![]()
AM易道导语
![]()
上图为3D打印GH4169这种常见高温合金的微细内流道抛光前后对比图。不抛光的3D打印毛坯细看起来就是如此粗糙不堪，而本文的成果抛光后相当丝滑。
3D打印技术正在引领全球制造业变革，但一个难题却始终困扰着全行业：比如一个制造精度要求极高的航空发动机燃油喷嘴，其内部微小流道的表面粗糙度直接影响着发动机的性能和寿命。近期发表在国际期刊Proc IMechE Part C: J Mechanical Engineering Science上的一项新研究，为内流道表面抛光提供了解决方案。来自西安科技大学和西安交通大学的联合研究团队，成功将电解等离子体抛光技术创新性地应用于微细内流道处理，开发出了一套完整的技术解决方案。这项技术首次实现了对直径小于3毫米复杂内流道的精确抛光，将表面粗糙度从原来的15.1微米降低到2.793微米，降幅高达81.15%。更优异的结果是，在更细微的通道（直径0.8毫米）处理中，表面粗糙度能够从6.724微米降低到0.47微米，降幅高达93%。让我们来详细看看这个电解等离子体抛光技术研究成果。特别是对于内部流道复杂的零件而言，后处理质量直接决定了产品能否最终使用。传统的磨粒流抛光技术在处理简单通道时尚可应付，但面对越来越复杂的细小内流道的苛刻要求，其局限性日益凸显。以航空发动机燃油系统为例，其内部往往包含数十个相互交错的微细流道，通道长度与直径比可达10:1甚至更高。这类复杂结构用传统方法抛光时，经常会出现入口处过度抛光而深处抛光不足的问题，更严重的是还可能在工件表面留下影响使用寿命的微裂纹和残余应力。研究团队使用的电解等离子体抛光（EPP）技术展现出独特优势。![]()
通过精心设计的实验装置（如图1所示），该技术实现了对内部通道的精确可控抛光。这套系统包括电源控制系统、温度控制系统、伺服电机、电解槽等核心部件，每个部件都经过精密调校以确保最佳性能。研究人员特别针对微细通道抛光难题，开发了两项关键技术创新。首先是创新性地设计了抛光液入口和出口结构（如图2所示）。![]()
入口处采用了外径6毫米、内径2毫米的圆柱形通道，底部还特别加工了0.5毫米深的密封圈槽，确保整个系统的气密性。![]()
另外是开发出独特的阴极丝支撑结构（如图3所示），通过两个绝缘支撑环精确控制阴极丝的位置，工作电极裸露长度保持在10毫米，这种设计不仅确保了电流分布均匀，还有效避免了短路风险。核心配方优化
研究团队针对不同合金特性，精心设计了差异化的抛光液配方。
GH3536采用了三元配方：2%硫酸铵、1%氯化钠和1%柠檬酸钠，溶液密度为1060 kg/m³；
而GH4169则使用了双元配方：4%硫酸铵和6%氯化钠，溶液密度为1042 kg/m³。
这种差异化配方设计充分考虑了两种合金的金相组织特点和表面活性差异。
研究团队通过正交试验系统研究了不同工艺参数对抛光效果的影响。实验结果喜人：在最优工艺参数组合下（抛光电压40V、电解液温度80℃、阴极丝移动速度3mm/min、蠕动泵转速100rpm）：GH3536合金内腔道的表面粗糙度从15.1微米降低到2.793微米。当处理直径仅0.8毫米的GH4169合金微通道时，表面粗糙度竟然能从6.724微米降低到0.47微米。研究团队通过伏安特性曲线揭示了电解等离子体抛光的内在规律。如图5所示，在0-30V电压范围内，输出电流与电压呈现近似线性关系。![]()
当电压升至30-60V时，输出电流在3-4A范围内波动。有趣的是，当电压达到75V时，输出电流会急剧下降至1A以下。这种独特的伏安特性为精确控制抛光过程提供了理论基础。![]()
通过对0.5mm、0.8mm、1mm和1.5mm四种规格的系统测试（如图6所示），研究发现当阴极丝直径为0.8mm时，能够获得最佳的抛光效果，平均粗糙度降至3.5微米。这一发现打破了传统认知，证明更细的电极并非总能带来更好的效果。![]()
