王磊 鄔宇梁 趙紀(jì)元 盧秉恒

摘要：金屬增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域具有復(fù)雜內(nèi)流道的構(gòu)件成形上具有廣闊的應(yīng)用前景，然而具有復(fù)雜內(nèi)流道的增材制件的精整加工是工業(yè)應(yīng)用的瓶頸問題。分析了內(nèi)流道機械拋光技術(shù)、化學(xué)與電化學(xué)拋光技術(shù)、電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)的加工原理、關(guān)鍵技術(shù)及國內(nèi)外研究進展。針對增材制件內(nèi)流道精整加工需求，分別研究了機械拋光技術(shù)、化學(xué)與電化學(xué)拋光技術(shù)、電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)的適應(yīng)性問題及探索方向。針對增材制件內(nèi)流道精整加工關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢提出了展望：①研究針對功能梯度材料、多金屬材料的增材制件內(nèi)流道精整加工技術(shù)；②研究針對具有復(fù)雜幾何形狀、內(nèi)部復(fù)雜分叉、漸變毛細(xì)結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等復(fù)雜內(nèi)流道的復(fù)合精整加工技術(shù)或組合加工技術(shù)；③研究針對內(nèi)流道精整加工質(zhì)量的高精度檢測方法和幾何誤差的三維重構(gòu)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：增材制造；內(nèi)流道；精整技術(shù)；孔加工；電解質(zhì)等離子拋光

中圖分類號：TG175

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.07.001

Research Progresses of Finishing Technology for Inner Channel of

Additive Manufacturing Parts

WANG Lei1 WU Yuliang1 ZHAO Jiyuan1，3 LU Bingheng1，2

1.High End Manufacturing Equipment Collaborative Innovation Center of Xian Jiao Tong

University，Xian，710054

2.National Innovation Institute of Additive Manufacturing，Xian，710300

3.School of Automation，Beijing Information Technology University，Beijing，100192

Abstract： In the field of aerospace， metal additive manufacturing technology had broad application prospects in the formation of parts with complex inner channels. However， the finishing of additive manufacturing parts with complex inner channels was a bottleneck problem in industrial applications. The principle， technology and development of mechanical polishing， chemical and electrochemical polishing and electrolyte plasma polishing on inner channel were reviewed herein. In addition， the adaptability and exploration direction of mechanical polishing， chemical and electrochemical polishing and electrolyte plasma polishing for the finishing of inner channel of additive manufacturing parts were studied respectively. Finally， the development trend of the key technologies for the finishing of inner channel of additive manufacturing parts was put forward： ①the finishing technology research of the inner channel of the additive parts for functionally graded materials and polymetallic materials; ②the research on compound finishing technology for complex inner channel with complex geometry， bifurcation， gradual capillary structure， topology and so on; ③the research on high-precision detection method for the finishing quality of inner channel and the three-dimensional reconstruction technology of geometric errors.

Key words： additive manufacturing; inner channel; finishing technology; hole machining; plasma electrolytic polishing

0 引言

增材制造（additive manufacturing）是一種顛覆傳統(tǒng)減材制造的新興技術(shù)，已經(jīng)從最初的原型制造逐漸發(fā)展為直接制造、批量制造，在航空航天、軌道交通、新能源、新材料、醫(yī)療儀器等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域展示了重大價值和廣闊的應(yīng)用前景［1］。航空航天構(gòu)件的整體化金屬增材制件多由帶有內(nèi)部流道、空腔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件組成，例如，液體火箭發(fā)動機關(guān)鍵零部件噴注器殼體和推力室，使用環(huán)境苛刻，零件內(nèi)部有百余條冷卻流道，這些零部件的表面質(zhì)量直接決定了發(fā)動機的整體性能和使用壽命。盡管金屬增材制造為成形這些具有復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的零部件提供了有力的技術(shù)手段，但仍然存在許多挑戰(zhàn)［2-4］：如技術(shù)、工藝和質(zhì)量存在巨大差異，金屬增材制件后處理工藝不成熟。在內(nèi)流道制件的成形過程中，逐層疊加帶來的表面“階梯效應(yīng)”明顯，內(nèi)部輔助支撐和粉末黏附殘留物去除困難，特別是電子束選區(qū)激光熔化（SLM）制造的復(fù)雜小尺寸流道，孔徑內(nèi)半燒結(jié)的粉末團聚成蛋糕狀堵塞物，清粉和后處理異常困難。

精確控制增材制造內(nèi)流道表面的成形質(zhì)量，包括降低表面粗糙度、提高輪廓精度和一致性，這對流體的流動效率、換熱效率有很大影響。工作時流道內(nèi)附著的粉末如果脫落會釀成重大事故，因此，一般需經(jīng)過精整加工等后處理手段以獲得高質(zhì)量高性能的內(nèi)外表面。

