l 上海交通大學(xué) l

【簡介】

電化學(xué)拋光（ECP）在降低復(fù)雜增材制造（AM）部件的表面粗糙度方面具有顯著優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)的單步ECP方法中的同時溶解和平滑過程，阻礙了近表面缺陷的進(jìn)一步去除，例如固有的粘附粉末和臺階效應(yīng)。此外，所形成的高電阻氧化物層和金屬基體之間的拓?fù)湟恢滦韵拗屏藪伖庑Ч?，?dǎo)致了較差的表面一致性和尺寸精度。在該研究中，上海交通大學(xué)特種材料研究所在傳統(tǒng)ECP工藝之前引入了預(yù)溶解步驟，即預(yù)溶解ECP。該方法基于粘附粉末和熔池結(jié)構(gòu)的電化學(xué)溶解行為，將不規(guī)則、粗糙的打印態(tài)表面轉(zhuǎn)化為具有均勻電流密度分布的預(yù)溶解熔池形態(tài)。利用X射線同步輻射原位觀測技術(shù)對比了粗糙表面去除前后的電化學(xué)溶解行為，并結(jié)合定量分析確定了精確的電化學(xué)溶解參數(shù)，以獲得高度差分布均勻的拋光表面?！?/p>

增材制造（Additive manufacturing, AM）在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和汽車等傳統(tǒng)行業(yè)具有巨大發(fā)展?jié)摿?，可制造從微米到大型航空結(jié)構(gòu)的復(fù)雜部件，但其表面質(zhì)量仍低于傳統(tǒng)加工方法，限制了廣泛應(yīng)用。逐層AM增材制造工藝中粉末顆粒的隨機(jī)行為導(dǎo)致復(fù)雜表面特征，使表面粗糙度通常在10-50 μm范圍內(nèi)，這對內(nèi)通道表面的流體性能影響顯著。電化學(xué)拋光（ECP）技術(shù)因其非接觸性、可控性和環(huán)境可持續(xù)性成為AM增材制造后處理的重要方法，但目前發(fā)展不平衡，過度關(guān)注工藝參數(shù)優(yōu)化，忽視了復(fù)雜表面特征等因素，導(dǎo)致不均勻拋光。初始表面粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)特征對ECP行為起關(guān)鍵作用，包括粗糙表面，熔池結(jié)構(gòu)以及形成的鈍化膜會影響ECP過程中的材料溶解行為和拋光效率。此外，ECP技術(shù)的適用性還受部件尺寸限制，例如在應(yīng)用高電壓的ECP技術(shù)拋光內(nèi)通道結(jié)構(gòu)時會存在短路風(fēng)險，電流密度不均勻分布也會影響拋光效果以及內(nèi)通道的毛細(xì)作用。同步輻射X射線成像技術(shù)可用于原位觀測動態(tài)微觀結(jié)構(gòu)演變，但目前將此技術(shù)應(yīng)用于ECP方法進(jìn)而揭示AM金屬電化學(xué)溶解機(jī)理的研究較少。

近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特種材料研究所團(tuán)隊在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》期刊上發(fā)表題為《A high efficiency pre-dissolution electrochemical polishing method for improving surface uniformity in additively manufactured alloys》的最新研究成果，首次利用同步輻射X射線成像技術(shù)揭示了打印態(tài)AM增材制造金屬表面的電化學(xué)溶解行為?；趫D像量化結(jié)果，提出了預(yù)溶解ECP技術(shù)，并證實(shí)了該方法在提高內(nèi)通道結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量、尺寸精度和毛細(xì)作用的顯著優(yōu)勢。第一作者為上海交通大學(xué)博士生母杰瑞，王洪澤副教授為通訊作者，共同作者包括博士生陸強(qiáng)、唐梓玨助理研究員、吳一副研究員和王浩偉講席教授。

論文地址：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104297

通過對比AM鋁合金的打印態(tài)表面和機(jī)械打磨后表面在電化學(xué)溶解過程中的同步輻射原位觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于高Si含量的AM鋁合金，截面輪廓的溶解面積百分比變化率為0.060 ± 0.003%/min時，不同的粘合劑粉末區(qū)域在預(yù)溶解表面上呈現(xiàn)一致的高度差?；诖耍疚淖髡咛岢鲈趥鹘y(tǒng)ECP前引入預(yù)溶解步驟，即預(yù)溶解ECP方法，通過電化學(xué)溶解將復(fù)雜打印態(tài)表面特征轉(zhuǎn)化為溶解的熔池形態(tài)，有效解決粘附粉末不完全去除及單步ECP的拋光極限問題，強(qiáng)調(diào)拋光前構(gòu)建均勻溶解表面的重要性和必要性，以實(shí)現(xiàn)一致高效的拋光過程。其次，研究量化粘附粉末顆粒的溶解行為，包括溶解速率、深度擴(kuò)展、相鄰腐蝕部位相互作用及微觀結(jié)構(gòu)演變等關(guān)鍵參數(shù)，考慮熔池邊界和內(nèi)部間溶解速率差異，確定最佳預(yù)溶解參數(shù)，確保粘附粉末完全去除同時避免過度溶解。從工程應(yīng)用角度，以熱管結(jié)構(gòu)的窄內(nèi)流道（Φ1.4 mm）拋光為例，采用低電流密度防止過度材料去除等風(fēng)險，進(jìn)一步研究電流效率與最終拋光結(jié)果間關(guān)系，并用圓度公差和毛細(xì)作用評價尺寸精度和內(nèi)表面質(zhì)量。

