一種金屬零件在磁場作用下3d打印成形方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法及裝置，在高能束與金屬粉末作用的過程中，金屬粉末發(fā)生熔化，通過在熔池外部施加電磁力作用，改變?nèi)鄢厥芰顩r，達(dá)到對金屬熔池凝固行為的定向控制，使金屬制件內(nèi)部組織得以細(xì)化，提高金屬制件的性能。裝置，包括安裝在工作臺上的第一、第二電極和電磁線圈，電磁線圈在工作時始終保持電磁力能夠作用于高能束輻射金屬粉末所產(chǎn)生的熔池上。本發(fā)明通過電極給電磁線圈通電產(chǎn)生磁場，當(dāng)高能束作用于金屬粉末時，金屬粉末產(chǎn)生的金屬熔池的受力狀況將受到電磁力的影響，通過對電流和電壓的改變而控制電磁作用力的大小和方向，從而控制金屬熔池的受力行為。
【專利說明】一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明技術(shù)屬于制造領(lǐng)域，具體涉及一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法及裝置。本發(fā)明利用磁力改變高能束熔化金屬粉末過程中熔池受力與冶金行為，進(jìn)而調(diào)控成形金屬零件內(nèi)部微觀組織，最終達(dá)到優(yōu)化金屬零件宏觀性能的目的。

【背景技術(shù)】
[0002]高能束主要包括激光束、電子束和離子束。高能束熔化金屬粉末制造技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項能夠?qū)崿F(xiàn)近全致密金屬零部件快速制造的先進(jìn)制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的快速成形技術(shù)相比較，該技術(shù)不僅具有無需專用工具、夾具及模具以及成形零部件結(jié)構(gòu)無限制等優(yōu)點，更為重要的是可直接制造高性能金屬零部件。以激光熔化金屬粉末為例，成形過程中包含熔池的形成、熔化線搭接(重熔)、層間焊合等復(fù)雜的熱力學(xué)與動力學(xué)過程；同時，激光束是快速移動的高斯熱源，熔體的熔化與凝固瞬間完成，存在較大的溫度梯度；且由于高能束激光對熔池強(qiáng)烈的擾動作用，熔池往往會產(chǎn)生熔滴飛濺等現(xiàn)象。這些因素導(dǎo)致了高能束熔化金屬粉末所成形的金屬零部件致密度很難達(dá)到100%，同時也會伴隨產(chǎn)生成分偏析、氣孔、裂紋、殘余應(yīng)力及性能各向異性等缺陷。例如，在金屬基復(fù)合材料的選擇性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)過程中，由于表面張力及物理性能的差異等,增強(qiáng)相顆粒常常被凝固界面所排斥，聚集在晶界邊緣，從而造成增強(qiáng)相顆粒分布不均勻，導(dǎo)致成形零件性能急劇下降。為了改善零件性能，消除內(nèi)部缺陷，關(guān)鍵在于控制熔池中凝固顆粒的力學(xué)和冶金行為。目前，國內(nèi)外對高能束熔化金屬粉末所產(chǎn)生的缺陷主要通過改善材料、優(yōu)化加工工藝以及控制成形氣氛等方式；但這些方法無法改變成形過程中熔池的力學(xué)和冶金行為，改善效果具有較大的局限性。
[0003]隨著“材料電磁加工"(ElectromagneticProcessing of Materials,簡稱EPM)的提出和現(xiàn)代電磁技術(shù)的發(fā)展，材料電磁加工是指將磁流體力學(xué)(Magnetohydrodynamics,簡稱MHD)與材料加工技術(shù)結(jié)合起來，將電磁場應(yīng)用于材料制備和加工過程，從而實現(xiàn)對材料工藝過程的控制及材料組織和性能的改善。世界發(fā)達(dá)國家如美國、日本和法國等相繼投入了大量的人力和物力，競相開展強(qiáng)磁場應(yīng)用方面的研究工作，國內(nèi)大連理工大學(xué)、東北大學(xué)、上海大學(xué)、中國科技大學(xué)和中科院電工所等單位也開展了強(qiáng)磁場材料加工方面的研究。1983年，El-Bassyouni用實驗證明，單一的交變磁場能夠明顯細(xì)化晶粒。在鑄造中，采強(qiáng)磁場能夠改變臨界形核核心尺寸，定制晶體取向，并使順磁性物質(zhì)凝固點降低，抗磁性物質(zhì)的凝固點提高。在電磁場下進(jìn)行電弧焊既可以細(xì)化焊縫的一次結(jié)晶組織、減少化學(xué)不均勻性、提高焊縫金屬的塑性和韌性，又能降低結(jié)晶裂紋和氣孔的敏感性；焊接奧氏體不銹鋼時還可以提高焊縫金屬抗晶間腐蝕的能力。
