上海交通大學(xué)頂刊綜述《PMS》：電化學(xué)拋光在增材制造結(jié)構(gòu)表面處理中的應(yīng)用研究進展

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：增材制造（AM）技術(shù)的加速發(fā)展極大地促進了附屬制造業(yè)的擴張，從而節(jié)省了勞動力、材料和時間的成本。然而，制造缺陷仍然限制了AM組件的潛在應(yīng)用范圍。在增材制造零件現(xiàn)有的各種表面處理中，電化學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是改善制造零件表面粗糙度，機械性能，耐腐蝕性和生物相容性的有前景的方法。電化學(xué)技術(shù)在增材制造中的應(yīng)用正逐漸受到越來越多的關(guān)注。這項工作主要集中在定向能量沉積（DED）或激光粉末床熔融（L-PBF）制造的金屬上，并根據(jù)溶解曲線系統(tǒng)地評估了金屬AMed部件電化學(xué)應(yīng)用的現(xiàn)有知識體系。根據(jù)溶解曲線的不同區(qū)域（鈍化、拋光和點蝕），介紹了電化學(xué)技術(shù)的適用原理，并進行了全面詳細(xì)的闡述。全面討論了電解液類型、電化學(xué)參數(shù)、材料特性、電化學(xué)應(yīng)用加工方法等主要影響因素。最后，詳細(xì)介紹了電化學(xué)技術(shù)的混合制造可能性和實際應(yīng)用。這項工作確定了現(xiàn)有科學(xué)認(rèn)識中的差距，并描述了電化學(xué)拋光在工業(yè)應(yīng)用中AMed零件表面處理中的前景。

增材制造（AM）正在徹底改變制造業(yè)，將其高效率與大規(guī)模生產(chǎn)的靈活性相結(jié)合。它可以引入制造業(yè)，徹底改變加工效率、成本和交貨時間。增材制造技術(shù)包括一個三維計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)（3D CAD），允許直接制造。近年來，增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，并因其設(shè)計自由度高、凈成形水平高、研發(fā)效率高、裝配步驟少、產(chǎn)品開發(fā)周期短以及原材料利用率高等多重特點而受到更多關(guān)注。與傳統(tǒng)的鑄造或鍛造材料相比，AMed 金屬零件尤其可以具有更高的硬度、屈服強度，現(xiàn)在越來越多地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療和能源領(lǐng)域。

然而，高性能金屬零件的應(yīng)用要求無法通過竣工AMed零件的幾何精度和表面質(zhì)量實現(xiàn)，這限制了AMed零件的開發(fā)和實施。減材制造可以提高竣工AMed零件的表面光潔度和機械性能。減去制造路線包括精加工、拋光、激光拋光、研磨、研磨、銑削、化學(xué)機械平坦化、磁粉拋光、磨料流精加工和電化學(xué)拋光 （EP） 。這些加工操作在刀具磨損、加工效率、材料去除和應(yīng)用范圍等方面各有優(yōu)缺點。因此，后處理不可避免地導(dǎo)致生產(chǎn)步驟和成本增加。與 AM 相比，一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件由于工具可訪問性不足而難以通過傳統(tǒng)減材技術(shù)獨立處理。此外，高溫和工具磨損也限制了加工硬質(zhì)材料時的加工效率，即不銹鋼和回火鋼、硬化、鎳或鈦基合金，這將不可避免地導(dǎo)致額外的制造步驟和成本。 AMed 零件的更高表面質(zhì)量是探索或改進減材制造的基本目的。

在便利性和可用性方面，EP是一種基于局部陽極溶解的有前途的減材制造技術(shù)，具有非接觸、無工藝引起的殘余應(yīng)力、無限制工件幾何形狀、無表面損傷、能夠進行局部或全局加工、易于控制的加工參數(shù)和高拋光效率等一系列加工特性。在應(yīng)用EP以提高表面粗糙度時，工件的導(dǎo)電性是唯一的要求，這提供了廣泛的應(yīng)用前景，包括傳統(tǒng)的軟合金和硬合金。對于金屬AMed零件，耐腐蝕性是了解EP和氧化膜形成機理的表面改性的重要評估方法。雖然表面鈍化層取決于金屬基板的初始表面質(zhì)量，但EP因素可能會影響生成的鈍化膜的發(fā)育和穩(wěn)定性。包括EP在內(nèi)的電化學(xué)技術(shù)已經(jīng)有許多工作致力于研究以提高表面質(zhì)量，但是將電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用于各種金屬AMed零件仍然具有挑戰(zhàn)性，該技術(shù)的開發(fā)需要不同的操作和應(yīng)用要求。

