[发明专利]非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属零件凝固组织调控工艺和设备，特别是涉及一种增材制造金属零件的方法和装置或者金属熔融3D打印制造金属零件的方法和装置，应用于金属凝固组织控制以及电磁冶金技术领域。

背景技术

金属增材制造，或称3D打印，是基于构件的三维数学模型通过使用激光束，电子束，电弧等热源逐层扫描熔化金属粉末并使之快速凝固从而堆积形成三维物体的新技术，这一特点使之可制造几乎任何形状的构件。特别是在航空航天装备的复杂构件制造中，3D打印显示了突出的优势，具有广阔的应用前景，受到各国材料加工和制造业的高度重视。虽然金属3D打印具有突出的技术优势，但如何有效控制其中熔化-凝固的冶金过程，进而调控构件的凝固组织，消除缩松、缩孔等缺陷，最终实现构件性能的优化, 仍需要大量研究。激光熔化3D打印的本质物理过程是粉末或丝材受激光加热熔化，脱离激光照射后受金属衬底或前一层合金的强冷而快速凝固的过程。其凝固结晶机制是在已有衬底或前一层合金上的外延生长与形核混合，其凝固过程近于快速凝固范畴，其组织因冷速高而得到大幅细化，其形态主要受激光加热条件和衬底冷却条件控制。因此该技术也存在易产生柱状晶发达导致的各向异性、晶体生长方向失控、微孔，裂纹和变形等问题，影响其应用，是一直困扰研究者的难题。为此人们开展了大量研究。

枝晶形态特征直接影响性能，因此激光熔化3D打印金属零件中枝晶形态的变化首先受到大家的关注。由于激光熔化-凝固的冷却速度大，因此合金的枝晶大大细化。冯莉萍等对Rene95镍基高温合金进行研究发现，其凝固组织的平均一次枝晶间距随着激光扫描速度由1mm/s增大至100mm/s而由20μm减小至5μm。同样的，林鑫等指出激光熔化3D打印316L不锈钢的平均一次枝晶间距随着激光扫描速度由5mm/s增大至100mm/s而由50μm减小至4μm。激光熔化3D打印的这一特点有利于合金性能的提高。另一方面，高的冷却速度导致激光熔化3D打印构件的溶质含量、分布及相组成也发生较大变化。例如，V. Juechter通过考察不同激光扫描速度下Ti-6Al-4V试样中不同元素的含量发现，试样中Al的含量随着激光的扫描速度的提高而增加，他们认为这是快速凝固导致Ti中Al元素固溶度增加的缘故。高的冷却速度使得富集于固相界面前沿的溶质来不及扩散就被固相所‘吞噬’，这一方面增大了溶质元素在基体中的固溶度，另一方面减轻了由于溶质再分配导致的宏观偏析。其实对于具有精细亚结构的3D打印金属零件而言，即使存在枝晶间的溶质富集也很容易通过后续的热处理消除。

激光熔化3D打印逐层熔化-凝固堆砌成形的特点使得已成形的固体在上层熔池经过时被加热，受到加热的固相区域被称为熔池的热影响区，该区域在熔池经过时相当于进行了一次热处理。例如激光熔化3D打印TC4合金中粗大的β相柱状晶正是因为具有较小生长激活能的已凝固β相在热影响区的多次作用下进一步粗化的结果。加之β相在冷却过程中发生β→α固态相变，因此3D打印TC4 合金零件的最终固态组织由初生β相柱状晶与晶内具有一定位相关系的大量魏氏α板条以及一定体积分数的板条间β相组成。这些结果说明激光熔化3D打印将增大溶质元素的固溶度，有利于提高合金的性能，热影响区内固相的“在线热处理”较难控制，有可能损害性能。