采用多物理场和多尺度方法来表征在酸性混合液中电抛光过程中SLM 316 L不锈钢表面形成的粘性层生长情况

《Applied Surface Science Advances》：A multi-physics and multi-scale approach to characterize the viscous layer growth formed on SLM 316 L stainless steel during electropolishing in an acid mixture

本文通过光学表征技术研究增材制造316 L不锈钢在酸性电解液中的电化学抛光过程，证实了 viscous layer 的形成与厚度增长，并建立了三级电流分布模型验证金属阳离子与磷酸根复合物的扩散控制机制。实验表明，在抛光平台区（1.85 V/SHE） viscous layer 厚度达1.4 mm，较自然状态增厚1 mm，PIV 技术证实近表面1 mm区域存在流动受限现象，模型预测与ICP-OES测得的金属离子浓度阈值一致。

　　在现代制造业中，金属加工技术不断发展，尤其是在增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域。增材制造技术能够快速生产复杂形状的零件，但其制造过程常常导致表面质量较差，例如表面粗糙度较高（ra ≈ 30 μm）和存在部分熔化的颗粒，这些缺陷在后续应用中可能带来不利影响。因此，对增材制造零件进行表面精整处理变得尤为重要。其中，电抛光（Electropolishing）作为一种非接触式的表面处理技术，因其在提高表面光洁度和光泽度方面的显著效果而受到关注。本文旨在通过实验和建模手段，探讨电抛光过程中黏性层的形成与演化，以及其对抛光行为的影响。

电抛光是一种利用电解液和电流作用去除金属表面的工艺，通常用于改善金属表面的微观结构和外观。在这一过程中，金属表面的溶解速率与电场、浓度梯度和流体动力学密切相关。黏性层的形成被认为是电抛光过程中一个关键现象，它在电极表面形成，由于金属离子在电解液中的浓度变化而产生。黏性层的厚度和稳定性对抛光效率和质量有直接影响，因此，对黏性层进行深入研究具有重要的实际意义。

通过使用光学表征技术，如光致干涉（Schlieren imaging）和粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV），研究团队成功地捕捉到了黏性层的形成过程。这些技术能够直观地展示电解液中的流动状态和浓度分布变化。实验结果显示，在电抛光开始阶段，黏性层会在特定电位范围内形成并增长，随后因溶剂氧化而被破坏。在5分钟的极化后，黏性层的厚度约为1.4 mm，比自然状态下形成的黏性层厚约1 mm。PIV的结果进一步确认了表面附近存在一个流动受限的区域，其厚度约为1 mm，与电解液中自然对流主导的区域形成对比。

研究团队还提出了一种简化的反应机制，该机制基于实验测定的电子转移动力学。假设金属阳离子在电极表面被瞬间络合，并认为络合后的离子的扩散行为等同于自由络合剂（如磷酸盐）的扩散行为。这一假设基于文献中对类似体系的扩散系数的测量结果。基于这些假设，研究团队开发了一个三级电流分布模型，用于模拟电抛光过程并预测黏性层的演化。实验测得的金属阳离子浓度数据被用于验证该模型的预测结果，结果显示，该模型能够有效地再现黏性层的增长行为，支持了“受体”物种扩散是电抛光主要驱动力的假设。

在实验过程中，研究团队使用了特定的电解液配方，由45%的商业磷酸（85%浓度）、35%的商业硫酸（98%浓度）和20%的蒸馏水组成。这种电解液的组合在电抛光过程中能够有效地去除金属表面的杂质并形成均匀的黏性层。为了确保实验的透明度和可观察性，研究团队设计了一个光学透明的实验装置，使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板作为电解液池的壁。这种设计允许通过光学方法观察电解液中的变化，同时避免了腐蚀性溶液对设备的破坏。

在电抛光过程中，使用了传统的三电极体系，其中316 L不锈钢棒作为工作电极（阳极），铂镀钛网作为对电极，而汞硫酸盐电极（MSE）则作为参比电极。由于增材制造零件的表面积较大（超过10 cm2），实验室的恒电位仪无法满足实验需求，因此使用了一种专门开发的电源设备（40 A-30 V）来驱动电抛光过程。该设备能够在直接、脉冲或动态模式下运行，并提供与参比电极相关的恒电位控制，以绘制极化曲线（I = f(E）。

为了评估电抛光过程中的电化学行为，研究团队进行了线性扫描伏安法（Linear Sweep Voltammetry, LSV）实验，扫描速率为10 mV/s。实验结果表明，电抛光的电位范围包括抛光平台（polishing plateau）和溶剂氧化的开始。在电位逐渐升高时，电流先增加，随后在特定电位下趋于稳定，标志着黏性层的形成。随着电位继续升高，电流再次变化，表明黏性层的生长以及溶剂氧化的开始。

在实验过程中，黏性层的形成和生长被详细记录。Schlieren图像显示，在5分钟的极化后，黏性层的厚度约为1.4 mm，这与自然状态下形成的黏性层相比显著增加。此外，PIV分析显示，表面附近存在一个流动受限的区域，其厚度约为1 mm，与电解液中的自然对流区域形成鲜明对比。这些结果表明，黏性层的形成和生长对电抛光过程具有重要影响，且其厚度和稳定性可能受到多种因素的制约。

为了进一步理解黏性层的形成机制，研究团队提出了一种基于“受体”物种扩散的理论模型。该模型假设金属阳离子在电极表面被瞬间络合，并且络合后的离子的扩散行为等同于自由络合剂（如磷酸盐）的扩散行为。这一假设基于文献中对类似体系的扩散系数的研究。通过将这一理论模型与实验数据进行比较，研究团队发现该模型能够较好地再现黏性层的增长过程，从而支持了“受体”物种扩散是电抛光主要驱动力的假设。

此外，研究团队还通过实验测量了金属阳离子在黏性层中的浓度，并将其作为模型中的一个关键参数。实验结果显示，黏性层的浓度显著高于电解液本体，这进一步证明了黏性层的形成与金属阳离子的浓度梯度密切相关。通过使用不同类型的扩散系数（常数和浓度依赖），研究团队比较了模型预测与实验结果之间的差异，并发现基于浓度依赖的扩散系数能够更好地拟合实验数据，尽管仍然存在一定的低估。

在实验和建模的基础上，研究团队还探讨了电抛光过程中黏性层的稳定性及其对抛光效果的影响。黏性层的形成和生长受到多种因素的影响，包括电位、电解液成分、温度以及流动条件。通过进一步的实验和模拟，研究团队希望能够更全面地理解这些因素如何共同作用，从而优化电抛光工艺参数，提高表面处理的质量和效率。

总之，本文通过实验和建模手段，深入探讨了电抛光过程中黏性层的形成和演化。研究结果表明，黏性层的形成和生长与特定电位范围内的金属阳离子浓度变化密切相关，且其厚度和稳定性对抛光行为具有重要影响。通过光学表征技术和反应动力学模型的结合，研究团队不仅验证了黏性层的存在，还提出了其形成机制，为后续的电抛光工艺优化提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索不同电位下黏性层的生长情况，并结合实际加工条件，分析黏性层对抛光效果的具体影响。此外，研究团队还建议，对电抛光过程中黏性层的稳定性进行更深入的探讨，以期更好地理解电抛光机制并提高其应用价值。