CN105798299A - 非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3D打印装置，在金属3D打印的快速凝固过程中施加电磁场，在电磁场的作用下，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，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；另一方面，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。

Description

非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3D打印装置

技术领域

本发明涉及一种金属零件凝固组织调控工艺和设备，特别是涉及一种增材制造金属零件的方法和装置或者金属熔融3D打印制造金属零件的方法和装置，应用于金属凝固组织控制以及电磁冶金技术领域。

背景技术

金属增材制造，或称3D打印，是基于构件的三维数学模型通过使用激光束，电子束，电弧等热源逐层扫描熔化金属粉末并使之快速凝固从而堆积形成三维物体的新技术，这一特点使之可制造几乎任何形状的构件。特别是在航空航天装备的复杂构件制造中，3D打印显示了突出的优势，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。虽然金属3D打印具有突出的技术优势，但如何有效控制其中熔化-凝固的冶金过程，进而调控构件的凝固组织，消除缩松、缩孔等缺陷，最终实现构件性能的优化,仍需要大量研究。激光熔化3D打印的本质物理过程是粉末或丝材受激光加热熔化，脱离激光照射后受金属衬底或前一层合金的强冷而快速凝固的过程。其凝固结晶机制是在已有衬底或前一层合金上的外延生长与形核混合，其凝固过程近于快速凝固范畴，其组织因冷速高而得到大幅细化，其形态主要受激光加热条件和衬底冷却条件控制。因此该技术也存在易产生柱状晶发达导致的各向异性、晶体生长方向失控、微孔，裂纹和变形等问题，影响其应用，是一直困扰研究者的难题。为此人们开展了大量研究。

枝晶形态特征直接影响性能，因此激光熔化3D打印金属零件中枝晶形态的变化首先受到大家的关注。由于激光熔化-凝固的冷却速度大，因此合金的枝晶大大细化。冯莉萍等对Rene95镍基高温合金进行研究发现，其凝固组织的平均一次枝晶间距随着激光扫描速度由1mm/s增大至100mm/s而由20μm减小至5μm。同样的，林鑫等指出激光熔化3D打印316L不锈钢的平均一次枝晶间距随着激光扫描速度由5mm/s增大至100mm/s而由50μm减小至4μm。激光熔化3D打印的这一特点有利于合金性能的提高。另一方面，高的冷却速度导致激光熔化3D打印构件的溶质含量、分布及相组成也发生较大变化。例如，V.Juechter通过考察不同激光扫描速度下Ti-6Al-4V试样中不同元素的含量发现，试样中Al的含量随着激光的扫描速度的提高而增加，他们认为这是快速凝固导致Ti中Al元素固溶度增加的缘故。高的冷却速度使得富集于固相界面前沿的溶质来不及扩散就被固相所‘吞噬’，这一方面增大了溶质元素在基体中的固溶度，另一方面减轻了由于溶质再分配导致的宏观偏析。其实对于具有精细亚结构的3D打印金属零件而言，即使存在枝晶间的溶质富集也很容易通过后续的热处理消除。

激光熔化3D打印逐层熔化-凝固堆砌成形的特点使得已成形的固体在上层熔池经过时被加热，受到加热的固相区域被称为熔池的热影响区，该区域在熔池经过时相当于进行了一次热处理。例如激光熔化3D打印TC4合金中粗大的β相柱状晶正是因为具有较小生长激活能的已凝固β相在热影响区的多次作用下进一步粗化的结果。加之β相在冷却过程中发生β→α固态相变，因此3D打印TC4合金零件的最终固态组织由初生β相柱状晶与晶内具有一定位相关系的大量魏氏α板条以及一定体积分数的板条间β相组成。这些结果说明激光熔化3D打印将增大溶质元素的固溶度，有利于提高合金的性能，热影响区内固相的“在线热处理”较难控制，有可能损害性能。

