《Materials Chemistry and Physics》：Hybrid hardening post-processing of additive manufactured products' surfaces based on plasma processes
编辑推荐：
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等离子体电解抛光将SLM表面的粗糙度降低了六倍
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中间阶段PEP使CrN涂层的黏附失效载荷提高了25%
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混合PEP–PVD处理将传统机械加工的Ti磨损减少了79%
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混合处理使SLM试样的耐磨性提高了10.5倍
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PEP–P
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等离子体电解抛光将SLM表面的粗糙度降低了六倍
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中间阶段PEP使CrN涂层的黏附失效载荷提高了25%
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混合PEP–PVD处理将传统机械加工的Ti磨损减少了79%
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混合处理使SLM试样的耐磨性提高了10.5倍
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PEP–PVD将摩擦方式从严重的微切削转变为轻微的弹性磨损
引言
钛合金，特别是Ti6Al4V，由于其出色的强度重量比、优异的耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、生物医学和汽车工业中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。人们对钛合金的应用越来越感兴趣，同时，增材制造方法也在文献中受到越来越多的关注，这些方法旨在克服传统制造方法在该材料上的局限性[4]、[5]。选择性激光熔化（SLM）就是其中一种方法，它通过在粉末床中提供高能量密度，实现Ti6Al4V合金的逐层制造，并控制其微观结构特征[6]、[7]。SLM利用高能激光逐层熔化金属粉末，从而实现快速固化并形成独特的微观结构[8]。通过SLM方法进行增材制造可以制造出具有复杂几何形状的高密度钛合金零件，确保设计的灵活性和高的材料利用效率[9]、[10]。
然而，SLM工艺固有的极端温度梯度和快速固化动力学会导致亚稳态微观结构的形成、显著的残余应力和物理不连续性[11]。通过SLM方法制造的零件具有高强度但塑性低，且表面粗糙度极高[10]、[12]。这种粗糙度是由于层状沉积边界和部分熔化的原料粉末的黏附造成的，会降低疲劳寿命、耐磨性和流体动力学性能[12]、[13]。此外，钛合金本身具有较差的耐磨性能和容易发生黏附失效的倾向[14]。为了克服这些结构和摩擦学上的限制，需要使用表面后处理技术以及特殊的保护涂层[15]。
当前关于钛合金表面保护的研究主要集中在氮化物涂层上[16]。这些涂层，如氮化铬（CrN），具有出色的硬度和耐磨性[17]、[18]、[19]，因其显著的硬度而在各种行业中得到广泛应用，特别是在高温环境中[17]、[18]、[19]、[20]。制备这种涂层采用了多种技术，包括等离子喷涂[21]、弧离子镀膜[22]、[23]、等离子电解氧化[24]、磁控溅射沉积[25]。与其他工艺相比，物理气相沉积（PVD）的优势在于可以在较低的处理温度下生成涂层层。这一特性有助于改善机械性能，增强载荷支持，并提高基材的摩擦学性能[16]。同时，PVD层的功能可靠性在很大程度上取决于基材-涂层界面的状态，而层结构则取决于表面预处理[26]、[27]。传统的后处理通常包括粗抛光、细抛光和最终表面精加工三个步骤[28]。这些方法不但繁琐耗时，而且在这些顺序的多步骤过程中难以实现稳定的表面质量，尤其是对于3D打印零件复杂的几何形状而言[29]。
