能量和动量输入，并且往复运动过程中的回复力也存在变化，而非如单摆系统中仅改变驱动力的方向。为了能更直观地分析熔滴振荡产生的原因，我们通过模拟开展了进一步探究。我们建立了一个多物理热流体流动模型来描述线材熔化和熔滴振荡。模型和模拟见附录A的S1.1节至S1.4节。通过比较不同参数下实验和模拟所获的熔滴行为，验证了模型在描述线材熔化和液滴振荡行为的适用性，如附录A中的S1.5节所示。

我们首先关注了熔滴在振荡过程中的温度场情况，如图3（a）所示，当熔滴沿+Y方向运动至电子束区内时，电子束直接作用的表面区域温度可在10 ~ 20 ms的时间内迅速升高（可达数百开尔文）。随着熔滴沿着-Y方向远离电子束区，该局部区域的温度在10 ~ 20 ms下降，熔滴的温度趋于均匀。图3（b）中给出的连续多个熔滴振荡周期内的流体平均温度（包括计算域内尚未熔化的丝材）、熔滴内某点的温度和熔滴形心横坐标变化曲线，更直观地证实了熔滴振荡过程中熔滴温度因熔滴振荡而呈周期性变化。流体平均温度整体上呈现出上升的趋势。

从图3（c）展示的熔滴振荡过程中的流动行为中，我们观察到熔滴内部存在逆时针方向的涡旋状流动，其可以加速传热并使温度场均匀，符合熔滴远离电子束区时的熔滴温度快速降低现象。在熔滴内部的-Y方向一侧，由于与丝端连接区域的温度梯度引起的表面张力梯度产生的马兰戈尼效应，在-Z方向产生热毛细力，其与重力一同驱使熔滴内液体沿-Z方向流动。而在熔滴+Y方向一侧，由于电子束的直接作用，热毛细力的方向变为+Z方向。因此，熔滴内液体呈现逆时针方向的涡旋状流动，且在-Y侧的流动速度更大。

我们随后探究了由熔滴表面产生的蒸气反冲压力F v,d在一个往复振荡循环内的变化规律，如图3（d）所示，结果表明金属蒸气反冲压力F v,d同样呈现出与温度相同的振荡变化规律。目前存在着多种描述金属蒸气反冲压力的模型，但各类模型均认同其数值与表面温度正相关的观点[69‒70]。因此，熔滴局部区域温度的迅速变化导致熔滴表面的蒸发强烈程度快速改变，进而引发熔滴表面反冲压力的周期性变化。有学者报道了液滴在低压环境下超疏水表面[62]或常压下的高温表面[71]上自发地产生蹦床运动的现象，其同样展现出了振幅增大与非对称现象。他们研究认为，因低压环境或莱顿弗罗斯特效应导致的水蒸气超压驱动了液滴跳跃离开表面。在本研究中，熔滴的形成过程既有高温条件，也有低压环境。结合图3（a）~（d）的仿真结果，我们认为熔滴表面剧烈蒸发导致的金属蒸气反冲压力F v,d是引发熔滴振荡现象的主要驱动力。熔滴每次进入电子束区后，金属蒸气反冲压力的作用会为熔滴输入-Y方向的动量，降低熔滴向电子束区（+Y方向）的运动速度，推动熔滴向等离子区（-Y方向）运动。而当熔滴离开电子束区后，与液滴的蹦床效应类似，金属蒸气反冲压力F v,d的作用下降，表面张力成为主要回复力。表面张力的特点类似于单摆及液滴蹦床运动中的重力，在振荡过程中全程存在且在Y轴的分力方向随着熔滴振荡方向的变化而变化。而金属蒸气反冲压力F v,d仅在熔滴运动至电子束区时存在，并且分力方向恒定为-Y方向。因此，金属蒸气反冲压力F v,d作为熔滴振荡的驱动力，可以很好地解释振幅逐渐增加及非对称现象。熔滴表面局部温度的快速升高和不均匀分布是引发熔滴振荡的基本特征。

为了进一步验证这一猜想，我们取消了仿真模型中的金属蒸气反冲压力F v,d。如图3（e）左图所示，无金属反冲压力的情况下熔滴没有出现自然状态[存在金属蒸气反冲压力F v,d，如图3（a）所示]下的振荡现象。熔滴仅因质量不断增加而缓慢下移，且熔滴滴落后也沿-Z方向自由下落，而非在施加金属蒸气反冲压力F v,d时出现的平抛运动，如附录A中的S1.5节所示。此外，自然状态下熔滴周期在3000 ms左右，而未施加金属蒸气反冲压力F v,d时的周期几乎翻倍，达到了约5600 ms。由于熔滴不断长大，邦德数（Bo）是时间的函数，如式（4）所示，其中我们将熔滴特征长度定义为熔滴的等效直径D eq(t)，如式（5）[72]所示。在自然状态下，熔滴滴落前Bo约为0.65，而对于未施加金属蒸气反冲压力F v,d的情况，熔滴在滴落前Bo约为1（取σ = 1.68 N·m-1，ρ = 4000 kg·m-3 [73‒74]）。因此，若不存在金属蒸气反冲压力F v,d，熔滴将因不断增加的重力而自然脱离丝端，而金属蒸气反冲压力F v,d的存在等效于加剧了重力的作用效果，从而缩短了熔滴周期。