復(fù)雜金屬增材制件的內(nèi)表面精整加工是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的難題，也是制約金屬增材制造技術(shù)推廣的障礙之一。在航空航天領(lǐng)域具有功能流道的產(chǎn)品可以用來傳遞質(zhì)量或能量，對內(nèi)表面的成形質(zhì)量要求較高，但后處理加工涉及的作業(yè)工況復(fù)雜，制約條件多，內(nèi)部工作環(huán)境惡劣，加工困難，所以，內(nèi)流道精整加工成為難題。在工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)階段主要的技術(shù)方法有機械拋光技術(shù)（如磨粒流加工技術(shù)）、化學(xué)和電化學(xué)拋光等，這些技術(shù)對于簡單流道的加工可基本滿足要求，但在復(fù)雜流道、盲孔、薄壁、變截面、復(fù)雜曲面等方面尚存在較大不足。由于零件形狀復(fù)雜，表面精度要求高，機械拋光、電化學(xué)拋光等常規(guī)的精整加工方法受其工藝限制，容易出現(xiàn)去除量不均勻、流道破損等問題［4］，難以取得好的拋光效果。而采用電解電火花組合技術(shù)對內(nèi)流道表面進行加工時則會產(chǎn)生重鑄層，且加工時間較長［5］，不適用于內(nèi)流道的表面精整加工。電解質(zhì)等離子拋光（PeP）技術(shù)相比于上述拋光方式，不僅可以有效降低金屬表面粗糙度，還能提高金屬表面的耐磨性、耐腐蝕性等表面性能，同時拋光過程中不存在宏觀力，不會在工件表面留下微裂紋和殘余應(yīng)力而影響工件壽命。該技術(shù)為解決航空航天增材制件的內(nèi)流道精整加工問題提供了一種新方法。然而，電解等離子后處理加工技術(shù)處于發(fā)展的初期，對特定材料、內(nèi)表面特征的適應(yīng)性加工還有待深入研究。因此，新型內(nèi)流道精整技術(shù)是增材制造后處理技術(shù)發(fā)展的重要方向。

本文針對金屬增材制件內(nèi)流道精整加工技術(shù)需求，分析了金屬內(nèi)流道零件常用的機械拋光技術(shù)、化學(xué)與電化學(xué)拋光技術(shù)、電解等離子拋光技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài)，論述了上述三項關(guān)鍵技術(shù)的適應(yīng)性問題及進一步探索方向。最后，針對增材制件內(nèi)流道精整加工關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢提出了展望。

1 增材制件內(nèi)流道的機械拋光處理

內(nèi)流道的機械拋光方法包括機械打磨、超聲加工、磨料流拋光等技術(shù)。磨粒流拋光是利用具有流動性的黏彈性磨料擠壓通過工件待加工表面，通過磨料的切削作用來達到去除毛刺、拋光的目的［6］。磨粒流加工技術(shù)原理如圖1a所示。磨粒流拋光具有可達性好的特點，受形狀限制小，可用于窄縫、異形曲面及流道等復(fù)雜內(nèi)表面結(jié)構(gòu)的加工，同時磨粒流拋光對材料的適應(yīng)性強，適應(yīng)于加工各種金屬材料以及玻璃、陶瓷、塑料等非金屬材料［7］，是目前增材制件精整加工常見的后處理方式。

磨粒流加工技術(shù)應(yīng)用于增材制造內(nèi)流道的加工，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列深入研究。WILLIAMS等［8］ 研究了磨粒流加工對增材制件表面階梯效應(yīng)的去除效果，發(fā)現(xiàn)影響材料去除率的主要因素為磨粒粒度、加工循環(huán)次數(shù)、擠壓力和增材制造方向。FURUMOTO等［9］研究了具有U形流道的增材制件的磨粒流加工效果，如圖1b所示，將內(nèi)流道表面粗糙度由100～154 μm降為30～100 μm。周順新［10］利用磨粒流技術(shù)對離心壓縮機葉輪流道進行加工，如圖1c所示，將葉輪流道表面粗糙度Ra降低到0.8 μm以下。2019年，高航等［3］提出了恒壓差旋轉(zhuǎn)磨粒流加工技術(shù)，針對鈦合金多孔結(jié)構(gòu)件外表面及陣列異型斜孔進行了拋光試驗，磨粒流加工增材制造鈦合金格柵陣列孔的效果如圖1d所示，能夠有效消除階梯效應(yīng)、球化效應(yīng)和粉末黏附等加工缺陷。

