采用激光粉末床熔融技术对由Ti-6Al-4V合金制成的毫米级通道换热器进行动态化学抛光处理

《Next Materials》：Dynamic chemical polishing of millimeter-size channels heat exchanger made of Ti-6Al-4V alloy by Laser Powder Bed Fusion

钛合金激光粉末床熔融制造部件的动态化学抛光优化研究。通过强制循环流体化学抛光处理，显著降低Ti-6Al-4V内部通道表面粗糙度（Ra从11-12μm降至6-8μm），并提升尺寸精度。实验表明，处理时间与材料去除率（SMRR）呈正相关，平均去除率达30-50μm/min。研究对比了接触式探针测量与显微CT的三维分析结果，验证了动态抛光对消除熔融池固结残留颗粒的有效性。同时发现流体流动方向影响尺寸均匀性，下游通道直径增大更显著。

　　### 概述

在工业制造领域，增材制造（Additive Manufacturing, AM）因其能够创建复杂结构和优化热交换器的热流性能而受到广泛关注。然而，尽管其制造过程具有高度的灵活性和设计自由度，AM产品往往在表面质量和尺寸精度方面存在挑战。这些问题可能源于熔融池的不稳定性、未熔颗粒的残留以及阶梯效应等。为了改善这些性能，通常需要进行后处理步骤，例如机械抛光、电化学抛光和化学抛光等。其中，化学抛光因其无需电极、能够实现相对均匀的表面处理而被认为是一种有潜力的方法。

本研究针对使用激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术制造的Ti-6Al-4V合金部件的内部通道进行改进的化学抛光处理。通过引入强制循环的抛光液，研究团队旨在提升抛光效率，从而改善表面质量并控制内部通道的尺寸变化。研究中对不同层厚（30 μm和60 μm）制造的样品进行了对比分析，并采用触针测量和断层扫描两种方法评估其效果。结果表明，强制循环的化学抛光显著降低了内部通道的平均表面粗糙度（Ra），从11至12 μm降至6至8 μm，同时表面侵蚀率在30至50 μm/min之间。这些发现表明，化学抛光在改善AM部件表面性能方面具有重要价值。

### 增材制造及其挑战

增材制造技术近年来迅速发展，成为传统制造方法的有力补充。该技术允许制造复杂结构，如拓扑优化部件和具有内部自由形特征的零件。其优势在于无需模具即可制造结构复杂的部件，同时支持定制化设计。然而，这种技术也带来了挑战，尤其是表面质量和尺寸精度的问题。

在增材制造过程中，由于熔融和固化过程的不稳定性，可能会产生表面缺陷。例如，熔融池的马朗戈尼效应（Marangoni effect）和Plateau-Rayleigh不稳定性可能导致表面不平整。此外，由于制造过程中层的离散性，倾斜表面可能会产生阶梯效应。未熔颗粒也可能残留在熔融池中，影响表面质量。这些因素共同作用，导致增材制造部件的表面粗糙度较高，通常在10至50 μm之间，具体数值取决于制造参数和材料特性。

为了提高表面质量，研究人员开发了多种后处理技术。机械抛光（如喷砂、磨削和铣削）和电化学抛光（如激光抛光和电火花加工）被广泛用于改善表面性能。然而，对于具有内部结构的部件，尤其是那些难以直接接触的表面，这些技术可能不够有效。相比之下，化学抛光因其能够渗透到复杂结构中，被认为是一种有潜力的解决方案。它通过化学反应去除材料表面的不平整，从而改善表面质量。然而，传统的化学抛光方法通常依赖于静态浸泡，这可能限制其在内部结构中的应用效果。

### 化学抛光技术的发展与应用

化学抛光是一种利用化学溶液与材料发生反应，以去除表面不平整的后处理技术。它通常用于钛合金、铝合金和不锈钢等材料。在钛合金的抛光过程中，常用的化学溶液包括氢氟酸（HF）和硝酸（HNO?）的混合物。氢氟酸能够溶解钛表面的氧化层，而硝酸则有助于氧化氢气并减少其吸收。通过持续搅拌或循环抛光液，可以有效避免溶液饱和，并促进气体逸出。