B o   ( t ) = ρ g D e q 2 ( t ) σ
D e q ( t ) = 2 3 4 r w 2 v w t 3

式中，ρ为熔滴密度；σ为表面张力系数；g为重力加速度；t为时间；r w为金属丝半径。

进一步地，我们分别对比了两种情况下仿真得到的流体平均温度和单位质量流体的动能，如图3（e）右图所示。在自然状态下，由于熔滴振荡开始后电子束将间断地作用于熔滴表面，限制了熔滴的升温速度，而金属蒸气反冲压力F v,d的存在使得动能增加。对于未施加金属蒸气反冲压力F v,d的情况，熔滴位置全程不存在大幅度变化，电子束持续地作用于熔滴，进而平均温度及升温速度增高。实际上，由于液-气相变的存在，熔滴的温度一定不会无限升高。我们认为，电子束带来的局部短时超额热输入将自发地通过剧烈蒸发引起的金属蒸气反冲压力F v,d的作用，转换为推动熔滴振荡的动能，以降低熔滴局部的温度不均匀、维持熔滴内部的温度一致性。但动能的持续输入增加了熔滴的不稳定性，使得熔滴更早地脱离丝端。由于熔滴为流体而非刚体，金属蒸气反冲压力F v,d、重力及表面张力等的相互作用存在着不确定性，故熔滴振荡行为也存在着不确定性，导致熔滴滴落后的轨迹出现如图1（e）所示的不确定性。

随后，为了进一步验证熔滴产生的金属蒸气反冲压力F v,d作为振荡驱动力的合理性，通过模拟分析了图2所示的束流I b和送丝速度v w对熔滴振荡影响的差异。图3（f）左图展示了束流I b分别为30 mA和50 mA [其他条件与图3（a）相同]时的仿真结果及熔池形貌对比。随着束流I b的增加，基板上熔池尺寸增加，熔滴在丝端的稳定熔化位置向未熔化丝材方向移动。根据图3（f）右图，束流I b为50 mA条件下的流体平均温度上升速度比30 mA条件下更快，并且在熔滴形成初期的平均温度更大（差距可达300 K）。随着熔滴的逐渐长大，二者平均温度的差异降低，进入熔滴振荡阶段时温度基本相同。因此，束流I b的变化会改变熔滴对丝材的热传导，进而引起稳定熔化位置的自发调整。熔滴在不同束流I b下的温度分布规律和平均温度相近，使得金属蒸气反冲压力F v,d对熔滴的影响也相近。

在图3（g）中展示了送丝速度v w分别为0.5 m⸱min-1和1.0 m⸱min-1 [其他条件与图3（a）相同]时的仿真结果。送丝速度v w的增加降低了作用于丝材的线能量密度，使得稳定熔化位置沿丝材送进方向移动。虽然1.0 m⸱min-1时熔滴质量增速是0.5 m⸱min-1时的两倍，但1.0 m⸱min-1时熔滴周期的降幅却超过了50%。有趣的是，在1.0 m⸱min-1条件下熔滴滴落时质量相比0.5 m⸱min-1时降低了15%左右，而二者滴落前的表面积却仅相差5%左右。此外，1.0 m⸱min-1条件下熔滴的总热能更大，平均温度及其上升速度更快。我们认为熔滴更高的温度使表面张力下降，加剧了重力的影响，也导致熔滴变形而增加了表面积。温度的上升以及与电子束接触面积的增加，共同加剧了金属蒸气反冲压力F v,d的影响。故送丝速度v w的变化对熔滴行为的影响更显著且呈现非线性，与图2中的实验结果相符。因而，以熔滴产生的金属蒸气反冲压力F v,d作为振荡驱动力，能够解释实验观察到的束流I b和送丝速度v w的变化对熔滴行为的影响。

5.2 悬垂熔滴的典型形成过程

在分析了熔滴振荡产生的原因后，我们又考察了大滴非接触过渡模式下的熔滴形成全过程。电子束熔丝增材制造过程中典型的熔滴形成过程可分为三个阶段：初始阶段、准稳态阶段以及振荡阶段（图4和视频S1）。

在图4（a）中，初始阶段可以分为三个子阶段。最初是熔化起始阶段，此阶段内金属丝材刚刚进入电子束区但尚未完全熔化形成熔滴。图4（d）展示的仿真结果显示，在丝端建立了温度梯度。马兰戈尼效应及表面张力主要作用于部分熔化的丝材最前端，避免了已熔化部分随丝材送进而离开电子束区。随着热量的不断积累，初始送进的丝材已完全熔化形成熔滴，进入熔滴回缩阶段。由于熔滴曲率相对较大而重力较小，使得表面张力占据主导作用，可通过仿真结果和Bo共同证实（在t = 400 ms时刻，Bo ≈ 0.171 < 1）[75]。因此熔滴出现了持续一段时间的沿金属丝送进反方向的回缩现象。随着熔滴的长大，重力的影响也逐渐提高，熔滴形心开始逐渐偏离丝材轴线，并最终处于自然下垂状态（熔滴下垂阶段）。

在准静态阶段[图4（b）]，熔滴虽然在振荡平面的水平方向上有小幅度的振荡，但振幅远小于熔滴自身尺寸。因此，熔滴在水平方向可认为基本保持稳定，在竖直方向上因熔滴质量的不断增加而使得熔滴形心缓慢下移。尽管在准静态阶段存在熔滴振荡所需条件，如重力、表面张力及金属蒸气反冲压力，但并未产生振荡。熔滴在准静态阶段的轮廓接近球形，而在振荡阶段则呈梨形，如图4（e）所示。因此，表面张力在准静态阶段占据了主导作用。准静态阶段中熔滴的内部压力要高于振荡阶段，意味着准静态阶段内熔滴内部由于表面张力和黏度带来的阻力能消解金属蒸气反冲压力的影响。此外，液滴在准静态阶段的温度更低，电子束的有效面积更小，如图4（e）所示。因此，金属蒸气反冲力在准静态阶段的影响小于在振荡阶段。因此，熔滴成形过程中会出现熔滴几乎不振荡的准静态阶段。

