一种基于3D打印随形电极的增材制造金属微细内流道随形精密抛光方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202311823144.2 | 申请日 | 2023-12-27 | 公开(公告)号 | CN117773248A | 公开(公告)日 | 2024-03-29 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 常帅; 李俐群; | ||||
| 摘要 | 一种基于3D打印随形 电极 的 增材制造 金属微细内流道随形精密 抛光 方法，涉及一种增材制造金属微细内流道的抛光方法。本 发明 是要解决目前增材制造金属微细流道内表面光整工艺容易造成抛光不均匀、微裂纹等 缺陷 的技术问题。本发明在高于极限 电流 平台 电压 值的电压下进行过电压 电化学抛光 ，可以快速去除微细流道外表面的凸起，然后将 钛 网电极替换成3D打印制备的随形电极，将随形电极置入增材制造的金属微细流道的内部，然后施加一个高于步骤一的抛光电压的电压进行基于3D打印随形电极的过电压电化学抛光，获得了优异的内表面和外表面 质量 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于3D打印随形电极的增材制造金属微细内流道随形精密抛光方法，其特征在于基于3D打印随形电极的增材制造金属微细内流道随形精密抛光方法是按以下步骤进行的： |
||||||
| 说明书全文 | 一种基于3D打印随形电极的增材制造金属微细内流道随形精密抛光方法 技术领域[0001] 本发明涉及一种增材制造金属微细内流道的抛光方法。 背景技术[0002] 流道结构是传递质量或能量的主要结构类型，随着对轻量化、传质和能量交换效率的要求不断提高，其结构设计越来越复杂，传统工艺很难满足设计需求，增材制造技术可用于解决复杂流道结构的制造难题。目前增材制造在材料、工艺、稳定性等方面已经日益提高，但是内表面的精密光整技术一直没有完全解决，尤其对于直径小于1mm的复杂微细流道，内表面更加粗糙，Ra≥15μm，粗糙的内流道表面会阻碍流体在流道的顺利流通，影响流道构件整体性能和稳定性。微细流道抛光技术一直没有完全解决，已经成为一项急需突破的技术瓶颈。针对增材制备微细流道内表面粗糙问题，国内外学者研究了当前主流光整工艺的适用性，机械加工主要应用于外表面的抛光，磨粒流、电化学抛光可用于内流道的光整，但是对于一些复杂、直径细小的内流道结构，上述方法均不适用，容易造成抛光不均匀、微裂纹等缺陷。 [0003] 微细流道内表面抛光始终是抛光领域的难题，对抛光电极的设计与制造要求也更为严苛，常规的平板电极已不能满足提供快速且稳定的电子、离子、电解液以及反应析出气体传输要求，从而制约抛光效率及均匀性。因此，急需针对内流道抛光开发特种电极，结合结构设计和3D打印，制备特殊形状、高性能电极，实现微细流道的随形精密抛光。 发明内容[0004] 本发明是要解决目前增材制造金属微细流道内表面光整工艺容易造成抛光不均匀、微裂纹等缺陷的技术问题，而提供一种基于3D打印随形电极的增材制造金属微细内流道随形精密抛光方法。 [0005] 本发明的基于3D打印随形电极的增材制造金属微细内流道随形精密抛光方法是按以下步骤进行的： [0006] 一、将增材制造的金属微细流道与电化学工作站的阳极连接，将钛网与电化学工作站的阴极连接；然后将增材制造的金属微细流道和钛网放入装有抛光溶液的电解槽中，钛网呈环形围绕在增材制造的金属微细流道的外围；启动电化学工作站，测量金属微细流道的电化学极化曲线并获得极限电流平台对应的电压值； [0007] 所述的增材制造的金属微细流道的内表面具有分叉和连续变截面的结构特征； [0008] 所述的增材制造的金属微细流道内表面的粗糙度Ra≥15μm； [0009] 二、通过电化学工作站施加一个高于极限电流平台对应的电压值10％～50％的恒电压进行增材制造的金属微细流道的抛光，抛光溶液的温度为30℃～70℃，抛光时间为10min～40min，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌，蠕动泵的流速为100mL/min～500mL/min； [0010] 三、将步骤二中的钛网替换成3D打印制备的随形电极，随形电极的三维模型的尺寸等比例缩小为增材制造的金属微细流道内表面三维模型尺寸的70％～90％，随形电极置入增材制造的金属微细流道的内部且随形电极的轴线与增材制造的金属微细流道的轴线重合；通过电化学工作站对步骤二抛光后的增材制造金属微细流道构件施加一个高于步骤一获得极限电流平台对应的电压值50％～80％的恒电压进行随形抛光，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌； [0011] 四、将步骤三抛光后的增材制造金属微细流道构件放入去离子水中进行超声清洗，清洗时间为30min～40min，然后放入烘干炉中，在60℃～80℃下加热0.5h～1h，得到内外表面质量均优异的增材制造金属微细流道。 [0012] 步骤二和步骤三中的抛光液无需更换新的，沿用步骤一中的抛光液即可。 [0013] 本发明以增材制造的金属微细流道为对象，采用3D打印制备的随形电极进行电化学随形抛光：步骤一中首先采用钛网呈环形围绕在增材制造的金属微细流道的外围作为对电极；步骤二中在高于极限电流平台电压值10％～50％的电压下进行过电压电化学抛光，可以快速去除微细流道外表面的凸起，基于钛网环绕的过电压抛光能改善流道外表面的质量均匀性，外表面粗糙度可降低到Ra≤1.6μm，但对微细流道内表面的抛光效果不明显，抛光后内表面粗糙度Ra≥5μm；步骤三中将钛网电极替换成3D打印制备的随形电极，将随形电极置入增材制造的金属微细流道的内部并与流道的轴线重合(可以通过分别对流道和随形电极的外部进行限位固定来实现)，随形电极与流道内表面间始终保持较小的间隙；然后施加一个高于步骤一的抛光电压50％～80％的电压进行基于3D打印随形电极的过电压电化学抛光，获得了优异的内表面和外表面质量，相比于步骤二抛光的外表面，粗糙度降低至Ra≤0.6μm，相比于步骤二抛光的内表面，粗糙度降低至Ra≤0.6μm。 [0015] 图1是试验一的步骤一中增材制造的金属微细流道的结构示意图； [0016] 图2是试验一的步骤三中3D打印制备的随形电极材的结构示意图； [0017] 图3是将试验一的步骤三中3D打印制备随形电极材置于增材制造的金属微细流道内部的示意图； [0018] 图4为试验一中未进行任何操作时增材制造微细流道内表面的形貌扫描电镜照片； [0019] 图5是试验一抛光处理后增材制造微细流道内表面的形貌扫描电镜照片； [0020] 图6是试验二抛光处理后增材制造微细流道内表面的形貌扫描电镜照片。 具体实施方式[0021] 具体实施方式一：本实施方式为一种基于3D打印随形电极的增材制造金属微细内流道随形精密抛光方法，具体是按以下步骤进行的： [0022] 一、将增材制造的金属微细流道与电化学工作站的阳极连接，将钛网与电化学工作站的阴极连接；然后将增材制造的金属微细流道和钛网放入装有抛光溶液的电解槽中，钛网呈环形围绕在增材制造的金属微细流道的外围；启动电化学工作站，测量金属微细流道的电化学极化曲线并获得极限电流平台对应的电压值； [0023] 所述的增材制造的金属微细流道的内表面具有分叉和连续变截面的结构特征； [0024] 所述的增材制造的金属微细流道内表面的粗糙度Ra≥15μm； [0025] 二、通过电化学工作站施加一个高于极限电流平台对应的电压值10％～50％的恒电压进行增材制造的金属微细流道的抛光，抛光溶液的温度为30℃～70℃，抛光时间为10min～40min，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌，蠕动泵的流速为100mL/min～500mL/min； [0026] 三、将步骤二中的钛网替换成3D打印制备的随形电极，随形电极的三维模型的尺寸等比例缩小为增材制造的金属微细流道内表面三维模型尺寸的70％～90％，随形电极置入增材制造的金属微细流道的内部且随形电极的轴线与增材制造的金属微细流道的轴线重合；通过电化学工作站对步骤二抛光后的增材制造金属微细流道构件施加一个高于步骤一获得极限电流平台对应的电压值50％～80％的恒电压进行随形抛光，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌； [0027] 四、将步骤三抛光后的增材制造金属微细流道构件放入去离子水中进行超声清洗，清洗时间为30min～40min，然后放入烘干炉中，在60℃～80℃下加热0.5h～1h，得到内外表面质量均优异的增材制造金属微细流道。 [0028] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的增材制造的金属微细流道构件的材质为TC4钛合金，对应的抛光溶液按照体积分数组成为：50％～65％的高氯酸、10％～20％的冰醋酸，其余为水。其他与具体实施方式一相同。 [0029] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的增材制造的金属微细流道构件的材质为316L不锈钢，对应的抛光溶液按照体积分数组成为：30％～50％的硫酸、10％～20％的磷酸，其余为水。其他与具体实施方式一或二相同。 [0030] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的增材制造的金属微细流道构件的材质为IN718镍基高温合金，对应的抛光溶液按照体积分数组成为：25％～50％的硫酸、15％～25％的磷酸，其余为水。其他与具体实施方式一至三之一相同。 [0031] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的钛网为钛丝编织方法制备，钛丝的直径为50μm～200μm。其他与具体实施方式一至四之一相同。 [0033] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤三中所述的3D打印制备的随形电极的材质为IN718镍基高温合金，再在随形电极表面电化学沉积一层Ni纳米线，提比高了随形电极的比表面积，提高抛光效率。其他与具体实施方式六相同。 [0034] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤三中抛光时间为30min～80min。其他与具体实施方式七相同。 [0035] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤三中的抛光溶液的温度为50℃～80℃。其他与具体实施方式八相同。 [0036] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤三中的蠕动泵的流速为400mL/min～800mL/min。其他与具体实施方式九相同。 [0037] 用以下试验对本发明进行验证： [0038] 试验一：本试验为一种基于3D打印随形电极的增材制造金属微细内流道随形精密抛光方法，具体是按以下步骤进行的： [0039] 一、将增材制造的金属微细流道与电化学工作站的阳极连接，将钛网与电化学工作站的阴极连接；然后将增材制造的金属微细流道和钛网放入装有抛光溶液的电解槽中，钛网呈环形围绕在增材制造的金属微细流道的外围；启动电化学工作站，测量金属微细流道的电化学极化曲线并获得极限电流平台对应的电压值； [0040] 所述的增材制造的金属微细流道构件的材质为IN718镍基高温合金，抛光溶液按照体积分数组成为：30％的硫酸、20％的磷酸，其余为水； [0041] 所述的增材制造的金属微细流道内表面的粗糙度Ra≥15μm； [0042] 所述的钛网为钛丝编织方法制备，钛丝的直径为100μm； [0043] 二、通过电化学工作站施加一个高于极限电流平台对应的电压值10％的恒电压进行增材制造的金属微细流道的抛光，抛光溶液的温度为40℃，抛光时间为30min，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌，蠕动泵的流速为300mL/min； [0044] 三、将步骤二中的钛网替换成3D打印制备的随形电极，随形电极的三维模型的尺寸等比例缩小为增材制造的金属微细流道内表面三维模型尺寸的70％～90％，随形电极置入增材制造的金属微细流道的内部且随形电极的轴线与增材制造的金属微细流道的轴线重合；通过电化学工作站对步骤二抛光后的增材制造金属微细流道构件施加一个高于步骤一获得极限电流平台对应的电压值60％的恒电压进行随形抛光，抛光时间为50min，抛光溶液采用蠕动泵驱动搅拌，蠕动泵的流速为500mL/min； [0045] 所述的3D打印制备的随形电极材质为TC4钛合金； [0046] 四、将步骤三抛光后的增材制造金属微细流道构件放入去离子水中进行超声清洗，清洗时间为30min，然后放入烘干炉中，在70℃下加热1h，得到内外表面质量均优异的增材制造金属微细流道。 [0047] 试验一抛光获得的增材制造IN718微细流道内、外表面的粗糙度均为Ra≤0.6μm。 [0048] 试验二：本试验与试验一的区别为：步骤三中所述的3D打印制备的随形电极材质为IN718镍基高温合金，再在随形电极表面电化学沉积一层Ni纳米线。其它与试验一相同。 [0049] 试验二所获得的增材制造IN718微细流道内、外表面的粗糙度均为Ra≤0.5μm。 [0050] 图1是试验一的步骤一中增材制造的金属微细流道的结构示意图，从图中可以看出此微细流道的结构型面复杂，具有分叉、连续变截面等复杂特征。 [0051] 图2是试验一的步骤三中3D打印制备的随形电极材的结构示意图。 [0052] 图3是将试验一的步骤三中3D打印制备随形电极材置于增材制造的金属微细流道内部的示意图，1为随形电极，2为微增材制造的金属微细流道，从图中可以看出随形电极与流道走势和形状完全吻合，随形电极沿着流道的轴线置入流道内部，与流道内表面间始终保持较小的间隙。 [0053] 图4为试验一中未进行任何操作时增材制造微细流道内表面的形貌扫描电镜照片，从图中看出流道内表面凹凸不平，存在明显的阶梯，且随机分布粘附的颗粒凸起，表面粗糙。 [0054] 图5是试验一抛光处理后增材制造微细流道内表面的形貌扫描电镜照片，可以看出内表面台阶、凸起及黏附颗粒已被本移除，内表面粗糙度降低至Ra为0.6μm。 [0055] 图6是试验二抛光处理后增材制造微细流道内表面的形貌扫描电镜照片，可以看出内表面粗糙度降低至Ra为0.5μm，相较于图4又进一步下降。 |
||||||