外延生长柱状晶是激光熔化3D打印金属零件的主要凝固组织特征，这将导致性能的各向异性。李延民等分析激光熔化3D打印的316L不锈钢凝固组织发现，生长方向不一的细长枝晶从试样的底部贯穿至顶部，平均一次枝晶间距在4-50μm，比常规铸造组织的平均一次枝晶间距的几百到上千微米小的多。这种宏观晶粒粗大，晶内亚组织细小的组织形态是3D打印金属构件的常见组织形态。与不锈钢不同，虽然TC4合金的主要固态组织仍旧是具有外延生长特性的β相柱状晶，但在试样的顶部出现了平均尺寸约为80μm的等轴晶组织，这远小于平均尺寸约为600μm甚至更大的β相柱状晶。黄卫东以及M.Gaumann等分析金属熔池温度分布情况提出，由于金属熔池的温度梯度以及冷却速度均由边部向中心逐渐减小，因此熔池中心部分具备等轴晶形核生长的条件。但是固相组织中是否存在等轴晶区还取决于柱状晶/等轴晶转换生长的条件能否被满足。然而，即使等轴晶区存在，新一层熔池经过时将熔化前一层顶部的等轴晶，使其再次处于高温度梯度与冷却速度的生长环境中，延续凝固组织的外延生长特性。王华明等在研究3D打印1Cr12Ni2WMoVNb钢时发现了类似的情况，产生不均匀组织。除特殊要求外，柱状晶组织导致各向异性，对零件的使用不利，同时柱状晶与等轴晶混杂所造成的组织不均匀也是有害的，因此要设法消除。为此开展了较多的研究，以期获得均匀细化等轴晶组织。但至今仍主要采用调整激光加热条件等‘热手段’来改变晶粒组织，如L.E.Murr等发现330W激光制备的Ti-6Al-4V试样的平均晶粒尺寸小于780W激光制备的试样。但是受限于不同合金各自的最佳打印参数范围，这一调节仍十分有限，因而有必要开拓新的控制凝固晶粒组织的技术途径。

内部微小孔洞是3D打印金属零件中一种常见的组织缺陷，它大大降低了合金的性能。除了粉末形状不规则，含气量较高等母材质量的影响之外，打印参数不匹配也易于造成这一缺陷。K.M.Mumtaz等对激光熔化增材制造Waspaloy合金构件进行研究发现，试样中孔洞的含量随着激光能量从5J增至9J而减少，当激光能量高于9J时，试样中的孔洞量反而增加。林鑫等关注了激光扫描道与道之间搭接率对孔洞形成的影响并指出，过小的搭接率会导致‘峰-谷’状截面的出现从而增大试样中孔洞形成的可能，过大的搭接率则会使得道与道之间熔合不良形成较大的带状孔洞。J.P.Kruth等关注了激光扫描速度对试样中孔洞含量的影响，发现扫描速度越高试样的孔隙度越高。凝固中孔洞的产生主要是因为析出的气体来不及逃逸而包裹在合金中以及枝晶间液体的收缩得不到补充而形成缩松。合金特性、凝固形态、温度场均对其有重要影响，而液体中的流场对温度场和凝固形态以及气泡的运动均有很大作用，因此通过控制流场有望消除孔洞缺陷。

