CN102950285A - 一种磁场作用下金属零件快速制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁场作用下高能束快速制造金属零件的方法及装置。在高能束与金属粉末作用的过程中，金属粉末发生熔化，通过在熔池外部施加电磁力作用，改变熔池受力状况，达到对金属熔池凝固行为的定向控制，使金属制件内部组织得以细化，提高金属制件的性能。装置，包括安装在工作台上的第一、第二电极和电磁线圈，电磁线圈在工作时始终保持电磁力能够作用于高能束辐射金属粉末所产生的熔池上。本发明通过电极给电磁线圈通电产生磁场，当高能束作用于金属粉末时，金属粉末产生的金属熔池的受力状况将受到电磁力的影响，通过对电流和电压的改变而控制电磁作用力的大小和方向，从而控制金属熔池的受力行为。

Description

一种磁场作用下金属零件快速制造方法及装置

技术领域

本发明技术属于制造领域，具体涉及一种磁场作用下金属零件直接快速制造方法及装置。本发明利用磁力改变高能束熔化金属粉末过程中熔池受力与冶金行为，进而调控成形金属零件内部微观组织，最终达到优化金属零件宏观性能的目的。

背景技术

高能束主要包括激光束、电子束和离子束。高能束熔化金属粉末制造技术是近年发展起来的一项能够实现近全致密金属零部件快速制造的先进制造技术。与传统的快速成形技术相比较，该技术不仅具有无需专用工具、夹具及模具以及成形零部件结构无限制等优点，更为重要的是可直接制造高性能金属零部件。以激光熔化金属粉末为例，成形过程中包含熔池的形成、熔化线搭接(重熔)、层间焊合等复杂的热力学与动力学过程；同时，激光束是快速移动的高斯热源，熔体的熔化与凝固瞬间完成，存在较大的温度梯度；且由于高能束激光对熔池强烈的扰动作用，熔池往往会产生熔滴飞溅等现象。这些因素导致了高能束熔化金属粉末所成形的金属零部件致密度很难达到100％，同时也会伴随产生成分偏析、气孔、裂纹、残余应力及性能各向异性等缺陷。例如，在金属基复合材料的选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)过程中，由于表面张力及物理性能的差异等，增强相颗粒常常被凝固界面所排斥，聚集在晶界边缘，从而造成增强相颗粒分布不均匀，导致成形零件性能急剧下降。为了改善零件性能，消除内部缺陷，关键在于控制熔池中凝固颗粒的力学和冶金行为。目前，国内外对高能束熔化金属粉末所产生的缺陷主要通过改善材料、优化加工工艺以及控制成形气氛等方式；但这些方法无法改变成形过程中熔池的力学和冶金行为，改善效果具有较大的局限性。

随着“材料电磁加工”(Electromagnetic Processing of Materials，简称EPM)的提出和现代电磁技术的发展，材料电磁加工是指将磁流体力学(Magnetohydrodynamics，简称MHD)与材料加工技术结合起来，将电磁场应用于材料制备和加工过程，从而实现对材料工艺过程的控制及材料组织和性能的改善。世界发达国家如美国、日本和法国等相继投入了大量的人力和物力，竞相开展强磁场应用方面的研究工作，国内大连理工大学、东北大学、上海大学、中国科技大学和中科院电工所等单位也开展了强磁场材料加工方面的研究。1983年，El-Bassyouni用实验证明，单一的交变磁场能够明显细化晶粒。在铸造中，采强磁场能够改变临界形核核心尺寸，定制晶体取向，并使顺磁性物质凝固点降低，抗磁性物质的凝固点提高。在电磁场下进行电弧焊既可以细化焊缝的一次结晶组织、减少化学不均匀性、提高焊缝金属的塑性和韧性，又能降低结晶裂纹和气孔的敏感性；焊接奥氏体不锈钢时还可以提高焊缝金属抗晶间腐蚀的能力。

如前所述，国内外提高高能束熔化金属粉末成形零部件性能的主要措施是通过改善材料特性、优化工艺及后处理等方法。目前，国内外没有磁场下的高能束熔化金属粉末成形方法与装置。如果实现磁场下高能束熔化金属粉末的快速制造技术，基于磁场“非接触”加工优势，有望改善高能束熔化金属粉末成形零件的性能，并推动金属零部件直接快速制造技术和装备的应用和推广。

发明内容

为解决背景技术所述困扰金属粉末快速熔化制造过程中所出现的材料成分不均匀、晶粒取向明显、制件易产生孔隙、裂纹等问题，本发明提供了一种磁场作用下金属零件快速制造方法及装置，以期最大程度的减少缺陷的产生，提高制件的性能。

本发明提供的一种磁场作用下金属零件直接快速制造方法，该方法利用高能束作用于金属粉末，使其熔化，并在熔池外部施加电磁力，该电磁力改变熔池受力状况，并对金属熔池起搅拌作用。

