CN111590072A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

Info

Publication number
CN111590072A
CN111590072A CN202010149208.5A CN202010149208A CN111590072A CN 111590072 A CN111590072 A CN 111590072A CN 202010149208 A CN202010149208 A CN 202010149208A CN 111590072 A CN111590072 A CN 111590072A
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
electric field
additive manufacturing
heat source
metal part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010149208.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111590072B (zh
Inventor
王昌飞
魏维
黄崇湘
代显强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chengdu Yongxi Poly Material Technology Co ltd
Sichuan University
Original Assignee
Chengdu Yongxi Poly Material Technology Co ltd
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chengdu Yongxi Poly Material Technology Co ltd, Sichuan University filed Critical Chengdu Yongxi Poly Material Technology Co ltd
Publication of CN111590072A publication Critical patent/CN111590072A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111590072B publication Critical patent/CN111590072B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/10—Formation of a green body
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/22—Driving means
    • B22F12/222—Driving means for motion along a direction orthogonal to the plane of a layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/22—Driving means
    • B22F12/224—Driving means for motion along a direction within the plane of a layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/49—Scanners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/80—Plants, production lines or modules
    • B22F12/82—Combination of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

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。

Description

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。
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的顶部外围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。

Claims (11)

1.一种电场－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，其特征在于：所述熔融烧结系统单元包括烧结平台装置(5)和熔融能量装置，所述烧结平台装置包括成形缸(4)，所述成形缸(4)中设置可竖直移动的升降基板(5)，所述升降基板(5)与电场发生装置(3)电连接，在所述成形缸(4)的顶部外围设置有横向磁场发生器(6)和纵向磁场发生器(17)。
2.如权利要求1所述的一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：所述的电场发生装置(3)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。
3.如权利要求2所述的一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：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。
4.如权利要求1～3中任意所述的一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：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(10)和落粉器(9)；所述熔融热源装置包括热源发生器(13)和热源聚焦－偏转装置(14)，所述热源聚焦－偏转装置(14)设置在成形腔体(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)。
5.如权利要求4所述的一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：热源束(15)是激光束、电子束或者电弧。
6.根据权利要求5所述一种电场－磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，其特征在于：所述热源束(15)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。
7.一种基于权利要求1～6中任一项所述增材制造装置的电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：在进行金属零件增材制造时，通过向增材制造装置施加外部电场与磁场，对母材粉末在受激光、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。
8.如权利要求7所述的一种电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：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(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(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(15)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。
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(5)在所述成形缸(4)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(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。
9.如权利要求8所述的一种电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：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。
10.如权利要求9所述的一种电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：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。
11.如权利要求10所述的一种电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，其特征在于：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。
CN202010149208.5A 2019-09-26 2020-03-06 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 Active CN111590072B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2019109165271 2019-09-26
CN201910916527.1A CN110614365A (zh) 2019-09-26 2019-09-26 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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111590072A true CN111590072A (zh) 2020-08-28
CN111590072B CN111590072B (zh) 2022-12-30

Family

ID=68924163

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910916527.1A Withdrawn CN110614365A (zh) 2019-09-26 2019-09-26 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
CN202010149208.5A Active CN111590072B (zh) 2019-09-26 2020-03-06 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

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910916527.1A Withdrawn CN110614365A (zh) 2019-09-26 2019-09-26 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

Country Status (1)