裂纹和变形是激光熔化3D打印构件中常见的问题。其主要诱因是金属熔池与基体之间，或者金属熔池与零件已成形部分之间的巨大的温差所导致的热应力。通过对3D打印Rene88DT合金的研究，黄卫东等指出，在保证沉积层与基体之间，沉积层层与层之间达到足够强度冶金结合的同时，降低激光束能量或者提高扫描速度能够降低熔池过热度，进而减轻零件成形过程中的内应力，避免裂纹形成。A.H.Nickel等则指出了激光扫描路径对零件加工过程中所受到内应力的影响，就“长光栅”、“短光栅”、“由外向内螺旋”以及“由内向外螺旋”四种扫描路径而言，“短光栅”和“由内向外螺旋”两种扫描方式能够最大限度的减小零件中的残余应力。除了对于激光能量等参数调节之外，N.W.Klingbei等还发现对基体预热以及缓冷都有助于减小成形零件中的残余应力。激光熔化凝固的加热条件不仅对变形和裂纹有影响，而且合金构件自身的性能和几何构造也影响着变形和裂纹的发生。杨建、陈静等研究发现，零件变形与材料自身塑性变形能力有关，并指出像Ni20合金这样的低延展性材料，内应力甚至可以导致其在成形过程中断裂。而内应力超过材料的强度极限是零件激光熔化-凝固过程中裂纹形成的主要原因。在裂纹源方面，激光熔化-凝固时初生枝晶间由于二次枝晶搭接导致金属液补缩通道封闭而产生的缩松，无疑是不可忽视的因素。这些由于补缩不及时所产生的微孔洞在后续成形过程中在拉应力的作用下将进一步扩展。可以看出，通过改善凝固组织可减轻变形和裂纹的倾向。

综上可知，3D打印中的凝固过程直接决定着最终金属构件的性能和质量。而其冷却速度高，甚至达到10⁵K/s，温度梯度大，且重复加热，将导致其组织难以控制，易于产生柱状晶、组织不均匀、微孔洞、裂纹和变形等缺陷。采用常规调整激光参数的方法已不能满足消除缺陷，提高质量和性能的要求，亟需深入研究激光熔化3D打印中凝固过程和探索新的控制手段。

近20余年来，静磁场控制金属凝固的研究发展迅速，取得了一系列重要成果。研究表明静磁场在金属凝固中可发挥独特的作用，有效控制金属凝固，如改变固液界面稳定性，细化枝晶组织，促进金属凝固中的柱状晶向等轴晶转变和细化晶粒等。这一非接触的干预金属凝固过程的技术为解决上述金属3D打印中金属凝固控制提供了新思路，但目前尚未见将之应用于金属3D打印技术领域中。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3D打印装置，通过施加外加磁场控制金属3D打印凝固组织的凝固行为，细化凝固组织晶粒，为控制凝固组织和获得均匀等轴晶组织提供了新途径，本发明优化了目前金属3D打印凝固组织控制手段有限的情况，在母材受激光、离子束、电弧等照射熔化后快速凝固过程中利用磁场对导电熔体流动的干预作用，达到晶粒细化、均匀成分的目标，3D打印出组织可控、性能优异的金属零件。

为达到上述发明创造目的，本发明的构思如下：

在金属3D打印的金属凝固过程中施加电磁场，流动的导电金属在磁场作用下产生感应电流，此电流与外加磁场相互作用在金属熔体中产生一体积力即电磁力，抑制金属熔体由于极高温度梯度而产生的对流。另一方面，快速凝固过程中难以避免的固/液界面处的极高温度梯度将在此处产生热电流，该电流与外加磁场相互作用产生促发熔体流动的热电磁力，从而达到对金属熔体搅拌的目的。对于金属熔体流动状态的控制，一方面可以通过驱动金属液流动，对枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，形成新的晶核，细化晶粒；同时，流动可以加速熔池温度均匀化、减缓中心液池过热度，使固液界面前沿温度梯度减缓，两相区成分过冷增加，为内生形核提供条件，从而增加形核率，达到细化晶粒的目的。另一方面，热电磁力同时存在于凝固过程的固相当中，该力与温度梯度成正比，金属3D打印过程中金属凝固时固/液界面前沿的温度梯度可以高达10⁵K/m，这将产生客观的热电流，与外加磁场相互作用下的热电磁力可以与重力处于同一量级，这将为枝晶断裂提供可能。因此，通过磁场的复合作用，可以显著细化金属凝固中的晶粒尺寸，改善晶粒的形貌，细化凝固组织，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。

根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种非接触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。电磁场对金属熔体的调控以及固相中热电磁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3D打印金属零件组织可控提供了可能。