上述技术方案中，磁场的强弱、方向和频率可调。

实现上述磁场作用下金属零件激光快速制造方法的装置，工作台和高能束产生装置，其特征在于，它还包括安装在工作台上的第一、第二电极和电磁线圈，电磁线圈在工作时始终保持电磁力能够作用于高能束辐射金属粉末所产生的熔池上。

高能束产生装置为激光器，电子枪或离子枪等。

本发明基于电磁场对焊接熔池作用的理论模型，即频率小于20K Hz的电磁场，对焊接熔池具有搅拌作用，可以改变熔池中的传质和传热过程，进而细化晶粒、提高接头性能；当磁场频率大于20KHz时，高频磁场产生超声作用，能进一步细化晶粒，改善力学性能。据此原理，本发明在高能束激光熔化金属粉末的过程中，对局部金属粉末施加一均匀分布的电磁力，粉末颗粒与金属熔体的导电率存在巨大的差异，如材料中的非金属颗粒和增强相颗粒往往为电的不良导体，初晶相颗粒的电导率也与粉末基体存在很大差别，因此颗粒将受到电磁挤压力的作用，同时这个挤压力也会极大的抑制金属液滴的飞溅，并且颗粒所受的电磁挤压力的方向和大小可以通过改变电场或磁场的方向和大小来任意改变，这也就为改变颗粒的受力平衡提供了极大的便利，通过调整电磁力的大小和方向，便可以控制熔池中颗粒凝固的行为，从而达到最终控制金属材料性能的目的。本发明在激光熔化金属粉末的同时通过在其周围施加电磁力，改变高能束熔化金属粉末所形成的微焊接熔池结晶过程中的传质和传热过程，从而改变晶粒的结晶方向，细化一次组织，减小偏析，提高制件力学性能，降低气孔、裂纹等缺陷的敏感性；同时利用电磁场降低制件中的残余应力。

本发明主要具有如下特点：

1、改善制件的组织

国内外一系列研究表明，磁场对铁基合金的相变过程有着显著的影响，最显著的表现为相变过程中晶粒明显细化，随着磁通密度的增大，晶粒尺寸得到减小。磁场在相变过程中，能提高晶粒的形核率和晶粒的长大速度，且对形核率的作用效果远大于后者。这种综合作用下，相变时间缩短，相变后得到细小的晶粒。在外加磁场共同作用下，在金属熔体中产生一体积力即电磁力，推动熔体运动，从而达到对金属搅拌的目的。电磁搅拌一方面通过驱动金属液流动，从而对树枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，形成晶核；同时，强力流动可以大大加速液心的传热而使过热度迅速消失，两相区扩大；强力流动还可以加速传质，使凝固界面前沿扩散边界层减薄而浓度梯度增大，两相区成分过冷增加，增加形核率。熔池内的形核增加，单位体积内的晶粒增加，单个晶粒的体积减小。另一方面，形成晶核后在长大过程中，电磁作用改变了熔池形状，也改变了传热方向，从而使最大散热方向不断变化。这样，一个树枝晶晶粒沿最大散热反方向生长的时间很短，另一个枝晶晶沿另一最大散热反方向长大，因此每个枝晶晶粒生长时间很短，从而减粒小了晶粒尺寸。

2、消除制件内部的缺陷

1)消除制件内部的气孔

为保证金属粉末成形过程中具有良好的成形性，高能束熔化金属粉末一般都在特定的保护气氛中进行，结果在粉末形成熔体过程中，由于粉末的熔化和凝固是在瞬间完成，部分气体还来不及逸出就已经凝固于试样中，最终形成气孔。气孔的产生过程分为气泡的萌生和长大两个阶段。如果气体的逸出压力(P_δ)大于外部压力(P_BH)，既P_δ＞P_BH时.焊接熔池中萌生气泡。在无外加磁场的作用时，阻止气泡萌生的外部压力P_BH由下式决定：

P_BH＝P_δ+hγ+2σ/r

式中：P_δ——熔化金属熔池上方的气体压力；h——液体金属柱的高度；

γ——金属的比密度

σ——在气体界面上液态金属的表面张力

r——气泡半径

在外磁场的作用下，液态金属的流动产生附加的流体动压力(P_a)，此时阻止气泡萌生的外部压力P_BH公式变为：P_BH＝P_δ+hγ+2σ/r+P_a。因此，在增加液态金属循环或者转动强度时，增加了流体动压力Pa，从而增加了抑制气泡萌生的外部压力P_BH，使熔池中气孔率下降。此外，电磁搅拌降低了液态金属中气体的饱和度，生成气泡的可能性减小。生成微小气孔后，熔池中液态金属的流动，增大气泡聚集长大的几率，有利于其长大、上浮。

2)消除制件内部的热裂纹

金属材料抗热裂纹能力由三个因素决定：脆性温度区间，该温度区问内的材料塑性，变形增长速度。在高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性变形量时，产生热裂纹。