增材制造在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車等諸多領(lǐng)域的快速發(fā)展，對電化學(xué)工藝提出了更高的要求。AMed部件的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和性能因技術(shù)而異。粉末基AM過程中表面粉末顆粒未完全熔化引起的階梯狀效應(yīng)，以及計算機模型與切片策略不匹配是AMed金屬零件最常見的兩個問題，嚴(yán)重限制了大型復(fù)雜金屬零件在航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的制備和應(yīng)用。如何提高AMed金屬零件的表面質(zhì)量（表面粗糙度、尺寸和形狀精度）、減少缺陷和提高機械性能（韌性、強度、疲勞）已成為各種金屬AM領(lǐng)域的主要研究方向。然而，現(xiàn)有的EP技術(shù)在AMed金屬零件中的應(yīng)用研究大多集中在EP工藝的優(yōu)化上，而忽略了AM工藝與電化學(xué)可加工性之間的相互作用。

作為一種非接觸式后處理技術(shù)，EP技術(shù)在復(fù)雜形狀A(yù)Med金屬零件上的應(yīng)用正在成為研究熱點，并正朝著基于電化學(xué)技術(shù)結(jié)合多種后處理技術(shù)的混合制造技術(shù)發(fā)展�？紤]到目前已有的研究主要集中在DED或LPBF制造的金屬上，而不是粘結(jié)劑噴射AM，

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特種材料研究所王浩偉講席教授團隊在總結(jié)現(xiàn)有AM技術(shù)的特點、適用性和缺點的背景下，從電化學(xué)參數(shù)和材料制備等方面討論了基于電流密度-電壓曲線三個區(qū)域（鈍化、拋光和蝕刻）的電化學(xué)技術(shù)的原理和因素。

相關(guān)研究成果以題“Application of electrochemical polishing in surface treatment of additively manufactured structure: A review”發(fā)表在期刊Process in Materials Science上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0079642523000415         

圖1AM中電化學(xué)應(yīng)用的一般體系結(jié)構(gòu)。

圖2（a）L-PBF和（b）DED的示意圖和工藝照片。

圖3兩種跨距和四種沉積策略（A：線性，B：鋸齒形，C：棋盤和D：輪廓光柵策略）的組合對DED過程中頂層顯微照片的影響：（a）0.44 mm和（b）0.55 mm。（c） L-PBF工藝中單軌的非接觸式輪廓儀形貌，具有粘附的部分熔化粉末顆粒和凝固波紋（經(jīng)參考文獻(xiàn)許可進行修改）。（D-E）表面粗糙度對響應(yīng)的貢獻(xiàn)率，以及L-PBF工藝參數(shù)（激光功率、層厚度和掃描速度）對表面粗糙度的方差分析。

圖4傳統(tǒng)的后處理技術(shù)（a）L-PBF和銑削過程相互作用的取向分布函數(shù)模式。（二、三）激光拋光工藝的示意圖和掃描策略。

圖5（a）磨料流精加工工藝和碳化硅（SiC）磨料。（b） EP工藝的實驗設(shè)置和EP應(yīng)用的復(fù)雜AM結(jié)構(gòu)。（c） 常規(guī)EP與其他常規(guī)后處理的雷達(dá)圖分析。