最后，在熔滴从丝端脱离并滴落至基板前，熔滴会出现剧烈振荡。熔滴振荡现象的产生可归因于几个关键要素：真空环境降低了金属的沸点；电子束的高功率密度有助于快速升温；旁路送丝使得电子束对熔滴的作用不均匀。上述三个因素共同导致熔滴表面的温度及金属蒸气反冲压力分布不均匀，进而引发了熔滴振荡。而在其他热源的熔丝增材制造过程中，由于上述条件并不同时存在，因而尚未见有关类似现象的报道。

6 熔滴振荡的抑制

6.1 熔滴振荡的抑制方法及效果

在分析了熔滴振荡的产生机理和影响因素后，我们期望能抑制这一振荡，使得熔滴能够自由落体式地过渡到熔池中。熔滴振荡过程呈现的振幅逐渐增大及非对称振荡现象表明，金属蒸气反冲压力能够调节熔滴的振荡行为。这表明提升熔滴表面温度分布的均匀性是抑制熔滴振荡的关键。我们认为电子束应当均匀地作用于熔滴各处，也即熔滴的重心应尽可能地接近电子束的轴线。

为了实现这一目标，我们分析了在初始阶段影响丝材初始完全熔化位置的因素。初始完全熔化位置定义为丝材送进过程中从初始环境温度T a升温至熔点T m时的空间位置，也可以用丝材自进入电子束区开始到加热熔点所需时间t w描述。我们的目标则是希望t w能够延长，在准稳定阶段内熔滴才有可能全部处于电子束区内。如图5（a）所示，我们取丝材最前端质量为Δm的微元进行分析，假定其送进方向穿过电子束轴线。该微元自进入电子束区[图5（a），上图]至恰好熔化[图5（a），下图]过程的能量守恒方程如式（6）所示。式（6）的左侧为该微元恰好熔化所需能量，右侧为电子束输入的能量Q eb、热传导获得/散失的能量Q con以及热辐射散失的热量Q rad。Q con和Q rad的数值随Q eb增大而增大，但符号为负，属于被动调节量。因此改变t w最便捷的方式就是调节Q eb。我们将电子束简化为高斯分布的面热源[76]，并忽略了丝材表面曲率对电子束能量吸收率η的影响，则Q eb可用式（7）描述。作用在微元Δm的电子束功率密度分布W（t）如式（8）所示。增加时间tw需要在保持v w不变的同时，降低作用于丝材的能量输入。扩大电子束半径r b可降低输入丝材的功率密度，但可能会导致熔滴困难，因而这种方法并非最佳方式。

∆ m [ c p T m - T a + L m ] = Q e b + Q c o n + Q r a d
Q e b = ∫ 0 t w W t d t · S
W t = η · U b I b · N π r b 2 e x p   - N r b - v w t c o s θ 2 r b 2

式中，c p为材料的等压比热容，为简化推导过程，此处未显式地体现其随温度变化的性质；L m为熔化潜热；S为微元的电子束直接作用面积；U b为加速电压；I b为束流；N为电子束集中系数；r b为电子束半径；θ为送丝角度。

基于前述分析，我们提出了电子束动态环绕熔化技术（electron beam dynamic surrounding melting, EB-DSM）来抑制丝端熔滴的振荡。电子束与其他高能束的一个显著的差异在于电子束可以在电场或磁场的驱使下以简单且低成本的方式进行偏转[77]。在电子束动态环绕熔化技术中，向两组偏转线圈中分别施加两组幅值、频率均相同，但相位相差90°的正弦驱动信号，使电子束按照圆形轨迹运动，如图5（b）所示。图5（c-i和c-ii）展示了电子束圆形偏转与熔滴间期望的相对位置关系。图5（c-iii）展示的熔滴实际成形过程图像证实电子束动态环绕熔化技术可以调节熔滴形心位置至接近电子束区轴线，且在相同的电子束功率下获得了更大的熔池尺寸[图1（d）中熔池的X轴宽度约为11.4 mm和图5（c-iii）中约为15.3 mm]。图5（d）的结果显示电子束动态环绕熔化技术可将熔滴振荡幅度降低一个数量级。因此，熔滴脱离丝端后呈现出了自由落体式的滴落，如图5（e）所示，能够准确地过渡到熔池之中。电子束动态环绕熔化技术作用下的熔滴形成过程展示在附录A的视频S2中。这使得利用电子束熔丝增材制造技术制备点阵结构成为可能。我们利用电子束动态环绕熔化技术以及图1（a）左图展示的工艺流程，高质量地制备了点阵结构的柱状组元，如附录A中的图S4所示。

然后，我们通过吸收电流信号来进一步分析电子束动态环绕熔化技术的特性。基板端吸收电流信号的频域能量谱如图5（f）上图所示，其峰值频率200 Hz与电子束动态环绕熔化技术中设定的电子束偏转频率相同。图5（f）下图给出的时频分析能量谱表明200 Hz的频率分量在熔滴形成过程中一直存在。这一频率成分来源于电子束在圆周偏转过程中运动到金属丝处时受到的遮挡，表明一个环绕周期内电子束仅通过一次丝材，证实了图5（c）中期望的电子束围绕熔滴的圆周运动。图5（g）中分别给出了基板端和丝端的吸收电流时域信号，均未显示出与图1（c）相近的振荡特征，同样印证了电子束动态环绕熔化技术的振荡抑制效果。引入该技术后，基板端吸收电流信号数值显著增加，而丝端吸收电流信号也由图1（c）中的负值变为了正值，说明金属蒸气产生和电离的剧烈程度降低，没有出现空间电荷过补偿现象。这一现象表明，该技术可能还降低了熔滴和熔池的温度。故电子束动态环绕熔化技术对熔滴振荡的抑制可能是通过同时降低熔滴温度和均匀温度分布来实现的。