除了机械后处理外，还有一些物理化学方法也被采用，包括电化学抛光[30]、[31]、[32]、电放电加工[33]、[34]、[35]、激光冲击加工[36]、磨料喷射加工[37]和激光烧蚀[38]。然而，所有这些方法都有缺点：会对环境造成破坏、需要与表面充分接触、缺乏选择性、由于几何限制导致精度损失以及昂贵材料的过度消耗。因此，为了高质量地加工增材零件的外部和难以到达的内部表面，需要使用非接触或低接触方式且具有高几何自由度的专门方法。
等离子体电解抛光（PEP）作为一种替代方法，用于增材制造（AM）产品的成形后处理，可以直接去除表面不规则性并降低粗糙度[39]、[40]。该方法在250–350伏的电压下对材料进行阳极溶解，同时在零件周围形成稳定的气-蒸汽保护层。这个保护层内的强电场会产生脉冲放电，熔化微小粗糙度并对表面产生动态作用[41]、[42]、[43]。PEP已经显示出将SLM方法产生的表面粗糙度降低到Sa < 0.4 μm的同时保持几何完整性的潜力[44]。
与传统方法相比，AM金属的表面后处理具有关键必要性，这是因为打印过程中产生的缺陷具有独特性。例如，在基于镁的AM系统（如SLM WE43）中，相互连接的3D孔隙网络、次级相和高位错密度会加速材料降解[45]。同样，在基于钛的AM系统（如SLM Ti6Al4V）中，层状沉积边界、微孔和部分熔化的粉末颗粒会引发局部应力集中，导致在负载下发生灾难性的微切削。由于整体热处理无法消除表面连接的物理不连续性和极端的地形不规则性，因此针对性的表面后处理（如PEP）是去除应力集中区和为功能涂层准备无缺陷界面的必要条件。在这种情况下，为了实现后续PVD层的最佳黏附，不仅低粗糙度非常重要，还需要形成均匀的、热力学和化学活化微观 relief，消除SLM结构的特定缺陷和松散的氧化层。
因此，PEP代表了一个非常有前景的表面准备阶段，因为它能够形成最有利的形态轮廓。通过系统地去除未熔化的颗粒并激活表面，这一过程确保了系统黏附强度的协同提高[13]。最终，这种联合处理方式可以有效地控制沉积层的生长条件，从而从根本上改变摩擦键合破坏的机制——从未经处理的增材钛材料的严重微切削转变为最温和的弹性位移状态。
基于以上内容，本研究的目的是探索一种混合表面改性方法，该方法结合了使用PEP方法进行初步的微观 relieve 准备，以及随后的真空等离子沉积CrN涂层。我们对增材制造和传统制造的Ti6Al4V合金试样的表面形态、涂层黏附强度和摩擦学特性进行了比较分析。
章节摘录
材料
本研究使用了直径在10到15毫米、高度在10到20毫米之间的Ti6Al4V钛合金圆柱形试样。这些试样通过两种不同的技术路线制造：传统机械加工（CM试样）和基于选择性激光熔化的增材制造（SLM试样）。这两种制造方法都确保了获得适合后续表面处理和多尺度分析的高质量实验试样
表面形态和粗糙度
图2展示了未经处理的传统（CM）和增材（SLM）制造试样在经过PEP处理后以及CrN涂层沉积前后的表面形态。相应的表面粗糙度参数和CrN涂层厚度总结在表2中。
形态学和轮廓测量分析表明，CrN涂层沉积降低了CM试样的表面粗糙度，而初步的PEP处理进一步增强了这一效果
讨论
CrN–Ti6Al4V系统的摩擦学行为受到表面状况、涂层特性和基材机械响应的综合作用影响。SLM材料内部结构的特征——包括潜在的马氏体相、残余应力和内部缺陷——会影响材料的塑性变形抵抗力、裂纹扩展能力以及基材支撑硬涂层的能力。这一点在
结论
根据所进行的研究，可以得出以下结论：
已经确定PEP是SLM制造零件表面准备过程中一个至关重要的阶段。应用PEP可以将AM工件的初始表面粗糙度Ra降低六倍（从5.79 μm降至0.96 μm）。这确保了形成最有利的形态轮廓，从而提高了
CRediT作者贡献声明
I.A. Kusmanova：撰写——原始草案，可视化，研究。A.Yu. Kurmysheva：撰写——审阅与编辑，研究。A.A. Zaletova：撰写——原始草案，研究。V.A. Gaponov：撰写——原始草案，研究。S.N. Grigoriev：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金争取。T.L. Mukhacheva：撰写——原始草案，方法学，研究。I.V. Tambovskiy：撰写——原始草案，研究。Sergei Kusmanov：撰写
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
