一种螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法

本发明涉及增材制造，具体涉及一种螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法。

背景技术：

1、激光粉末床熔化（laser powder bed fusion，lpbf）是一种基于逐层堆积原理的金属增材制造技术，通过激光束选择性熔化金属粉末层，可制备复杂结构的金属构件。该技术在航空航天、生物医疗、模具等领域具有广泛应用。

2、在lpbf成形过程中，现有技术中，常采用稳恒磁场或交变磁场辅助lpbf成形，利用磁场对导电熔体的洛伦兹力效应调控熔池流动（流场）。然而，现有磁场辅助方案中，磁场发生装置与扫描策略通常相互独立设置，磁场参数并不随扫描路径的变化而调整。

3、另一方面，增材制造成形参数不直接决定组织，而是通过调控熔池内部4个本征物理场（热场、流场、应力应变场、温度场）的耦合来影响的。螺旋形扫描策略（包括同心方形环扫描、阿基米德螺旋线扫描等）因其温度累积分布连续（温度场）、可减少残余应力（应力应变场）而被用于lpbf成形。在螺旋形扫描过程中，激光沿闭合或近闭合路径连续运动，熔池熔体存在持续变化的切向流动。现有技术中，螺旋形扫描策略的应用未与磁场调控相结合，未能利用螺旋扫描路径下熔池切向流动的特征来匹配磁场方向，导致熔池流动调控缺乏针对性，成形构件的组织均匀性和缺陷控制效果仍有提升空间。

4、本发明通过外加螺旋磁场影响的流场与螺旋形扫描策略影响的温度场和应力应变场相耦合的方式来对成形构件的组织均匀性和缺陷进行有效控制。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：

2、一、现有磁场辅助激光粉末床熔化成形中，磁场与扫描策略相互独立，未针对螺旋形扫描路径产生的熔池温度场和应力应变场特征匹配磁场旋转方向，熔池温度场和应力应变场调控缺乏针对性，成形构件组织均匀性不足、缺陷控制效果有限。

3、二、螺旋扫描路径下不同径向位置的温度场分布和应力应变场分布存在差异，单一磁场参数难以实现全截面均匀调控。

4、针对上述问题，本发明的技术方案如下：一种螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，包括以下步骤：

5、在基板上铺设金属粉末；

6、采用激光束沿提前设定的螺旋形扫描路径对金属粉末进行扫描熔化；所述螺旋形扫描路径从待成形区域的外周向中心连续收缩或从中心向外围连续扩张；在扫描过程中施加旋转的螺旋磁场；所述螺旋磁场的磁场矢量绕成形轴线旋转并相对于沉积成形方向具有轴向分量；所述螺旋磁场的旋转方向与所述螺旋形扫描路径的扫描方向相匹配。

7、所述螺旋形扫描路径为同心方形环路径或阿基米德螺旋线路径。

8、所述螺旋磁场的旋转方向与所述螺旋形扫描路径的扫描方向相同，以使所述螺旋磁场产生的洛伦兹力与熔池内部的温度场和应力应变场同向叠加。

9、所述螺旋磁场的旋转方向与所述螺旋形扫描路径的扫描方向相反，以使所述螺旋磁场产生的洛伦兹力与熔池内部的温度场和应力应变场反向抵消。

10、所述螺旋磁场由基板底部通过电机带动永磁铁进行旋转产生。

11、在所述螺旋形扫描路径的不同径向位置，调节所述螺旋磁场的磁感应强度和/或旋转频率。

12、所述金属粉末为gh3536合金粉末。

13、激光粉末床熔化成形的步骤具体包括：

14、步骤1、建立三维模型，对三维模型进行切片处理，获得若干扫描层，设置扫描路径为螺旋形扫描路径；设置激光扫描的工艺参数；

15、步骤2、固定基板于激光粉末床熔化成形设备，在基板内部放置固定一永磁铁，将电机与永磁铁进行连接；关闭激光粉末床熔化成形设备舱门，在设备控制系统中选择导入的gh3536镍基高温合金的工艺参数，加热基板并启动真空系统；

