2021年11月30日，天津清研智束科技有限公司利用我国自主研发的2×2电子枪阵列完成了直径400mm钛合金零件的打印，标志着我国在全球率先实现了大幅面电子枪阵列扫描，为进一步实现大尺寸电子束选区熔化（EBSM）技术奠定了坚实的基础。

电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM) 是一种基于高能电子束的粉末床熔融增材制造技术，具有能量效率高、功率大、粉末床温度高、制件内应力低等特点。在电子束选区熔化过程中，单层材料的成形由四个步骤组成，即铺粉-预热-熔化-成形台下降，随后进行下一层材料成形，如此循环实现零件制备。电子束选区熔化成形仓及成形过程如下图所示。

工作时，成形仓必须保持10^-4~10^-5mbar 的真空度。电子束选区熔化特有的粉末预热功能可以将成形零件保持在较高温度（可达1000℃以上），这对于降低残余应力具有显著的效果，也使得EBSM 尤其适用于钛合金等难熔脆性材料的成形，成为了目前为止唯一实现了商业化的钛合金增材制造方法。

电子束选区熔化可实现钛合金、钛铝合金、高温合金、难熔金属等高性能、难加工材料复杂构件的增材制造，且成形效率高、成本低，可以满足规模化量产、应急状态的快速响应制造需求，已经被应用于航空航天、医疗器械等行业金属零部件的规模化制造。

电子束选区熔化设备和工艺的难度较高，目前只有少数国家掌握。2002 年，瑞典的 ArcamAB 公司推出了首款电子束选区熔化设备-EBM S12。2007 年，意大利 Adler Ortho Group 公司推出了EBSM人工髋关节，开启该技术在人工植入领域的应用。2011 年，意大利 GE-Avio Aero 公司与瑞典 Arcam 公司合作，开始建立EBSM钛合金叶片生产线，制造发动机的低压涡轮叶片，2013 年研发钛合金低压涡轮叶片的电子束选区熔化成形技术。

▶ 图左：Arcam 公司 Spectra H型电子束选区熔化设备

▶ 图右：中国航空制造技术研究院制备的EBSM TiAl低压涡轮叶片

电子枪是电子束增材制造设备的核心部件。目前增材制造技术普遍采用热阴极电子枪，阴极（钨、六硼化镧等）被直接或间接加热到一定温度后发射电子，电子经阴阳极间的高压电场加速，随后经过聚焦、偏转等透镜后作用在原材料（粉末、丝材等）上，实现熔化/加热等。阴极工作温度较高（有时超过3000℃），电子枪需要在高真空度环境下工作以防止其它部位受到高温损伤。

▶ 圆锥形中空电子束对丝材的加热效果

电子枪阵列技术的突破，不仅意味着我国在大尺寸EBSM增材制造技术上取得了关键性的技术进步，而且表明我国已全面掌握了EBSM技术，特别是EBSM工业化应用依赖的高精度、高可靠性电子枪系统实现了自主可控，为EBSM这一高效、高性能的增材制造技术在我国的工业化应用提供了保障。

▶ 电子枪阵列扫描制备的钛合金零件（直径400mm）

商业化EBSM设备的快速推广以及电子枪阵列技术的突破，标志着我国在电子束选区熔化金属增材制造技术工业化应用上取得了重要的进展，并逐步建立起了自主可控、自主创新的技术体系，为增材制造技术在我国相关领域的普及应用提供了有力保障。

本文部分引自①《电子束增材制造设备及应用进展》，作者：吴凡，林博超，陈玮。

②《我国大幅面金属3D打印2×2电子枪阵列扫描技术获突破》，作者：3DScienceValley