技术摘要：
本发明公开了一种电场－磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法及装置。在金属零件增材制造的快速凝固过程中施加外部电场，将电能注入材料内部使带电粒子产生极化运动，并结合外加磁场的作用，实现微观激励。通过利用电场与磁场的耦合效应对激光快速凝固过程进行  全部
背景技术：
SLM(Selective  Laser  Melting)技术是一种金属激光增材制造技术，又称金属3D 打印技术，这种技术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，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。 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。
技术实现要素：
本发明的发明目的在于：克服已有技术存在的不足，提供一种电场-磁场耦合控制 的金属3D打印装置及金属零件的凝固组织方法，引入了电场-磁场耦合装置对激光快速凝 固过程进行干预与调控，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，通过调整电场、磁场的强度、模式、频率等参数，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，本发明在快 速凝固的固/液界面处施加电脉冲产生强制电流，该电流与装置内部设置的磁场相互作用 产生触发熔体流动的电磁力，使得枝晶端部受到力的作用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成 大量新的晶核；同时，熔体的流动减缓了固/液界面前沿的温度梯度，使得两相区成分过冷 增加，进而增加了形核率。达到细化晶粒，改善晶粒的形貌，使组织变得均匀致密，进而实现 金属3D打印零件的组织控制。通过利用电场与磁场的耦合效应对激光快速凝固过程进行调 控，诱发柱状晶向等轴晶转变，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，能有效减少与改善金属增材制造过程中的缺陷，通过调整 电场、磁场的强度、模式、频率等参数，从而得到性能优异的全等轴晶金属构件，减少了结晶 裂纹，提高了构件力学性能 本方案是这样进行实现的： 4 CN 111590072 A 说　明　书 2/5 页 一种电场-磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，包括原料供应装置单元、熔融 烧结系统单元、主控制器和电源，所述电源为各系统提供电能，主控制器控制3D打印装置的 各工作单元，所述熔融烧结系统单元包括烧结平台装置和熔融能量装置，所述烧结平台装 置包括成形缸，在所述成形缸中设置可竖直移动的升降基板，所述升降基板与电场发生装 置电连接，在所述成形缸的顶部外围设置有横向磁场发生器和纵向磁场发生器。 作为上述方案的进一步优选技术方案，所述的电场发生装置与主控制器电连接， 主控制器控制电场发生器输出不同强度、不同频率或不同波形的激励脉冲或交变信号。 作为上述方案的进一步优选技术方案，所述电场发生装置的两电极均升降基板固 定连接，所述电极和被处理材料接触部涂抹导电胶。 作为上述方案的进一步优选技术方案，所述烧结平台装置可移动地设置在设备下 方，所述原料供应装置单元包括竖直重力输送原料装置和水平铺展输送原料装置，所述竖 直重力输送原料装置包括粉仓和落粉器；所述熔融热源装置包括热源发生器和热源聚焦- 偏转装置，所述热源聚焦-偏转装置设置在成形腔上方；所述热源发生器产生热能，随后热 能通过所述热源聚焦-偏转装置形成可控热源束。 作为上述方案的进一步优选技术方案，热源束是激光束、电子束或者电弧。 作为上述方案的进一步优选技术方案，所述热源束是激光束时，所述热源发生器 为YAG激光器，CO2激光器或者光纤激光器。 本发明提供一种电场-磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法：在进行 金属3D打印制造时，通过向金属3D打印制造装置施加外部电场与磁场，对母材粉末或者原 料丝材在受激光、电子束或电弧照射后快速熔化-凝固过程进行非接触干预，进而实现对金 属零件凝固过程的控制。 作为上述方案的进一步优选技术方案，首先，在3D打印开始之前，主控制器根据使 用者输入的3D打印操作指令参数启动电场发生装置在升降基板下方施加相应的电脉冲，同 时主控制器选择启动外部磁场系统中的磁场发生器，并对各磁场发生器产生的磁场进行调 控，形成仅有一个磁场方向的单一磁场或具有多个方向的复合磁场； 其次，当3D打印开始时，原料先分别流经粉仓和落粉器，然后通过铺粉装置的水平 运动将原料送到目标位置，主控制器控制热源发生器、热源聚焦-偏转装置，使得热源束形 成的焦点光斑高速运动，在运动中迅速融化原料粉末，在所述打印零件待加工面上形成微 小熔池，通过控制所述热源发生器、热源聚焦-偏转装置，可形成一组水平方向的光斑二维 平面运动，依照‘点’形成‘线’，线’形成‘面’的逻辑完成3D打印零件的单层烧结加工的工 艺。在微小熔池形成以后，电场发生装置产生的脉冲电流与横向磁场发生器、纵向磁场的纵 向磁场发生器产生的磁场相互作用形成触发熔体流动的电磁力，使得枝晶端部受到力的作 用后产生剪切，造成枝晶碎断，形成大量新的晶核；同时，熔体的流动减缓了固/液界面前沿 的温度梯度，使得两相区成分过冷增加，进而增加了形核率。达到细化晶粒，改善晶粒的形 貌，使组织变得均匀致密。 最后，单层烧结加工的工艺完成后，接下来控制器控制所述升降基板在所述成形 缸中下降一个层厚的高度，依次重复所述送粉和所述单层烧结加工的工艺，即完成3D打印 零件的新一层的烧结加工，多次重复此加工逻辑，逐层使原料熔融堆积，最后3D打印出一个 完整零件。 5 CN 111590072 A 说　明　书 3/5 页 作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属零件增材制造装置施加的外部电场 是稳横电场、交变电场和脉冲电场中的任意一种电场或任意几种电场混合的综合电场。 作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属零件增材制造装置施加的外部磁场 是稳横磁场、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。 作为上述方案的进一步优选技术方案，向金属零件增材制造装置施加的外部磁场 方向为竖直方向和水平方向中的任意一种方向或任意几种方向，形成单一方向磁场或多方 向多形式的复合磁场，其中竖直方向包括由下至上方向和由上至下方向两种方向，其中水 平方向包括由左至右方向、由右至左方向、由前至后方向和由后至前方向四种方向。 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是： 1 .本发明提出了一种电场-磁场耦合控制增材制造金属零件凝固组织的方法，通 过施加外部电场、外部磁场对激光快速凝固过程进行调控，外部电场将在快速凝固的固/液 界面处强制产生电流，该电流无论强度与变化方式均与固/液界面处的本身存在的热电流 明显不同。外部电场施加的强制电流因强度、频率、变化模式可控，对金属熔体的搅拌效果 要远远优于固/液界面处因温度梯度而产生的热电流。 通过施加外部电场，从而在固/液界面处产生强制电流，导电流体在外加磁场作用 下受到洛伦兹力，对金属熔体产生搅拌效果，从而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，改善了金属增材制造过程中的缺陷。通过控制电场、磁场的强度、模 式、频率等参数，可得到性能优异的全等轴晶金属构件； 2.本发明公开了一种电场-磁场耦合控制的金属零件增材制造装置，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.本发明中用以辅助金属增材制造过程的电场与磁场装置安装简便，电场、磁场 的强度、模式、频率等参数容易改变，几乎适用于所有金属粉末类型的构件打印，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 开发进行专用电场-磁场耦合控制装置，以提高生产效率，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是本发明整体的截面结构示意图； 图2是本发明整体的侧面结构示意图； 图中标记：1、母材粉末；2、零件；3、电场发生装置；4、成形缸；5、升降基板；6、横向 磁场发生器；8、铺粉装置；9、落粉器；10、粉仓；13、热源发生器；14、热源聚焦-偏转装置；15、 可控热源束；16、成形腔体；17、纵向磁场发生器。