在機(jī)制方面，傳統(tǒng)直接ECP方法中，形成的鈍化膜/氧化物層在堿性電解質(zhì)中與OH?離子反應(yīng)生成[Al(OH)?]?。過電位促進(jìn)副反應(yīng)，導(dǎo)致陽極表面產(chǎn)生氧氣泡，實(shí)現(xiàn)各向同性蝕刻坑的材料去除。對于AM鋁合金，表層Si網(wǎng)絡(luò)因鈍化膜溶解而暴露，與OH?反應(yīng)生成SiO32?簇，這些簇與[Al(OH)4]?合并形成粘性無定形鋁硅酸鹽簇覆蓋在樣品表面，進(jìn)而阻礙了電化學(xué)反應(yīng)和材料的進(jìn)一步去除。直接ECP法導(dǎo)致表面高差分布不均勻，在長時間拋光的過程中，凸形區(qū)域電流密度高但不完全溶解，而凹形區(qū)域過度溶解。此外，直接ECP法拋光效率低，形成的無定形鋁硅酸鹽團(tuán)簇限制了電解液向表面凸起結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散，因此需要額外的清洗環(huán)節(jié)，這無疑增加了拋光過程的復(fù)雜性和時間成本。

而上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特種材料研究所團(tuán)隊提出的預(yù)溶解ECP方法將預(yù)溶解的熔池結(jié)構(gòu)表面轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诖蛴B(tài)表面，從而降低初始表面復(fù)雜性對材料均勻去除的影響。其中，預(yù)溶解過程利用鹽溶液去除打印態(tài)近表層以消除粘附粉末、熔化不充分、臺階效應(yīng)等缺陷。而預(yù)溶解形貌由暴露的Si網(wǎng)絡(luò)和α-Al組成，無表面鈍化膜。在隨后的ECP中，由于預(yù)溶解表面的反應(yīng)面積增加，蝕刻效果顯著增強(qiáng)，i-t曲線斜率更大。另外，通過調(diào)整預(yù)溶解電壓和時間以控制預(yù)溶解表面形貌，顯著提高拋光表面高度差的一致性。值得一提的是，預(yù)溶解ECP允許在單個步驟中去除表面團(tuán)簇層，避免傳統(tǒng)直接ECP中重復(fù)去除黏附層的中間步驟。和傳統(tǒng)直接ECP相比，該方法在拋光內(nèi)通道（Φ1.4 mm）中的應(yīng)用案例表明，預(yù)溶解ECP將圓度公差降低了85.7%，毛細(xì)作用提高了158.1%。預(yù)溶解ECP對不同材料（如鎳基高溫合金和鈦合金）也適用，可有效改善拋光表面的均勻性。此外，這種策略可與其他先進(jìn)的ECP技術(shù)結(jié)合，從而解決不同AM結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用問題。

▲圖1 應(yīng)用傳統(tǒng)單步ECP法處理AM內(nèi)通道（Φ1.4 mm）時，粘附粉末的不完全去除以及拋光表面不一致的高度差。

▲圖2 LPBF技術(shù)和原位電化學(xué)溶解觀測示意圖。（a）逐層制造原理和粉末粒度分布以解釋粗糙的打印態(tài)表面的形成原因;（b）由微電解池和同步輻射X射線組成的電化學(xué)溶解原位觀測平臺，其中的微觀形貌演變信息最終由高速相機(jī)記錄。

▲圖3機(jī)械打磨后的AM鋁合金的電化學(xué)溶解過程的時間序列圖像。（a）0 s；（b）240 s；（c）600 s；和（d，e）d和e區(qū)域的局部溶解過程，其中YZ平面代表樣品的側(cè)表面以觀察溶解輪廓的演變。

▲圖4機(jī)械打磨后的AM鋁合金的電化學(xué)溶解過程的時間序列圖像。（a）0 s；（b）240 s；（c）600 s；和（d，e）d和e區(qū)域的局部溶解過程，其中YZ平面代表樣品的側(cè)表面以觀察溶解輪廓的演變。

