CN113770391A - 一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统及方法，其中控制系统包括：激光发射模块，用于输出激光；成型室，包括用于制造所需工件的成型缸；绕组模块，用于向所述成型缸提供交变磁场。本发明提供一种基于交变磁场的合金激光选区熔化增材制造细晶强化的方案，通过复合场作用抑制铝合金枝晶沿热扩散方向的织构，阻断外延生长，实现晶粒细化和定向凝固，从而对组织性能进行强化。本发明可广泛应用于激光熔化技术领域。

Description

一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统及方法
技术领域
本发明涉及激光熔化技术领域，尤其涉及一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统及方法。
背景技术
激光选区熔化(Selective laser melting，SLM)是金属材料增材制造中的一种主要技术途径。该技术选用激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。
在熔质凝固过程中，晶体都会沿着热梯度方向凝固，形成细长的柱状晶或树枝晶。在增材制造中，由于其冷却速度快，主要温度梯度沿着构造方向(逐层堆叠方向)，这会导致晶体沿着构造方向生长，不利于力学性能的提升。比如：铝合金时，铝合金为面心立方晶体，所以其沿构造方向生长时沿着<100>晶向排列，这不利于性能的提升。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，包括：
激光发射模块，用于输出激光；
成型室，包括用于制造所需工件的成型缸；
绕组模块，用于向所述成型缸提供交变磁场。
进一步，所述合金包括铜合金、铝合金或者铝镁合金中的至少之一。
进一步，所述绕组模块包括电磁铁绕组和控制电路；
所述控制电路用于控制电磁铁绕组输出预设波形的交变磁场；
所述预设波形为方波、三角波、类三角波形或者正弦波。
进一步，所述预设波形为类三角波形；
所述控制电路包括电路结构相同的第一波形输入电路和第二波形输入电路；
所述第一波形输入电路的输入端输入第一方波，所述第一波形输入电路的第一输出端连接所述电磁铁绕组的第一端，所述第一波形输入电路的第二输出端连接所述电磁铁绕组的第二端；
所述第二波形输入电路的输入端输入第二方波，所述第二波形输入电路的第一输出端连接所述电磁铁绕组的第二端，所述第二波形输入电路的第二输出端连接所述电磁铁绕组的第一端；
所述第一方波和所述第二方波相差半个周期。
进一步，所述第一波形输入电路包括光耦器件和NMOS管；
所述第一方波作为所述光耦器件的输入，所述光耦器件的输出连接所述NMOS管的栅极，所述NMOS管的漏极连接所述电磁铁绕组的第一端，所述NMOS管的源极所述电磁铁绕组的第二端。
进一步，所述电磁铁绕组的安装角度可根据合金的晶体织构方向进行调整。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制方法，应用于上所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，包括以下步骤：
控制激光发射模块产生激光，使合金熔化；
控制绕组模块向成型缸产生交变磁场，作用于熔池中，以抑制合金枝晶沿热扩散方向的织构，阻断外延生长，实现晶粒细化和定向凝固。
进一步，所述控制绕组模块向成型缸产生交变磁场，作用于熔池中，包括：
将所述交变磁场作用于熔池中，使熔池中产生感应电流；
基于所述感应电流，在所述合金枝晶上产生洛伦兹力；
基于所述洛伦兹力，改变枝晶沿热扩散方向的织构，阻断枝晶的生长。
进一步，由于合金中晶磁异性的影响，所述感应电流的分布并不垂直于磁场方向，而是趋近垂直于晶体易磁化轴方向。
进一步，所述洛伦兹力改变熔质中细晶的排列，使晶体易磁化轴方向和交变磁场方向平行。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于交变磁场的合金激光选区熔化增材制造细晶强化的方案，通过复合场作用抑制铝合金枝晶沿热扩散方向的织构，阻断外延生长，实现晶粒细化和定向凝固，从而对组织性能进行强化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本发明实施例中一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中控制电路的电路示意图；
图3为本发明实施例中交变磁场对长枝晶的作用机理示意图；
图4为本发明实施例中交变磁场对长枝晶作用后的示意图；