近年来，研究者们对化学抛光技术进行了多种改进。例如，一些研究使用了带有搅拌装置的抛光浴，以提高溶液的均匀性和反应效率。另一些研究则通过改变抛光液的成分，如加入硫酸（H?SO?）和磷酸（H?PO?），以优化抛光效果。此外，某些研究还结合了化学抛光与电化学抛光，以实现更精细的表面处理。

在特定的几何结构中，如多通道热交换器，化学抛光的效率可能受到通道长度和流体流动的影响。例如，一些研究表明，随着抛光时间的增加，表面粗糙度会显著降低，但材料去除量也会相应增加。因此，控制抛光时间和溶液成分是提高表面质量的关键。此外，一些研究还指出，化学抛光过程中可能会产生微小的凹陷或孔洞，这可能与材料内部的微结构不均匀性有关。

### 本研究的设计与方法

本研究针对使用LPBF制造的Ti-6Al-4V合金热交换器的内部通道进行化学抛光处理。为了评估抛光效果，研究团队设计了具有三种流道的样品，每个流道包含两个直通道和两个蛇形通道，并通过矩形连接器相互连接。这些样品的制造采用了不同的层厚（30 μm和60 μm）以及不同的粉末粒径分布。其中，Sample A使用了60 μm的层厚和较粗的粉末，而Sample B则采用了30 μm的层厚和经过筛分的较细粉末。

在制造完成后，样品通过吸吹工艺去除残余粉末，并进行微计算机断层扫描（μ-CT）以确认内部结构的完整性。随后，样品在氩气氛围下进行了应力释放处理，并通过电火花线切割（EDM）将其分离为四个部分。为了确保测量的准确性，样品的上表面和下表面均设有标记，以便于切割过程的引导。

化学抛光过程采用了一种定制的抛光台，其核心在于抛光液的强制循环。抛光液由硫酸、磷酸和氟化物络合剂组成，其成分经过优化以提高抛光效率。抛光过程中，样品通过Teflon管道连接至一个自吸式蠕动泵，泵送的抛光液以50 mL/min的流速在5 L的容器中循环，并通过温度控制保持在50°C。样品的抛光时间分别为90秒、150秒和320秒，以评估不同时间对表面质量和尺寸变化的影响。

在抛光完成后，样品被用去离子水冲洗15分钟，并在通风橱中干燥24小时。为了评估抛光效果，研究团队采用了两种测量方法：触针测量和断层扫描分析。触针测量使用了高精度的三维轮廓仪，而断层扫描则通过X射线成像技术对样品的内部结构进行分析。这两种方法的比较有助于验证化学抛光对表面和内部结构的改善效果。

### 结果与分析

研究结果表明，化学抛光显著降低了样品的表面粗糙度。对于Sample A，其表面粗糙度从12.3 μm降至8.0 μm，降低了约35%；对于Sample B，表面粗糙度从11.1 μm降至5.7 μm，降低了约48%。这些结果表明，化学抛光能够有效去除表面的未熔颗粒，从而改善表面质量。

同时，化学抛光也对内部通道的直径产生了影响。在抛光过程中，内部通道的直径逐渐增大，表明材料的去除主要集中在表面层。例如，在Sample A中，经过320秒的抛光，内部通道的平均直径从0.97 mm增加到1.52 mm；而在Sample B中，经过300秒的抛光，内部通道的平均直径从0.93 mm增加到1.38 mm。这种直径的变化可能与抛光液的流动速率和材料的反应速率有关。

然而，研究团队还观察到，材料去除在流道中并非均匀分布。例如，在Sample A中，随着抛光时间的增加，材料去除逐渐集中在流道的下游区域。这一现象可能与化学抛光过程中的热效应有关，即反应过程中产生的热量可能加速下游区域的材料去除。这种非均匀的材料去除可能对热交换器的性能产生影响，因此需要进一步研究以优化抛光过程，确保材料去除的均匀性。

