[發明專利]一種高能束增材制造成型的裝置及成型方法

在審

• 申請號: 202010446774.2
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111558718A
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: 任忠鳴;王江;陳超越;劉偉;趙睿鑫;帥三三;胡濤
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 張琳麗

本發明公開一種高能束增材制造成型的裝置及成型方法，包括輔助增材成型的磁場單元，還包括用于放置待加工材料的成型基座和發出高能束且作用于待加工材料并形成熔池的高能束發生裝置；磁場單元，包括第一磁場發生裝置，第一磁場發生裝置包括設置在熔池下方的感應線圈。第一磁場發生裝置可拆卸設置在成型基座用于放置待加工材料的表面下方，第二磁場發生裝置設置在成型基座的上方，通過熔池下方設置感應線圈，且熔池位于感應線圈發出集束磁感線的區域內的方式，使熔池中均穿過有集束磁感線，進而使得熔池所處的磁場強度集中，進而提高了磁場對增材成型的控制效果，而且提高了磁場單元對熔池的控制效率。

技術領域

本發明涉及金屬增材制造工藝控制領域，特別是涉及一種高能束增材制造成型的裝置及成型方法。

背景技術

增材制造技術又稱3D打印技術，該技術基于分層-疊加原理，利用計算機控制高能激光束/電子束/電弧的運動軌跡，利用激光束/電子束/電弧的高能量熔化金屬粉末，待高能束熔化金屬粉末后，形成熔池的金屬液發生快速冷卻和凝固的過程。整個增材制造就是高能束光斑運動的由點到面，再由面到體的成型步驟。這種點-線-面-體一體化的加工方式使其在制造復雜形狀構件方面具有獨特的優勢。該技術因其材料利用率高、生產制造周期短、設計自由度高等特點為航空航天、汽車、船舶、能源、化工、醫療等廣大制造業領域的復雜結構件減重設計及制造問題提供一種新的解決途徑。

3D打印技術有眾多優點，但其成形零件仍然存在不足，即使3D打印技術成形的構件致密度高，也難以避免在成形零件過程中產生一些內在缺陷，如組織難以控制，殘余應力、微觀裂紋、球化、孔隙等缺陷的形成。由于材料累加成形的工藝特點，金屬增材制造也很難避免上述內在缺陷，從而影響了構件的性能和應用。金屬增材制造的加工過程是激光束/電子束/電弧和粉末在微米尺度上的相互作用，當激光束/電子束/電弧作用于金屬粉末時，不斷經歷急熱和急冷的交替過程，致使熔池及其附近部位的加熱熔化、凝固和冷卻的速度比周圍的區域速度高，其區域的熔化、凝固行為屬非穩態和非平衡過程，微尺度熔池內存在較大溫度梯度(可達10⁶K/m)，在較高的溫度梯度和表面張力梯度作用下，Marangoni對流失穩，凝固速度加快(10⁴K/s)，偏離平衡態特征更加顯著，進而影響凝固組織以及缺陷產生，會對制備構件的性能產生很大的影響。已授權的專利CN105522153B公開了一種電磁場輔助激光增材制造的裝置，基底的下方為絕緣散熱層，絕緣散熱層的下方為磁場發生裝置，磁場發生裝置中設有多個生磁棒，生磁棒產生高頻磁場，對不同位置的熔池進行振蕩攪拌，以改善增材制造件的內部質量，但由于生磁棒發出的磁感線均為生磁棒的徑向方向發散，進而導致磁場對增材成型的控制效果降低。所以為推廣和擴大增材制造技術的應用，如何更為有效控制增材制造的熔化-凝固過程，進而調控凝固組織和減少缺陷，最終得到力學性能優異的金屬構件，是一個亟待解決的難題。

發明內容

本發明的目的是提供一種高能束增材制造成型的裝置及成型方法，以解決上述現有技術存在的問題，使磁場對金屬增材制造過程中的熔體對流、溫度分布進行控制，細化晶粒組織，減小成分偏析，降低溫度梯度達到減小殘余應力的目的，從而顯著提高金屬構件的力學性能。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：本發明提供一種輔助增材成型的磁場單元，包括第一磁場發生裝置，所述第一磁場發生裝置包括設置在所述熔池下方的感應線圈，在任意時刻，待加工材料熔化形成的熔池均位于所述感應線圈發出集束磁感線的區域內。

優選的，所述感應線圈的設置數量為多個時，各所述感應線圈在所述熔池的成型區域均勻設置。

優選的，相鄰所述感應線圈平行，且各所述感應線圈與所述熔池的間距均相等。

優選的，還包括產生穩恒磁場和/或交變磁場且作用于所述熔池的第二磁場發生裝置，所述第二磁場發生裝置設置在所述熔池的上方。