作为本发明优选的技术方案，在进行金属3D打印制造时，在母材粉末或者原料丝材的原料供应过程中，采用竖直重力输送原料方式和水平铺展输送原料方式中的任意一种独立的原料供应方式或两种方式相结合的综合原料供应方式。

作为上述方案的进一步优选技术方案，在母材粉末或者原料丝材的原料供应过程中，采用竖直重力输送原料方式和水平铺展输送原料方式相结合的综合原料供应方式，对多种母材粉末或者原料丝材的输送，从而实现多种材料原位复合的3D打印成形。结合使用铺粉亦或送粉方式进行3D打印加工，能综合利用两种方式进行打印，此时，铺粉原料与送粉原料可为不同的两种金属粉末，从而实现多种材料原位复合的3D打印成形。

作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属3D打印制造装置施加的外部电磁场是稳恒磁场、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。综合集成铺、送粉两种常用的金属3D打印方法，同时引入电磁发生装置，实现3D打印中金属凝固过程的磁场控制，可以提高其过程的可控性，优化零件凝固组织及性能。

作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属3D打印制造装置施加的外部电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。

作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属3D打印制造装置施加的外部电磁场的磁场强度为从0T至磁场发生装置极限大小，磁场强度根据待加工金属零件的尺寸进行设置，即磁场强度根据磁极间隙大小而定。

作为上述方案的进一步优选技术方案，在进行金属3D打印制造时，母材粉末或者原料丝材是无磁性材料。

作为上述方案的进一步优选技术方案，母材粉末或者原料丝材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。

一种磁控金属3D打印装置，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，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，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中的任意一种独立的原料供应装置或两种输送原料装置联合使用的综合原料供应装置，竖直重力输送原料装置由送粉器供料罐和送粉管组成，送粉器供料罐内部形成送粉器原料粉末腔，送粉管的扩张段安装在送粉器供料罐的下方，形成漏斗状的原料重力输送通道，在送粉管收缩段的底部形成送粉口，使送粉器供料罐通过送粉器原料粉末腔底部开口落入送粉管后，通过送粉口将原料送到目标位置，水平铺展输送原料装置由铺粉原料粉末桶、铺粉原料粉末升降台和铺展/压实辊组成，铺粉原料粉末桶的内部形成铺粉原料粉末腔，铺粉原料粉末升降台安装在铺粉原料粉末桶的铺粉原料粉末腔内，控制铺粉原料粉末升降台沿着铺粉原料粉末腔移动将原料送出，熔融烧结系统单元包括烧结平台装置和熔融热源装置，烧结平台装置可移动地设置在竖直重力输送原料装置的下方，烧结平台装置包括烧结桶，烧结桶竖直设置，在述烧结桶中设置可竖直移动的烧结板升降台，烧结板升降台上固定设置烧结板，在烧结板上制造生成3D打印零件，还设置产生水平横向磁场的水平磁场发生器和产生竖直方向磁场的竖直磁场发生装置，形成外部磁场系统，水平磁场发生器设置在靠近烧结桶的上部开口边缘位置处，水平磁场发生器至少包括产生左右方向磁场的第一水平磁场发生器和产生前后方向磁场的第二水平磁场发生器，在烧结板升降台下方还设有竖直磁场发生装置，熔融热源装置由热源发生器和热源聚焦-偏转装置组成，热源聚焦-偏转装置通过热源聚焦系统支撑架安装在送粉管内部，热源发生器产生热能，随后热能通过热源聚焦-偏转装置形成可控热源束，通过调节热源聚焦-偏转装置使得可控热源束的焦点与烧结板表面重合，形成高温光斑，调节热源发生器，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，在3D打印开始时，当选择竖直重力输送原料装置进行同轴送粉方式供料时，将原料由送粉器原料粉末腔流入到送粉管中，进而从送粉口流出后，落到热源束的热源焦点中心位置处，热源束迅速将原料粉末熔化，在烧结板上形成微小熔池，通过控制烧结桶的水平运动，进而带动烧结板进行水平方向的二维平面运动，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，然后控制烧结板在烧结桶中下降不高于50微米的高度，依次重复同轴送粉和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，或者在3D打印开始时，当选择水平铺展输送原料装置进行平铺送粉方式供料时，铺展/压实辊进行水平移动，将铺粉原料粉末升降台升起推送出的原料粉末平整的铺于烧结板的上表面，在铺展/压实辊进行水平运动回程时，铺展/压实辊施加设定的压力将铺于烧结板上的松装粉末进行压实，然后，通过调节热源聚焦-偏转装置，实现对热源束扫描路径的规划，对水平铺展输送原料装置铺展、压实好的松装粉末层进行有选择的熔化-凝固工艺操作，实现单层烧结加工的工艺，然后控制烧结板在烧结桶中下降不高于50微米的高度，依次重复平铺送粉和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。本发明选择同轴送粉的方式进行打印时，粉末从最上端的粉巢中流入到送粉管中，粉末从喷嘴流出进入激光的焦点光斑中心，在烧结平台上热源将粉末熔化，形成液滴，进一步以点-线-面的加工逻辑完成一个平面层的打印。然后烧结平台下降一定高度，进行新一层的打印。依次过程，逐层融化堆积，实现完整零件的3D打印。本发明选择铺粉方式进行打印时，调节热源焦点与烧结平台处于同一平面，左边的粉末供给系统上升一定高度，与此同时右边烧结板下降一定高度，粉末铺展/压实辊从左边将粉末供给系统推送出的金属粉末首先铺展于烧结平台，在铺展/压实辊回程阶段对松装粉末进行压实处理，热源束对该层粉末有选择的进行照射熔化，如此反复，实现逐层堆积成行，最终完成零件的一次性3D打印成形。