在电子束动态环绕熔化技术作用下的熔滴形成过程同样可分为初始、准静态及振荡三个阶段，如图5（h）所示。初始阶段（及其三个组成部分）与准静态阶段相比图1（c）均明显延长。在准静态阶段内熔滴形心横坐标仅向左移动了约1.75 mm，且熔滴仍然全部处于电子束区内。在振荡阶段内，电子束对熔滴作用的均匀性降低，导致熔滴出现小幅度振荡，振幅约为0.25 mm，且熔滴未移动到电子束区外。与图1（c）相比，电子束动态环绕熔化技术将振幅减少了约94%。熔滴形心的左移和熔滴体积的增加，共同增加了对电子束的遮挡程度，使得基板端吸收电流信号波动振幅更大，增加了信号能量，解释了图5（f）中频率为200 Hz的能量在振荡阶段内明显上升的现象。电子束动态环绕熔化作用下的熔滴周期增加到了约6500 ms，滴落前的Bo约为1.1，说明重力和表面张力间的平衡关系对熔滴滴落临界条件的贡献更大。由于图5（g）中显示金属蒸气产生的剧烈程度下降，按文献[59]的观点，反冲压力在抵抗熔滴重力方面的作用应减弱，进而缩短熔滴周期。但图5（h）显示的熔滴周期增加现象表明熔池产生的金属蒸气反冲压力不是熔滴振荡的驱动力。

6.2 EB-DSM的工作原理

根据前述结果，我们认为电子束动态环绕技术对熔滴振荡的抑制机制主要体现在两方面：首先，电子环绕熔滴的均匀作用，使得熔滴各处温度差异降低，进而使得金属蒸气反冲压力均匀作用于熔滴各处；其次，电子束偏转带来的熔滴局部区域能量输入下降，能够降低熔滴温度和金属蒸气反冲压力。为了进一步证实上述作用机制的正确性，我们对应用了电子束动态环绕熔化技术的熔化过程进行了仿真分析。从图6（a）可以看出，成形过程中熔滴温度呈现上升态势，但电子束动态环绕熔化技术显著降低了输入流体的热能。结合图6（b）给出的靠近和远离电子束区的熔滴表面温度分布，并与图3（a）和图4（d）对比可知，电子束动态环绕熔化技术使得熔滴内部温度分布更为均匀，且熔滴表面最高温度也低于未应用电子束动态环绕熔化技术的情况。图6（c）中展示的熔滴截面温度梯度进一步说明了电子束动态环绕熔化技术对温度分布的均匀化作用。图6（d）显示电子束动态环绕熔化技术作用下的熔滴内部的流速相比图3（c）出现了明显下降，并且随着熔滴长大，熔滴内部的逆时针流动趋势也下降，表明电子束动态环绕熔化技术可使熔滴内部的流动更为稳定。仿真结果证实了电子束动态环绕熔化通过降低最高温度和提升熔滴温度分布均匀性两个方面来实现对熔滴振荡的抑制。

但电子束动态环绕熔化技术并非在任何条件下都能获得优异的振荡抑制效果。相比于图5中采用的参数，我们分别增大束流（30 mA增至50 mA）、缩小电子束偏转范围（偏转半径从3.5 mm降至2.5 mm）、降低电子束偏转频率（200 Hz降至100 Hz）以及更换电子束偏转图案（圆形变为双纽形），实验得到的熔滴振荡抑制效果如图6（e）所示。显而易见地，这四种情况下熔滴形心与电子束偏转中心（熔池形心）的水平距离增加。相应地，熔滴振荡阶段的振幅也均增大，最大振幅各不相同，但均小于图1（c）中未应用电子束动态环绕熔化技术下的最大振幅。我们在图6（f）和（g）中分别展示了增大束流和缩小偏转范围的温度场仿真结果，熔滴靠近电子束区的一侧均出现了明显的高温，温度分布的均匀性下降，金属蒸气反冲压力对熔滴一侧的作用增加，因而对振荡的抑制下降。换言之，上述四种参数变化，增加了熔滴靠近表面一侧的温度，降低了温度分布的均匀性。因此，要想获得稳定的熔滴振荡抑制效果，最重要的是要通过控制热输入的大小及分布（调节束流、偏转图案、偏转区域尺寸、偏转频率等）来保证熔滴形心接近电子束区轴线。这一发现也为开发其他类型的振荡抑制方法提供了指导思想和有效性判据。从我们的实验结果来看，对于2.0 mm的Ti6Al4V的丝材，在约45°的送丝角度下，采用加速电压60 kV、束流30 mA、圆形偏转频率200 Hz以及偏转半径3.5 mm的参数组合能够获得较好的熔滴振荡抑制效果，附录A中图S4所示的柱状结构便是应用前述参数制备的。

