阅读说明：本技术 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 (Method and device for controlling solidification structure of metal part through electric field-magnetic field coupling and additive manufacturing ) 是由 王昌飞 魏维 代显强 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a method and a device for controlling an additive manufacturing metal part solidification structure by electric field-magnetic field coupling. An external electric field is applied in the rapid solidification process of metal part additive manufacturing, electric energy is injected into the material to enable charged particles to generate polarization motion, and the action of an external magnetic field is combined to realize microscopic excitation. The laser rapid solidification process is regulated and controlled by utilizing the coupling effect of an electric field and a magnetic field, columnar crystal orientation equiaxial crystal transformation is induced, external field non-contact intervention is carried out on the layer surface of a microstructure, metallurgical bonding between layers in the forming process is improved, defects in the metal additive manufacturing process can be effectively reduced and improved, parameters such as the strength, the mode, the frequency and the like of the electric field and the magnetic field are adjusted, so that a fully equiaxial crystal metal component with excellent performance is obtained, crystal cracks are reduced, the mechanical property of the component is improved, and the laser rapid solidification component can be widely applied to the field of equipment manufacturing industry such as aerospace, dies, automobiles and the like as a high-quality part.)

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

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***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。

作为上述方案的进一步优选技术方案，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。

作为上述方案的进一步优选技术方案，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和落粉器；所述熔融热源装置包括热源发生器和热源聚焦-偏转装置，所述热源聚焦-偏转装置设置在成形腔上方；所述热源发生器产生热能，随后热能通过所述热源聚焦-偏转装置形成可控热源束。

作为上述方案的进一步优选技术方案，热源束是激光束、电子束或者电弧。

作为上述方案的进一步优选技术方案，所述热源束是激光束时，所述热源发生器为YAG激光器，CO2激光器或者光纤激光器。

本发明提供一种电场-磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法：在进行金属3D打印制造时，通过向金属3D打印制造装置施加外部电场与磁场，对母材粉末或者原料丝材在受激光、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。

作为上述方案的进一步优选技术方案，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在升降基板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和落粉器，然后通过铺粉装置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、热源聚焦-偏转装置，使得热源束形成的焦点光斑高速运动，在运动中迅速融化原料粉末，在所述打印零件待加工面上形成微小熔池，通过控制所述热源发生器、热源聚焦-偏转装置，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，电场发生装置产生的脉冲电流与横向磁场发生器、纵向磁场的纵向磁场发生器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在所述成形缸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。

作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属零件增材制造装置施加的外部电场是稳横电场、交变电场和脉冲电场中的任意一种电场或任意几种电场混合的综合电场。

作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属零件增材制造装置施加的外部磁场是稳横磁场、交变磁场和脉冲磁场中的任意一种磁场或任意几种磁场混合的综合磁场。

作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属零件增材制造装置施加的外部磁场方向为竖直方向和水平方向中的任意一种方向或任意几种方向，形成单一方向磁场或多方向多形式的复合磁场，其中竖直方向包括由下至上方向和由上至下方向两种方向，其中水平方向包括由左至右方向、由右至左方向、由前至后方向和由后至前方向四种方向。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提出了一种电场-磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，通过施加外部电场、外部磁场对激光快速凝固过程进行调控，外部电场将在快速凝固的固/液界面处强制产生电流，该电流无论强度与变化方式均与固/液界面处的本身存在的热电流明显不同。外部电场施加的强制电流因强度、频率、变化模式可控，对金属熔体的搅拌效果要远远优于固/液界面处因温度梯度而产生的热电流。

通过施加外部电场，从而在固/液界面处产生强制电流，导电流体在外加磁场作用下受到洛伦兹力，对金属熔体产生搅拌效果，从而对金属凝固枝晶端部产生剪切作用，造成枝晶碎断，细化了晶粒，改善了金属增材制造过程中的缺陷。通过控制电场、磁场的强度、模式、频率等参数，可得到性能优异的全等轴晶金属构件；

2.本发明公开了一种电场-磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，可实现对任意三维零件的形貌、组分以及组织的控制，达到制备出全等轴晶金属构件的目标。

3.本发明中用以辅助金属增材制造过程的电场与磁场装置安装简便，电场、磁场的强度、模式、频率等参数容易改变，几乎适用于所有金属粉末类型的构件打印，使得直接成形全等轴晶金属构件成为现实。

4.本发明整个工艺流程简单有效，不涉及较大的设备改造，能针对每种金属材料开发进行专用电场-磁场耦合控制装置，以提高生产效率，制备的全等轴晶金属构件性能更加优异、一致。

