全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108620584A(43)申请公布日2018.10.09(21)申请号201810290751.X(22)申请日2018.04.03(71)申请人上海大学地址200444上海市宝山区上大路99号(72)发明人王江任忠鸣刘小器时令聂建文刘伟(74)专利代理机构上海上大专利事务所(普通合伙)31205代理人顾勇华(51)Int.Cl.B22F3/105(2006.01)B33Y10/00(2015.01)B33Y30/00(2015.01)B33Y50/02(2015.01)权利要求书2页说明书8页附图3页(54)发明名称全等轴晶金属构件的激光增材制造方法及其装置(57)摘要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。CN108620584ACN108620584A权利要求书1/2页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