电子束抛光技术抑制增材制造铝合金电镀膜缺陷的研究

针对增材制造(AMed)金属产品表面粗糙度高、氧化层及缺陷导致电镀膜质量差的问题，日本冈山大学团队创新性地采用大面积电子束(EB)抛光技术，实现了AlSi10Mg合金表面平滑化、缺陷修复与氧化层去除的同步处理。研究表明，经EB抛光后的基体可获得无缺陷的化学镀镍膜，显著提升镀层结合强度。该研究为复杂形状AMed金属产品的表面后处理提供了高效解决方案。

　　

在航空航天和汽车制造领域，铝合金因其轻量化特性备受青睐。随着增材制造(AM)技术的快速发展，激光粉末床融合(LPBF)工艺已能制备出形状复杂的三维金属构件。然而，这项革命性技术却面临着一个棘手的副产品——粗糙的表面质量。由于逐层堆积的工艺特性，AMed铝合金表面不仅存在高达31μm的粗糙度，还布满飞溅物、微孔洞等缺陷，更棘手的是活性铝表面在加工过程中形成的氧化层。这些问题严重影响了后续化学镀镍等表面处理工艺的质量，镀层中产生的缺陷直接降低了产品的耐腐蚀性和机械性能。

传统解决手段如喷砂、手工抛光等对复杂形状工件适用性差，而激光抛光又存在处理效率低的局限。面对这一行业痛点，冈山大学环境生命自然科学与技术研究院的Togo Shinonaga团队在《Heliyon》发表了一项突破性研究。他们创新性地采用大面积电子束(EB)抛光技术，仅需30次脉冲照射(能量密度15J/cm²
)，就同步实现了AMed AlSi10Mg合金的表面平滑化(Rz从31μm降至6μm)、缺陷修复和氧化层去除。更令人振奋的是，经过EB处理的基体可获得厚度均匀(4.5μm)且无界面缺陷的化学镀镍膜，其结合强度显著优于传统手工抛光样品。

研究团队运用了三大关键技术：首先采用LPBF工艺制备45°倾斜的AlSi10Mg试样；随后使用脉冲宽度2μs的大面积EB(直径60mm)进行表面处理；最后通过双重锌酸盐预处理和化学镀镍完成表面功能化。通过激光显微镜、SEM-EDS等多维表征手段系统评估了处理效果。

表面形貌分析显示，EB抛光后试样表面飞溅物完全消失，微孔洞被熔融金属填充，形成了28.1μm厚的重凝层。元素分布图谱证实氧化区域被彻底清除，氧含量从20%降至5%以下。在锌酸盐处理阶段，EB抛光样品展现出均匀的锌层覆盖，而原始AMed表面因氧化物的存在出现镀层不连续现象。化学镀镍后的截面分析表明，未经处理的样品存在3-9μm的厚度波动和明显界面孔隙，手工抛光样品仍残留2μm级微孔，唯独EB处理样品实现了完美无缺的镀层结合。划痕测试进一步验证，仅EB抛光组能完全避免镀层剥落。

这项研究的重要意义在于：首次证实EB抛光可同步解决AMed金属表面三大难题；开发出适用于复杂构件的分钟级高效后处理方案；为AMed产品的表面功能化提供了新范式。特别是处理后的化学镀膜质量显著优于传统方法，这对提升增材制造零件的可靠性和使用寿命具有重要价值。未来该技术有望拓展至其他活性金属的AMed后处理领域，推动增材制造技术向更高精度、更广应用迈进。