7 结论

在本文中，我们聚焦于电子束熔丝增材制造制备点阵结构工艺中出现的、会严重影响工艺可行性的丝端悬垂熔滴振荡现象。我们充分利用了成形过程产生的光学和吸收电流信息，对熔滴长大及振荡过程开展了融合监测，展示了熔滴振荡现象的基本特征、后果及影响因素。此外，我们建立了多物理层仿真模型来模拟熔滴形成过程。通过监测和仿真结果阐释了熔滴振荡现象的产生机制。我们还提出了电子束动态熔化技术来抑制熔滴振荡，并阐明了振荡抑制机理。我们使熔滴以自由落体形式准确地过渡到熔池中，并辅以专门设计的工艺流程成功制备了柱状结构。我们的研究为认识熔滴振荡现象提供重要的见解，并提供了一种有效的抑制方法，增加了利用电子束熔丝增材制造技术制备点阵结构零件的可行性。我们得到的主要结论如下：

（1）熔滴形成的典型过程可以分为初始阶段、准静态阶段和振荡阶段。在振荡阶段，熔滴在电子束区域内外往复振荡，且存在着振幅逐渐增大以及振幅非对称的特征。质量输入变化对熔滴振荡影响比热输入变化更明显。熔滴脱离丝端后呈平抛运动，无法过渡到熔池中。

（2）熔滴振荡的直接驱动力是熔滴表面因电子束的直接作用而产生的金属蒸气反冲压力，其物理本质是熔滴局部表面温度的快速上升和不均匀分布，其形成是由真空环境、高能电子束及旁路送丝共同导致。电子束与熔滴的作用输入了热能和动能，增加了熔滴的不稳定性。

（3）提升温度分布均匀性和降低熔滴的温度是抑制熔滴振荡的关键。提出的电子束动态环绕熔化技术通过电子束围绕熔滴的轴对称偏转，有效地降低了熔滴的温度和温度梯度，调节了熔滴位置至接近电子束偏转轴线，将熔滴振荡振幅降低了一个数量级，保障在熔滴滴落后以自由落体的形式准确地过渡到熔池中。

未来，我们计划进一步优化电子束动态环绕熔化技术、深化点阵结构的成形工艺时序设计并开展路径规划研究，以期实现用电子束动态环绕熔化技术制备大型、复杂的点阵结构零件。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Gu D, Shi X, Poprawe R, Bourell DL, Setchi R, Zhu J. Material-structure performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science 2021;372(6545):eabg1487. . 10.1126/science.abg1487
[2]

Martin JH, Yahata BD, Hundley JM, Mayer JA, Schaedler TA, Pollock TM. 3D printing of high-strength aluminium alloys. Nature 2017;549(7672):365‒9. . 10.1038/nature23894
[3]

Gisario A, Kazarian M, Martina F, Mehrpouya M. Metal additive manufacturing in the commercial aviation industry: a review. J Manuf Syst 2019;53:124‒49. . 10.1016/j.jmsy.2019.08.005
[4]

Kurpjuweit S, Schmidt CG, Klöckner M, Wagner SM. Blockchain in additive manufacturing and its impact on supply chains. J Bus Logist 2021;42(1):46‒70. . 10.1111/jbl.12231
[5]

Zhang J, Liu Y, Sha G, Jin S, Hou Z, Bayat M, et al. Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys. Nat Commun 2022;13(1):4660. . 10.1038/s41467-022-32446-2
[6]

Zhao C, Shi B, Chen S, Du D, Sun T, Simonds BJ, et al. Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing. Rev Mod Phys 2022;94(4):045002. . 10.1103/revmodphys.94.045002
[7]

Parsazadeh M, Sharma S, Dahotre N. Towards the next generation of machine learning models in additive manufacturing: a review of process dependent material evolution. Prog Mater Sci 2023;135:101102. . 10.1016/j.pmatsci.2023.101102
[8]

Yang J, Han J, Yu H, Yin J, Gao M, Wang Z, et al. Role of molten pool mode on formability, microstructure and mechanical properties of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy. Mater Des 2016;110:558‒70. . 10.1016/j.matdes.2016.08.036
[9]

Zhao C, Parab ND, Li X, Fezzaa K, Tan W, Rollett AD, et al. Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting. Science 2020;370(6520):1080‒6. . 10.1126/science.abd1587
[10]

Cunningham R, Zhao C, Parab N, Kantzos C, Pauza J, Fezzaa K, et al. Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed by ultrahigh-speed x-ray imaging. Science 2019;363(6429):849‒52. . 10.1126/science.aav4687
[11]

Wang L, Zhang Y, Chia HY, Yan W. Mechanism of keyhole pore formation in metal additive manufacturing. npj Comput Mater 2022;8:22. . 10.1038/s41524-022-00699-6
[12]

Chen G, Shu X, Liu J, Zhang B, Feng J. A new coating method with potential for additive manufacturing: premelting electron beam-assisted freeform fabrication. Addit Manuf 2020;33:101118. . 10.1016/j.addma.2020.101118
[13]

Tang Q, Pang S, Chen B, Suo H, Zhou J. A three dimensional transient model for heat transfer and fluid flow of weld pool during electron beam freeform fabrication of Ti-6-Al-4-V alloy. Int J Heat Mass Transf 2014;78:203‒15. . 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.06.048
[14]

Huang J, Li Z, Yu S, Yu X, Fan D. Real-time observation and numerical simulation of the molten pool flow and mass transfer behavior during wire arc additive manufacturing. Weld World 2022;66(3):481‒94. . 10.1007/s40194-021-01214-z
[15]

Li Z, Cui Y, Chang B, Liu G, Pu Z, Zhang H, et al. Manipulating molten pool in in situ additive manufacturing of Ti-22Al-25 Nb through alternating dual electron beams. Addit Manuf 2022;60:103230. . 10.1016/j.addma.2022.103230
[16]

