一种增材制造金属复杂流道结构的高选择性抛光方法

技术领域

本发明涉及一种增材制造金属流道结构的抛光方法。

背景技术

流道是传递质量或能量的主要结构类型，流道产品在航空航天、模具、船舶汽车、武器装备、电子器件、能源电力、医疗健康等领域的工程应用正不断推进。随着对传质和能量交换效率的要求不断提高，流道结构越来越复杂，尺寸更加微细，增材制造技术已成为复杂金属微细流道制造的主要手段。但增材制备件成形表面质量差仍是该技术的显著缺陷，尤其对于具有复杂结构(变径、弯曲、交叉等)、直径小于1mm的微细流道，增材制备的内表面将更加粗糙(Ra≥10μm)和不均匀，其高选择性抛光技术一直没有完全解决，已经成为一项急需突破的技术瓶颈。

采用金属粉末进行叠层制造，增材成形表面黏粉现象是不可避免的，尤其在流道内表面更加严重，此外，球化、阶梯效应的存在使内表面质量更加恶化。粗糙表面除了影响机械性能外，还会显著地影响其他功能特性，如能量吸收特性，耐腐蚀性和流体动力学性质等。因此，未经后续抛光处理的内流道无法满足高使役性要求。

当前主流的光整工艺有机械抛光、磨粒流、化学抛光、传统电化学抛光等方法。机械抛光主要应用于外表面的抛光，虽然磨粒流、化学和传统电化学抛光可以克服内流道光整的可达性问题，但是对于结构复杂、直径微细、大角度的内流道也同样不适用，极易造成抛光不均匀、微裂纹等缺陷。因此，急需开发一种适用于增材制造复杂流道金属零件的专用抛光方法，实现复杂流道结构的高效、高选择性、质量一致性的表面加工。

发明内容

本发明是要解决目前增材制造金属复杂流道结构存在表面粗糙、表面均匀性差、存在多余物的技术问题，而提供一种增材制造金属复杂流道结构的高选择性抛光方法。

本发明的增材制造金属复杂流道结构的高选择性抛光方法是按以下步骤进行的：

一、将增材制造的金属复杂流道构件与电化学工作站的阳极连接作为工作电极，将钛网与电化学工作站的阴极连接作为对电极；然后将增材制造的金属复杂流道构件和钛网放入装有抛光溶液的电解槽中，启动电化学工作站，测量金属复杂流道构件的电化学极化曲线并获得极限电流平台对应的电压值；

二、通过电化学工作站施加一个高于步骤一获得的极限电流平台对应的电压值10％～50％的电压进行增材制造的金属复杂流道构件的抛光，抛光溶液的温度为30℃～70℃，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌或磁力搅拌；

蠕动泵的流速为100mL/min～500mL/min，蠕动泵驱动有利于抛光过程溶液流速和流动方向的精准控制；

磁力搅拌的转速为300转/min～1000转/min；

三、通过电化学工作站对步骤二抛光后的增材制造金属复杂流道构件施加一个步骤一获得的极限电流平台对应的电压值100％～90％的电压，保持电压恒定进行精抛，抛光时间为10min～30min，抛光溶液的温度为50℃～70℃，抛光溶液采用磁力搅拌，搅拌转速为200转/分钟～600转/分钟；

四、将步骤三抛光后的增材制造金属复杂流道构件放入去离子水中进行超声清洗，清洗时间为20min～30min，然后放入烘干炉中，在60℃～80℃下加热0.5h～1h，得到高表面质量的增材制造金属复杂流道构件。

本发明以增材制造的金属复杂流道构件为对象，采用过电压+常规电压组合进行电化学抛光：步骤一中首先采用电化学分析方法测量出金属复杂流道构件的极限电流平台和对应的电压值，步骤二中在高于极限电流平台电压值10％～50％的电压下进行过电压电化学抛光，可以快速去除复杂流道构件内表面尺寸较大的凸起，选择性的将复杂流道粗糙度较大的局部区域优先平滑，过电压抛光能改善流道内表面的质量均匀性，粗糙度可降低到Ra≤3.2μm；步骤三中再施加一个小于等于极限电流平台电压进行常规电压的电化学抛光，继续对复杂流道构件精抛，获得了优异的表面质量，相比于步骤二抛光的表面，粗糙度降低至Ra≤0.8μm。本发明的抛光方法工艺简单，降低了表面处理的周期与成本，且抛光后的复杂流道构件粗糙度降低为初始粗糙度的8％以下。

附图说明

图1是试验一的步骤一中未进行任何操作时增材制造TC4复杂流道结构内表面的形貌金相照片；

图2是试验一抛光处理后增材制造TC4复杂流道结构内表面的形貌金相照片；

图3是试验一的步骤一中未进行任何操作时增材制造TC4复杂流道结构折弯处内表面的激光共聚焦照片；

图4是试验一抛光处理后增材制造TC4复杂流道结构内表面的激光共聚焦照片；

图5是试验二抛光处理后增材制造TC4复杂流道结构内表面形貌金相照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种增材制造金属复杂流道结构的高选择性抛光方法，具体是按以下步骤进行的：

