[发明专利]一种金属零件在磁场作用下3D打印成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明技术属于制造领域，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。