[发明专利]一种高能束增材制造成型的装置及成型方法

说明书

本发明公开一种高能束增材制造成型的装置及成型方法，包括辅助增材成型的磁场单元，还包括用于放置待加工材料的成型基座和发出高能束且作用于待加工材料并形成熔池的高能束发生装置；磁场单元，包括第一磁场发生装置，第一磁场发生装置包括设置在熔池下方的感应线圈。第一磁场发生装置可拆卸设置在成型基座用于放置待加工材料的表面下方，第二磁场发生装置设置在成型基座的上方，通过熔池下方设置感应线圈，且熔池位于感应线圈发出集束磁感线的区域内的方式，使熔池中均穿过有集束磁感线，进而使得熔池所处的磁场强度集中，进而提高了磁场对增材成型的控制效果，而且提高了磁场单元对熔池的控制效率。

技术领域

本发明涉及金属增材制造工艺控制领域，特别是涉及一种高能束增材制造成型的装置及成型方法。

背景技术

增材制造技术又称3D打印技术，该技术基于分层-叠加原理，利用计算机控制高能激光束/电子束/电弧的运动轨迹，利用激光束/电子束/电弧的高能量熔化金属粉末，待高能束熔化金属粉末后，形成熔池的金属液发生快速冷却和凝固的过程。整个增材制造就是高能束光斑运动的由点到面，再由面到体的成型步骤。这种点-线-面-体一体化的加工方式使其在制造复杂形状构件方面具有独特的优势。该技术因其材料利用率高、生产制造周期短、设计自由度高等特点为航空航天、汽车、船舶、能源、化工、医疗等广大制造业领域的复杂结构件减重设计及制造问题提供一种新的解决途径。

3D打印技术有众多优点，但其成形零件仍然存在不足，即使3D打印技术成形的构件致密度高，也难以避免在成形零件过程中产生一些内在缺陷，如组织难以控制，残余应力、微观裂纹、球化、孔隙等缺陷的形成。由于材料累加成形的工艺特点，金属增材制造也很难避免上述内在缺陷，从而影响了构件的性能和应用。金属增材制造的加工过程是激光束/电子束/电弧和粉末在微米尺度上的相互作用，当激光束/电子束/电弧作用于金属粉末时，不断经历急热和急冷的交替过程，致使熔池及其附近部位的加热熔化、凝固和冷却的速度比周围的区域速度高，其区域的熔化、凝固行为属非稳态和非平衡过程，微尺度熔池内存在较大温度梯度(可达10⁶K/m)，在较高的温度梯度和表面张力梯度作用下，Marangoni对流失稳，凝固速度加快(10⁴K/s)，偏离平衡态特征更加显著，进而影响凝固组织以及缺陷产生，会对制备构件的性能产生很大的影响。已授权的专利CN105522153B公开了一种电磁场辅助激光增材制造的装置，基底的下方为绝缘散热层，绝缘散热层的下方为磁场发生装置，磁场发生装置中设有多个生磁棒，生磁棒产生高频磁场，对不同位置的熔池进行振荡搅拌，以改善增材制造件的内部质量，但由于生磁棒发出的磁感线均为生磁棒的径向方向发散，进而导致磁场对增材成型的控制效果降低。所以为推广和扩大增材制造技术的应用，如何更为有效控制增材制造的熔化-凝固过程，进而调控凝固组织和减少缺陷，最终得到力学性能优异的金属构件，是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高能束增材制造成型的装置及成型方法，以解决上述现有技术存在的问题，使磁场对金属增材制造过程中的熔体对流、温度分布进行控制，细化晶粒组织，减小成分偏析，降低温度梯度达到减小残余应力的目的，从而显著提高金属构件的力学性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种辅助增材成型的磁场单元，包括第一磁场发生装置，所述第一磁场发生装置包括设置在所述熔池下方的感应线圈，在任意时刻，待加工材料熔化形成的熔池均位于所述感应线圈发出集束磁感线的区域内。

优选的，所述感应线圈的设置数量为多个时，各所述感应线圈在所述熔池的成型区域均匀设置。

优选的，相邻所述感应线圈平行，且各所述感应线圈与所述熔池的间距均相等。

优选的，还包括产生稳恒磁场和/或交变磁场且作用于所述熔池的第二磁场发生装置，所述第二磁场发生装置设置在所述熔池的上方。