附图说明

图1是本发明整体的截面结构示意图；

图2是本发明整体的侧面结构示意图；

图中标记：1、母材粉末；2、零件；3、电场发生装置；4、成形缸；5、升降基板；6、横向磁场发生器；8、铺粉装置；9、落粉器；10、粉仓；13、热源发生器；14、热源聚焦-偏转装置；15、可控热源束；16、成形腔体；17、纵向磁场发生器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。

实施例一

如图1～图2所示，一种电场-磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，由原料供应装置单元、熔融烧结系统单元、主控制器和电源组成，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，所述原料供应装置单元是竖直重力输送原料装置和水平铺展输送原料装置联合作用的综合原料供应装置，所述竖直重力输送原料装置由粉仓10和落粉器9组成，通过铺粉装置8的水平运动将原料送到目标位置。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，所述烧结平台装置可移动地设置在设备下方，所述烧结平台装置包括成形缸4，所述成形缸4竖直设置，在所述成形缸4中设置可竖直移动的升降基板5，在所述升降基板5上制造生成3D打印零件2，在所述成形缸4的顶部***还设置有横向磁场发生器6和纵向磁场发生器17，形成外部磁场系统，所述横向磁场发生器6与纵向磁场发生器17设置在靠近所述成形缸4的上部开口边缘位置处。所述升降基板5下方与电场发生装置3相连接，用于对升降基板5及其上生成的3D打印零件2施加电脉冲。所述熔融热源装置由热源发生器13和热源聚焦-偏转装置14组成，所述热源聚焦-偏转装置14位于成形腔体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，通过调节所述热源聚焦-偏转装置14使得可控热源束15的焦点与所述打印零件2待加工面重合，形成高温光斑，调节所述热源发生器13，对加工用热源束的能量进行调节。

在3D打印开始之前，主控制器根据使用者输入的3D打印操作指令参数控制电场发生装置3在升降基板5下方施加相应的电脉冲，同时主控制器选择性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。

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。

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(通常为几十微米)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2。

热源束是激光束、电子束或者电弧；当所述热源束是激光束时，所述热源发生器13为YAG激光器，CO2激光器或者光纤激光器。

所述的电场发生装置3由控制单元自动控制，输出不同强度、频率或波形的激励脉冲或者交变信号，然后通过电流功率放大器输出强脉冲或交变电流，最后通过两电极作用在成形零件2上。

所述的两电极采用夹具与金属基板固定，并在电极和被处理材料接触的地方涂导电胶保证它们接触可靠，从而使得功率放大器产生的强脉冲或交变电能量有效地传入被处理材料内部，进而产生微观激励，改善成形零件2的内部组织。

本发明提供一种电场-磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法：

在进行金属零件增材制造时，通过向金属零件增材制造装置施加外部电场与磁场，对母材粉末1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2凝固过程的控制；

对金属粉末在受激光照射后快速熔化-凝固过程进行非接触干预，进而实现对金属零件2凝固过程的控制。电场与磁场的耦合效应可以对金属熔体进行调控，该效应中导电微粒体受到的洛伦兹力使得枝晶断裂等作用可以起到细化晶粒、均匀组织、避免缩孔、裂纹等缺陷产生的效果，为增材制造金属零件2组织可控提供了可能。

向金属零件增材制造装置施加的外部电场是稳横电场、交变电场和脉冲电场中的任意一种电场或任意几种电场混合的综合电场，本方法适用于铺、送粉两种常用的金属零件增材制造方法。

向金属零件增材制造装置施加的外部磁场是稳恒磁场、交变磁场和脉冲磁场中的任意一种磁场或任意几种磁场混合的综合磁场；适用于铺、送粉两种常用的金属零件增材制造方法。

向金属零件增材制造装置施加的外部磁场方向为竖直方向和水平方向中的任意一种方向或任意几种方向，形成单一方向磁场或多方向多形式的复合磁场，其中竖直方向包括由下至上方向和由上至下方向两种方向，其中水平方向包括由左至右方向、由右至左方向、由前至后方向和由后至前方向四种方向。

向金属零件增材制造装置施加的外部电场的电场强度可根据待加工金属零件2材料类型与尺寸进行设置，以达到最优效果。

向金属零件增材制造装置施加的外部磁场的磁场强度可根据待加工金属零件2材料类型与尺寸进行设置，以达到最优效果。

母材粉末1是无磁不锈钢系列材料、铝、铝合金、钛、钛合金、镍、镍合金和钴铬合金中任意一种金属材料或任意几种金属材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。