Hu R, Chen X, Yang G, Gong S, Pang S. Metal transfer in wire feeding-based electron beam 3D printing: modes, dynamics, and transition criterion. Int J Heat Mass Transf 2018;126:877‒87. . 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.033
[17]

Chang S, Zhang H, Xu H, Sang X, Wang L, Du D, et al. Closed-loop control of droplet transfer in electron-beam freeform fabrication. Sensors 2020;20(3):923. . 10.3390/s20030923
[18]

Yang J, Xu S, Jia C, Han Y, Maksymov S, Wu C. A novel 3D numerical model coupling droplet transfer and arc behaviors for underwater FCAW. Int J Therm Sci 2023;184:107906. . 10.1016/j.ijthermalsci.2022.107906
[19]

Taminger KMB.EBF3DesignandSustainability Considerations. In: Proceedings of the Annual Meeting and Exhibition of The Minerals, Metals and Materials Society (TMS); 2015 Mar 15‍‒‍19; Orlando, FL, USA. Washington: NASA Technical Reports Server; 2016. p. 20160006878.
[20]

Davé VR. Electron beam (EB)-assisted materials fabrication [dissertation]. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology; 1995.
[21]

Hafley R, Taminger K, Bird R. Electron beam freeform fabrication in the space environment. In: Proceedings of the 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit; 2007 Jan 08‒11; Reno, NV, USA. Reston: American Institute of Aeronautics and Astronautics; 2007. p. 1154.
[22]

Seufzer WJ, Taminger K. Control methods for the electron beam free form fabrication process. In: Proceedings for the 2007 International Solid Freeform Fabrication Symposium; 2007 Aug 6‍‒‍8; Austin, TX, USA. Austin: The University of Texas at Austin; 2007. p. 13‒21.
[23]

Sciaky, Inc. Sciaky’s electron beam additive manufacturing (EBAM) surpasses 40 lbs. of titanium/hour, making it the highest deposition rate in the world for industrial metal 3D printing. Report. Chicago: Sciaky, Inc.; 2022.
[24]

Pu Z, Du D, Zhang D, Xi R, Wang X, Chang B. Study on the role of carbon in modifying second phase and improving tensile properties of NiTi shape memory alloys fabricated by electron beam directed energy deposition. Addit Manuf 2023;75:103733. . 10.1016/j.addma.2023.103733
[25]

Kalashnikov KN, Rubtsov VE, Savchenko NL, Kalashnikova TA, Osipovich KS, Eliseev AA, et al. The effect of wire feed geometry on electron beam freeform 3D printing of complex-shaped samples from Ti-6Al-4V alloy. Int J Adv Manuf Technol 2019;105:3147‒56. . 10.1007/s00170-019-04589-y
[26]

Xu J, Zhou Q, Kong J, Peng Y, Guo S, Zhu J, et al. Solidification behavior and microstructure of Ti-(37‒52) at% Al alloys synthesized in situ via dual-wire electron beam freeform fabrication. Addit Manuf 2021;46:102113. . 10.1016/j.addma.2021.102113
[27]

Lai X, Yang G, WangY,WeiZ.Heatandmasstransferin electron beam additive manufacturing. Int J Mech Sci 2023;259:108613. . 10.1016/j.ijmecsci.2023.108613
[28]

Liao Z, Liang Z, Zhang H, Li Z, Wang L, Du D. Vision-based real-time molten pool monitoring for electron beam freeform fabrication. In: Proceedings of the 2023 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics (RCAR); 2023 Jul 17‒20; Datong, China. Piscataway: IEEE; 2023. p. 328‒33. . 10.1109/rcar58764.2023.10249477
[29]

Liang Z, Liao Z, Zhang H, Li Z, Wang L, Chang B, et al. Improving process stability of electron beam directed energy deposition by closed-loop control of molten pool. Addit Manuf 2023;72:103638. . 10.1016/j.addma.2023.103638
[30]

Taminger KM, Domack CS, Zalameda JN, Taminger BL, Hafley RA, Burke ER, et al. In-process thermal imaging of the electron beam freeform fabrication process. In: ZalamedaJN, BisonP, editors. Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVIII; 2016 Apr 17‍‒‍21; Baltimore, MD, USA. Baltimore: SPIE Digital Library; 2016. p. 986102.
[31]

Guo J, Huang A, Hu R, Xu H, Yang G, Pang S. An in-situ monitoring system for electron beam wire-feed additive manufacturing. Sens Actuators A 2020;307:111983. . 10.1016/j.sna.2020.111983
[32]

Ou Z, Han Z, Yang C, Dong S, Du D. Surface and back-side defects identification combined with magnetic flux leakage and boundary magnetic perturbation. Rev Sci Instrum 2022;93(6):065006. . 10.1063/5.0090024
[33]

Liang Z, Chang B, Zhang H, Li Z, Peng G, Du D, et al. Electric current evaluation for process monitoring in electron beam directed energy deposition. Int J Mach Tools Manuf 2022;176:103883. . 10.1016/j.ijmachtools.2022.103883
[34]

Sciaky I. Sciaky’s electron beam additive manufacturing (EBAM®) technology helps submarine manufacturer save significant time and cost by 3D printing a titanium variable ballast (VB) tank. Report. Chicago: Sciaky, Inc.; 2017.
[35]

Todorov E, Spencer R, Gleeson S, Jamshidinia M, Kelly SM, makesAmerica : national additive manufacturing innovation institute (NAMII) project 1: nondestructive evaluation (NDE) of complex metallic additive manufactured (AM) structures. Report. Ohio: Air force research laboratory; 2014. . 10.21236/ada612775
[36]