圖7鍛造哈氏合金X在陽極極化曲線不同溶解階段的微觀結(jié)構(gòu)演變。

圖8Hastelloy X 在 NaNO3 溶液中的電化學(xué)溶解行為示意圖

圖9（a）機械拋光和（b）等離子電解拋光和（c，d）相應(yīng)的XPS光譜后CoCr合金氧化膜的TEM圖像。

圖10（a） 電位和溫度對AM Ti合金局部腐蝕的影響原理。（二、三）（b）堆疊平面和（c）側(cè)平面的溫度-電流密度的變化。

圖11（A1-A4）在深共晶溶劑中電解拋光的 5 分鐘電解拋光 SLM 哈氏合金 X 圓柱管樣品的切片 SEM 圖像。DS：下皮，美國：上皮SW：側(cè)壁和相應(yīng)的Ra值（b）和表面硬度演變（c）作為EP時間的函數(shù)。

圖12（a）SLM鉻鎳鐵合金718管樣品在EP后1至5分鐘的表面演變。（B1-B5）SLM（左）和電解拋光（右）支架的SEM圖像以及SLM和商用支架的測量（b6）硬度。

圖13改進了傳統(tǒng)的 EP 工藝。（A-C）通過控制電解液類型和電流密度的拋光L-PBF 316L不銹鋼的形貌和SEM圖。

圖15（公元）電解液噴射加工（EJM）和（d）通過調(diào)節(jié)電荷密度來降低表面粗糙度的原理。（e-f）顯微鏡圖像和等離子電解拋光原理（PEP）以及拋光SLM CoCr部件的耐腐蝕性改進。

圖16（a） 各向同性蝕刻拋光（IEP）示意圖。（b） 不同時間的SLM IN718基板圖像。（c） 竣工、濕接地和 IEP SLM IN718 的表面粗糙度、耐腐蝕性和硬度比較。

圖17（a） SLM 316L不銹鋼在20分鐘相同拋光時間下的拋光效率和質(zhì)量比較。（乙-丙）過電位電化學(xué)拋光（OECP）期間的表面粗糙度評估和去除厚度。（d） AMed部件的I型和II型表面。（e-f）OECP和常規(guī)EP應(yīng)用于AMed晶格支柱和相應(yīng)的宏觀壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖21(a) L-PBF Inconel 625 的表面粗糙度降低變化與 EP 時間的關(guān)系。 (b) EP 10、20 和 30 分鐘后 SLM 馬氏體時效鋼的表面形貌。 (c) 在 1 (c1–c4) 和 20 ml (c5–c6) H2SO4 濃度為 100 ml 甲醇的電解質(zhì)中，SLM IN718 上形成的蝕刻孔的形態(tài)。

圖22（A-E）常規(guī)和SLM Ti6Al4V的五種不同的微觀結(jié)構(gòu)。（f-g）相應(yīng)的偏振曲線和奈奎斯特圖。（H-I）SLM 316 L試樣測量的殘余應(yīng)力和相應(yīng)的代表性循環(huán)-電動極化曲線。

圖24（a） DMLS AlSi10Mg的EBSD反極圖（IPF-Z）圖和相應(yīng)的偏振曲線。常規(guī)：360 瓦，0.2 毫米（重疊）;表面 1：370 W， 0;（b） SLM 316 L具有不同參數(shù)組合的偏振曲線。（c） L-PBF 316 L在60天內(nèi)以3.5wt%NaCl具有不同體積能量密度的開路電位（OCP）曲線。

圖26常規(guī)EP與其他復(fù)合工藝的雷達(dá)圖分析。

圖27(a1-a7) SLM 內(nèi)孔電化學(xué)機械拋光 (ECMP) 的實驗裝置和機制。 (b1-b2) 不同區(qū)域的內(nèi)部通道 ECMP 的工具組件、各自的加工區(qū)域和表面微觀結(jié)構(gòu)。 (c) 拋光機、粉末形態(tài)和干式 ECMP 示意圖。

圖29（a1-a2） 極壓后噴丸SLM AlSi10Mg的3D表面及其對每種條件下的抗疲勞性和S-N曲線的影響。（B1-B2）L-PBF 316L （b1） 的微觀結(jié)構(gòu)僅通過化學(xué)拋光和 （b2） 化學(xué)拋光后的 EP。（C1-C2）微電火花加工原理和表面粗糙度隨EP后施加的電流而變化。