图7完整展示了四个关键参数对抛光效果的影响规律：电压、电解液温度、阴极丝移动速度和蠕动泵转速。其中，40V的抛光电压和80℃的电解液温度被证明是最佳组合。在这个电压下，工件表面产生大量微小气泡，其体积恰好适合有效去除表面突起物。当电压升高时，气泡体积随之增大，反而导致工件表面材料去除不均匀，甚至出现过度抛光现象。特别是对于内径小于3mm的微细通道，较大的气泡会造成通道堵塞，影响抛光效果。电解液温度80℃的选择则与气泡层的稳定性密切相关。当温度低于80℃时，气泡数量较少，难以在工件表面形成稳定的气层，导致放电通道无法有效形成。而温度超过80℃后，产生的气泡过多且体积较大，不能及时排出，造成气层不稳定，反而降低了抛光效果。阴极丝3mm/min的移动速度是通过大量实验优化得出的。这个速度能够确保电极前端暴露部分有足够的时间与工件表面进行充分的放电作用，既能完全溶解突起部分，又不会造成过度抛光。研究发现，移动速度过快会导致突起物料未被完全去除，而速度过慢则会增加加工时间，甚至造成通道内径增大。研究团队采用了四种先进检测设备（如图4所示）构建了完整的表征分析体系。![]()
表面粗糙度检测仪测量粗糙度、共焦显微镜在50倍放大率下捕捉表面三维形貌；扫描电镜不仅观察微观结构，还能进行元素分析；电化学工作站则专门评估材料的耐腐蚀性能。这套系统化的检测方案为工艺优化提供了可靠的数据支持，确保了研究结果的科学性和准确性。如图8和图9所示，通过高倍显微镜可以清晰观察到抛光前后的巨大变化。![]()
![]()
原本粗糙不平的表面变得光滑平整，球形粉末颗粒完全消失。表面粗糙度曲线的波动范围从抛光前的100μm降至10μm，意味着表面微观起伏显著减小。这种改善对流体流动阻力的降低具有重要意义，特别是在航空发动机燃油系统等对流动精确性要求极高的场合。更重要的是，通过能谱分析（EDS）发现，抛光后的表面未检测到任何电解液成分残留，这意味着该工艺不会影响零件的化学性能。
能谱分析发现抛光过程不仅改变了表面形貌，还优化了表面元素分布。对于GH3536，抛光后Al元素含量显著降低，表明Al2O3氧化层被有效去除；而GH4169则表现出Cr元素含量的提升，这种变化得益于表面贫铬层的去除，暴露出更多富铬层，从而提升了耐蚀性。扫描电镜（SEM）观察结果（如图11所示）为我们揭示了抛光过程中表面微观结构的戏剧性变化。在400倍放大倍率下，两种合金材料都展现出显著的表面形貌转变。![]()
对于GH3536合金（图11a和11b），抛光前的表面布满了大量细小颗粒，这些颗粒正是3D打印过程中未完全熔化的金属粉末。通过电解等离子体抛光后，这些球形颗粒完全消失，取而代之的是平整的表面。虽然表面上仍可观察到一些细微的划痕，这主要是由于工件初始粗糙度较大（15.1μm），导致抛光过程无法一次性完全消除所有表面缺陷。更令人印象深刻的是GH4169合金的处理效果（图11c和11d）。抛光前的表面同样存在球形粉末和不规则凸起，但由于其初始粗糙度相对较低（6.724μm），抛光后的表面呈现出近乎完美的平整状态。微观形貌显示出极其均匀的表面特征，几乎看不到任何显著的缺陷或划痕。![]()
如图12所示，GH3536合金的腐蚀电位从-0.39V提升至-0.318V，表明内部通道表面的抗腐蚀能力得到了实质性提升。这种改善主要得益于表面粗糙度的降低，减少了腐蚀介质与材料的接触面积。在3D打印技术快速发展的今天，后处理技术的创新正成为推动行业突破的关键力量。AM易道认为，这项电解等离子体抛光技术的突破，不仅解决了当前的技术难题，更为我们展现了后处理技术发展的广阔前景。在航空航天、医疗器械、能源、热管理领域，3D打印零部件的内流道抛光水平的提升，直接关系着部件以及整体产品性能的直接提升。随着像本文分享的电解等离子体抛光技术等先进后处理技术的不断进步，设计师将获得更大的创造自由，工程师将拥有更多的工艺选择，这将催生出更前卫的创新应用。
AM易道将持续关注。
感谢您阅读到了最后，如果觉得AM易道文章有价值，请您点赞、转发、关注AM易道，与您一道发现3D打印的下一个奇点。Reference:
1. https://doi.org/10.1177/09544062241310703注：
AM易道与文中提到公司不存在任何形式的商业合作、赞助、雇佣等利益关联。图片视频来自于网络，仅作为辅助阅读之用途，无商业目的。权归原作者所有，如有任何侵权行为，请权利人及时联系，我们将在第一时间删除。本文图片版权归版权方所有，AM易道水印为自动添加，辅助阅读，不代表对该图片拥有版权，如需使用图片，请自行咨询版权相关方。
