一种增材制造金属部件的复合电化学抛光方法和装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造金属部件的复合电化学抛光方法和装置。

背景技术

增材制造俗称3D打印，有助于实现致密、坚固的3D金属部件的快速制造，且其几何形状和复杂性几乎不受限制，该技术目前已经广泛应用于航空航天，汽车和医疗植入行业。然而，由于制造过程中不可避免的阶梯效应、成球效应、部分熔化的原料粉末、飞溅和不充分熔化导致的高表面粗糙度是应用增材制造金属的最大挑战之一。尽管优化激光参数和扫描策略可以在一定程度上改善表面光洁度，但要实现金属部件的难加工部位如侧面和内表面的亚微米光洁度，需要采用合适的后处理工艺。

通过传统方法进行增材制造金属部件的表面后处理，如机械加工、喷砂和磨料流抛光并不能兼顾高效与高表面质量。而基于电化学的抛光方法具有非接触性质、无自耗电极、独立于工件强度和硬度、无表面损伤和无工艺引起的残余应力，是一种有前途的后处理技术。结合电解液的可侵入性特点，能够实现复杂结构的内表面抛光。增材制造金属部件的传统电化学抛光是基于单一的电化学工艺，往往导致低选择性的抛光区域，且容易出现抛光不均匀和效率低等问题，而增材制造金属部件的复杂结构更是加剧了这一问题。因此，现在急需研究一种能够抛光均匀且高效率的抛光装置和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种增材制造金属部件的复合电化学抛光方法和装置，为两步电化学抛光方法，在降低增材制造金属部件内外表面粗糙度的同时减少抛光液更新次数，提升电化学抛光效率与均匀性，且该装置与方法适用于多种增材制造金属部件的表面抛光。

本发明的目的可以通过以下方案来实现：

第一方面，本发明提供一种增材制造金属部件的复合电化学抛光装置，所述抛光装置包括抛光组件(15)、抛光液循环装置(16)、电源(1)；

所述抛光组件(15)包括溶解池(3)、第一金属阴极(4)、第一待加工金属阳极(5)、水浴池(6)、加热台(7)、第二金属阴极(12)、抛光池(13)、驱动控制(14)、第二待加工金属阳极(17)；所述溶解池(3)和抛光池(13)并列设置于加热台(7)上方；所述抛光池(13)包括内层和外层，内层为液槽(18)，外层为水浴池(6)；所述第一金属阴极(4)位于溶解池(3)中，并通过导线(2)与电源(1)的负极相连；第二金属阴极(12)为液槽壁，并通过导线(2)与电源(1)的负极相连；所述第一待加工金属阳极(5)位于溶解池(3)中，并通过导线(2)与电源(1)的正极相连；所述第二待加工金属阳极(17)位于抛光池(13)中，并经过驱动控制(14)与电源(1)的正极通过导线(2)相连；所述溶解池(3)中盛有溶解液，抛光池(13)中的液槽(18)中盛有抛光液；

所述抛光液循环装置(16)与抛光池(13)连接。

作为本发明的一个实施方案，所述抛光液循环装置(16)包括循环管(8)、过滤器(9)、循环泵(10)、流量阀(11)；所述循环泵(10)的一端经过过滤器(9)与抛光池(13)的出水口(19)通过循环管(8)相连；所述循环泵(10)的另一端经过流量阀(11)与抛光池(13)的入水口(20)通过循环管(8)相连。

进一步地，抛光液依次经过循环管(8)、过滤器(9)、循环泵(10)和流量阀(11)流回抛光池(13)，保证抛光液的快速流动更新，从而使电流与离子的交换更加均匀和充分，保证金属表面得到均匀的抛光。其中，过滤器可过滤抛光液中反应产物，流量阀可调节抛光液循环流速。

作为本发明的一个实施方案，所述溶解液包括NaNO

作为本发明的一个实施方案，所述溶解液的质量分数为0.5-20wt.％。

作为本发明的一个实施方案，所述溶解池为待加工部件在粗加工过程中的反应容器，其材质可以为不与抛光液发生反应的金属、陶瓷和塑料，且能承受溶解过程产生的温度。

作为本发明的一个实施方案，所述溶解池(3)的材质包括不锈钢、玻璃钢、聚四氟乙烯中的至少一种。

作为本发明的一个实施方案，所述溶解池内放置搅拌装置。搅拌装置用于加快溶解液的流动更新，保证溶解池各处温度相同的同时保证部件溶解均匀。

作为本发明的一个实施方案，第一金属阴极(4)的材质包括不锈钢、钛合金、黄铜中的至少一种。第一金属阴极还包括其他不与溶解液发生反应的金属材料。

本发明中，所述第一金属阴极(4)为平板状。

作为本发明的一个实施方案，所述第一待加工金属阳极(5)包括选区激光熔化、定向能量沉积等增材制造方法得到的未经处理的打印态金属部件。

本发明中，所述金属部件包括铝合金、钛合金、镍基高温合金中的至少一种。

作为本发明的一个实施方案，抛光池为待加工部件在精加工过程中的反应容器，其材质可以为不与抛光液发生反应的金属、陶瓷和塑料，且能承受抛光过程产生的温度。

作为本发明的一个实施方案，所述抛光池(13)的材质包括不锈钢、玻璃钢和聚四氟乙烯中的至少一种。

作为本发明的一个实施方案，所述水浴池(6)和抛光液循环装置(16)用于保证抛光液的快速流动更新和温度分布均匀；所述的抛光池包括加热台(7)，可根据不同金属部件的抛光温度需求对抛光液加热，使抛光池中温度与待抛光金属部件相匹配。

作为本发明的一个实施方案，所述抛光液为与待加工部件金属材质对应的抛光液。

作为本发明的一个实施方案，所述抛光液包括硫酸-磷酸体系抛光液、硝酸体系抛光液、氢氧化钠体系抛光液中的至少一种。

进一步的，所述硫酸-磷酸体系抛光液的组分包括质量浓度为98％的硫酸质量分数10-50％、质量浓度为85％的磷酸质量分数10-50％、余量为添加剂；硝酸体系抛光液的组分包括氟硼酸10-35g/L、硝酸5-25g/L、硼酸2-10g/L；所述氢氧化钠体系抛光液的组分包括氢氧化钠50-80g/L、氟化钠10-40g/L；所述添加剂包括水、乙二醇、氢氟酸、甘油、草酸中的至少一种。

作为本发明的一个实施方案，所述第二金属阴极(12)用于提供均匀电场，第二金属阴极的材质包括不锈钢、钛合金、黄铜中的至少一种。第二金属阴极的材质还包括不与抛光液发生反应的金属材料。

本发明中，所述第二金属阴极(12)为圆筒状。

作为本发明的一个实施方案，所述第二待加工金属阳极(17)为表面溶解后的第一待加工金属阳极。

作为本发明的一个实施方案，抛光池中的第二待加工金属阳极(17)与驱动控制(14)相连，可以使待加工部件在抛光过程中旋转与上下移动，促进部件内部抛光液的流动更新。

第二方面，本发明提供一种增材制造金属部件的复合电化学抛光方法，所述复合电化学抛光方法使用所述抛光装置，依次通过以下步骤完成：

S1、将待加工增材制造金属部件作为第一待加工金属阳极(5)，将第一待加工金属阳极(5)和第一金属阴极(4)置于溶解池(3)中，设定溶解电压，启动电源(1)并保持一段时间(关闭电源并取下金属阳极)，可得到表面溶解后的增材制造金属部件；

S2、将表面溶解后的增材制造金属部件作为第二待加工金属阳极(17)，放入抛光池(13)中，启动加热台(7)至温度达到抛光温度、再启动循环泵(10)和驱动控制(14)，打开电源并保持一段时间(随后关闭装置并取下金属阳极部件)，得到复合电化学抛光后的增材制造金属部件。

作为本发明的一个实施方案，步骤S1中，所述待加工增材制造金属部件为经过表面清洗预处理的金属部件；所述清洗预处理包括：使用酒精对待加工增材制造金属部件进行超声清洗，去除内外表面粉末。

作为本发明的一个实施方案，步骤S1中，根据待加工增材制造金属部件的尺寸选择对应大小的第一金属阴极(4)。

作为本发明的一个实施方案，步骤S1中，所述溶解电压为10-30V，保持的时间为30-60s。在设定的时间内，金属阳极表面粘附颗粒和由球化等导致的不规则结构逐渐整平。

作为本发明的一个实施方案，步骤S1还包括将得到的表面溶解后的增材制造金属部件采用酒精进行清洗。

作为本发明的一个实施方案，步骤S2中，所述抛光温度为40-60℃；电源的电压为5-25V，时间为15-60s。在设定的时间内，金属阳极表面在电化学抛光的作用下被进一步平滑和光亮。在实际应用中，根据待加工金属、金属阴极材质选择合适的抛光液、抛光温度和调节流量阀至合适位置。

作为本发明的一个实施方案，步骤S2还包括将得到的复合电化学抛光后的增材制造金属部件采用酒精进行清洗。

本发明中，所述复合电化学抛光方法包括：在溶解池中进行打印态金属部件的粗加工。溶解开始时，金属阳极和金属平板阴极都应浸没在溶解液中且均为竖直放置。根据金属阳极材质特点设定所需电压、时间和极板间距，控制打印态金属部件表面凸起位置的溶解程度并逐渐平整；在抛光池中进行打印态金属部件的精加工。抛光开始时，金属阳极和第二金属阴极都应浸没在抛光液中，二者轴线共线且均为竖直放置。在循环泵和驱动控制的作用下，打印态金属部件表面在设定的时间和电压下逐渐平滑和光亮，实际的金属阴极尺寸需根据金属阳极尺寸进行相应调整。

本发明的复合电化学抛光方法利用溶解和抛光作用快速去除打印态金属部件内外表面的粉末粘附和球化现象，高效实现材料表面整平和光亮，并显著减少酸性电解液补充次数。该复合电化学抛光装置主要包括溶解池、抛光池、水浴池、控制驱动、电源、电极和溶解液及抛光液。工作时，待抛光的增材制造金属件先置于溶解池中粗加工表面整平，后置于抛光池中精加工进一步平滑和光亮，并在控制驱动下实现金属件的均匀阳极溶解。使用此复合电化学抛光方法和装置，可有效降低打印态金属部件表面粗糙度的同时改善表面光洁度和降低电化学抛光成本。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供的降低增材制造金属部件表面粗糙度的方式为先溶解再抛光。该复合电化学抛光方法与单一电化学抛光相比，增加了抛光池中酸性抛光液的可使用次数，且进一步降低了金属部件表面粗糙度。

(2)本发明提供的金属部件溶解过程中，首创地采用的溶解液为环保的中性NaNO

(3)本发明提供的降低增材制造金属部件表面粗糙度的装置为溶解池和抛光池的组合，将金属部件的表面粗糙度的降低分为两个步骤，结合加热和循环装置保证了溶解过程和抛光过程的均匀性和效率。

(4)本发明方法工艺操作简单易行，适用的抛光对象为打印态增材制造金属部件，且总加工时小于3min(远低于传统电化学抛光加工时间)、最终抛光粗糙度小于1.1μm，相比非电化学的抛光技术，减少了抛光步骤，成本低效率高，有利于实现大规模生产。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的复合电化学抛光装置的示意图；

图2为实施例2中试样合金处理前后的扫描电镜图；其中(a)为处理前，(b)为处理后；

图3为对比例1中试样合金抛光效果图；

附图标记说明：1、电源；2、导线；3、溶解池；4、第一金属阴极；5、第一待加工金属阳极；6、水浴池；7、加热台；8、循环管；9、过滤器；10、循环泵；11、流量阀；12、第二金属阴极；13、抛光池；14、驱动控制；15、抛光组件；16、抛光液循环装置；17、第二待加工金属阳极；18、液槽；19、出水口；20、入水口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实例在本发明技术方案的前提下进行实施，提供了详细的实施方式和具体的操作过程，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。需要指出的是，本发明的保护范围不限于下述实施例，在本发明的构思前提下做出的若干调整和改进，都属于本发明的保护范围。

本申请实施例公开一种增材制造金属部件的复合电化学抛光装置。参照图1，复合电化学抛光装置包括所述抛光装置包括抛光组件15、抛光液循环装置16、电源1；

所述抛光组件15包括溶解池3、第一金属阴极4、第一待加工金属阳极5、水浴池6、加热台7、第二金属阴极12、抛光池13、驱动控制14、第二待加工金属阳极17；所述溶解池3和抛光池13并列设置于加热台7上方；所述抛光池13包括内层和外层，内层为液槽18，外层为水浴池6；所述第一金属阴极4位于溶解池3中，并通过导线2与电源1的负极相连；第二金属阴极12为液槽壁，并通过导线与电源的负极相连；所述第一待加工金属阳极5位于溶解池3中，并通过导线与电源的正极相连；所述第二待加工金属阳极17位于抛光池13中，并经过驱动控制14与电源的正极通过导线相连；所述溶解池3中盛有溶解液，抛光池13中的液槽18中盛有抛光液；

所述抛光液循环装置16与抛光池13连接；

抛光液循环装置16包括循环管8、过滤器9、循环泵10、流量阀11；所述循环泵10的一端经过过滤器9与抛光池13的出水口19通过循环管8相连；所述循环泵10的一端经过流量阀11与抛光池13的入水口20通过循环管8相连。

溶解池3呈长方体状，用于存放溶解液，第一金属阴极4和第一待加工金属阳极5浸没在溶解液中。

参照图1，抛光池13呈长方体状，用于存放抛光液，第二金属阴极12和第一待加工金属阳极5浸没在抛光液中。抛光池13位于水浴池6中并置于加热台7上，使抛光液的温度达到最佳的抛光温度。抛光液依次经过循环管8、过滤器9、循环泵10和流量阀11流回抛光池13，从而使电流与离子的交换更加均匀和充分，保证金属表面得到均匀的抛光。抛光池13中待加工金属阳极5与驱动控制14相连，以控制金属阳极在抛光池中的上下移动和旋转，提高适用性。

需要说明的是，以下实施例和对比例中，溶解池(3)的材质为聚四氟乙烯，第一金属阴极(4)的材质为不锈钢，抛光池(13)的材质为聚四氟乙烯，第二金属阴极(12)的材质为不锈钢，抛光液为硫酸-磷酸体系，其组分包括质量浓度98％的硫酸质量分数45％，质量浓度85％的磷酸质量分数45％，乙二醇5％，水5％。

实施例1

本实施例采用上述抛光装置，对尺寸为Φ20mm的增材制造AlSi10Mg镂空球形试样进行抛光，其操作步骤如下：

(1)使用激光选区熔化技术打印得到尺寸为Φ20mm AlSi10Mg镂空球形试样，使用酒精对试样超声清洗去除内外表面粉末。

(2)将增材制造的AlSi10Mg镂空球形试样(作为第一待加工金属阳极5)和不锈钢板(作为第一金属阴极4)分别连接电源正极和电源负极，并将二者浸没于20wt.％NaNO

(3)将溶解后的试样(作为第二待加工金属阳极17)置于抛光池中，启动加热台，待抛光液温度达到55℃时，启动循环泵和驱动控制，设定抛光电压为16V，抛光30s后取出试样并清洗，便得到复合电化学抛光后的增材制造AlSi10Mg镂空球形试样，粗糙度为1.1um。

实施例2

本实施例采用上述抛光装置，对尺寸为Φ5mm x 20mm的增材制造Hastelloy X空心圆柱试样进行内通道抛光，其操作步骤如下：

(1)使用激光选区熔化技术打印得到尺寸为Φ5mm x 20mm Hastelloy X空心圆柱试样，使用酒精对试样超声清洗去除内外表面粉末。

(2)将增材制造的Hastelloy X空心圆柱试样(作为第一待加工金属阳极5)和不锈钢桶(作为第一金属阴极4)分别连接电源正极和电源负极，并将二者浸没于15wt.％NaNO

(3)将溶解后的试样(作为第二待加工金属阳极17)置于抛光池中，启动加热台，待抛光液温度达到50℃时，启动循环泵和驱动控制，设定抛光电压为8V，抛光1min后取出试样并清洗，便得到复合电化学抛光后的增材制造Hastelloy X空心圆柱试样，内表面粗糙度为0.45um，抛光效果如图2。

对比例1

本对比例的抛光方法与实施例2基本相同，不同之处仅在于：将步骤(2)中的NaNO

可见，本发明首创地采用环保的中性NaNO

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。