激光选区熔化Inconel 718表面后处理技术对形貌及润湿性的协同调控机制研究

本文针对激光选区熔化(SLM)制备的Inconel 718部件表面质量不足的问题，系统研究了喷砂、离心滚磨和电解抛光三种后处理技术对表面形貌及润湿性的影响。通过量化分析Sa、Sz等7项表面粗糙度参数，发现组合后处理可使粗糙度降低90%，接触角从82°降至35°，显著提升表面亲水性。该研究为航空航天领域高精度金属部件的表面功能化处理提供了重要技术参考。

　　

在增材制造技术迅猛发展的今天，激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)因其能够直接制造复杂金属构件的特点，在航空航天、医疗器械等领域展现出巨大潜力。然而这项技术面临着一个关键瓶颈——成型件表面质量难以满足工业应用要求。以镍基高温合金Inconel 718为例，其SLM成型件表面普遍存在高达13.22μm的粗糙度(Sa)，伴有未熔粉末、气孔等缺陷，严重影响部件的机械性能和服役寿命。更棘手的是，传统单一后处理方法往往顾此失彼：机械抛光可能引入残余应力，化学处理又难以保持尺寸精度。

针对这一行业痛点，由Preeti Gautam领衔的国际研究团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表了一项突破性研究。研究人员创新性地采用"三步走"策略：首先通过喷砂处理快速去除表面凸起，接着用多介质离心滚磨细化微观形貌，最后通过电解抛光实现原子级光滑表面。研究团队运用光学轮廓仪量化分析了7项关键粗糙度参数，结合三维形貌重建和接触角测试，首次系统揭示了复合后处理对SLM-Inconel 718表面特性的协同调控规律。

关键技术方法包括：1) 使用Renishaw RenAM 500S Flex设备打印40×10×3mm试样；2) 采用710-850μm氧化铝颗粒进行50秒喷砂；3) 分阶段使用陶瓷/塑料/ porcelain介质进行360分钟离心滚磨；4) 40分钟×3次电解抛光；5) Alicona Infinite Focus G5光学轮廓仪进行3D粗糙度分析；6) 静滴法测定接触角。

【表面粗糙度参数评估】
通过量化分析发现：单独喷砂使Sa降低45%至7.05μm，主要归因于氧化铝颗粒对表面凸起的切削作用；离心滚磨展现出最优的表面整平能力，陶瓷介质处理后的Sa降至2.41μm；而三步联合处理最终实现1.42μm的超光滑表面，降幅达90%。值得注意的是，表征峰谷差异的Sz参数从142.44μm骤降至15.44μm，证明复合处理能同步改善宏观和微观形貌。

【表面拓扑分析】
三维形貌重建直观展示了处理效果的递进性：喷砂后残留的磨料嵌入问题通过离心滚磨解决，而电解抛光则消除了滚磨产生的微观划痕。特别在边角区域，复合处理使表面波纹度降低80%，这对涡轮叶片等精密部件至关重要。

【润湿性分析】
接触角测试揭示出有趣的表面化学-物理协同效应：虽然电解抛光单独处理时接触角为60°，但三步联合却实现35°的超亲水表面。这表明适度的表面粗糙度（Sa 1-2μm）结合化学清洁度，能产生最佳的润湿性能，这对航空发动机燃油喷嘴等需要快速润湿的部件极具价值。

该研究的核心突破在于建立了"工艺参数-表面形貌-功能特性"的定量关系模型。研究证实：1) 喷砂主要调控Sku（峰度）参数，有效消除应力集中点；2) 离心滚磨对Ssk（偏度）影响最大，创造均匀负载分布；3) 电解抛光则优化表面能，三者协同实现"形貌-性能"双提升。这些发现不仅为SLM后处理工艺选择提供了科学依据，更开拓了通过表面工程调控金属功能特性的新思路。特别是在高温合金部件轻量化需求迫切的航天领域，该成果可直接应用于推力器喷注盘等关键部件的制造，预计可提升部件疲劳寿命3-5倍。未来研究可进一步探索该技术对材料抗热震性能的影响，以及在钴基合金等更多材料体系的适用性。