[0004]如前所述，國內(nèi)外提高高能束熔化金屬粉末成形零部件性能的主要措施是通過改善材料特性、優(yōu)化工藝及后處理等方法。目前，國內(nèi)外沒有磁場下的高能束熔化金屬粉末成形方法與裝置。如果實現(xiàn)磁場下高能束熔化金屬粉末的快速制造技術(shù)，基于磁場“非接觸”加工優(yōu)勢，有望改善高能束熔化金屬粉末成形零件的性能，并推動金屬零部件直接快速制造技術(shù)和裝備的應(yīng)用和推廣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決【背景技術(shù)】所述困擾金屬粉末快速熔化制造過程中所出現(xiàn)的材料成分不均勻、晶粒取向明顯、制件易產(chǎn)生孔隙、裂紋等問題，本發(fā)明提供了一種磁場作用下金屬零件快速制造方法及裝置，以期最大程度的減少缺陷的產(chǎn)生，提高制件的性能。
[0006]本發(fā)明提供的一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法及裝置，該裝置利用高能束作用于金屬粉末，使其熔化，并在熔池外部施加電磁力，該電磁力改變?nèi)鄢厥芰顩r，并對金屬熔池起攪拌作用。
[0007]上述技術(shù)方案中，磁場的強(qiáng)弱、方向和頻率可調(diào)。
[0008]實現(xiàn)上述磁場作用下金屬零件激光快速制造方法的裝置，工作臺和高能束產(chǎn)生裝置，其特征在于，它還包括安裝在工作臺上的第一、第二電極和電磁線圈，電磁線圈在工作時始終保持電磁力能夠作用于高能束輻射金屬粉末所產(chǎn)生的熔池上。
[0009]高能束產(chǎn)生裝置為激光器，電子槍或離子槍等。
[0010]本發(fā)明基于電磁場對焊接熔池作用的理論模型，即頻率小于20K Hz的電磁場，對焊接熔池具有攪拌作用，可以改變?nèi)鄢刂械膫髻|(zhì)和傳熱過程，進(jìn)而細(xì)化晶粒、提高接頭性能；當(dāng)磁場頻率大于20 KHz時，高頻磁場產(chǎn)生超聲作用，能進(jìn)一步細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能。據(jù)此原理，本發(fā)明在高能束激光熔化金屬粉末的過程中，對局部金屬粉末施加一均勻分布的電磁力，粉末顆粒與金屬熔體的導(dǎo)電率存在巨大的差異，如材料中的非金屬顆粒和增強(qiáng)相顆粒往往為電的不良導(dǎo)體，初晶相顆粒的電導(dǎo)率也與粉末基體存在很大差別，因此顆粒將受到電磁擠壓力的作用，同時這個擠壓力也會極大的抑制金屬液滴的飛濺，并且顆粒所受的電磁擠壓力的方向和大小可以通過改變電場或磁場的方向和大小來任意改變，這也就為改變顆粒的受力平衡提供了極大的便利，通過調(diào)整電磁力的大小和方向，便可以控制熔池中顆粒凝固的行為，從而達(dá)到最終控制金屬材料性能的目的。本發(fā)明在激光熔化金屬粉末的同時通過在其周圍施加電磁力，改變高能束熔化金屬粉末所形成的微焊接熔池結(jié)晶過程中的傳質(zhì)和傳熱過程，從而改變晶粒的結(jié)晶方向，細(xì)化一次組織，減小偏析，提高制件力學(xué)性能，降低氣孔、裂紋等缺陷的敏感性；同時利用電磁場降低制件中的殘余應(yīng)力。
[0011]本發(fā)明主要具有如下特點:
1、改善制件的組織
