一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法及装置，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法及装置，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。本专利技术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。【专利说明】一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法及装置
本专利技术技术属于制造领域，具体涉及一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法及装置。本专利技术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。
技术介绍
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"(ElectromagneticProcessing 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。
技术实现思路
为解决
技术介绍
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，本专利技术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。 本专利技术提供的一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法及装置，该装置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。 本专利技术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20 KHz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，本专利技术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。本专利技术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。 本专利技术主要具有如下特点: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，从而减粒小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法及装置，其特征在于该装置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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏青松，王爱华，李正阳，丁刚，张海龙，
申请(专利权)人：丹阳惠达模具材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32