上述热源束优选为激光束、电子束或者电弧。

上述热源束是激光束时，上述热源发生器优选为YAG激光器，CO₂激光器或者光纤激光器。

上述送粉口优选为单方向送粉口、多方向送粉口或环形送粉口。

上述水平磁场发生器和竖直磁场发生装置优选采用永磁体或电磁体产生磁场。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明在针对铺、送粉两类常见金属3D打印方法凝固组织控制手段受限的问题，结合实际，创新地将重力输送和水平铺展两种方式综合集成，综合利用了两种方式各自优势；

2.本发明的磁场发生装置的添加将实现对3D打印金属零件凝固组织的在线控制，这大大的改善可打印零件的使用性能，为拓展可打印材料范围提供可能，从而拓展现有3D打印设备应用范围，为使用者提供更大的选择性和可能性；

3.本发明在凝固过程中施加非稳恒磁场，可加速金属熔体的流动，从而对枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，形成新的晶核，细化晶粒；

4.本发明在凝固过程中施加稳恒静磁场，在抑制熔体强烈对流，均匀组织的同时在固相中可产生热电磁力，为枝晶断裂提供可能，实现3D打印过程中凝固组织的在线细化，组织的细化将会避免缩孔、裂纹等缺陷的产生；

5.本发明的电磁场发生装置可以是永磁铁也可以是电磁铁，生产工艺简单，安装灵活，组合方式多变，可以在对现有3D打印设备改动较小的情况下实现设备升级；

6.本发明采用铺、送粉一体化结构设计，两种方法可以分别单独使用，亦可综合使用，在综合使用的情况，可分别装配不同种类的粉末实现多种材料的一次性复合3D打印，轻松实现梯度、多层组合材料零件的制造；

7.本发明在进行3D打印时，金属粉末/丝材等母材受激光、电子束、电弧等热源照射熔化后快速凝固，热源能进行聚焦，在烧结平台上形成一个焦点，通过调节热能发生器的对热源束的能量进行调控，从而实现3D打印过程中熔体加热温度的调节，热源行进路径通过透调整或烧结平台的运动实现变化，本发明在3D打印过程中，本发明施加电磁场，在磁场金属凝固调控作用下，易于实现3D打印金属零件凝固组织的在线控制；