國內(nèi)外一系列研究表明，磁場對鐵基合金的相變過程有著顯著的影響，最顯著的表現(xiàn)為相變過程中晶粒明顯細(xì)化，隨著磁通密度的增大，晶粒尺寸得到減小。磁場在相變過程中，能提高晶粒的形核率和晶粒的長大速度，且對形核率的作用效果遠(yuǎn)大于后者。這種綜合作用下，相變時間縮短，相變后得到細(xì)小的晶粒。在外加磁場共同作用下，在金屬熔體中產(chǎn)生一體積力即電磁力，推動熔體運(yùn)動，從而達(dá)到對金屬攪拌的目的。電磁攪拌一方面通過驅(qū)動金屬液流動，從而對樹枝晶端部產(chǎn)生剪切，造成枝晶碎斷，形成晶核；同時，強(qiáng)力流動可以大大加速液心的傳熱而使過熱度迅速消失，兩相區(qū)擴(kuò)大；強(qiáng)力流動還可以加速傳質(zhì)，使凝固界面前沿擴(kuò)散邊界層減薄而濃度梯度增大，兩相區(qū)成分過冷增加，增加形核率。熔池內(nèi)的形核增加，單位體積內(nèi)的晶粒增加，單個晶粒的體積減小。另一方面，形成晶核后在長大過程中，電磁作用改變了熔池形狀，也改變了傳熱方向，從而使最大散熱方向不斷變化。這樣，一個樹枝晶晶粒沿最大散熱反方向生長的時間很短，另一個枝晶晶沿另一最大散熱反方向長大，因此每個枝晶晶粒生長時間很短，從而減粒小了晶粒尺寸。
[0012]2、消除制件內(nèi)部的缺陷
I)消除制件內(nèi)部的氣孔
為保證金屬粉末成形過程中具有良好的成形性，高能束熔化金屬粉末一般都在特定的保護(hù)氣氛中進(jìn)行，結(jié)果在粉末形成熔體過程中，由于粉末的熔化和凝固是在瞬間完成，部分氣體還來不及逸出就已經(jīng)凝固于試樣中，最終形成氣孔。氣孔的產(chǎn)生過程分為氣泡的萌生和長大兩個階段。如果氣體的逸出壓力(
P )大于外部壓力(ik )，既巧> P時.焊接熔池中萌生氣泡。在無外加磁場的作用時，
阻止氣泡萌生的外部壓力P3H由下式?jīng)Q定:
Psa-Pg ^}ιγ\?σ?τ
式中疋——熔化金屬熔池上方的氣體壓力；1——液體金屬柱的高度；


R
T——金屬的比密度
σ-在氣體界面上液態(tài)金屬的表面張力
r——氣泡半徑
在外磁場的作用下，液態(tài)金屬的流動產(chǎn)生附加的流體動壓力(K )，此時阻止氣泡萌生的外部壓力iW公式變?yōu)?Pm = +2a/r^Pao因此,在增加液態(tài)金屬循環(huán)或者轉(zhuǎn)動強(qiáng)度時，增加了流體動壓力Pa，從而增加了抑制氣泡萌生的外部壓力ik,使熔池中氣孔率下降。此外，電磁攪拌降低了液態(tài)金屬中氣體的飽和度，生成氣泡的可能性減小。生成微小氣孔后，熔池中液態(tài)金屬的流動，增大氣泡聚集長大的幾率，有利于其長大、上浮。
[0013]2 )消除制件內(nèi)部的熱裂紋
金屬材料抗熱裂紋能力由三個因素決定:脆性溫度區(qū)間，該溫度區(qū)問內(nèi)的材料塑性，變形增長速度。在高溫階段晶間塑性變形能力不足以承受當(dāng)時所發(fā)生的塑性變形量時，產(chǎn)生熱裂紋。
[0014]成形組織中的微觀裂紋較多的是凝固裂紋，屬于熱裂紋范疇，其產(chǎn)生的主要原因是燒結(jié)層(或熔覆層)組織在凝固溫度區(qū)間晶界處的殘余液相受到層中的拉伸應(yīng)力作用所導(dǎo)致的液膜分離的結(jié)果。首先，通過在其成形的過程中施加電磁力，熔池組織中出現(xiàn)了等軸晶晶粒，晶粒細(xì)化，低熔點第二相的細(xì)小彌散分布等現(xiàn)象可以改變脆性溫度區(qū)間和該溫度區(qū)間內(nèi)的材料塑性；其次，由于減小溶質(zhì)元素的偏析，減小脆性溫度區(qū)間，二者都有利于降低熱裂紋的敏感性。電磁作用改變了熔池形狀，也改變了傳熱方向，從而改變晶粒生長方向，也增加了熱裂紋擴(kuò)展的阻力。
[0015]3)改善制件的力學(xué)性能
在電磁作用下，焊接接頭的力學(xué)性能明顯提高，已經(jīng)在幾種金屬的焊接中得到證明，如奧氏體不銹鋼、各種鋁合金、鋁一鋰合金。金屬制件力學(xué)性能的變化是由微觀組織的改變引起的。在電磁作用下接頭的晶粒細(xì)化，改變晶粒結(jié)晶方向，等軸晶的出現(xiàn)，減小偏析及第二相化合物的細(xì)小彌散分布，組織缺陷的減少都有助于提高金屬制件的力學(xué)性能。同樣，高能束熔化金屬粉末的單道熔池與焊接過程中的單道焊縫極為相似，成形制件是由無數(shù)條類似焊接接頭的熔化道所形成的實體，據(jù)此，我們有理由認(rèn)為在電磁作用下的高能束快速熔化金屬粉末制件的性能會實現(xiàn)顯著的提高。
[0016]

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1為電磁場作用于高能束熔化金屬粉末的主視圖。
[0017]圖2為電磁場作用于高能束熔化金屬粉末的俯視圖。