一、将增材制造的金属复杂流道构件与电化学工作站的阳极连接作为工作电极，将钛网与电化学工作站的阴极连接作为对电极；然后将增材制造的金属复杂流道构件和钛网放入装有抛光溶液的电解槽中，启动电化学工作站，测量金属复杂流道构件的电化学极化曲线并获得极限电流平台对应的电压值；

二、通过电化学工作站施加一个高于步骤一获得的极限电流平台对应的电压值10％～50％的电压进行增材制造的金属复杂流道构件的抛光，抛光溶液的温度为30℃～70℃，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌或磁力搅拌；

蠕动泵的流速为100mL/min～500mL/min；

磁力搅拌的转速为300转/min～1000转/min；

三、通过电化学工作站对步骤二抛光后的增材制造金属复杂流道构件施加一个步骤一获得的极限电流平台对应的电压值100％～90％的电压，保持电压恒定进行精抛，抛光时间为10min～30min，抛光溶液的温度为50℃～70℃，抛光溶液采用磁力搅拌，搅拌转速为200转/分钟～600转/分钟；

四、将步骤三抛光后的增材制造金属复杂流道构件放入去离子水中进行超声清洗，清洗时间为20min～30min，然后放入烘干炉中，在60℃～80℃下加热0.5h～1h，得到高表面质量的增材制造金属复杂流道构件。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的增材制造的金属复杂流道构件的材质为TC4钛合金，对应的抛光溶液按照体积分数组成为：60％～75％的高氯酸、10％～20％的冰醋酸，其余为水。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的增材制造的金属复杂流道构件的材质为316L不锈钢，对应的抛光溶液按照体积分数组成为：50％～70％的硫酸、10％～20％的磷酸，其余为水。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的增材制造的金属复杂流道构件的材质为IN718镍基高温合金，对应的抛光溶液按照体积分数组成为：45％～65％的硫酸、15％～25％的磷酸，其余为水。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述的钛网为钛丝编织方法制备，钛丝的直径为100μm～200μm。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一中所述的钛网呈环形围绕在增材制造的金属复杂流道构件的外围，有利于电场分布的均匀性。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中施加的电压采用脉冲模式。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二中的抛光时间为40min～80min。其他与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中施加的电压采用恒电压模式。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤二中的抛光时间为10min～60min。其他与具体实施方式九相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种增材制造金属复杂流道结构的高选择性抛光方法，具体是按以下步骤进行的：

一、将增材制造的金属复杂流道构件与电化学工作站的阳极连接作为工作电极，将钛网与电化学工作站的阴极连接作为对电极；然后将增材制造的金属复杂流道构件和钛网放入装有抛光溶液的电解槽中，启动电化学工作站，测量金属复杂流道构件的电化学极化曲线并获得极限电流平台对应的电压值；

所述的增材制造的金属复杂流道构件的材质为TC4钛合金，对应的抛光溶液按照体积分数组成为：70％的高氯酸、15％的冰醋酸，其余为水；

所述的钛网为钛丝编织方法制备，钛丝的直径为200μm；

所述的钛网呈环形围绕在增材制造的金属复杂流道构件的外围，有利于电场分布的均匀性；

二、通过电化学工作站施加一个高于步骤一获得的极限电流平台对应的电压值20％的电压，保持电压恒定进行增材制造的金属复杂流道构件的抛光，抛光溶液的温度为50℃，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌，蠕动泵的流速为300mL/min；

三、通过电化学工作站对步骤二抛光后的增材制造金属复杂流道构件施加一个步骤一获得的极限电流平台对应的电压值电压，保持电压恒定进行精抛，抛光时间为20min，抛光溶液的温度为60℃，抛光溶液采用磁力搅拌，搅拌转速为400转/分钟；

四、将步骤三抛光后的增材制造金属复杂流道构件放入去离子水中进行超声清洗，清洗时间为30min，然后放入烘干炉中，在70℃下加热1h，得到高表面质量的增材制造金属复杂流道构件。

试验一抛光获得的增材制造TC4复杂流道内表面的粗糙度为Ra≤0.8μm。

试验二：本试验与试验一的区别为：步骤二中施加电压采用脉冲模式，抛光时间60min。其它与试验一相同。

试验二所获得的增材制造TC4复杂流道内表面的粗糙度为Ra≤0.6μm。

图1是试验一的步骤一中未进行任何操作时增材制造TC4复杂流道结构内表面的形貌金相照片，从图中看出表面凹凸不平，随机分布粘粉的颗粒凸起，表面粗糙。图2是试验一抛光处理后增材制造TC4复杂流道结构内表面的形貌金相照片，可以看出表面凸起及颗粒已基本移除，表面均匀。

图3是试验一的步骤一中未进行任何操作时增材制造TC4复杂流道结构折弯处内表面的激光共聚焦照片，从图中测得表面粗糙度Ra为10.06μm。图4是试验一抛光处理后增材制造TC4复杂流道结构内表面的激光共聚焦照片，从图中测得表面粗糙度Ra为0.8μm，相较于图3大幅下降，为初始粗糙度的8％以下。

图5是试验二抛光处理后增材制造TC4复杂流道结构内表面形貌金相照片，相比图2表面质量进一步提升，粗糙度降低至Ra为0.6μm，内表面质量得到大幅改善。