一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法制造方法及图纸

本文发明专利技术公开了一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法，通过在传统激光选择性烧结加热的基础上，引入了磁场发生器，正常打印时，通过控制系统控制磁场发生器产生稳定的静态磁场，通过静态磁场提供洛伦兹力改变工件打印过程中熔池的流场分布，当工件打印累积到一定厚度时，控制磁场发生器产生交变磁场，对工件进行加热回火热处理，之后自然冷却到常温，按照上述方法继续工件打印，直至工件打印结束。本发明专利技术在打印过程中，不仅能减小马兰格尼效应所产生的工件不平整效果，还能消除打印过程中造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使工件的组织和性能更加均匀，促进了打印材料金相组织的生长，提高工件的硬度和强度。

Thermal magnetic coupling field synergy selective laser melting device and heating method thereof

In this paper, a thermo-magnetic coupling field synergistic selective laser melting device and its heating method are invented and disclosed. Based on the traditional laser selective sintering heating, a magnetic field generator is introduced. When printing normally, the magnetic field generator is controlled by a control system to generate a stable static magnetic field, and Loren is provided by a static magnetic field. This force changes the flow field distribution in the molten pool during the workpiece printing process. When the workpiece printing accumulates to a certain thickness, the control magnetic field generator generates alternating magnetic field. The workpiece is heated and tempered, and then naturally cooled to normal temperature. The workpiece is printed according to the above method until the end of the workpiece printing. In the printing process, the invention can not only reduce the unevenness effect of the workpiece produced by the Marangni effect, but also eliminate various defects caused in the printing process, refine the grain, eliminate segregation, reduce internal stress, make the structure and performance of the workpiece more uniform, promote the growth of the metallographic structure of the printing material, and improve the workpiece. Hardness and strength.

