[发明专利]能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置

说明书

本发明公开了一种能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置，在金属激光立体成形快速凝固过程中施加磁场，在磁场的作用下，快速凝固的固/液界面处能够产生热电流，热电流与磁场相互作用产生触发熔体流动的热电磁力，枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新晶核，提高形核率；磁场抑制金属熔体流动，减弱了凝固过程中偏析作用。本发明独创性地将不同种激光金属增材制造的母材输运装置结合起来，实现铺粉、送粉及送丝多种打印情况的母材输送以及组织控制。在磁场控制装置固定在激光发射器上作为母材输运装置，保证激光熔池时刻处于磁场中心，方便对磁场的控制以及进一步探究磁场对激光立体成形的快速凝固过程的影响。

技术领域

本发明涉及一种增材制造工艺设备，特别是涉及一种利用激光热源和金属粉末或金属丝及其输送装置制造零件的装置，应用于金属凝固组织控制以及电磁冶金技术领域。

背景技术

激光金属增材制造利用激光作为热源，对金属粉末或金属丝进行区域性融化并快速凝固，将所要制造的零件的几何结构进行二维分层，通过逐层打印的方式将立体的零件一层一层的打印出来。由于其特殊的制造过程，该制造方法可以直接打印几乎任何几何结构的零件，如直接打印相互嵌套的环等等。目前，激光增材制造技术所应用的材料已涵盖Ti合金、镍基合金和钴基合金等高温合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等。在航空航天领域中高性能复杂构件和生物制造领域中多孔复杂结构制造具有显著优势。

目前激光金属增材制造分为两大类，一类是激光立体成形技术，另一类是激光选区熔融技术。其中激光选区熔融技术是先铺满一层粉末，然后激光在这一层粉末上面进行扫描，再铺下一层粉末，最后把零件从粉末中取出。而激光立体成形不需要铺粉，利用送粉器或金属丝输运装置直接将母材输送到激光的位置熔化并凝固成型，效率比激光选区熔融更高，需要的母材量也相对较少。虽然激光金属立体成形技术具有突出的技术优势，但由于激光能量输入较大，温度梯度较高，液态金属在非平衡状态下凝固。要控制其中熔化凝固的过程，进而调控凝固组织，消除凝固缺陷，实现性能的优化。这方面的研究还在进行中。

激光金属增材制造物理本质就是金属粉末或丝材受激光辐照温度升高而熔化，之后在之前的凝固层或基底上快速凝固。凝固组织形态主要受激光参数和底层散热条件控制。因此在制造过程中易产生柱状晶发达导致的各向异性、晶体生长方向失控、微孔，裂纹和变形等问题，影响制造零件的性能。是一直困扰研究者的难题。为此大量研究已经开展。在该非平衡凝固过程中，枝晶形态特征直接影响性能，平均一次枝晶间距随着激光扫描速度增大而减小。另一方面，高的冷却速度导致构件的溶质含量、分布及相组成也发生较大变化。在激光下的快速冷却过程中，由于凝固速度也就是固液界面推进速度非常快，导致溶质滞留现象。上个世纪80年代，就有人通过引入动态的非平衡分配系数对激光熔化时非平衡凝固的溶质滞留现象进行了数值模拟。而溶质滞留也减轻了由于溶质再分配导致的宏观偏析。