8.本发明能制备出来的物体可以是形状简单的块、棒状零件，也能制备形状复杂的功能性零件。

附图说明

图1为本发明优选实施例磁控金属3D打印装置的结构示意图。

图2为图1的A向视图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1和图2，一种磁控金属3D打印装置，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，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，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两种输送原料装置联合使用的综合原料供应装置，竖直重力输送原料装置由送粉器供料罐9和送粉管7组成，送粉器供料罐9内部形成送粉器原料粉末腔8，送粉管7的扩张段安装在送粉器供料罐9的下方，形成漏斗状的原料重力输送通道，在送粉管7收缩段的底部形成送粉口6，使送粉器供料罐9通过送粉器原料粉末腔8底部开口落入送粉管7后，通过送粉口6将原料送到目标位置，水平铺展输送原料装置由铺粉原料粉末桶1、铺粉原料粉末升降台2和铺展/压实辊4组成，铺粉原料粉末桶1的内部形成铺粉原料粉末腔3，铺粉原料粉末升降台2安装在铺粉原料粉末桶1的铺粉原料粉末腔3内，采用Al-10Si-1Mg合金粉末，平均粒度50微米，控制铺粉原料粉末升降台2沿着铺粉原料粉末腔3移动将原料送出，熔融烧结系统单元包括烧结平台装置和熔融热源装置，烧结平台装置可移动地设置在竖直重力输送原料装置的下方，烧结平台装置包括烧结桶18，烧结桶18竖直设置，在烧结桶18中设置可竖直移动的烧结板升降台16，烧结板升降台16上固定设置烧结板15，在烧结板15上制造生成3D打印零件14，还设置产生水平横向磁场的水平磁场发生器和产生竖直方向磁场的竖直磁场发生装置17，形成外部磁场系统，水平磁场发生器设置在靠近烧结桶18的上部开口边缘位置处，水平磁场发生器包括产生左右方向的0.1T的稳恒磁场的第一水平磁场发生器5和产生前后方向磁场的第二水平磁场发生器19，在烧结板升降台16下方还设有竖直磁场发生装置17，熔融热源装置由热源发生器12和热源聚焦-偏转装置11组成，热源聚焦-偏转装置11通过热源聚焦系统支撑架10安装在送粉管7内部，热源发生器12产生激光，随后激光通过热源聚焦-偏转装置11形成作为可控热源束13的激光束，通过调节热源聚焦-偏转装置11使得可控激光束的焦点与烧结板15表面重合，形成高温光斑，调节热源发生器12，对加工用激光束的能量进行调节，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，在3D打印开始时，当选择竖直重力输送原料装置进行同轴送粉方式供料时，将原料由送粉器原料粉末腔8流入到送粉管7中，进而从送粉口6流出后，落到激光束的热源焦点光斑中心位置处，激光束迅速将原料粉末熔化，在烧结板15上形成微小熔池，通过控制烧结桶18的水平运动，进而带动烧结板15进行水平方向的二维平面运动，依照‘点’形成‘线’，‘线’形成‘面’的逻辑完成3D打印零件14的单层烧结加工的工艺，然后控制烧结板15在烧结桶18中下降50微米的高度，依次重复同轴送粉和单层烧结加工的工艺，即完成3D打印零件14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，进行3D打印零件14成形，当选择水平铺展输送原料装置进行平铺送粉方式供料时，铺展/压实辊4进行水平移动，将铺粉原料粉末升降台2升起推送出的原料粉末平整的铺于烧结板15的上表面，在铺展/压实辊4进行水平运动回程时，铺展/压实辊4施加设定的压力将铺于烧结板15上的松装粉末进行压实，然后，通过调节热源聚焦-偏转装置11，实现对激光束扫描路径的规划，对水平铺展输送原料装置铺展、压实好的松装粉末层进行有选择的熔化-凝固工艺操作，实现单层烧结加工的工艺，然后控制烧结板15在烧结桶18中下降50微米的高度，依次重复平铺送粉和单层烧结加工的工艺，即完成3D打印零件14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，进行3D打印零件14成形，通过主控制器控制金属3D打印过程，通过平铺送粉和重力同轴送粉相结合的综合供料方式，通过熔融堆积，最后3D打印出一个完整零件。本实施例所施加的电磁场匀强区始终与热源束13的焦点保持一致，从而保证3D打印过程中金属凝固过程始终处于磁场当中。磁体位置放在烧结板升降台16下方、烧结板升降台16左右两侧和烧结板升降台16前后两侧，以实现不同方向磁场的施加。当在烧结板升降台16下方的磁体施加磁场时，磁场强度方向是竖直方向的，当位于烧结板升降台16左右两侧的磁体生成磁场时，磁场方向是左右横向的水平磁场，当位于烧结板升降台16前后两侧的磁体生成磁场时，磁场方向是前后横向的水平磁场。本实施由于加工平面，亦即激光焦点所处平面始终保持不变，因此为保证金属粉末熔化-凝固过程始终处于匀强磁场区提供了可能。通过调节磁场发生装置位置，使3D打印过程中的加工平面始终处于其匀强区，磁场对金属熔体流动以及固相中热电磁力使得枝晶断裂的作用将细化金属零件凝固组织，避免缩孔、裂纹等缺陷的产生，实现3D打印组织可控的高性能金属零件。本实施例能制备出来的物体可以是形状简单的块、棒状零件，也能制备形状复杂的功能性零件。

