[发明专利]一种电场-磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法及装置

权利要求书

1.一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，包括原料供应装置单元、熔融烧结系统单元、主控制器和电源，所述电源为各系统提供电能，主控制器控制3D打印装置的各工作单元，其特征在于：所述熔融烧结系统单元包括烧结平台装置(5)和熔融能量装置，所述烧结平台装置包括成形缸(4)，所述成形缸(4)中设置可竖直移动的升降基板(5)，所述升降基板(5)与电场发生装置(3)电连接，在所述成形缸(4)的顶部外围设置有横向磁场发生器(6)和纵向磁场发生器(17)。

2.如权利要求1所述的一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：所述的电场发生装置(3)与主控制器电连接，主控制器控制电场发生器输出不同强度、不同频率或不同波形的激励脉冲或交变信号。

3.如权利要求2所述的一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：所述电场发生装置的两电极均升降基板固定连接，所述电极和被处理材料接触部涂抹导电胶。

4.如权利要求1～3中任意所述的一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：所述烧结平台装置可移动地设置在设备下方，所述原料供应装置单元包括竖直重力输送原料装置和水平铺展输送原料装置，所述竖直重力输送原料装置包括粉仓(10)和落粉器(9)；所述熔融热源装置包括热源发生器(13)和热源聚焦－偏转装置(14)，所述热源聚焦－偏转装置(14)设置在成形腔体(16)上方；所述热源发生器(13)产生热能，随后热能通过所述热源聚焦－偏转装置(14)形成可控热源束(15)。

5.如权利要求4所述的一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：热源束(15)是激光束、电子束或者电弧。

6.根据权利要求5所述一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：所述热源束(15)是激光束时，所述热源发生器(13)为YAG激光器，CO2激光器或者光纤激光器。

7.一种基于权利要求1～6中任一项所述增材制造装置的电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：在进行金属零件增材制造时，通过向增材制造装置施加外部电场与磁场，对母材粉末在受激光、电子束或电弧照射后快速熔化－凝固过程进行非接触干预，进而实现对金属零件凝固过程的控制。

8.如权利要求7所述的一种电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：首先，在3D打印开始之前，主控制器根据使用者输入的3D打印操作指令参数启动电场发生装置(3)在升降基板(5)下方施加相应的电脉冲，同时主控制器选择启动外部磁场系统中的磁场发生器，并对各磁场发生器产生的磁场进行调控，形成仅有一个磁场方向的单一磁场或具有多个方向的复合磁场；

其次，当3D打印开始时，原料先分别流经粉仓(10)和落粉器(9)，然后通过铺粉装置(8)的水平运动将原料送到目标位置，主控制器控制热源发生器(13)、热源聚焦－偏转装置(14)，使得热源束(15)形成的焦点光斑高速运动，在运动中迅速融化原料粉末，在所述打印零件(2)待加工面上形成微小熔池，通过控制所述热源发生器(13)、热源聚焦－偏转装置(14)，可形成一组水平方向的光斑二维平面运动，依照‘点’形成‘线’，线’形成‘面’的逻辑完成3D打印零件(2)的单层烧结加工的工艺。在微小熔池形成以后，电场发生装置(3)产生的脉冲电流与横向磁场发生器(6)、纵向磁场的纵向磁场发生器(17)产生的磁场相互作用形成触发熔体流动的电磁力，使得枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新的晶核；同时，熔体的流动减缓了固/液界面前沿的温度梯度，使得两相区成分过冷增加，进而增加了形核率。达到细化晶粒，改善晶粒的形貌，使组织变得均匀致密。

最后，单层烧结加工的工艺完成后，接下来控制器控制所述升降基板(5)在所述成形缸(4)中下降一个层厚的高度，依次重复所述送粉和所述单层烧结加工的工艺，即完成3D打印零件(2)的新一层的烧结加工，多次重复此加工逻辑，逐层使原料熔融堆积，最后3D打印出一个完整零件。