一種磁場作用下金屬零件快速制造方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種磁場作用下高能束快速制造金屬零件的方法及裝置。在高能束與金屬粉末作用的過程中，金屬粉末發生熔化，通過在熔池外部施加電磁力作用，改變熔池受力狀況，達到對金屬熔池凝固行為的定向控制，使金屬制件內部組織得以細化，提高金屬制件的性能。裝置，包括安裝在工作臺上的第一、第二電極和電磁線圈，電磁線圈在工作時始終保持電磁力能夠作用于高能束輻射金屬粉末所產生的熔池上。本發明專利技術通過電極給電磁線圈通電產生磁場，當高能束作用于金屬粉末時，金屬粉末產生的金屬熔池的受力狀況將受到電磁力的影響，通過對電流和電壓的改變而控制電磁作用力的大小和方向，從而控制金屬熔池的受力行為。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術技術屬于制造領域，具體涉及一種磁場作用下金屬零件直接快速制造方法及裝置。本專利技術利用磁力改變高能束熔化金屬粉末過程中熔池受力與冶金行為，進而調控成形金屬零件內部微觀組織，最終達到優化金屬零件宏觀性能的目的。
技術介紹
高能束主要包括激光束、電子束和離子束。高能束熔化金屬粉末制造技術是近年 發展起來的一項能夠實現近全致密金屬零部件快速制造的先進制造技術。與傳統的快速成形技術相比較，該技術不僅具有無需專用工具、夾具及模具以及成形零部件結構無限制等優點，更為重要的是可直接制造高性能金屬零部件。以激光熔化金屬粉末為例，成形過程中包含熔池的形成、熔化線搭接(重熔)、層間焊合等復雜的熱力學與動力學過程；同時，激光束是快速移動的高斯熱源，熔體的熔化與凝固瞬間完成，存在較大的溫度梯度；且由于高能束激光對熔池強烈的擾動作用，熔池往往會產生熔滴飛濺等現象。這些因素導致了高能束熔化金屬粉末所成形的金屬零部件致密度很難達到100%，同時也會伴隨產生成分偏析、氣孔、裂紋、殘余應力及性能各向異性等缺陷。例如，在金屬基復合材料的選擇性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)過程中，由于表面張力及物理性能的差異等,增強相顆粒常常被凝固界面所排斥，聚集在晶界邊緣，從而造成增強相顆粒分布不均勻，導致成形零件性能急劇下降。為了改善零件性能，消除內部缺陷，關鍵在于控制熔池中凝固顆粒的力學和冶金行為。目前，國內外對高能束熔化金屬粉末所產生的缺陷主要通過改善材料、優化加工工藝以及控制成形氣氛等方式；但這些方法無法改變成形過程中熔池的力學和冶金行為，改善效果具有較大的局限性。隨著“材料電磁加工”(ElectromagneticProcessing of Materials,簡稱 EPM)的提出和現代電磁技術的發展，材料電磁加工是指將磁流體力學(Magnetohydrodynamics,簡稱MHD)與材料加工技術結合起來，將電磁場應用于材料制備和加工過程，從而實現對材料工藝過程的控制及材料組織和性能的改善。世界發達國家如美國、日本和法國等相繼投入了大量的人力和物力，競相開展強磁場應用方面的研究工作，國內大連理工大學、東北大學、上海大學、中國科技大學和中科院電工所等單位也開展了強磁場材料加工方面的研究。1983年，El-Bassyouni用實驗證明，單一的交變磁場能夠明顯細化晶粒。在鑄造中，采強磁場能夠改變臨界形核核心尺寸，定制晶體取向，并使順磁性物質凝固點降低，抗磁性物質的凝固點提高。在電磁場下進行電弧焊既可以細化焊縫的一次結晶組織、減少化學不均勻性、提高焊縫金屬的塑性和韌性，又能降低結晶裂紋和氣孔的敏感性；焊接奧氏體不銹鋼時還可以提高焊縫金屬抗晶間腐蝕的能力。如前所述，國內外提高高能束熔化金屬粉末成形零部件性能的主要措施是通過改善材料特性、優化工藝及后處理等方法。目前，國內外沒有磁場下的高能束熔化金屬粉末成形方法與裝置。如果實現磁場下高能束熔化金屬粉末的快速制造技術，基于磁場“非接觸”加工優勢，有望改善高能束熔化金屬粉末成形零件的性能，并推動金屬零部件直接快速制造技術和裝備的應用和推廣。
技術實現思路
為解決
技術介紹
所述困擾金屬粉末快速熔化制造過程中所出現的材料成分不均勻、晶粒取向明顯、制件易產生孔隙、裂紋等問題，本專利技術提供了一種磁場作用下金屬零件快速制造方法及裝置，以期最大程度的減少缺陷的產生，提高制件的性能。本專利技術提供的一種磁場作用下金屬零件直接快速制造方法，該方法利用高能束作用于金屬粉末，使其熔化，并在熔池外部施加電磁力，該電磁力改變熔池受力狀況，并對金屬熔池起攪拌作用。上述技術方案中，磁場的強弱、方向和頻率可調。 實現上述磁場作用下金屬零件激光快速制造方法的裝置，工作臺和高能束產生裝置，其特征在于，它還包括安裝在工作臺上的第一、第二電極和電磁線圈，電磁線圈在工作時始終保持電磁力能夠作用于高能束輻射金屬粉末所產生的熔池上。高能束產生裝置為激光器，電子槍或離子槍等。本專利技術基于電磁場對焊接熔池作用的理論模型，即頻率小于20K Hz的電磁場，對焊接熔池具有攪拌作用，可以改變熔池中的傳質和傳熱過程，進而細化晶粒、提高接頭性能；當磁場頻率大于20KHz時,高頻磁場產生超聲作用，能進一步細化晶粒,改善力學性能。據此原理，本專利技術在高能束激光熔化金屬粉末的過程中，對局部金屬粉末施加一均勻分布的電磁力，粉末顆粒與金屬熔體的導電率存在巨大的差異，如材料中的非金屬顆粒和增強相顆粒往往為電的不良導體，初晶相顆粒的電導率也與粉末基體存在很大差別，因此顆粒將受到電磁擠壓力的作用，同時這個擠壓力也會極大的抑制金屬液滴的飛濺，并且顆粒所受的電磁擠壓力的方向和大小可以通過改變電場或磁場的方向和大小來任意改變，這也就為改變顆粒的受力平衡提供了極大的便利，通過調整電磁力的大小和方向，便可以控制熔池中顆粒凝固的行為，從而達到最終控制金屬材料性能的目的。本專利技術在激光熔化金屬粉末的同時通過在其周圍施加電磁力，改變高能束熔化金屬粉末所形成的微焊接熔池結晶過程中的傳質和傳熱過程，從而改變晶粒的結晶方向，細化一次組織，減小偏析，提高制件力學性能，降低氣孔、裂紋等缺陷的敏感性；同時利用電磁場降低制件中的殘余應力。本專利技術主要具有如下特點I、改善制件的組織國內外一系列研究表明，磁場對鐵基合金的相變過程有著顯著的影響，最顯著的表現為相變過程中晶粒明顯細化，隨著磁通密度的增大，晶粒尺寸得到減小。磁場在相變過程中，能提高晶粒的形核率和晶粒的長大速度，且對形核率的作用效果遠大于后者。這種綜合作用下，相變時間縮短，相變后得到細小的晶粒。在外加磁場共同作用下，在金屬熔體中產生一體積力即電磁力，推動熔體運動，從而達到對金屬攪拌的目的。電磁攪拌一方面通過驅動金屬液流動，從而對樹枝晶端部產生剪切，造成枝晶碎斷，形成晶核；同時，強力流動可以大大加速液心的傳熱而使過熱度迅速消失，兩相區擴大；強力流動還可以加速傳質，使凝固界面前沿擴散邊界層減薄而濃度梯度增大，兩相區成分過冷增加，增加形核率。熔池內的形核增加，單位體積內的晶粒增加，單個晶粒的體積減小。另一方面，形成晶核后在長大過程中，電磁作用改變了熔池形狀，也改變了傳熱方向，從而使最大散熱方向不斷變化。這樣，一個樹枝晶晶粒沿最大散熱反方向生長的時間很短，另一個枝晶晶沿另一最大散熱反方向長大，因此每個枝晶晶粒生長時間很短，從而減粒小了晶粒尺寸。2、消除制件內部的缺陷I)消除制件內部的氣孔為保證金屬粉末成形過程中具有良好的成形性，高能束熔化金屬粉末一般都在特定的保護氣氛中進行，結果在粉末形成熔體過程中，由于粉末的熔化和凝固是在瞬間完成，部分氣體還來不及逸出就已經凝固于試樣中，最終形成氣孔。氣孔的產生過程分為氣泡的萌生和長大兩個階段。如果氣體的逸出壓力(Ps)大于外部壓力(Pbh)，KPs >匕11時.焊接熔池中萌生氣泡。在無外加磁場的作用時，阻止氣泡萌生的外部壓力Pbh由下式決定Pbh = Ps+hy+2o /r式中PS——熔化金屬熔池上方的氣體壓力；h——液體金屬柱的高度；y——金屬的比密度O——在氣體界面上液態金屬的表面張力r-氣泡半徑在外磁場的作用下，液態金屬的流動產生附加的流體動壓力(Pa)，此時阻止氣泡萌生的外部壓本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種磁場作用下金屬零件快速制造方法，該方法利用高能束作用于金屬粉末，使其熔化，并在熔池外部施加電磁力，該電磁力改變熔池受力狀況，并對金屬熔池起攪拌作用。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏青松，李帥，張升，趙曉，鄒志祎，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：