在本实施例中，参见图1和图2，在金属3D打印的快速凝固过程中施加电磁场，在电磁场的作用下，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，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；另一方面，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。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及磁控金属3D打印装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种非接触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3D打印制造时，通过向金属3D打印制造装置施加外部电磁场，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。

2.根据权利要求1所述非接触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3D打印制造时，在母材粉末或者原料丝材的原料供应过程中，采用竖直重力输送原料方式和水平铺展输送原料方式中的任意一种独立的原料供应方式或两种方式相结合的综合原料供应方式。

3.根据权利要求2所述非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：在母材粉末或者原料丝材的原料供应过程中，采用竖直重力输送原料方式和水平铺展输送原料方式相结合的综合原料供应方式，对多种母材粉末或者原料丝材的输送，从而实现多种材料原位复合的3D打印成形。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：向金属3D打印制造装置施加的外部电磁场是稳横磁场、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。

5.根据权利要求4所述非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：向金属3D打印制造装置施加的外部电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。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：向金属3D打印制造装置施加的外部电磁场的磁场强度为从0T至磁场发生装置极限大小，磁场强度根据待加工金属零件的尺寸进行设置，即磁场强度根据磁极间隙大小而定。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述非接触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3D打印制造时，母材粉末或者原料丝材是无磁性材料。

8.根据权利要求7所述非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：母材粉末或者原料丝材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。