圖30CoCr原型支架的SEM圖像（a）通過不同的同心掃描策略獲得，（b，c）在EP之后獲得。

圖31PEO 處理前后制造的 SLM Ti6Al4V 支架的 SEM 圖像。

圖32（a） SEM 和 （b） 具有各種幾何形狀的竣工和電解拋光樣品的光學(xué)圖像。

圖33用于加工帶有彎曲內(nèi)孔的SLM 304不銹鋼的實驗裝置：（a）概述和（b）實驗裝置的照片;（c） EP的示意圖。（D-E）經(jīng)過EP和化學(xué)拋光后的L-PBF 316L的外表面和內(nèi)表面。

圖34（a） L-PBF 鉻鎳鐵合金 718 晶格試樣和 （b） 內(nèi)陰極工具;（c）陰極工件分離距離;（d）基線和（e）EP后外部的立體鏡圖像。

圖36金屬AMed零件傳統(tǒng)EP的發(fā)展和前景。

總之，這項工作基于金屬溶解曲線全面回顧了金屬 AM 的 EP 應(yīng)用，主要體現(xiàn)在鈍化、拋光和蝕刻拋光中。鈍化膜的存在增強了材料的耐腐蝕性鈍化區(qū)域中的 AMed 零件。腐蝕發(fā)生的可能性和相應(yīng)的發(fā)展程度由鈍化膜的形成和破壞決定，與耐蝕性直接相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，增材制造金屬在耐腐蝕性方面具有顯著的分散性，包括鈦合金、鋁合金、不銹鋼和鉻鈷（Cr-Co）合金。因此，改善鈍化膜的表面性能是通過改變外部鈍化條件來降低AMed零件溶解速率的關(guān)鍵。然而，目前的鈍化理論主要集中在傳統(tǒng)制造金屬或合金上，而不是增材制造金屬。

為了進一步提高拋光效率，最大限度地發(fā)揮復(fù)雜增材制造結(jié)構(gòu)拋光的優(yōu)勢，提出了先進的極壓工藝�；旌现圃煸谶M一步實現(xiàn)均勻拋光和提高材料去除效率方面顯示出巨大的潛力。電化學(xué)技術(shù)與其他工藝（包括超聲波氣蝕噴丸、磨削和磁性）相結(jié)合，有助于獲得性能更好、表面光潔度高、尺寸精度高的AMed零件。目前AMed部件的電化學(xué)應(yīng)用主要集中在心血管支架，骨模擬支架，內(nèi)部通道和晶格結(jié)構(gòu)，這將取代傳統(tǒng)制造。

如今，電化學(xué)技術(shù)和AM技術(shù)的結(jié)合越來越受到關(guān)注。然而，AMed金屬零件電化學(xué)技術(shù)的設(shè)計和應(yīng)用仍然存在一些局限性和挑戰(zhàn)。

增材制造技術(shù)并非無所不能。它們需要電、物理和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合。材料去除過程受到各種復(fù)雜且相互影響的因素的影響。盡管從“粘膜理論”到最近的“質(zhì)量傳輸限制理論”已經(jīng)研究了去除過程，但考慮到金屬類型和增材制造金屬的固有特性，需要進一步研究和理解去除機制。更基礎(chǔ)的研究應(yīng)側(cè)重于材料、工藝參數(shù)、架構(gòu)和電化學(xué)技術(shù)性能之間的建模、優(yōu)化和關(guān)系，以確保產(chǎn)品在各個工業(yè)部門中的可靠性。而且，增材減材混合制造技術(shù)的背景，要求從產(chǎn)品設(shè)計、軟件控制、加工實現(xiàn)等方面結(jié)合增材制造賦能快速成型、精加工減材制造的優(yōu)勢。這種混合增材和減材制造（包括但不限于EP）的方法是為了解決復(fù)雜和封閉的增材零件的制造困難而提出的。需要在增材和減材參數(shù)、殘余應(yīng)力、各向異性、表面質(zhì)量和所得特性之間建立關(guān)系，以便可以考慮將混合制造用于工業(yè)應(yīng)用。未來，產(chǎn)品的制造將更加快捷、靈活、個性化、多樣化，同時達(dá)到要求的精度。