Chen L, Liang S, Liu Y, Zhang L. Additive manufacturing of metallic lattice structures: unconstrained design, accurate fabrication, fascinated performances, and challenges. Mater Sci Eng R Rep 2021;146:100648. . 10.1016/j.mser.2021.100648
[37]

Tan C, Zou J, Li S, Jamshidi P, Abena A, Forsey A, et al. Additive manufacturing of bio-inspired multi-scale hierarchically strengthened lattice structures. Int J Mach Tools Manuf 2021;167:103764. . 10.1016/j.ijmachtools.2021.103764
[38]

Jeong S, Lee H, Lee B.Effect of electron beam continuity on microstructures and mechanical properties of titanium lattice structures produced with electron beam additive manufacturing. Mater Des 2021;207:109822. . 10.1016/j.matdes.2021.109822
[39]

Xu T, Tang S, Liu C, Li Z, Fan H, Ma S. Obtaining large-size pyramidal lattice cell structures by pulse wire arc additive manufacturing. Mater Des 2020;187:108401. . 10.1016/j.matdes.2019.108401
[40]

Zhang D, Qi L, Luo J, Yi H, Hou X. Direct fabrication of unsupported inclined aluminumpillars based on uniform micro droplets deposition. Int J Mach Tools Manuf 2017;116:18‒24. . 10.1016/j.ijmachtools.2017.01.001
[41]

Jayabal DKK. 3D printing support-less engineered lattice structures via jetting of molten aluminum droplets [disseratation]. Rochester: Rochester Institute of Technology; 2019.
[42]

Zhang D, Qi L, Luo J, Yi H, Xiong W, Mo Y. Parametric mapping of linear deposition morphology in uniform metal droplet deposition technique. J Mater Process Technol 2019;264:234‒9. . 10.1016/j.jmatprotec.2018.08.048
[43]

Li W, Xu M, Zhang Y, Lei J, Li Z, Huang Y, et al. Computational study on structures of vertical columns formed by successive droplets. J Mater Process Technol 2021;288:116903. . 10.1016/j.jmatprotec.2020.116903
[44]

Dou Y, Luo J, Qi L, Lian H, Hou X. Generation mechanism and suppression method of landing error of two successively deposited metal droplets caused by coalescence and solidification. Int J Heat Mass Transf 2021;172:121100. . 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121100
[45]

Kapil A, Kayarthaya N, Sharma V, Sharma A. Capturing droplet flight and impingement behavior in plasma‍‒‍MIG process for metal droplet-on-demand applications. J Mater Process Technol 2023;316:117955. . 10.1016/j.jmatprotec.2023.117955
[46]

Yu Z, Pan Z, Ding D, Rong Z, Li H, Wu B. Strut formation control and processing time optimization for wire arc additive manufacturing of lattice structures. J Manuf Process 2022;79:962‒74. . 10.1016/j.jmapro.2022.05.043
[47]

Abe T, Sasahara H. Layer geometry control for the fabrication of lattice structures by wire and arc additive manufacturing. Addit Manuf 2019;28:639‒48. . 10.1016/j.addma.2019.06.010
[48]

Li Y, Yu S, Chen Y, Yu R, Shi Y. Wire and arc additive manufacturing of aluminum alloy lattice structure. J Manuf Process 2020;50:510‒9. . 10.1016/j.jmapro.2019.12.049
[49]

Xu T, Huang J, Cui Y, Jing C, Lu T, Ma S, et al. Exploring a novel panel-core connection method of large size lattice sandwich structure based on wire arc additive manufacturing. Mater Des 2021;212:110223. . 10.1016/j.matdes.2021.110223
[50]

Monteiro H, Carmona-Aparicio G, Lei I, Despeisse M. Energy and material efficiency strategies enabled by metal additive manufacturing—a review for the aeronautic and aerospace sectors. Energy Rep 2022;8:298‒305. . 10.1016/j.egyr.2022.01.035
[51]

Li Z, Cui Y, Wang L, Zhang H, Liang Z, Liu C, et al. An investigation into Ti-22Al 25Nb in-situ fabricated by electron beam freeform fabrication with an innovative twin-wire parallel feeding method. Addit Manuf 2022;50:102552. . 10.1016/j.addma.2021.102552
[52]

Sinha A, Swain B, Behera A, Mallick P, Samal SK, Vishwanatha HM, et al. A review on the processing of aero-turbine blade using 3D print techniques. J Manuf Mater Process 2022;6(1):16. . 10.3390/jmmp6010016
[53]

Pu Z, Du D, Wang K, Liu G, Zhang D, Liang Z, et al. Evolution of transformation behavior and tensile functional properties with process parameters for electron beam wire-feed additive manufactured NiTi shape memory alloys. Mater Sci Eng A 2022;840:142977. . 10.1016/j.msea.2022.142977
[54]

Pu Z, Du D, Wang K, Liu G, Zhang D, Zhang H, et al. Study on the NiTi shape memory alloys in-situ synthesized by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing. Addit Manuf 2022;56:102886. . 10.1016/j.addma.2022.102886
[55]

Callanan JG, Black AN, Lawrence SK, Jones DR, Martinez DT, Martinez RM, et al. Dynamic properties of 316l stainless steel repaired using electron beam additive manufacturing. Acta Mater 2023;246:118636. . 10.1016/j.actamat.2022.118636
[56]

Shcherbakov A, Gaponova D, Sliva A, Goncharov A, Gudenko A, Rodyakina R, et al. Mathematical model for metal transfer study in additive manufacturing with electron beam oscillation. Crystals 2021;11(12):1441. . 10.3390/cryst11121441
[57]