[0018]圖3為電磁場作用下熔滴的受力原理圖。

【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明是在高能束與金屬粉末作用的過程中，通過在熔池外部施加電磁力，改變?nèi)鄢厥芰顩r，利用電磁場對金屬熔池的攪拌作用，細(xì)化熔池中晶粒，消除制件內(nèi)的缺陷，從而提高制件的性能。
[0020]附加在熔池外部的電磁場的特征是:電流的大小和方向可控，磁場的強(qiáng)弱、方向和頻率可按需求調(diào)控；試驗中電流范圍在0-400A連續(xù)可調(diào),磁場頻率可以是頻率小于20K Hz的低頻磁場，也可以是頻率大于20 KHz的高頻磁場。當(dāng)我們希望得到盡量多的柱狀晶可以采用較低的電流和頻率，希望得到較多的等軸晶，我們可以采用大電流和高頻率。
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步說明。以激光高能束為例，在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]下面結(jié)合圖1至圖3詳細(xì)說明依據(jù)該發(fā)明的基本原理及工作情況本發(fā)明通過在SLM成型設(shè)備成形區(qū)域的工作臺上外加電磁線圈來實現(xiàn)。該裝置主要包括激光器1，保護(hù)鏡
2,電極6、7，電磁線圈8,工作臺9,工作臺壁10等幾部分組成,其特征在于:電磁線圈7鑲嵌在工作臺壁10內(nèi)，始終保持電磁力能夠作用于高能束激光輻射金屬粉末5所產(chǎn)生的熔池3上。在金屬粉末均勻地鋪在工作臺9上的過程中，電磁線圈8處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)鋪粉完成后，由激光器I發(fā)射的高能激光束3照射到指定的金屬粉末5上形成一個微小熔池4的同時，通過給電極6、7通入電流I=0-400A，頻率0-40KHZ，使電磁線圈8產(chǎn)生一個大小和方向可變的磁場，從而使熔池4受到一定大小和方向的電磁力，當(dāng)我們希望得到盡量多的柱狀晶可以采用較低的電流和頻率，希望得到較多的等軸晶，我們可以采用大電流和高頻率，從而達(dá)到改善金屬制件組織和控制熔池中材料成分分布目的。針對不同的金屬粉末，可以通過調(diào)整線圈中的電流的大小和方向來實現(xiàn)。其工作原理圖如圖3，金屬粉末5在高能束激光的輻射下熔化并始終受到拖拽力Fdrag和推斥力Fpush,通過在其外圍改變電磁場的強(qiáng)弱和頻率，從而使熔池中這兩種力中的一種力得到放大補(bǔ)償，使其表現(xiàn)為優(yōu)勢力，從而達(dá)到對熔池受力狀況的控制。如在金屬基復(fù)合材料的選擇性激光熔化中，要控制材料中呈某種成分呈特殊分布(梯度分布，函數(shù)分布等)，則可通過控制線圈中電流的波形，使之產(chǎn)生符合該特殊要求的磁場，從而使復(fù)合材料的熔池受到特定的力，以達(dá)到控制熔池中材料成分分布的目的，使增強(qiáng)體在成型件中呈任何情況的分布。
[0023]以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法及裝置，其特征在于該裝置利用高能束作用于金屬粉末，使其熔化，并在熔池外部施加電磁力，該電磁力改變?nèi)鄢厥芰顩r，并對金屬熔池起攪拌作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法及裝置，其特征在于磁場的強(qiáng)弱、方向和頻率可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種金屬零件在磁場作用下3D打印成形方法及裝置，其特征在于工作臺和高能束產(chǎn)生裝置，它還包括安裝在工作臺上的第一、第二電極和電磁線圈，電磁線圈在工作時始終保持電磁力能夠作用于高能束輻射金屬粉末所產(chǎn)生的熔池上。
【文檔編號】B22F3/105GK104190929SQ201410420932
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】魏青松, 王愛華, 李正陽, 丁剛, 張海龍 申請人:丹陽惠達(dá)模具材料科技有限公司