图5为本发明实施例中交变磁场对细晶取向的影响示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、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装置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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，包括：
激光发射模块，用于输出激光；
成型室1，包括用于制造所需工件的成型缸2；
绕组模块，用于向成型缸2提供交变磁场。
在本实施例系统中，通过复合场(激光的能量场+交变磁场)作用抑制合金枝晶沿热扩散方向的织构，阻断外延生长，实现晶粒细化和定向凝固，从而对组织性能进行强化。该系统可适用于铝合金、铜合金、铝镁合金等具有高温电导率的金属材料。
激光发射模块产生激光，并将激光发射至成型缸内的金属粉末，以使金属粉末熔化。参见图1，激光模块包括振镜、准直器、场镜以及光纤激光等，这些设备可采用现有的装置来实现，这里不进行赘述。参见图1，在成型室1内设有成型缸2、粉料缸、升降装置以及刮板，粉料缸用于安放金属粉末，该升降装置通过向上移动，使粉料缸中的金属粉料溢出预设表面，控制刮板将溢出的金属粉料推送至成型缸中的预设位置。激光选区熔化增材制造为分层制造，先铺一层粉末，然后激光加工，再铺一层粉末，然后激光再加工，如此循环往复，最终获得所需的工件。
激光作用于金属粉末，使金属粉末熔化，形成熔池。将交变磁场作用于熔池中，通过合金的枝晶臂周围感应电流产生的洛伦兹力改变枝晶沿热扩散方向的织构，阻断枝晶的生长，有利于熔池中细晶的形核。由于晶磁异性的影响，感应电流的分布不完全垂直于磁场方向，而是趋近垂直于晶体易磁化轴方向。感应电流产生的洛伦兹力将改变熔质中细晶的排列，使晶体易磁化轴方向和交变磁场方向平行。在一些可选的实施例中，在激光选区熔化增材制造中，施加竖直的交变磁场，能够完成合金成形的细晶强化和定向凝固，获得理想的微观组织。
参见图2，在一些可选的实施例中，交变磁场的波形为类三角波形，绕组模块包括电磁铁绕组和控制电路；控制电路用于控制电磁铁绕组输出预设波形的交变磁场。
控制电路包括电路结构相同的第一波形输入电路和第二波形输入电路；
第一波形输入电路的输入端输入第一方波，第一波形输入电路的第一输出端连接电磁铁绕组的第一端，第一波形输入电路的第二输出端连接电磁铁绕组的第二端；第二波形输入电路的输入端输入第二方波，第二波形输入电路的第一输出端连接电磁铁绕组的第二端，第二波形输入电路的第二输出端连接电磁铁绕组的第一端；第一方波和第二方波相差半个周期。
第一波形输入电路包括光耦器件和NMOS管；第一方波作为光耦器件的输入，光耦器件的输出连接NMOS管的栅极，NMOS管的漏极连接电磁铁绕组的第一端，NMOS管的源极电磁铁绕组的第二端。
如图2所示，控制电路包括两个结构相同的波形输入电路，波形输入电路主要器件包括光耦，NMOS管等。由两组正-零方波(相差半个周期，参见图2，中左侧A，B波形)用于控制电磁铁的驱动电源，获得的波形是类似于三角形波(理论上是近简谐波，因为有充磁、消磁过程，在简谐波的前半段为近似直线，所以两个波形重叠后为近似三角形的波形，见图2，YC上面的C波形，YC为电磁铁绕组)。
在一些可选的实施例中，电磁铁绕组的安装角度可根据合金的晶体织构方向进行调整；磁场的方向即绕组的方向会改变晶体凝固时的织构方向。
上述的系统实现机理包括两部分：1)细晶强化，作用于细晶强化的作用力为电磁力(洛伦兹力)，这个电磁力是由感应电流和磁场的相互作用产生，而不是静磁场模式下由热电电流和磁场产生的，所以感应电流分布平面基本上垂直磁场，这个力作用于合金的枝晶上，会使粗长的树枝晶偏斜，破坏表面晶体顶部的稳定性，并阻断其外延生长，在熔池中更容易有细小的胞晶形核，从而实现细晶强化的目的。而且，三角形波代表着磁场方向的周期性改变，能够提高各向异性，改变初始定向凝固状态，抑制<100>晶面指数，从而增强性能。机理示意图如图3和图4所示；在图3中，当没有加交变磁场时，晶体都会沿着热梯度方向凝固，即竖直向上的方向，当增加了交变磁场后，产生了感应电流以及洛伦兹力，从而改变凝固的方向，如图4所示。
2)实现具有特殊功能强化的材料成形，如强度、导电率或导热率等。晶体沿着特性晶向排列会带来特殊的性能，以力学性能为例，面心立方晶体沿着<101>方向择优排列相较<100>具有性能上的优势，强度大幅增加。当交变磁场作用于熔池时，感应电流分布平面受易磁化轴影响，等效电流环路和垂直磁场的平面存在一定夹角，而电磁力可以让游离的晶粒发生偏转，从而使平面与磁场垂直，达到瞬态平衡。原理图参见图5，这个影响主要是作用于游离的细小晶体，可以参考图4中不规则形状的游离胞体，而无法显著影响(长)树枝晶。