【技术实现步骤摘要】
一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法
本专利技术属于金属3D打印增材制造
，涉及一种3D打印加热装置，具体涉及一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法。
技术介绍
1、选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)作为增材制造技术之一，能够实现由金属粉末到零件的自由制造，成型件尺寸精度高，表面粗糙度低，特别适合具有复杂几何结构零件的成型，广泛应用于航天制造以及精密加工等行业。2、在SLM加工过程中，由于激光加工温度梯度大，冷却速度快，容易造成工件内部晶粒大小不均匀、部分晶粒粗大、表面残余应力大等缺陷。而SLM加工时间长、要求得到的工件结构复杂且精度要求高，如果采用离线热处理工艺处理则会相应提高对热处理工作仪器的精度要求和工件加载难度，从而导致加工周期过长、成本提高。3、对金属3D打印的工作平台施加特定的磁场，从而在整个SLM工作流程中产生一定的磁场力和热量。通过焊接过程中磁场“搅拌”作用以及对焊接后保温处理，可以在整个SLM成形缸中完成细化晶粒、改变金相组织、消除残余应力的部分热处理过程。从而加强工件的硬度、强度、塑性等各方面的性能，提高SLM成品加工的质量。4、在当前在线热处理设备中，一般采用的是底部加热方式，即在成形缸底板设置了电阻丝或其他设备进行加热，但存在的问题是SLM成形整个流程中突出的主要特点是加工时间一般长达数十个小时且最终加工工件厚度仅为几毫米几十毫米。若采用底板加热方式会出现对已成型的工件部分进行了长时间过度加热的现象，同样会使成形后的金相组织受热过度“生长”造成粗大现象，并且容易导致成形缸内粉末不均匀加热的现象。
技术实现思路
1为了改变SLM制造过程所出现的晶粒粗大、裂纹、残余应力过大以及硬度较低等现象，本专利技术提出了将磁场和温度场耦合到金属3D打印设备中从而改善打印的质量，提高成品的表面硬度和强度。2在金属3D打印机中加入电磁感应线圈，用数控电流控制磁场的大小和方向。由于不同材料的磁导率不同，所需的磁场大小也不同，因此在选定打印材料后，将磁场大小设置为材料所需的大小。3在金属熔池内部存在着复杂相关性的液体流动，因此在磁场的环境下液态金属的流动会受到磁性力、洛伦兹力和热电磁力的影响而发生流动方向改变。由于交变磁场控制熔池的同时也会因涡流效应在成形杠内产生大量的热量，因此本专利技术中在对于打印工件总厚度不同的情况选用不同种类的磁场，旨在利用磁场对金属熔池的控制作用影响熔池的流动状况的同时避免涡流效应所带来的负面热影响，从而达到缩小工件上下受热不均匀造成尺寸精度误差的情况下最大程度上细化晶粒的目的。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，包括送粉装置、铺粉器、粉末回收装置和成形缸，成形缸的侧壁设有冷却装置，成形缸内设有可升降的工作台，所述工作台上方设有激光加热装置，其特征在于：工作台上方还设有磁场发生器和磁场探测仪，所述磁场探测仪通过水平移动装置安装在工作台上方，所述磁场发生器产生的磁场被磁场探测仪检测到，然后反馈给控制系统，控制系统控制磁场发生器调整产生所需频率及强度的磁场。作为改进，所述磁场发生器通过电源转换器与外部电源相连，电源转换器由单相变压器和555定时器组成，单相变压器通过555定时器改变交流电流输出波形及周期，所述电源转换器通过控制系统控制产生励磁电流大小和波形。作为改进，所述成形缸和工作台采用非金属耐高温陶瓷复合材料制成，成形缸内壁采用具有良好导热性的C/C复合材料制成，工作台通过液压升降器推动上下运动，液压升降器所用材质为304不锈钢。作为改进，所述磁场发生器的导线采用铜芯线，通入转换电流产生特定频率及强度的磁场，可输出磁场强度50mT至2T。作为改进，所述磁场探测仪主要组成部分为采用TMR元件为核心的磁传感器；磁感应器将接收到的磁场输出信号传至控制系统，通过控制系统的控制运算改变磁场发生器的励磁电流大小。作为改进，所述水位移动装置包括移动支架，移动支架伸出的头部用于安装磁场探测仪，尾部安装在工作台上方的水平轨道内，移动支架通过线性运动驱动装置驱动可在轨道上左右移动。作为改进，所述移动支架采用轻质非金属的碳纤维复合材料制成，其伸缩长度可调。作为改进，所述激光加热装置包括设于工作台上方的激光器和反射镜，所述激光器的光板聚焦可调30μm至200μm，扫描速度为1-5m/s。一种热磁耦合场协同选择性激光熔化加热方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过铺粉器开始对成形缸内的工作台铺粉，当累积打印厚度不超过工件分层厚度Th时，磁场发生器通入直流电源产生静态磁场，激光器对工作台上铺好的粉末进行选择性打印；步骤二、每完成一层打印后工作台下降一段距离，由铺粉器将工作台上剩余的粉末送入到粉末回收装置，当累积打印厚度不超过工件分层厚度Th且已完成所有打印工作时，通过控制系统控制磁场发生器通入交流电源对打印成形的工件进行的回火热处理，自然冷却后，取出工件，完成打印工作，当累积打印厚度超过工件分层厚度Th且未完成所有打印工作时，继续执行步骤三；步骤三、控制系统控制磁场发生器先输出一定的交变磁场对工件成形部分进行的电磁感应加热回火处理，然后断开磁场发生器和激光器电源使成形缸自然冷却到室温，之后按照步骤一和步骤二继续铺粉打印，在打印过程中，每当工件打印达到或超过分层厚度Th时，通过控制系统控制磁场发生器输出一定的交变磁场，对工件已经打印部分回火热处理，之后断开交流电源，工件自然冷却之后继续打印下一层，如此循环工作，完成所有打印工作后取出工件。作为改进，工件打印过程中，分层厚度Th根据不同材料特性选择，一般为5-20mm；每次回火热处理时间t0取值范围20min-60min。本专利技术有益效果是：本专利技术在金属3D打印的过程中，通过加入热-磁耦合场并在其协同作用下，改善了以往SLM成形过程中零件内部组织难以控制，存在枝晶粗大等缺陷，从而降低成品力学性能的缺陷。同时也改善了成形零件内部温度分布不均，容易发生翘曲变形，从而影响产品质量的问题。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：本专利技术中加入了新型的磁场发生器和电源装换器，通入直流电源旨在产生稳定磁场，在打印过程中对熔池产生一定的洛伦兹力，从而减小马兰格尼效应所产生的工件不平整效果。交流电源产生的交变磁场在工件内部产生温度场成对成型的工件进行热处理，消除打印过程中造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使工件的组织和性能更加均匀。此设计促进了打印过程中各种材料的金相组织(如铝硅复合材料)的生长，提高工件的硬度、强度等材料性能。将磁场与温度场的发生装置合二为一，针对不同的打印厚度要求输出不同种类的磁场和安排不同的工作步骤完成相应的打印工作，降低单一工作模式下对不同零件设计厚度(高度)所造成的制造误差。在打印材料时输出磁场控制熔池内部流动状态，在对成形部分工件输出交变磁场进行电磁感应加热。两种磁场交叉使用，在打印材料的熔融流动和凝固后内部晶粒变化中分别实现磁场力控制熔池以及在线热处理，从而得到理想的金相组织和晶粒大小。避免使用单一交变磁场在控制熔池时产生不必要的涡流效应，减少能量浪费，提高打印工件质量，降低生产的成本。磁场发生器创新性设置在成形缸上方，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，包括送粉装置、铺粉器、粉末回收装置和成形缸，成形缸的侧壁设有冷却装置，成形缸内设有可升降的工作台，所述工作台上方设有激光加热装置，其特征在于：工作台上方还设有磁场发生器和磁场探测仪，所述磁场探测仪通过水平移动装置安装在工作台上方，所述磁场发生器产生的磁场被磁场探测仪检测到，然后反馈给控制系统，控制系统控制磁场发生器调整产生所需频率及强度的磁场。

