上海交通大學頂刊綜述《PMS》：電化學拋光在增材制造結(jié)構(gòu)表面處理中的應(yīng)用研究進展
時間：2023-04-14 09:03 來源：材料學網(wǎng) 作者：admin 閱讀：次
導讀：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，電化學技術(shù)被認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），介紹了電化學技術(shù)的適用原理，并進行了全面詳細的闡述。全面討論了電解液類型、電化學參數(shù)、材料特性、電化學應(yīng)用加工方法等主要影響因素。最后，詳細介紹了電化學技術(shù)的混合制造可能性和實際應(yīng)用。這項工作確定了現(xiàn)有科學認識中的差距，并描述了電化學拋光在工業(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、化學機械平坦化、磁粉拋光、磨料流精加工和電化學拋光 （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致生產(chǎn)步驟和成本增加。與 AM 相比，一些復雜的結(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、汽車等諸多領(lǐng)域的快速發(fā)展，對電化學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，嚴重限制了大型復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。考慮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，
上海交通大學材料科學與工程學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。
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、化學機械平坦化、磁粉拋光、磨料流精加工和電化學拋光 （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致生產(chǎn)步驟和成本增加。與 AM 相比，一些復雜的結(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、汽車等諸多領(lǐng)域的快速發(fā)展，對電化學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，嚴重限制了大型復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。考慮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，
上海交通大學材料科學與工程學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)參考文獻許可進行修改）。（D-E）表面粗糙度對響應(yīng)的貢獻率，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)用的復雜AM結(jié)構(gòu)。（c） 常規(guī)EP與其他常規(guī)后處理的雷達圖分析。
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)。
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