Davlyatshin RP, Gerasimov RM, Bayandin YV, Saucedo-Zendejo FR, Trushnikov DN. Simulation of the multi-beam electron-beam wire-feed additive manufacturing process in a vacuum. J Phys Conf Ser 2022;2275(1):012006. . 10.1088/1742-6596/2275/1/012006
[58]

Li Z, Chang B, Cui Y, Zhang H, Liang Z, Liu C, et al. Effect of twin-wire feeding methods on the in-situ synthesis of electron beam fabricated Ti-Al-Nb intermetallics. Mater Des 2022;215:110509. . 10.1016/j.matdes.2022.110509
[59]

Zhao J, Zhang B, Li X, Li R. Effects of metal-vapor jet force on the physical behavior of melting wire transfer in electron beam additive manufacturing. J Mater Process Technol 2015;220:243‒50. . 10.1016/j.jmatprotec.2015.01.024
[60]

Berthelot B, Grivel E, Legrand P. New variants of DFA based on loess and lowess methods: generalization of the detrending moving average. Proceedings of the 2021 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP); 2021 Jun 6‍‒‍11; Toronto, ON, Canada. Piscataway: IEEE; 2021. p. 5140‒4. . 10.1109/icassp39728.2021.9414216
[61]

Kim CK, Cho DW, Kim S, Song SW, Seo KM, Cho YT. High-throughput metal 3D printing pen enabled by a continuous molten droplet transfer. Adv Sci 2023;10(6):2205085. . 10.1002/advs.202370030
[62]

Schutzius TM, Jung S, Maitra T, Graeber G, Köhme M, Poulikakos D. Spontaneous droplet trampolining on rigid superhydrophobic surfaces. Nature 2015;527(7576):82‒5. . 10.1038/nature15738
[63]

Krinberg IA, Mladenov GM. Formation and expansion of the plasma column under electron beam‒metal interaction. Vacuum 2005;77(4):407‒11. . 10.1016/j.vacuum.2004.08.021
[64]

Liang Z, Zhang H, Li Z, Du D, Wang L. In situ monitoring of beam current in electron beam directed energy deposition based on adsorbed electrons. J Phys Conf Ser 2022;2369(1):012086. . 10.1088/1742-6596/2369/1/012086
[65]

Mladenov G, Sabchevski S. Potential distribution and space-charge neutralization in technological intense electron beams—an overview. Vacuum 2001;62(2‒3):113‒22.
[66]

Persad AH, Ward CA. Expressions for the evaporation and condensation coefficients in the Hertz‒Knudsen relation. Chem Rev 2016;116(14):7727‒67. . 10.1021/acs.chemrev.5b00511
[67]

Nishio R, Tuchida K, Tooma M, Suzuki K. Origins of charged particles in vapor generated by electron-beam evaporation. J Appl Phys 1992;72(10):4548‒55. . 10.1063/1.352334
[68]

Parkinson LM, Phan CM. Natural vibration of an aqueous pendant drop. Exp Therm Fluid Sci 2018;90:48‒54. . 10.1016/j.expthermflusci.2017.09.003
[69]

Wang L, Zhang Y, Yan W. Evaporation model for keyhole dynamics during additive manufacturing of metal. Phys Rev Appl 2020;14(6):064039. . 10.1103/physrevapplied.14.064039
[70]

Hedreen M, Doyle C, Bol E, Kelley G, Ramulu M. Analysis of process physics in electron beam melting. In: Proceedings of the ASME 2021 International Mechanical Engineering Congress and Exposition; 2021 Nov 1‒5; New York, NY, USA; New York: The American Society of Mechanical Engineers. 2021. p. 71782.
[71]

Graeber G, Regulagadda K, Hodel P, Küttel C, Landolf D, Schutzius TM, et al. Leidenfrost droplet trampolining. Nat Commun 2021;12(1):1727. . 10.1038/s41467-021-21981-z
[72]

Chee MWL, Balaji S, Cuckston GL, Davidson JR, Wilson DI. Pendant drops shed from a liquid lens formed by liquid draining down the inner wall of a wide vertical tube. Exp Therm Fluid Sci 2018;97:364‒74. . 10.1016/j.expthermflusci.2018.04.015
[73]

Xiong F, Huang C, Kafka OL, Lian Y, Yan W, Chen M, et al. Grain growth prediction in selective electron beam melting of Ti-6Al-4V with a cellular automaton method. Mater Des 2021;199:109410. . 10.1016/j.matdes.2020.109410
[74]

Yan W, Ge W, Smith J, Lin S, Kafka OL, Lin F, et al. Multi-scale modeling of electron beam melting of functionally graded materials. Acta Mater 2016;115:403‒12. . 10.1016/j.actamat.2016.06.022
[75]

Jakhar K, Chattopadhyay A, Thakur A, Raj R. Spline based shape prediction and analysis of uniformly rotating sessile and pendant droplets. Langmuir 2017;33(22):5603‒12. . 10.1021/acs.langmuir.7b00811
[76]

Yan W,SmithJ, Ge W,LinF, Liu WK.Multiscale modeling of electron beam and substrate interaction: a new heat source model. Comput Mech 2015;56(2):265‒76. . 10.1007/s00466-015-1170-1
[77]

Chang S, Zhang H, Xu H, Sang X, Wang L, Du D, et al. Online measurement of deposit surface in electron beam freeform fabrication. Sensors 2019;19(18):4001. . 10.3390/s19184001
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