【技术特征摘要】
1.一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，包括送粉装置、铺粉器、粉末回收装置和成形缸，成形缸的侧壁设有冷却装置，成形缸内设有可升降的工作台，所述工作台上方设有激光加热装置，其特征在于：工作台上方还设有磁场发生器和磁场探测仪，所述磁场探测仪通过水平移动装置安装在工作台上方，所述磁场发生器产生的磁场被磁场探测仪检测到，然后反馈给控制系统，控制系统控制磁场发生器调整产生所需频率及强度的磁场。2.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述磁场发生器通过电源转换器与外部电源相连，电源转换器由单相变压器和555定时器组成，单相变压器通过555定时器改变交流电流输出波形及周期，所述电源转换器通过控制系统控制产生励磁电流大小和波形。3.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述成形缸和工作台采用非金属耐高温陶瓷复合材料制成，成形缸内壁采用具有良好导热性的C/C复合材料制成，工作台通过液压升降器推动上下运动，液压升降器所用材质为304不锈钢。4.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述磁场发生器的导线采用铜芯线，通入转换电流产生特定频率及强度的磁场，可输出磁场强度50mT至2T。5.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述磁场探测仪主要组成部分为采用TMR元件为核心的磁传感器；磁感应器将接收到的磁场输出信号传至控制系统，通过控制系统的控制运算改变磁场发生器的励磁电流大小。6.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述水位移动装置包括移动支架，移动支架伸出的头部用于安装磁场探测仪，尾部安装在工作台上方的水平轨道内，移动支架通过线性运动驱动装置驱动可在轨道上左右移...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜，李辉，申胜男，陈黎玮，邓贤峰，张涛，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42