16、步骤3、当基板温度达到100℃和氧含量达到200ppm时，启动激光粉末床熔化成形设备，根据扫描路径进行打印；

17、步骤4、打印完当前扫描层后，基板下降一层高度，粉料缸上升一层高度，刮刀铺粉，准备进行下一层的打印；

18、步骤5、重复所述步骤4，直至所有扫描层打印完成。

19、在所述步骤1中，设置激光功率为200w-300w；设置激光扫描速度为1000mm/s-1500mm/s；设置扫描层层厚为30μm，扫描间距100μm；永磁体的磁性为1.0t-3.0t，成形过程中旋转速度为3000r/min-7000r/min。

20、采用螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法得到gh3536镍基高温合金；所述gh3536镍基高温合金的横截面晶粒尺寸为11.47μm-12.79μm，室温抗拉强度为1080mpa-1099mpa，延伸率为55%-61%。

21、进一步的，三维模型尺寸为10mm10mm10mm。

22、本发明的有益效果如下：

23、第一，本发明通过将螺旋磁场的旋转方向与螺旋形扫描路径的扫描方向进行定向匹配，使螺旋磁场产生的轴向洛伦兹力与熔池熔体的切向流动（流场）发生定向耦合，能够有针对性地调控熔池对流模式。当二者同向时，洛伦兹力强化熔池螺旋搅拌，有利于破碎凝固前沿枝晶、增加异质形核位点，从而促进等轴晶形成、改善组织均匀性；当二者反向时，洛伦兹力阻尼熔池流动，有利于增大温度梯度、提升冷却速率。

24、第二，本发明采用螺旋形扫描路径配合螺旋磁场，熔池的温度场和应力应变场调控效果沿径向连续渐变，区别于仅在外圈轮廓带施加磁场调控的方案，能够实现全截面范围内的组织均匀调控，有利于弱化轮廓区域与芯部区域的组织分区现象。

25、第三，本发明可在螺旋形扫描路径的不同径向位置调节螺旋磁场的磁感应强度和/或旋转频率，能够适应螺旋扫描路径下从外周向中心热累积递增的特征，实现分区精准调控，有利于避免中心区域过热或外周区域调控不足的问题。

1.一种螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，所述螺旋形扫描路径为同心方形环路径或阿基米德螺旋线路径。

3.根据权利要求1所述的螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，所述螺旋磁场的旋转方向与所述螺旋形扫描路径的扫描方向相同，以使所述螺旋磁场产生的洛伦兹力与熔池内部的温度场和应力应变场同向叠加。

4.根据权利要求1所述的螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，所述螺旋磁场的旋转方向与所述螺旋形扫描路径的扫描方向相反，以使所述螺旋磁场产生的洛伦兹力与熔池内部的温度场和应力应变场反向抵消。

5.根据权利要求1所述的螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，所述螺旋磁场由基板底部通过电机带动永磁铁进行旋转产生。

6.根据权利要求1所述的螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，在所述螺旋形扫描路径的不同径向位置，调节所述螺旋磁场的磁感应强度和/或旋转频率。

7.根据权利要求1所述的螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，所述金属粉末为gh3536合金粉末。

8.根据权利要求1所述的螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，激光粉末床熔化成形的步骤具体包括：

9.根据权利要求8所述的螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，在所述步骤1中，设置激光功率为200w-300w；设置激光扫描速度为1000mm/s-1500mm/s；设置扫描层层厚为30μm，扫描间距100μm；永磁体的磁性为1.0t-3.0t，成形过程中旋转速度为3000r/min-7000r/min。

10.根据权利要求1-9任一所述螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法，其特征在于，采用螺旋磁场辅助螺旋扫描激光粉末床熔化成形方法得到gh3536镍基高温合金；所述gh3536镍基高温合金的横截面晶粒尺寸为11.47μm-12.79μm，室温抗拉强度为1080mpa-1099mpa，延伸率为55%-61%。