▲圖5 打印態(tài)AM金屬的預(yù)溶解ECP過程示意圖，其中YZ平面代表側(cè)面以說明粘附粉末去除前后的電流密度分布。（a）第一步：在NaNO3溶液中進(jìn)行電化學(xué)預(yù)溶解過程，獲得溶解的熔池表面形態(tài)；（b）步驟二：在NaOH溶液中進(jìn)行ECP過程，其中表面電流密度的相對均勻分布確保了ECP過程中一致的高度差。

▲圖6 預(yù)溶解AM樣品在后續(xù)ECP過程中的時間序列圖像和定量結(jié)果，其中YZ平面代表觀察方向。（a-h）600 s內(nèi)的原位同步輻射X射線成像；（i）團(tuán)簇層的形態(tài)和相應(yīng)的元素分布;（j）ECP速率和高度差減小速率（ΔH）隨時間變化圖。

▲圖7 直接ECP和預(yù)溶解ECP過程中的形貌與電流-時間（i-t）曲線之間的關(guān)系，XZ平面代表拋光表面。（a）i-t曲線的比較；（b-e）對于不同預(yù)溶解表面在曲線的A點(diǎn)處獲得的拋光表面；（f-i）預(yù)溶解表面（32 V，15 s）分別在點(diǎn)B、C、D和E處獲得的拋光表面。

▲圖8 表面形貌特征和平均表面粗糙度的比較，XZ平面代表拋光表面。（a）打印態(tài)表面；（B）直接ECP后的拋光表面；和（c）預(yù)溶解ECP后的拋光表面。

▲圖9 直接ECP機(jī)理示意圖，顯示粘性鋁硅酸鹽團(tuán)簇層的形成和不均勻的電流密度如何導(dǎo)致拋光表面高度差不一致。（a）ECP前；（B）ECP期間；（c）ECP后。

▲圖10 預(yù)溶解表面在隨后的ECP過程的機(jī)制示意圖，顯示了暴露的Si網(wǎng)絡(luò)和溶解的MP結(jié)構(gòu)上的均勻電流密度如何有助于拋光表面上一致的高度差。（a）ECP之前；（B）ECP期間；和（c）ECP之后。

▲圖11 預(yù)溶解ECP在AM熱管的內(nèi)通道結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用案例。（a）打印態(tài)熱管的圖像；（b）毛細(xì)作用測試的紅外熱成像圖像；（c）預(yù)溶解ECP前后圓度公差的比較；和（d）通過圖像處理獲得的毛細(xì)管高度。

▲視頻1：無粘附粉末的樣品的電化學(xué)溶解原位觀測時間序列圖像

▲視頻2：打印態(tài)表面的電化學(xué)溶解原位觀測時間序列圖像

▲視頻3：預(yù)溶解表面的電化學(xué)拋光過程時間序列圖像

▲視頻4：未電化學(xué)拋光增材制造熱管內(nèi)通道的毛細(xì)作用測試

▲視頻5：單步直接電化學(xué)拋光增材制造熱管內(nèi)通道的毛細(xì)作用測試

▲視頻6：預(yù)溶解電化學(xué)拋光增材制造熱管內(nèi)通道的毛細(xì)作用測試

本文得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃國際合作項目、國家自然科學(xué)基金、國家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金等經(jīng)費(fèi)的資助。團(tuán)隊近期在增材制造內(nèi)表面電化學(xué)拋光領(lǐng)域取得系列進(jìn)展，代表性研究論文發(fā)表在《Progress in Materials Science》、《International Journal of Machine Tools and Manufacture》、《Materials Letters》等期刊上。

相關(guān)論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101109

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104297

https://doi.org/10.1016/j.matlet.2023.135115

上海交通大學(xué)材料學(xué)院

特種材料研究所

上海交通大學(xué)材料學(xué)院特種材料研究所是金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室的重要組成部分，由王浩偉講席教授任負(fù)責(zé)人，與國際著名大學(xué)和大型企業(yè)建立多個聯(lián)合實(shí)驗室。研究所主要從事新型特種材料的設(shè)計、制備及其成形技術(shù)研究，支撐了多項國家重大工程需求，在航空航天和汽車軌交等多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。多年來承擔(dān)重點(diǎn)研發(fā)計劃、民機(jī)預(yù)研、民用航天預(yù)研、國家自然科學(xué)基金及國際合作項目等五十余項。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文近 300 篇，獲授權(quán)中國國家發(fā)明專利 100 余項。先后獲得教育部技術(shù)發(fā)明一等獎、上海市技術(shù)發(fā)明一等獎及中國有色金屬工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎。

團(tuán)隊現(xiàn)長期誠聘激光增材制造工藝和裝備、增材制造材料、增材制造過程同步輻射成像、增材制造超結(jié)構(gòu)等方向博士后。聯(lián)系人：王洪澤 (hz.wang@sjtu.edu.cn) 。

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