Country Link
CN (2) CN110614365A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113134670A (zh) * 2021-04-27 2021-07-20 哈尔滨工业大学 一种增材加工设备及加工方法
CN114669759A (zh) * 2022-04-02 2022-06-28 江苏科技大学 一种外场辅助高熵合金激光增材制造装置及其方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111055029A (zh) * 2019-12-31 2020-04-24 武汉大学 电磁场控制等离子体调控裂纹扩展的激光切割装置及方法
CN111678933B (zh) * 2020-05-29 2023-10-24 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种脉冲磁场处理对金属零件微观组织影响的分析方法
CN111816836B (zh) * 2020-07-20 2021-09-17 四川虹微技术有限公司 一种复合锂金属负极材料及其制备方法
CN112322906A (zh) * 2020-11-04 2021-02-05 上海大学 一种提高高温合金铸坯均匀性的装置及方法
CN113909635A (zh) * 2021-10-20 2022-01-11 上海交通大学 一种外加纵向磁场作用下电弧双丝增材制造的装置和方法
CN114244147B (zh) * 2021-12-17 2023-05-12 四川大学 一种用于电磁强化处理的电磁场耦合发生装置及方法
CN115365516B (zh) * 2022-07-15 2024-02-02 华中科技大学 定点送粉装置、选区激光熔化成型设备及方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140363326A1 (en) * 2013-06-10 2014-12-11 Grid Logic Incorporated System and method for additive manufacturing
EP2942424A2 (en) * 2014-05-09 2015-11-11 United Technologies Corporation Method for forming a directionally solidified replacement body for a component using additive manufacturing
CN105798299A (zh) * 2016-03-29 2016-07-27 上海大学 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
CN107803500A (zh) * 2017-10-31 2018-03-16 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置及方法
CN108421976A (zh) * 2018-03-01 2018-08-21 武汉大学 一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法
CN108620585A (zh) * 2018-04-09 2018-10-09 上海大学 能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置
CN108620584A (zh) * 2018-04-03 2018-10-09 上海大学 全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置
CN109465442A (zh) * 2018-11-12 2019-03-15 华中科技大学 一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法
CN109596670A (zh) * 2018-12-08 2019-04-09 北京理工大学 一种电/磁场环境综合发生系统
CN109894615A (zh) * 2019-04-19 2019-06-18 扬州海昌新材股份有限公司 脉冲放电闪速烧结金属基零部件近净成形工艺方法
CN110189874A (zh) * 2019-05-28 2019-08-30 华中科技大学 一种基于3d打印技术的绝缘子的制备方法
CN110202149A (zh) * 2019-07-03 2019-09-06 上海大学 一种激光立体成形加工装置及方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140363326A1 (en) * 2013-06-10 2014-12-11 Grid Logic Incorporated System and method for additive manufacturing
EP2942424A2 (en) * 2014-05-09 2015-11-11 United Technologies Corporation Method for forming a directionally solidified replacement body for a component using additive manufacturing
CN105798299A (zh) * 2016-03-29 2016-07-27 上海大学 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
CN107803500A (zh) * 2017-10-31 2018-03-16 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种粉床增材制造电磁感应减缓零件应力的装置及方法
CN108421976A (zh) * 2018-03-01 2018-08-21 武汉大学 一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法
CN108620584A (zh) * 2018-04-03 2018-10-09 上海大学 全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置
CN108620585A (zh) * 2018-04-09 2018-10-09 上海大学 能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置
CN109465442A (zh) * 2018-11-12 2019-03-15 华中科技大学 一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法
CN109596670A (zh) * 2018-12-08 2019-04-09 北京理工大学 一种电/磁场环境综合发生系统
CN109894615A (zh) * 2019-04-19 2019-06-18 扬州海昌新材股份有限公司 脉冲放电闪速烧结金属基零部件近净成形工艺方法
CN110189874A (zh) * 2019-05-28 2019-08-30 华中科技大学 一种基于3d打印技术的绝缘子的制备方法
CN110202149A (zh) * 2019-07-03 2019-09-06 上海大学 一种激光立体成形加工装置及方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113134670A (zh) * 2021-04-27 2021-07-20 哈尔滨工业大学 一种增材加工设备及加工方法
CN114669759A (zh) * 2022-04-02 2022-06-28 江苏科技大学 一种外场辅助高熵合金激光增材制造装置及其方法
CN114669759B (zh) * 2022-04-02 2024-01-05 江苏科技大学 一种外场辅助高熵合金激光增材制造装置及其方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110614365A (zh) 2019-12-27
CN111590072B (zh) 2022-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111590072B (zh) 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
CN108620584B (zh) 全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置
CN108620585B (zh) 能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置
CN109465442B (zh) 一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法
CN109175364B (zh) 一种激光增材装置及其增材制造的方法
CN105798299B (zh) 非接触控制增材制造金属零件凝固组织的方法及装置
CN109396434B (zh) 一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法
US20220288695A1 (en) High-energy beam additive manufacturing forming device and forming method
CN101862913B (zh) 一种电磁电流耦合场辅助的激光-tig电弧复合熔钎焊方法和设备
CN108555301B (zh) 一种大型精密金属零件的分区并行式三维打印成型方法
CN108436083A (zh) 一种激光增材制造镍基高温合金脆性相的控制方法及装置
CN106757001A (zh) 一种强制冷却环境下电磁搅拌辅助进行激光熔覆的方法和装置
CN108405863B (zh) 一种基于感应熔炼的并行式金属三维打印成型方法
CN112974803B (zh) 一种减少激光选区熔化成型构件孔隙率的方法
CN109158598A (zh) 一种激光选区熔化成形设备及方法
CN109550947B (zh) 一种基于超高频感应加热的金属沉积成形方法及装置
CN105935828B (zh) 一种基于脉冲电流强制熔滴过渡的电弧三维快速成形制造方法
CN112276083B (zh) 一种光内同轴送粉激光复合增材制造方法及装置
CN110714199A (zh) 一种用于3d打印搭接电子束制备涂层的方法
CN112719594A (zh) 一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法
JP2017025401A (ja) 金属材積層造形方法及び積層造形装置及び積層造形物
CN102373469A (zh) 一种连续机械振动抑制激光熔覆层裂纹的方法
CN108526653B (zh) 一种基于并行脉冲电弧熔化的金属三维打印成型方法
CN108405864B (zh) 一种基于感应熔炼的直写式金属三维打印成型方法
CN116604033A (zh) 一种基于脉冲电场同步辅助激光3d打印铝合金的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant