CN108620584B - 全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置，利用电磁场对激光快速凝固过程进行调控，进行激光增材制造全等轴晶金属构件，在微观组织层面进行外场无接触式干预，并对成形过程中层与层之间的冶金结合进行改善。本发明引入了电磁场辅助装置对激光快速凝固过程进行调控，诱发柱状晶向等轴晶转变，改善了金属增材制造过程中的缺陷，通过调整磁场的强度、分布，使得零件成形过程完全处于CET转变区间，得到性能优异的全等轴晶金属构件。本发明工艺制造的全等轴晶金属构件，具备各向同性特征，也减少了结晶裂纹，提高了部分力学性能，能作为高品质的零部件广泛应用于汽车、轮船、航空航天等装备制造业领域。

Description

全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种激光增材制造方法及其装置，特别是涉及一种金属构件的激光增材制造方法及其装置，应用于金属构件制备与装备制造技术领域。
背景技术
金属激光增材制造技术，又称金属3D打印技术，是一种基于构件的三维数字模型，通过使用激光束作为热源逐层将金属粉末熔化并形成熔池，熔池在金属基底或者上一层金属的强冷作用下快速凝固的新技术，包括粉末床铺粉的激光选择性熔化技术和同轴送粉的激光立体成形技术，这一特点使之可制造几乎任何形状的构件。特别是在航空航天等高精尖领域的复杂构件制造中，这一技术具有突出的优势，具有广阔的应用前景，受到各国材料加工和制造业的高度重视。
中国是世界第一制造大国，但是高端制造业占比率却远远落后发达国家，随着“中国制造2025”战略大力推行，发展高端材料制备与装备制造业将是重点发展领域，而金属激光增材制造技术也将成为强大的推动力，智能化的金属构件设计与制造成为促进其发展的重要课题。目前，金属构件的增材制造技术已经广泛应用在航空航天、轮船汽车和武器国防等领域。
从金属增材制造技术本身分析，其熔池凝固过程属于快速凝固范畴，形态主要受激光加热条件和基体冷却条件控制，一般情况下组织为发达的柱状晶。这一组织具有各向异性特征，易导致晶体生长方向失控、微孔、裂纹和变形等问题，同时在某些特定功能件中，希望无取向和少柱状晶，所以如何有效控制此熔化-凝固冶金过程，进而调控凝固组织，最终得到力学性能优异的金属构件，一直是一个亟待解决的难题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置，引入了电磁场辅助装置对激光快速凝固过程进行调控，诱发柱状晶向等轴晶转变，即CET转变，改善了金属增材制造过程中的缺陷，通过调整磁场的强度、分布，可以使得零件成形过程完全处于CET转变区间，得到性能优异的全等轴晶金属构件。
为达到上述目的，本发明采用如下发明创造构思：
为了解决激光增材制造技术现有缺陷和改善其制备的金属构件性能，本发明利用电磁场对激光快速凝固过程进行调控，提供一种激光增材制造全等轴晶金属构件方法及辅助装置，在微观组织层面进行外场无接触式干预，并对成形过程中层与层之间的冶金结合进行改善。这种工艺制造的全等轴晶金属构件，具备各向同性特征，也减少了结晶裂纹，提高了部分力学性能，如强度、韧性、疲劳寿命，可以作为高品质的零部件广泛应用于汽车、轮船、航空航天等装备制造业领域。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，包括如下步骤：
a.准备金属基板，并对金属基板进行表面磨抛处理，使金属基板光滑平整；
b.准备粒度分布为60～120μm的球形金属粉末作为母材粉体，金属粉末与在步骤a中采用的金属基板的材料相同，并对金属粉末进行筛分和烘干处理，得到干燥的金属粉末，作为制备金属构件的原料备用；母材粉体优选为不锈钢、镍、镍合金、铝、铝合金、钛、钛合金、铜、铜合金和钴铬合金中任意一种金属材料或任意几种金属材料；
c.保护气体或送粉气体采用体积比纯度不低于99％的氩气，将所需制备金属试样绘制成三维CAD模型并进行分层，然后将金属试样信息输入激光增材制造装置中，按如下要求设置好激光装置的工作参数：激光功率不低于2KW，激光扫描速度不低于9mm/s，激光光斑直径不大于5mm，每层金属凝固层厚度不大于0.3mm，通过竖直送材装置或者水平铺材装置，将在步骤b中准备的干燥的金属粉末输送至每一层金属构件激光成形位置处，在保护气体气氛下，通过使用激光束作为热源，逐层将金属粉末熔化并形成逐层金属熔池；优选所采取的增材制造工艺的激光参数为其加热时间在10-7～10-3s的范围内，优选激光功率密度不低于10KW/cm2，优选激光光斑直径为0.1～5mm，优选激光工作距离为100～500mm；作为本发明优选的技术方案，采用竖直送材装置，采用送粉气体，使原料金属粉末和送粉气体混合，形成粉末和载气体混合流，控制金属粉末流速不低于5g/min，载气流量不低于6L/min，从而将原料金属粉末材料输送至每一层金属构件激光成形位置处，进行激光熔融形成逐层金属熔池；
d.在步骤c中形成的金属熔池在金属基板或者每一层金属的强冷作用下凝固，在金属熔池进行凝固时，通过施加磁场强度不大于10T的电磁场辅助金属增材制造过程，对每一层金属熔池的凝固过程进行调控，电磁场产生磁场的空间强度分布根据制备金属构件的材料种类进行控制，维持金属构件成形过程处于等轴晶形成区间，从而控制金属凝固组织均为等轴晶，制备金属构件初坯；作为本发明优选的技术方案，在进行金属增材制造过程中，施加电磁场，流动的导电金属熔体在磁场作用下产生感应电流，此电流与外加磁场相互作用在金属熔体中产生一种电磁力，抑制金属熔体由于温度梯度而产生的对流；快速凝固过程中固液界面处保持了温度梯度，将在固液界面处产生热电流，该电流与外加磁场相互作用，产生促发熔体流动的另一种热电磁力；这两种电磁力的交互作用对金属凝固枝晶端部产生剪切作用，造成枝晶碎断，细化了晶粒；通过控制磁场强度大小和磁场分布，来控制不同材料在增材制造过程中柱状晶向等轴晶的转变，制备出不同金属材料的全等轴晶构件；辅助金属增材制造的电磁场采用稳恒磁场、交变磁场和脉冲磁场中的任意一种磁场或任意几种磁场混合的综合磁场，优选磁场方向能按需要进行空间三维度的调整；
e.对在步骤d中制备的金属构件初坯进行DA热处理，控制热处理温度为620～720℃，热处理保温时间至少8h，制备出符合目标要求的全等轴晶金属构件。作为本发明优选的技术方案，热处理工艺制度按照金属构件材质进行调控，通过调节升温曲线、保温时间、降温曲线、保护气氛中任意一种因素或者任意几种因素，对金属构件初坯进行热处理，制备出符合目标要求的全等轴晶金属构件。
一种全等轴晶金属构件的激光增材制造装置，包括信息装置、激光装置、供料和布料装置、电磁场发生装置、金属基板及金属基板升降装置，待成形的金属构件在金属基板上制备，待成形的金属构件的原料金属粉末与金属基板的材料相同，根据需成形的金属构件的形状绘制成三维CAD模型，使用分层软件按照一定的厚度分层切片，即将零件的三维数据信息转换成一系列二维平面信息，输入信息装置中，信息装置通过主控制装置对激光装置、供料和布料装置、电磁场发生装置和金属基板升降装置进行控制，通过竖直送材装置或者水平铺材装置作为供料和布料装置，在保护气体气氛下，将金属粉末输送至每一层金属构件的激光成形位置处，激光装置主要由激光器和扫描***组成，通过使用激光器发出的激光束作为热源，逐层将金属粉末熔化并形成逐层金属熔池；金属熔池在金属基板或者每一层金属的强冷作用下进行凝固，在金属熔池进行凝固时，通过电磁场发生装置施加磁场强度不大于10T的电磁场，对每一层金属熔池的凝固过程进行调控，电磁场产生磁场的空间强度分布根据所制备金属构件的材料种类进行控制，维持金属构件成形过程处于等轴晶形成区间，使金属构件进行层层叠加成形，金属基板升降装置驱动金属基板进行层层下降，使得金属构件成形过程都处于等轴晶组织形成的磁场强度范围的磁场作用下，最终直接制备出具有全等轴晶组织金属构件。
作为本发明的一种优选技术方案，供料和布料装置主要包括同轴送粉喷嘴，供料和布料装置通过同轴送粉喷嘴，采用送粉气体，使制备金属构件的原料金属粉末和送粉气体混合，形成粉末和载气体混合流，从而将原料金属粉末材料输送至每一层金属构件激光成形位置处，进行激光熔融形成逐层金属熔池。
作为本发明的另一种优选技术方案，供料和布料装置主要包括粉缸升降装置和铺粉***，粉缸升降装置控制原料金属粉体的供应输出，原料金属粉体通过铺粉***按照指定层厚铺至金属基板上并逐层叠加铺设，激光束按照金属构件分层信息对原料金属粉体进行逐层熔化，形成逐层金属熔池。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明制备全等轴晶金属构件激光增材制造方法，引入了电磁场辅助装置对激光快速凝固过程进行调控，诱发柱状晶向等轴晶转变，即CET转变，改善了金属增材制造过程中的缺陷，通过调整磁场的强度、分布，使得零件成形过程完全处于CET转变区间，得到性能优异的全等轴晶金属构件；
2.本发明金属构件激光增材制造过程中，可实现对任意三维零件的形貌、组分以及组织的控制，达到制备出全等轴晶金属构件的目标；
3.本发明辅助金属增材制造过程的电磁场装置安装简便，磁场强度和方向容易改变，几乎适用于全部无磁性金属粉末的构件打印，并且将电磁场对凝固组织的影响效果提升到控制层面，使得直接成形全等轴晶金属构件成为现实；
4.本发明整个工艺流程简单有效，不涉及较大的设备改造，能针对每种金属材料进行开发每套特定磁场强度的装置，后热处理制度也能跟每种金属材料进行特定匹配，提高生产效率，制备的全等轴晶金属构件性能更加优异、一致。
附图说明
图1为本发明实施例一全等轴晶金属构件的激光增材制造装置结构示意图。
图2为本发明实施例二全等轴晶金属构件的激光增材制造装置结构示意图。
图3为本发明实施例一全等轴晶金属构件的激光增材制造方法制备的全等轴晶GH4169镍基高温合金试样晶体取向图。
图4为本发明实施例一全等轴晶金属构件的激光增材制造方法制备的全等轴晶GH4169镍基高温合金试样显微组织图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，采用GH4169镍基高温合金粉末和电磁场辅助送粉式金属增材制造方法，包括如下步骤：
a.准备一系列100mm*10mm*6mm的GH4169镍基高温合金基板，并对金属基板进行表面磨抛处理，使金属基板光滑平整；
b.准备粒度分布为60～120μm的球形GH4169镍基高温合金粉末作为母材粉体，GH4169镍基高温合金粉末与在步骤a中采用的GH4169镍基高温合金基板的材料相同，并对GH4169镍基高温合金粉末进行筛分和烘干处理，得到干燥的GH4169镍基高温合金粉末，作为制备金属构件的原料备用；
c.采用竖直同轴送粉装置，使原料金属粉末和送粉气体混合，形成粉末和保护气体载气体的混合流，保护气体和送粉气体均采用体积比纯度不低于99％的氩气，将所需制备尺寸为60mm*50mm*5mm的金属试样绘制成三维CAD模型并进行分层，然后将金属试样信息输入激光增材制造装置中，按如下要求设置好激光装置和竖直同轴送粉装置的工作参数：激光功率2KW，激光扫描速度9mm/s，激光光斑直径5mm，每层金属凝固层厚度0.3mm，激光功率密度10KW/cm2，激光工作距离为100mm，竖直同轴送粉装置的粉末流速5g/min，竖直同轴送粉装置的载气流量6L/min；通过竖直送材装置，将在步骤b中准备的干燥的GH4169镍基高温合金粉末输送至每一层金属构件激光成形位置处，在氩气保护气体气氛下，通过使用激光束作为热源，逐层将GH4169镍基高温合金粉末熔化并形成逐层金属熔池；
d.在步骤c中形成的金属熔池在GH4169镍基高温合金基板或者每一层GH4169镍基高温合金的强冷作用下凝固，在金属熔池进行凝固时，通过施加磁场强度为0.5T的稳恒电磁场辅助金属增材制造过程，对每一层金属熔池的凝固过程进行调控，并使磁场方向垂直于沉积方向，维持GH4169镍基高温合金构件成形过程处于等轴晶形成区间，从而控制GH4169镍基高温合金凝固组织均为等轴晶，制备GH4169镍基高温合金构件初坯；
e.对在步骤d中制备的GH4169镍基高温合金构件初坯进行DA热处理，控制热处理温度为在620热处理保温时间8h，然后在720继续热处理保温时间8h，在完成DA热处理后，制备出符合目标要求的全等轴晶的GH4169镍基高温合金构件。
在本实施例中，在进行金属增材制造过程中，施加电磁场，流动的导电金属熔体在磁场作用下产生感应电流，此电流与外加磁场相互作用在金属熔体中产生一种电磁力，抑制金属熔体由于温度梯度而产生的对流；快速凝固过程中固液界面处保持了温度梯度，将在固液界面处产生热电流，该电流与外加磁场相互作用，产生促发熔体流动的另一种热电磁力；这两种电磁力的交互作用对金属凝固枝晶端部产生剪切作用，造成枝晶碎断，细化了晶粒；通过控制磁场强度大小和磁场分布，来控制不同材料在增材制造过程中柱状晶向等轴晶的转变，制备出不同金属材料的全等轴晶构件。
在本实施例中，参见图1，一种全等轴晶金属构件的激光增材制造装置，包括信息装置、激光装置、供料和布料装置、电磁场发生装置7、金属基板8及金属基板升降装置，待成形的金属构件6在金属基板8上制备，待成形的金属构件6的原料金属粉末与金属基板8的材料相同，根据需成形的金属构件6的形状绘制成三维CAD模型，使用分层软件按照一定的厚度分层切片，即将零件的三维数据信息转换成一系列二维平面信息，输入信息装置中，信息装置通过主控制装置对激光装置、供料和布料装置、电磁场发生装置7和金属基板升降装置进行控制，通过竖直送材装置或者水平铺材装置作为供料和布料装置，在保护气体气氛下，将金属粉末输送至每一层金属构件6的激光成形位置处，激光装置主要由激光器1和扫描***3组成，通过使用激光器1发出的激光束2作为热源，逐层将金属粉末熔化并形成逐层金属熔池；金属熔池在金属基板8或者每一层金属的强冷作用下进行凝固，在金属熔池进行凝固时，通过电磁场发生装置7施加磁场强度不大于10T的电磁场，对每一层金属熔池的凝固过程进行调控，电磁场产生磁场的空间强度分布根据所制备金属构件6的材料种类进行控制，维持金属构件6成形过程处于等轴晶形成区间，使金属构件6进行层层叠加成形，金属基板升降装置驱动金属基板8进行层层下降，使得金属构件6成形过程都处于等轴晶组织形成的磁场强度范围的磁场作用下，最终直接制备出具有全等轴晶组织金属构件6。
在本实施例中，参见图1，供料和布料装置主要包括同轴送粉喷嘴4，供料和布料装置通过同轴送粉喷嘴4，采用送粉气体，使制备金属构件6的原料金属粉末和送粉气体混合，形成粉末和载气体混合流5，从而将原料金属粉末材料输送至每一层金属构件6激光成形位置处，进行激光熔融形成逐层金属熔池。
在本实施例中，参见图1，全等轴晶金属构件的激光增材制造装置制备GH4169镍基高温合金构件时，激光束2通过激光器1产生后，经过扫描***3进行参数调整，熔化通过喷嘴4和氩气惰性气体送至目标位置的GH4169镍基高温合金粉末，形成激光熔池，通过电磁场发生装置7产生的稳恒磁场对熔池进行无接触干预，进而调控GH4169镍基高温合金凝固组织为等轴晶组织，使GH4169镍基高温合金构件层层叠加，金属基板8层层下降，使得成形过程都处于等轴晶组织形成的磁场强度范围，最终直接制备出全等轴晶金属构件。
本实施例采用电磁场辅助金属增材制造过程，就是一种无接触式外场辅助激光快速凝固过程，电磁场将对熔池内金属熔体对流和传热传质产生影响，从而影响凝固组织和性能。本实施例根据需成形金属构件的形状绘制成三维CAD模型，使用分层软件按照一定的厚度分层切片，即将零件的三维数据信息转换成一系列二维平面信息；其次，通过竖直送材装置，将所特定的原材料送至每一层金属构件激光成形处；再次，当按照特定的合适的激光增材制造参数进行熔化成形时，施加电磁场对每一层的凝固过程进行调控，电磁场产生磁场的空间强度分布根据不同材料进行准确控制，保证整个金属构件成形过程处于等轴晶形成区间，从而控制凝固组织均为等轴晶；最后，通过合适的热处理制度进行热应力释放和再结晶，提高等轴晶率和各向同性特征，进而提升某些特定性能，制备出符合目标要求的全等轴晶金属构件。
本实施例将稳恒电磁场这一外场引入GH4169镍基高温合金激光增材制造的层层成形过程，制备出了全等轴晶金属构件，试样显微组织图和晶体取向图见附图3和图4，很好改善了金属增材制造过程中的缺陷，并在末端加入了热处理制度，大大提高了全等轴晶金属构件的力学性能。本实施例利用一种全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及辅助装置。在金属零件的激光增材制造过程中，性能由激光增材制造过程中快速凝固组织决定，所以对激光熔池中凝固组织的控制直接决定了增材制造金属构件的性能。一般情况下，受温度梯度和冷却速率的制约，金属构件组织在激光增材制造过程中为粗大柱状晶沿沉积方向生长,具有较强的各向异性特征，同时此凝固组织也普遍存在一些缺陷，如裂纹、气孔等。在某些特定的功能零件中，需要各向同性特征，即希望得到无取向和较少柱状晶的构件，目前往往因为性能具有方向性达不到预期目标，增加了后续组织细化处理的工序和成本。本实施例提出的制备全等轴晶金属构件激光增材制造方法，引入了电磁场辅助装置对激光快速凝固过程进行调控，诱发柱状晶向等轴晶转变，即CET转变，改善了金属增材制造过程中的缺陷，通过调整磁场的强度、分布，可以使得零件成形过程完全处于CET转变区间，得到性能优异的全等轴晶金属构件。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图2，一种全等轴晶金属构件的激光增材制造装置，具有水平铺粉式金属增材制造装置，供料和布料装置主要包括粉缸升降装置9和铺粉***11，粉缸升降装置9控制原料金属粉体10的供应输出，GH4169镍基高温合金的原料金属粉体10通过铺粉***11按照指定层厚铺至金属基板8上并逐层叠加铺设，激光束2按照金属构件6分层信息对原料金属粉体10进行逐层熔化，形成逐层金属熔池。
在本实施例中，参见图2，全等轴晶金属构件的激光增材制造装置制备GH4169镍基高温合金构件时，激光束2通过激光器1产生后经过扫描***3进行参数调整，料金属粉体10通过铺粉***11按照指定层厚铺至GH4169镍基高温合金基板，激光束2按照构件分层信息进行逐层熔化，形成激光熔池，通过电磁场发生装置7产生的脉冲磁场对每一层熔池进行无接触干预，进而调控GH4169镍基高温合金凝固组织为等轴晶组织，粉缸升降装置9层层上升，使GH4169镍基高温合金构件层层叠加，GH4169镍基高温合金基板层层下降，使得GH4169镍基高温合金成形过程都处于等轴晶组织形成的磁场强度范围，最终直接制备出全等轴晶金属构件。
本实施例提出的制备全等轴晶金属构件激光增材制造方法，引入了脉冲电磁场辅助装置对激光快速凝固过程进行调控，诱发柱状晶向等轴晶转变，即CET转变，改善了金属增材制造过程中的缺陷，通过调整脉冲磁场的强度、分布，可以使得零件成形过程完全处于CET转变区间，得到性能优异的全等轴晶金属构件。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，采用电磁场辅助金属增材制造过程，就是一种无接触式外场辅助激光快速凝固过程，电磁场将对熔池内金属熔体对流和传热传质产生影响，从而影响凝固组织和性能。本实施例辅助金属增材制造的电磁场采用交变磁场，并使磁场方向按需要进行空间三维度的调整，本实施例以激光增材制造GH4169镍基高温合金为例，通过施加电磁场对激光熔池凝固过程进行调控，发现了磁场强度提高至0.5T以上时，会促使粗大柱状晶向细小等轴晶转变，改善了之前普遍存在的一些缺陷，并且通过控制磁场的大小和空间分布可以使得金属构件成形全过程处于这个柱状晶转变为等轴晶的区间，从而获得全等轴晶GH4169镍基高温合金构件。如磁场强度提高至10T以上，由于能耗过大，既不易于控制也不经济。
在本实施例中，利用电磁场辅助金属增材制造过程来控制全等轴晶凝固组织形成，热处理工艺制度按照金属构件材质进行调控，通过调节升温曲线、保温时间、降温曲线、保护气氛中任意一种因素或者任意几种因素，对金属构件初坯进行热处理，制备出符合目标要求的全等轴晶金属构件。
在本实施例金属构件激光增材制造过程中，可实现对任意三维零件的形貌、组分以及组织的控制，达到制备出全等轴晶金属构件的目标。辅助金属增材制造过程的电磁场装置安装简便，磁场强度和方向容易改变，几乎适用于全部无磁性金属粉末的构件打印，并且将电磁场对凝固组织的影响效果提升到控制层面，使得直接成形全等轴晶金属构件成为现实。整个工艺流程简单有效，不涉及较大的设备改造，可针对每种金属材料进行开发每套特定磁场强度的装置，后热处理制度也可以跟每种金属材料进行特定匹配，提高生产效率，制备的全等轴晶金属构件性能更加优异、一致。
本实施例将激光增材制造工艺、电磁场外场辅助处理工艺、热处理工艺引入全等轴晶金属构件直接成形制造过程，缩短了制备全等轴晶金属构件的工艺周期，很好地改善了金属增材制造构件的成形缺陷，扩大了激光增材制造的应用领域。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，采用电磁场辅助金属增材制造过程，这种工艺不局限于镍基高温合金，也可为激光增材制造全等轴晶不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金等金属构件提供思路和制备技术。整个工艺流程简单有效，不涉及较大的设备改造，可针对每种金属材料进行开发每套特定磁场强度的装置，后热处理制度也可以跟每种金属材料进行特定匹配，提高生产效率，制备的全等轴晶金属构件性能更加优异、一致。本实施例在金属增材制造过程中施加电磁场，流动的导电金属熔体在磁场作用下产生感应电流，此电流与外加磁场相互作用在金属熔体中产生电磁力，抑制金属熔体由于极高温度梯度而产生的对流；另一方面，快速凝固过程中固液界面处的极高温度梯度将在此处产生热电流，该电流与外加磁场相互作用产生促发熔体流动的热电磁力。这两种力的交互作用对枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，细化了晶粒；通过控制磁场强度大小和分布，来控制不同材料在增材制造过程中柱状晶向等轴晶的转变，制备出不同金属材料的全等轴晶构件。
实施例五：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种全等轴晶金属构件的激光增材制造装置，能提供一种全等轴晶金属构件的激光增材制造方法配套施加的电磁场，属于独立的装置能够便捷地安装与拆卸，不会对正常的增材制造过程产生干扰，仅对激光熔池凝固过程产生影响，并且适合调整其磁场强度大小和磁场空间分布。本实施例不对增材制造设备进行较大的改动，可以根据材料的不同进行快速的激光参数和送粉效率修改，电磁场亦可以快速调整大小分布，从而可以快速制备出全等轴晶金属构件。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.准备金属基板，并对金属基板进行表面磨抛处理，使金属基板光滑平整；
b.准备粒度分布为60～120μm的球形金属粉末作为母材粉体，金属粉末与在所述步骤a中采用的金属基板的材料相同，并对金属粉末进行筛分和烘干处理，得到干燥的金属粉末，作为制备金属构件的原料备用；
c.保护气体或送粉气体采用体积比纯度不低于99％的氩气，将所需制备金属构件绘制成三维CAD模型并进行分层，然后将金属构件信息输入激光增材制造装置中，按如下要求设置好激光装置的工作参数：激光功率不低于2KW，激光扫描速度不低于9mm/s，激光光斑直径不大于5mm，每层金属凝固层厚度不大于0.3mm，通过竖直送材装置或者水平铺材装置，将在所述步骤b中准备的干燥的金属粉末输送至每一层金属构件激光成形位置处，在保护气体气氛下，通过使用激光束作为热源，逐层将金属粉末熔化并形成逐层金属熔池；
d.在所述步骤c中形成的金属熔池在金属基板或者每一层金属的强冷作用下凝固，在金属熔池进行凝固时，通过施加磁场强度不大于10T的电磁场辅助金属增材制造过程，对每一层金属熔池的凝固过程进行调控，电磁场产生磁场的空间强度分布根据制备金属构件的材料种类进行控制，维持金属构件成形过程处于等轴晶形成区间，从而控制金属凝固组织均为等轴晶，制备金属构件初坯；
e.对在所述步骤d中制备的金属构件初坯进行DA热处理，控制热处理温度为620～720℃，热处理保温时间至少16h，制备出符合目标要求的全等轴晶金属构件。
2.根据权利要求1所述全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，其特征在于：在所述步骤d中，在进行金属增材制造过程中，施加电磁场，流动的导电金属熔体在磁场作用下产生感应电流，此电流与外加磁场相互作用在金属熔体中产生一种电磁力，抑制金属熔体由于温度梯度而产生的对流；快速凝固过程中固液界面处保持了温度梯度，将在固液界面处产生热电流，该电流与外加磁场相互作用，产生促发熔体流动的另一种热电磁力；这两种电磁力的交互作用对金属凝固枝晶端部产生剪切作用，造成枝晶碎断，细化了晶粒；通过控制磁场强度大小和磁场分布，来控制不同材料在增材制造过程中柱状晶向等轴晶的转变，制备出不同金属材料的全等轴晶构件。
3.根据权利要求1或2所述全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，其特征在于：在所述步骤d中，辅助金属增材制造的电磁场是稳恒磁场、交变磁场和脉冲磁场中的任意一种磁场或任意几种磁场混合的综合磁场，磁场方向能按需要进行空间三维度的调整。
4.根据权利要求1或2所述全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，其特征在于：在所述步骤c中，所采取的增材制造工艺的激光参数为其加热时间在10-7～10-3s的范围内，激光功率密度不低于10KW/cm2，激光光斑直径为0.1～5mm，激光工作距离为100～500mm。
5.根据权利要求1或2所述全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，其特征在于：在所述步骤c中，采用竖直送材装置，采用送粉气体，使原料金属粉末和送粉气体混合，形成粉末和载气体混合流，控制金属粉末流速不低于5g/min，载气流量不低于6L/min，从而将原料金属粉末材料输送至每一层金属构件激光成形位置处，进行激光熔融形成逐层金属熔池。
6.根据权利要求1或2所述全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，其特征在于：在所述步骤e中，热处理工艺制度按照金属构件材质进行调控，通过调节升温曲线、保温时间、降温曲线、保护气氛中任意一种因素或者任意几种因素，对金属构件初坯进行热处理，制备出符合目标要求的全等轴晶金属构件。
7.根据权利要求1或2所述全等轴晶金属构件的激光增材制造方法，其特征在于：在所述步骤b中，母材粉体为不锈钢、镍、镍合金、铝、铝合金、钛、钛合金、铜、铜合金和钴铬合金中任意一种金属材料或任意几种金属材料。
8.一种全等轴晶金属构件的激光增材制造装置，其特征在于：包括信息装置、激光装置、供料和布料装置、电磁场发生装置(7)、金属基板(8)及金属基板升降装置，待成形的金属构件(6)在金属基板(8)上制备，待成形的金属构件(6)的原料金属粉末与金属基板(8)的材料相同，根据需成形的金属构件(6)的形状绘制成三维CAD模型，使用分层软件按照一定的厚度分层切片，即将零件的三维数据信息转换成一系列二维平面信息，输入信息装置中，所述信息装置通过主控制装置对激光装置、供料和布料装置、电磁场发生装置(7)和金属基板升降装置进行控制，通过竖直送材装置或者水平铺材装置作为供料和布料装置，在保护气体气氛下，将金属粉末输送至每一层金属构件(6)的激光成形位置处，所述激光装置主要由激光器(1)和扫描***(3)组成，通过使用激光器(1)发出的激光束(2)作为热源，逐层将金属粉末熔化并形成逐层金属熔池；金属熔池在金属基板(8)或者每一层金属的强冷作用下进行凝固，在金属熔池进行凝固时，通过电磁场发生装置(7)施加磁场强度不大于10T的电磁场，对每一层金属熔池的凝固过程进行调控，电磁场产生磁场的空间强度分布根据所制备金属构件(6)的材料种类进行控制，维持金属构件(6)成形过程处于等轴晶形成区间，使金属构件(6)进行层层叠加成形，金属基板升降装置驱动金属基板(8)进行层层下降，使得金属构件(6)成形过程都处于等轴晶组织形成的磁场强度范围的磁场作用下，最终直接制备出具有全等轴晶组织金属构件(6)。
9.根据权利要求8所述全等轴晶金属构件的激光增材制造装置，其特征在于：所述供料和布料装置主要包括同轴送粉喷嘴(4)，所述供料和布料装置通过同轴送粉喷嘴(4)，采用送粉气体，使制备金属构件(6)的原料金属粉末和送粉气体混合，形成粉末和载气体混合流(5)，从而将原料金属粉末材料输送至每一层金属构件(6)激光成形位置处，进行激光熔融形成逐层金属熔池。
10.根据权利要求8所述全等轴晶金属构件的激光增材制造装置，其特征在于：所述供料和布料装置主要包括粉缸升降装置(9)和铺粉***(11)，粉缸升降装置(9)控制原料金属粉体(10)的供应输出，原料金属粉体(10)通过铺粉***(11)按照指定层厚铺至金属基板(8)上并逐层叠加铺设，激光束(2)按照金属构件(6)分层信息对原料金属粉体(10)进行逐层熔化，形成逐层金属熔池。
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