### 表面粗糙度的测量与比较

为了评估化学抛光对表面粗糙度的影响，研究团队采用了两种不同的测量方法：触针测量和焦点变化显微镜（Focus Variation Microscopy）。触针测量使用了高精度的三维轮廓仪，而焦点变化显微镜则通过光学系统对表面进行非接触式测量。两种方法的比较表明，对于抛光后的样品，表面粗糙度的测量结果非常接近，差异通常小于1 μm。然而，对于原始样品，由于表面存在未熔颗粒，两种方法的测量结果可能存在较大差异。

这一差异可能源于触针测量在高分辨率下能够检测到表面的微小不规则，而焦点变化显微镜由于其较低的分辨率，可能无法准确捕捉这些细节。此外，研究团队还发现，表面粗糙度的变化与流道的倾斜方向有关。例如，在垂直方向和82.5°倾斜方向的流道中，表面粗糙度的变化趋势相似，表明化学抛光对不同方向的表面具有相似的改善效果。

### 表面形态的变化

化学抛光不仅改善了表面粗糙度，还对表面形态产生了影响。在抛光后的样品中，观察到了一些新的表面特征，如波纹和残余凹陷。这些特征可能与材料去除过程中产生的局部反应速率变化有关。例如，某些区域可能由于微结构不均匀性而表现出不同的去除速率，从而形成波纹或凹陷。

此外，研究团队还发现，化学抛光过程中可能会产生微小的孔洞或凹陷，这些可能是由于材料内部的孔隙在抛光过程中被暴露出来。例如，在Sample A中，经过320秒的抛光，内部通道的某些区域出现了明显的凹陷，这可能与材料内部的孔隙有关。然而，这些凹陷是否会对热交换器的性能产生影响，还需要进一步的研究。

### 不同测量方法的比较

为了验证化学抛光的效果，研究团队对两种测量方法进行了比较：触针测量和断层扫描分析。触针测量因其高精度而被广泛用于评估表面粗糙度，但其测量过程具有一定的破坏性。相比之下，断层扫描分析是一种非破坏性的方法，能够提供整体的结构信息。然而，由于其较低的分辨率，断层扫描可能无法准确捕捉表面的微小变化。

研究结果表明，触针测量和断层扫描分析在抛光后的样品中能够提供一致的测量结果，而在原始样品中则存在较大的差异。这种差异可能与未熔颗粒的存在有关，因为触针测量能够检测到这些颗粒，而断层扫描由于其较低的分辨率，可能无法准确识别。因此，断层扫描更适合用于评估抛光后的整体结构变化，而触针测量则更适合用于精确的表面粗糙度评估。

### 未来研究方向

本研究的结果表明，强制循环的化学抛光能够显著改善Ti-6Al-4V合金部件的表面质量和内部通道尺寸。然而，该过程仍存在一些挑战，例如材料去除的非均匀性、抛光液的热效应以及不同材料和制造工艺的适应性。因此，未来的研究可以集中在以下几个方面：

1. **热化学相互作用**：化学抛光过程中产生的热量可能影响材料的去除速率和均匀性。通过引入热管理系统，如浸入热调节浴中，可以控制温度变化，从而减少材料去除的不均匀性。

2. **过程控制**：由于化学抛光的侵蚀率较高，精确控制抛光时间对于确保一致的表面质量至关重要。未来的研究可以探索实时监测或预测模型，以优化抛光过程。

3. **几何设计**：在设计热交换器时，需要考虑化学抛光对内部通道尺寸的影响。对于具有较小内部尺寸的通道，可能需要调整初始设计以适应抛光过程。

4. **材料适应性**：目前的研究主要集中在Ti-6Al-4V合金上，未来可以扩展至其他材料和制造工艺，以评估化学抛光的广泛适用性。

5. **热交换器性能评估**：化学抛光对热交换器的热流性能和压力损失可能产生影响。因此，需要进一步研究以量化抛光过程对热交换器性能的影响，并找到最佳的表面粗糙度以平衡热流和压力损失。

综上所述，本研究为化学抛光技术在增材制造领域的应用提供了重要的参考。通过引入强制循环的抛光液，研究团队成功改善了Ti-6Al-4V合金部件的表面质量和内部通道尺寸。然而，未来的研究仍需进一步优化抛光过程，以确保材料去除的均匀性和热交换器的性能。