以下结合具体实施例对上述系统的工作原理进行详细解释说明。
1)设备概述
增材制造通过逐层堆叠的方式完成金属零件的制造，能够实现复杂结构件的快速成形。将激光与辅助磁场相结合，能够阻断晶枝的外延生长，获得理想的显微组织及性能。该方法的应用借助于激光选区熔化设备，在此基础上改装加入竖直交变磁场发生器，示意图如图1所示。交变磁场通过单片机给出的脉冲信号控制，通过光隔离和NMOS管进行驱动。两组控制脉冲控制信号均为正-零电平，且相差1/2个周期，通过控制电路(如图2所示)后生成正负电平。通过高斯磁力计和示波器对交变磁感应强度进行测量。由于绕组中铁芯的存在，获得交变磁场为三角波，频率与控制信号频率一致。当输入控制信号的频率为300Hz时，获得的交变磁场为幅值0.4mT，有效值为0.2mT。
2)定向凝固及细晶强化
由于激光选区熔化制造过程中熔池的快速冷却，组织中的枝晶会沿着热梯度方向发生定向凝固，当金属材料为立方结构时会形成<100>晶向的织构。这种沿<100>晶向外延生长的长枝晶会显著影响制件的力学性能，降低零件的可靠性。同时，铝合金的制造过程中较难获得细小的组织，零件的强度受限。通过交变磁场产生的洛伦兹力能够强化熔质对流，减小温度梯度，控制晶粒在凝固过程中的增粗，从而获得性能优良的试样。
根据法拉弟电磁感应定律，当通过熔池的磁通量发生改变，就会有等效感应电流生成。感应电流的大小与电场强度和电导率相关。在熔池的糊状区中，电场强度E可以由麦克斯韦方程式求得：
Figure BDA0003282702540000061
其中B为磁感应强度，右侧等式为磁感应强度变化率。
电流密度JIE可由式2求得：
JIE＝σsE (2)
其中σs为固体电导率，E为电场强度。由于糊状区中固相和液相同时存在，且固体的电导率远大于液体的电导率，可以认为固态枝晶区域的电流密度远大于熔质区域。在感应电流和磁场的作用下，洛伦兹力FIE作用于等效电流所在的平面，由式3求得。不同于热电电流沿着热梯度方向的分布，FIE能够同时作用于枝晶底部和顶部，且远大于热电磁力FTE
Figure BDA0003282702540000062
当感应电流作用于单个枝晶时，枝晶所受的洛伦兹力处于平衡状态；当感应电流作用于多个枝晶时，枝晶所受洛伦兹力处于非平衡状态，方向可以通过左手定则判断，垂直于电流方向和磁场方向。
Figure BDA0003282702540000063
其中
Figure BDA0003282702540000064
为有效磁感应强度(矢量)。
采用的铝合金参数见表1所示。
表1
Figure BDA0003282702540000065
在铸造和增材制造中，金属会沿着热梯度方向发生定向凝固，通常认为当洛伦兹力大于1×105N/m3时就足以改变枝晶凝固方向和形态。根据式3求得的感应电流产生的洛伦兹力(感应电磁力)可达1×106N/m3，能够完成对枝晶的偏折、破碎和细化。SLM增材制造过程中，熔池中的铝合金枝晶沿着热梯度方向为<100>晶向，且发生显著的外延生长。感应电磁力在破碎枝晶后，会使得熔池糊状区游离的细晶更容易形核。当游离的晶体取向与枝晶生长方向不重合时，也会阻断枝晶的生长，因此能够对组织中晶粒进行有效细化。通过抑制<100>晶向的外延生长，增强<101>的晶面指数，能够有效提升铝合金的强度和塑性。作用示意图见图3和图4。由于晶磁异性，感应电流的分布并不是严格垂直于磁场方向，而是呈一个较小的夹角。当感应电磁力作用于小的晶体单元时，晶体单元受迫旋转，当感应电流所在平面与磁场方向垂直时达到受力平衡，实现细晶的定向凝固，作用机理参见图5。
本实施例还提供一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制方法，应用于上所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，包括以下步骤：
S1、控制激光发射模块产生激光，使合金熔化；
S2、控制绕组模块向成型缸产生交变磁场，作用于熔池中，以抑制合金枝晶沿热扩散方向的织构，阻断外延生长，实现晶粒细化和定向凝固。
进一步作为可选的实施方式，控制绕组模块向成型缸产生交变磁场，作用于熔池中，包括：
将交变磁场作用于熔池中，使熔池中产生感应电流；
基于感应电流，在合金枝晶上产生洛伦兹力；
基于洛伦兹力，改变枝晶沿热扩散方向的织构，阻断枝晶的生长。
进一步作为可选的实施方式，由于合金中晶磁异性的影响，感应电流的分布并不垂直于磁场方向，而是趋近垂直于晶体易磁化轴方向。
进一步作为可选的实施方式，洛伦兹力改变熔质中细晶的排列，使晶体易磁化轴方向和交变磁场方向平行。
