[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

说明书

本发明公开了一种电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法及装置。在金属零件增材制造的快速凝固过程中施加外部电场，将电能注入材料内部使带电粒子产生极化运动，并结合外加磁场的作用，实现微观激励。通过利用电场与磁场的耦合效应对激光快速凝固过程进行调控，诱发柱状晶向等轴晶转变，在微观组织层面进行外场无接触式干预，并对成形过程中层与层之间的冶金结合进行改善，能有效减少与改善金属增材制造过程中的缺陷，通过调整电场、磁场的强度、模式、频率等参数，从而得到性能优异的全等轴晶金属构件，减少了结晶裂纹，提高了构件力学性能，能作为高品质的零部件广泛应用于航空航天、模具、汽车等装备制造业领域。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其是一种电场-磁场耦合控制的金属零件增材制造装置及改善金属零件凝固组织的方法，应用于金属构件制备与装备制造技术领域。

背景技术

SLM(Selective Laser Melting)技术是一种金属激光增材制造技术，又称金属3D打印技术，这种技术基于构件的三维数字模型，通过使用激光束作为热源逐层将金属粉末熔化并形成熔池，熔池在金属基底或者上一层金属的强冷作用下快速凝固的新技术，这一特点使之可制造几乎任何形状的构件。特别是在航空航天等高精尖领域的复杂构件制造中，这一技术具有突出的优势，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。

从金属增材制造技术本身分析，其熔池凝固过程属于快速凝固范畴，形态主要受激光加热条件和基体冷却条件控制，一般情况下组织为发达的柱状晶。这一组织具有各向异性特征，易导致晶体生长方向失控、微孔、裂纹和变形等问题，同时在某些特定功能件中，希望无取向和少柱状晶，所以如何有效控制此熔化-凝固冶金过程，进而调控凝固组织，最终得到力学性能优异的金属构件，一直是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明的发明目的在于：克服已有技术存在的不足，提供一种电场-磁场耦合控制的金属3D打印装置及金属零件的凝固组织方法，引入了电场-磁场耦合装置对激光快速凝固过程进行干预与调控，诱发柱状晶向等轴晶转变，即CET转变，改善了金属增材制造过程中的缺陷，通过调整电场、磁场的强度、模式、频率等参数，可以使得零件成形过程完全处于CET转变区间，得到性能优异的全等轴晶金属构件。

为达到上述目的，本发明采用如下发明创造构思：

为了解决激光增材制造技术现有缺陷和改善其制备的金属构件性能，本发明在快速凝固的固/液界面处施加电脉冲产生强制电流，该电流与装置内部设置的磁场相互作用产生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，进而实现金属3D打印零件的组织控制。通过利用电场与磁场的耦合效应对激光快速凝固过程进行调控，诱发柱状晶向等轴晶转变，在微观组织层面进行外场无接触式干预，并对成形过程中层与层之间的冶金结合进行改善，能有效减少与改善金属增材制造过程中的缺陷，通过调整电场、磁场的强度、模式、频率等参数，从而得到性能优异的全等轴晶金属构件，减少了结晶裂纹，提高了构件力学性能

本方案是这样进行实现的：

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，所述熔融烧结系统单元包括烧结平台装置和熔融能量装置，所述烧结平台装置包括成形缸，在所述成形缸中设置可竖直移动的升降基板，所述升降基板与电场发生装置电连接，在所述成形缸的顶部外围设置有横向磁场发生器和纵向磁场发生器。

作为上述方案的进一步优选技术方案，所述的电场发生装置与主控制器电连接，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。