9.一种磁控金属3D打印装置，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，所述主控制器控制3D打印装置的各工作单元，其特征在于：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中的任意一种独立的原料供应装置或两种输送原料装置联合使用的综合原料供应装置，所述竖直重力输送原料装置由送粉器供料罐（9）和送粉管（7）组成，所述送粉器供料罐（9）内部形成送粉器原料粉末腔（8），所述送粉管（7）的扩张段安装在所述送粉器供料罐（9）的下方，形成漏斗状的原料重力输送通道，在送粉管（7）收缩段的底部形成送粉口（6），使所述送粉器供料罐（9）通过送粉器原料粉末腔（8）底部开口落入所述送粉管（7）后，通过送粉口（6）将原料送到目标位置，所述水平铺展输送原料装置由铺粉原料粉末桶（1）、铺粉原料粉末升降台（2）和铺展/压实辊（4）组成，所述铺粉原料粉末桶（1）的内部形成铺粉原料粉末腔（3），所述铺粉原料粉末升降台（2）安装在所述铺粉原料粉末桶（1）的铺粉原料粉末腔（3）内，控制所述铺粉原料粉末升降台（2）沿着铺粉原料粉末腔（3）移动将原料送出，所述熔融烧结系统单元包括烧结平台装置和熔融热源装置，所述烧结平台装置可移动地设置在所述竖直重力输送原料装置的下方，所述烧结平台装置包括烧结桶（18），所述烧结桶（18）竖直设置，在述烧结桶（18）中设置可竖直移动的烧结板升降台（16），所述烧结板升降台（16）上固定设置烧结板（15），在所述烧结板（15）上制造生成3D打印零件（14），还设置产生水平横向磁场的水平磁场发生器和产生竖直方向磁场的竖直磁场发生装置（17），形成外部磁场系统，所述水平磁场发生器设置在靠近所述烧结桶（18）的上部开口边缘位置处，所述水平磁场发生器至少包括产生左右方向磁场的第一水平磁场发生器（5）和产生前后方向磁场的第二水平磁场发生器（19），在所述烧结板升降台（16）下方还设有竖直磁场发生装置（17），所述熔融热源装置由热源发生器（12）和热源聚焦-偏转装置（11）组成，所述热源聚焦-偏转装置（11）通过热源聚焦系统支撑架（10）安装在所述送粉管（7）内部，所述热源发生器（12）产生热能，随后热能通过所述热源聚焦-偏转装置（11）形成可控热源束（13），通过调节所述热源聚焦-偏转装置（11）使得可控热源束（13）的焦点与所述烧结板（15）表面重合，形成高温光斑，调节所述热源发生器（12），对加工用热源束（13）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，在3D打印开始时，当选择所述竖直重力输送原料装置进行同轴送粉方式供料时，将原料由所述送粉器原料粉末腔（8）流入到所述送粉管（7）中，进而从所述送粉口（6）流出后，落到热源束（13）的热源焦点中心位置处，热源束（13）迅速将原料粉末熔化，在所述烧结板（15）上形成微小熔池，通过控制所述烧结桶（18）的水平运动，进而带动所述烧结板（15）进行水平方向的二维平面运动，依照‘点’形成‘线’，‘线’形成‘面’的逻辑完成3D打印零件（14）的单层烧结加工的工艺，然后控制所述烧结板（15）在所述烧结桶（18）中下降不高于50微米的高度，依次重复同轴送粉和所述单层烧结加工的工艺，即完成3D打印零件（14）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，或者在3D打印开始时，当选择所述水平铺展输送原料装置进行平铺送粉方式供料时，所述铺展/压实辊（4）进行水平移动，将所述铺粉原料粉末升降台（2）升起推送出的原料粉末平整的铺于所述烧结板（15）的上表面，在所述铺展/压实辊（4）进行水平运动回程时，所述铺展/压实辊（4）施加设定的压力将铺于所述烧结板（15）上的松装粉末进行压实，然后，通过调节所述热源聚焦-偏转装置（11），实现对热源束（13）扫描路径的规划，对所述水平铺展输送原料装置铺展、压实好的松装粉末层进行有选择的熔化-凝固工艺操作，实现单层烧结加工的工艺，然后控制所述烧结板（15）在所述烧结桶（18）中下降不高于50微米的高度，依次重复平铺送粉和所述单层烧结加工的工艺，即完成3D打印零件（14）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。

10.根据权利要求9所述磁控金属3D打印装置，其特征在于：热源束（13）是激光束、电子束或者电弧。

11.根据权利要求10所述磁控金属3D打印装置，其特征在于：所述热源束（13）是激光束时，所述热源发生器（12）为YAG激光器，CO₂激光器或者光纤激光器。

12.根据权利要求9～11中任意一项所述磁控金属3D打印装置，其特征在于：所述送粉口（6）为单方向送粉口、多方向送粉口或环形送粉口。

13.根据权利要求9～11中任意一项所述磁控金属3D打印装置，其特征在于：所述水平磁场发生器和所述竖直磁场发生装置（17）采用永磁体或电磁体产生磁场。