本实施例公开一种将交变磁场应用于激光选区熔化增材制造成形铜、铝等具有高温电导率的材料的方法，该方法通过细晶强化提高合金的强度，改变定向凝固方向。通过复合场作用抑制铝合金枝晶沿热扩散方向的织构，阻断外延生长，实现晶粒细化和定向凝固，从而对组织性能进行强化。此方法适用于铝合金、铜合金、铝镁合金等具有高温电导率的金属材料。将交变磁场作用于熔池中，通过枝晶臂周围感应电流产生的洛伦兹力改变枝晶沿热扩散方向的织构，阻断枝晶的生长，有利于熔池中细晶的形核。由于晶磁异性的影响，感应电流的分布不完全垂直于磁场方向，而是趋近垂直于晶体易磁化轴方向。感应电流产生的洛伦兹力将改变熔质中细晶的排列，使晶体易磁化轴方向和交变磁场方向平行。因此，在激光选区熔化增材制造中，施加竖直的交变磁场，能够完成铝合金成形的细晶强化和定向凝固，获得理想的微观组织。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，其特征在于，包括：
激光发射模块，用于输出激光；
成型室，包括用于制造所需工件的成型缸；
绕组模块，用于向所述成型缸提供交变磁场。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，其特征在于，所述合金包括铜合金、铝合金或者铝镁合金中的至少之一。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，其特征在于，所述绕组模块包括电磁铁绕组和控制电路；
所述控制电路用于控制电磁铁绕组输出预设波形的交变磁场；
所述预设波形为方波、三角波、类三角波形或者正弦波。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，其特征在于，所述预设波形为类三角波形；
所述控制电路包括电路结构相同的第一波形输入电路和第二波形输入电路；
所述第一波形输入电路的输入端输入第一方波，所述第一波形输入电路的第一输出端连接所述电磁铁绕组的第一端，所述第一波形输入电路的第二输出端连接所述电磁铁绕组的第二端；
所述第二波形输入电路的输入端输入第二方波，所述第二波形输入电路的第一输出端连接所述电磁铁绕组的第二端，所述第二波形输入电路的第二输出端连接所述电磁铁绕组的第一端；
所述第一方波和所述第二方波相差半个周期。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，其特征在于，所述第一波形输入电路包括光耦器件和NMOS管；
所述第一方波作为所述光耦器件的输入，所述光耦器件的输出连接所述NMOS管的栅极，所述NMOS管的漏极连接所述电磁铁绕组的第一端，所述NMOS管的源极所述电磁铁绕组的第二端。
6.根据权利要求3所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，其特征在于，所述电磁铁绕组的安装角度可根据合金的晶体织构方向进行调整。
7.一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
控制激光发射模块产生激光，使合金熔化；
控制绕组模块向成型缸产生交变磁场，作用于熔池中，以抑制合金枝晶沿热扩散方向的织构，阻断外延生长，实现晶粒细化和定向凝固。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制方法，其特征在于，所述控制绕组模块向成型缸产生交变磁场，作用于熔池中，包括：
将所述交变磁场作用于熔池中，使熔池中产生感应电流；
基于所述感应电流，在所述合金枝晶上产生洛伦兹力；
基于所述洛伦兹力，改变枝晶沿热扩散方向的织构，阻断枝晶的生长。
9.根据权利要求8所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制方法，其特征在于，由于合金中晶磁异性的影响，所述感应电流的分布并不垂直于磁场方向，而是趋近垂直于晶体易磁化轴方向。
10.根据权利要求8所述的一种基于激光选区熔化的合金增材制造控制方法，其特征在于，所述洛伦兹力改变熔质中细晶的排列，使晶体易磁化轴方向和交变磁场方向平行。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114799224A (zh) * 2022-04-20 2022-07-29 南京航空航天大学 激光增材制造成形系统、激光增材制造成形性的调控方法
CN117884657A (zh) * 2023-12-18 2024-04-16 武汉纺织大学 一种外场辅助激光增材制造装置及其使用方法
CN117884657B (zh) * 2023-12-18 2024-06-04 武汉纺织大学 一种外场辅助激光增材制造装置及其使用方法

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