[发明专利]一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法

说明书

本发明属于金属增材制造领域，并具体公开了一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法，其包括成形装置、检测装置、调控装置和基板，成形装置、检测装置和调控装置均位于基板上方，检测装置和调控装置相连，调控装置包括电磁冲击调控单元和电磁搅拌调控单元；工作时，成形装置在基板上逐层成形工件，检测装置对已成形区域微观组织进行实时检测，并将检测结果传输给调控装置，进而根据检测结果采用电磁冲击调控单元对刚成形的熔凝微区进行电磁冲击，或采用电磁搅拌调控单元对熔池进行电磁搅拌以调控工件微观组织。本发明能够在成形过程中控制晶粒尺寸并减少气孔、未熔合等缺陷，并具有调控闭环、稳定、针对性强的优点。

技术领域

本发明属于金属增材制造领域，更具体地，涉及一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法。

背景技术

近年来，金属增材制造因为其柔性高、无模具、周期短、不受零件结构及材料限制等一系列优点，在军工、汽车、船舶、模具、电子、医疗等行业得到了广泛应用。

但是，金属增材制造过程中，在固体金属基底“无界面热阻”快速导热、高温度梯度超高、冷却速度超快条件下，如何有效控制熔化-凝固的冶金过程，进而调控成形构件的凝固组织，消除锁孔，微裂纹等缺陷，调控晶粒生长，最终实现构件性能的优化，是金属增材制造走向更广泛应用的障碍。一方面，高温熔池的快速凝固及逐层堆积过程中熔池金属的冶金动力学行为及其晶体形核和长大过程直接影响最终增材成形构件的冶金组织(如晶粒尺寸、晶粒形态、晶体取向、晶界结构及化学成分均匀性等)和力学性能，单一增材工艺易导致成形件微观组织粗大、不均匀和各向异性，对于微观组织的调控不足将导致成形件的性能不足和不可靠。另一方面，由于成形件骤冷骤热，温度梯度过高将导致产生不可控变形及较大的残余应力，过大的残余应力会降低成形件的力学性能甚至导致微裂纹的产生，复杂的热循环将导致残余应力分布复杂，进而致使成形件变形、开裂。这些问题降低了金属增材制造成形件的力学性能和可靠性，从而制约了金属增材制造技术的推广和应用。

目前，金属增材制造研究领域中微观组织和性能调控主要通过工艺参数优化和引入受迫加工的方法，常规的工艺参数优化需要大量的工艺试验，而且具有一定的局限性，已不能满足消除缺陷，提高质量和性能的要求，而受迫加工对降低残余应力和细化晶粒有一定的效果，但难以抑制缺陷产生且没有与检测手段联合起来，具有组织调控的不可控性和盲目性。因此，亟需找到一种有效可控方法解决目前金属增材制造所面临的主要问题，以获得晶粒细小、性能优良的金属增材成形构件。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法，其目的在于，在工件成形过程中，对微观组织进行实时检测，进而通过电磁冲击和电磁搅拌对微观组织进行调控，从而控制晶粒尺寸并减少气孔、未熔合等缺陷，实现对微观组织的在线检测和调控，整个过程具有调控闭环、稳定、针对性强的优点。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，包括成形装置、检测装置、调控装置和基板，其中：所述成形装置、检测装置和调控装置均位于所述基板上方，所述检测装置和调控装置相连，所述调控装置包括电磁冲击调控单元和电磁搅拌调控单元；

工作时，成形装置在基板上逐层成形工件，检测装置和调控装置跟随成形装置同步移动，检测装置对已成形区域微观组织进行实时检测，并将检测结果传输给调控装置，进而根据检测结果采用电磁冲击调控单元对刚成形的熔凝微区进行电磁冲击，或采用电磁搅拌调控单元对熔池进行电磁搅拌以调控工件微观组织，完成微观组织检测及调控。

作为进一步优选的，所述检测装置为电磁涡流检测装置。

作为进一步优选的，所述检测装置的轴线与所述基板垂直。

作为进一步优选的，所述电磁冲击调控单元和电磁搅拌调控单元均包括励磁线圈和导磁铁芯，所述励磁线圈缠绕在导磁铁芯上，所述导磁铁芯通过可调节支架安装在所述成形装置上。

作为进一步优选的，所述导磁铁芯上设置有水冷流道。