[发明专利]一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法

说明书

本文发明公开了一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法，通过在传统激光选择性烧结加热的基础上，引入了磁场发生器，正常打印时，通过控制系统控制磁场发生器产生稳定的静态磁场，通过静态磁场提供洛伦兹力改变工件打印过程中熔池的流场分布，当工件打印累积到一定厚度时，控制磁场发生器产生交变磁场，对工件进行加热回火热处理，之后自然冷却到常温，按照上述方法继续工件打印，直至工件打印结束。本发明在打印过程中，不仅能减小马兰格尼效应所产生的工件不平整效果，还能消除打印过程中造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使工件的组织和性能更加均匀，促进了打印材料金相组织的生长，提高工件的硬度和强度。

技术领域

本发明属于金属3D打印增材制造技术领域，涉及一种3D打印加热装置，具体涉及一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法。

背景技术

选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）作为增材制造技术之一，能够实现由金属粉末到零件的自由制造，成型件尺寸精度高，表面粗糙度低，特别适合具有复杂几何结构零件的成型，广泛应用于航天制造以及精密加工等行业。

在SLM加工过程中，由于激光加工温度梯度大，冷却速度快，容易造成工件内部晶粒大小不均匀、部分晶粒粗大、表面残余应力大等缺陷。而SLM加工时间长、要求得到的工件结构复杂且精度要求高，如果采用离线热处理工艺处理则会相应提高对热处理工作仪器的精度要求和工件加载难度，从而导致加工周期过长、成本提高。

对金属3D打印的工作平台施加特定的磁场，从而在整个SLM工作流程中产生一定的磁场力和热量。通过焊接过程中磁场“搅拌”作用以及对焊接后保温处理，可以在整个SLM成形缸中完成细化晶粒、改变金相组织、消除残余应力的部分热处理过程。从而加强工件的硬度、强度、塑性等各方面的性能，提高SLM成品加工的质量。

在当前在线热处理设备中，一般采用的是底部加热方式，即在成形缸底板设置了电阻丝或其他设备进行加热，但存在的问题是SLM成形整个流程中突出的主要特点是加工时间一般长达数十个小时且最终加工工件厚度仅为几毫米几十毫米。若采用底板加热方式会出现对已成型的工件部分进行了长时间过度加热的现象，同样会使成形后的金相组织受热过度“生长”造成粗大现象，并且容易导致成形缸内粉末不均匀加热的现象。

发明内容

为了改变SLM制造过程所出现的晶粒粗大、裂纹、残余应力过大以及硬度较低等现象，本发明提出了将磁场和温度场耦合到金属3D打印设备中从而改善打印的质量，提高成品的表面硬度和强度。

在金属3D打印机中加入电磁感应线圈，用数控电流控制磁场的大小和方向。由于不同材料的磁导率不同，所需的磁场大小也不同，因此在选定打印材料后，将磁场大小设置为材料所需的大小。

在金属熔池内部存在着复杂相关性的液体流动，因此在磁场的环境下液态金属的流动会受到磁性力、洛伦兹力和热电磁力的影响而发生流动方向改变。由于交变磁场控制熔池的同时也会因涡流效应在成形杠内产生大量的热量，因此本发明中在对于打印工件总厚度不同的情况选用不同种类的磁场，旨在利用磁场对金属熔池的控制作用影响熔池的流动状况的同时避免涡流效应所带来的负面热影响，从而达到缩小工件上下受热不均匀造成尺寸精度误差的情况下最大程度上细化晶粒的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，包括送粉装置、铺粉器、粉末回收装置和成形缸，成形缸的侧壁设有冷却装置，成形缸内设有可升降的工作台，所述工作台上方设有激光加热装置，其特征在于：工作台上方还设有磁场发生器和磁场探测仪，所述磁场探测仪通过水平移动装置安装在工作台上方，所述磁场发生器产生的磁场被磁场探测仪检测到，然后反馈给控制系统，控制系统控制磁场发生器调整产生所需频率及强度的磁场。