成形组织中的微观裂纹较多的是凝固裂纹，属于热裂纹范畴，其产生的主要原因是烧结层(或熔覆层)组织在凝固温度区间晶界处的残余液相受到层中的拉伸应力作用所导致的液膜分离的结果。首先，通过在其成形的过程中施加电磁力，熔池组织中出现了等轴晶晶粒，晶粒细化，低熔点第二相的细小弥散分布等现象可以改变脆性温度区间和该温度区间内的材料塑性；其次，由于减小溶质元素的偏析，减小脆性温度区间，二者都有利于降低热裂纹的敏感性。电磁作用改变了熔池形状，也改变了传热方向，从而改变晶粒生长方向，也增加了热裂纹扩展的阻力。

3)改善制件的力学性能

在电磁作用下，焊接接头的力学性能明显提高，已经在几种金属的焊接中得到证明，如奥氏体不锈钢、各种铝合金、铝-锂合金。金属制件力学性能的变化是由微观组织的改变引起的。在电磁作用下接头的晶粒细化，改变晶粒结晶方向，等轴晶的出现，减小偏析及第二相化合物的细小弥散分布，组织缺陷的减少都有助于提高金属制件的力学性能。同样，高能束熔化金属粉末的单道熔池与焊接过程中的单道焊缝极为相似，成形制件是由无数条类似焊接接头的熔化道所形成的实体，据此，我们有理由认为在电磁作用下的高能束快速熔化金属粉末制件的性能会实现显著的提高。

附图说明

图1为电磁场作用于高能束熔化金属粉末的主视图；

图2为电磁场作用于高能束熔化金属粉末的俯视图；

图3为电磁场作用下熔滴的受力原理图。

具体实施方式

本发明是在高能束与金属粉末作用的过程中，通过在熔池外部施加电磁力，改变熔池受力状况，利用电磁场对金属熔池的搅拌作用，细化熔池中晶粒，消除制件内的缺陷，从而提高制件的性能。

附加在熔池外部的电磁场的特征是：电流的大小和方向可控，磁场的强弱、方向和频率可按需求调控；试验中电流范围在0-400A连续可调，磁场频率可以是频率小于20KHz的低频磁场，也可以是频率大于20KHz的高频磁场。当我们希望得到尽量多的柱状晶可以采用较低的电流和频率，希望得到较多的等轴晶，我们可以采用大电流和高频率。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。以激光高能束为例，在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合图1至图3详细说明依据该发明的基本原理及工作情况本发明通过在SLM成型设备成形区域的工作台上外加电磁线圈来实现。该装置主要包括激光器1，保护镜2，电极6、7，电磁线圈8，工作台9，工作台壁10等几部分组成，其特征在于：电磁线圈7镶嵌在工作台壁10内，始终保持电磁力能够作用于高能束激光辐射金属粉末5所产生的熔池3上。在金属粉末均匀地铺在工作台9上的过程中，电磁线圈8处于关闭状态，当铺粉完成后，由激光器1发射的高能激光束3照射到指定的金属粉末5上形成一个微小熔池4的同时，通过给电极6、7通入电流I＝0-400A，频率0-40KHz，使电磁线圈8产生一个大小和方向可变的磁场，从而使熔池4受到一定大小和方向的电磁力，当我们希望得到尽量多的柱状晶可以采用较低的电流和频率，希望得到较多的等轴晶，我们可以采用大电流和高频率，从而达到改善金属制件组织和控制熔池中材料成分分布目的。针对不同的金属粉末，可以通过调整线圈中的电流的大小和方向来实现。其工作原理图如图3，金属粉末5在高能束激光的辐射下熔化并始终受到拖拽力F_drag和推斥力F_push，通过在其外围改变电磁场的强弱和频率，从而使熔池中这两种力中的一种力得到放大补偿，使其表现为优势力，从而达到对熔池受力状况的控制。如在金属基复合材料的选择性激光熔化中，要控制材料中呈某种成分呈特殊分布(梯度分布，函数分布等)，则可通过控制线圈中电流的波形，使之产生符合该特殊要求的磁场，从而使复合材料的熔池受到特定的力，以达到控制熔池中材料成分分布的目的，使增强体在成型件中呈任何情况的分布。

若以电子束作为能源，则只需要将图1中的激光器1换成电子发射枪，保护镜2换成控制电子运动方向的电磁线圈即可，其他装置均不需要改变，原理也没有发生变化。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种磁场作用下金属零件快速制造方法，该方法利用高能束作用于金属粉末，使其熔化，并在熔池外部施加电磁力，该电磁力改变熔池受力状况，并对金属熔池起搅拌作用。

2.根据权利要求1所述的磁场作用下金属零件快速制造方法，其特征在于，磁场的强弱、方向和频率可调。

3.根据权利要求1或2所述的磁场作用下金属零件快速制造方法，其特征在于，所述高能束为激光束，电子束或离子束。

4.一种实现权利要求1所述的磁场作用下金属零件快速制造方法的装置，工作台和高能束产生装置，其特征在于，它还包括安装在工作台上的第一、第二电极和电磁线圈，电磁线圈在工作时始终保持电磁力能够作用于高能束辐射金属粉末所产生的熔池上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述高能束产生装置为激光器，电子枪或离子枪。

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