近年來，為提高磨粒流拋光技術(shù)的效率和適應(yīng)性，許多學(xué)者開展了以磨粒流拋光技術(shù)為基礎(chǔ)，融合磁力、超聲波、電化學(xué)能等不同能量的復(fù)合拋光技術(shù)研究。磁力研磨使用了混有磁性磨料的研磨液，磁性磨料在磁力線方向有規(guī)律地形成具有一定柔性的“磁力刷”，以一定的壓力壓向工作表面，在機床主軸的高速旋轉(zhuǎn)下，使磨料與工件之間產(chǎn)生相對運動，實現(xiàn)對工件表面的研磨拋光［11-12］。鄧超等［13］對航空發(fā)動機所用鈦合金彎管進行磁力研磨加工，將內(nèi)表面粗糙度Ra值由0.35 μm降低到0.12 μm。楊海吉等［14］提出將多個徑向充磁的磁極組成柔性磁極鏈放置于4 mm的TC4細(xì)長管內(nèi)部，完成對小直徑細(xì)長管內(nèi)表面的高效精密拋光。JHA等［15-16］研究了一種磁流變拋光技術(shù)，使用鐵基碳化硅材料為磁性磨料加工復(fù)雜內(nèi)表面，并建立了擠壓力與工件表面粗糙度之間的數(shù)學(xué)模型。由于增材制造的內(nèi)流道較為復(fù)雜，磁力研磨技術(shù)針對分叉流道以及流道的死角區(qū)域加工困難，存在磁粒殘留難以清除的問題，再加上拋光效率有限，因此，適用于增材制造內(nèi)流道的磁力拋光處理技術(shù)仍處于探索性研究。

超聲振動輔助磨料流拋光技術(shù)是將超聲振動與磨料流拋光相結(jié)合形成的復(fù)合拋光加工技術(shù)［17-19］。MULIK等［20］開發(fā)了一種超聲波輔助磁力研磨技術(shù)，能夠?qū)⒈砻娲植诙燃庸さ郊{米級。VENKATESH等［21］使用超聲波輔助磨粒流拋光技術(shù)完成了螺旋錐齒輪的精加工。YU等［22］進行了IN718合金的超聲振動輔助磨料流拋光試驗，獲得了更好的拋光效果和更高的效率。如何基于上述研究成果，將超聲振動輔助磨料流拋光技術(shù)應(yīng)用于增材制造內(nèi)流道的加工，是一項有意義和具挑戰(zhàn)性的工作。

電解輔助磁力研磨是一種復(fù)合加工技術(shù)，既有磁力研磨的優(yōu)點，又因為加工過程中工件表面發(fā)生電解形成較軟的鈍化膜，可以降低金屬表面硬度對磁力研磨的工藝限制［23-24］ 。DABROWSKI等［25］開發(fā)了一種電解輔助磨粒流加工裝置，使用的磨料為水凝膠和電解質(zhì)聚合物的混合物。BRAR等［26］研究了一種用于內(nèi)孔表面精加工的電化學(xué)加工和磨粒流拋光組合加工技術(shù)?？紤]到電解輔助磁力研磨加工技術(shù)在處理增材制造內(nèi)流道的技術(shù)潛力，劉文浩等［27］使用電解輔助磁粒研磨方法加工SLM成形零件型腔內(nèi)表面，發(fā)現(xiàn)該方法比單一磁粒研磨加工的加工效果好，加工效率高。

為增強對內(nèi)流道加工對象的適應(yīng)性，人們對磨粒流拋光技術(shù)裝備、磨料和磨料介質(zhì)不斷改進。WALIA等［28］和SANKAR等［29］研究了一種旋轉(zhuǎn)磨粒流加工方法，通過在工件流道內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)桿帶動磨料進行拋光，將加工時間縮短了80%。MALI等［30］設(shè)計了一種雙向磨粒流拋光裝置，實現(xiàn)了Al/SiCp-MMC部件內(nèi)流道的拋光。劉薇娜等［31］提出了基于軟性磨粒流的復(fù)雜曲面與約束模塊相配合的高精密拋光加工方法。GROVER等［32］開發(fā)了一種新型磁流變珩磨工具，可以將不同內(nèi)徑的內(nèi)表面粗糙度加工到納米級。一些學(xué)者在優(yōu)化磨粒流拋光技術(shù)的同時，也在研究如何獲得更好的磨料介質(zhì)。SAMBHARIA等［33］合成了一種低成本研磨凝膠，該凝膠可以替代昂貴的磨料用于磨粒流拋光中。SANKAR等［34］發(fā)現(xiàn)，通過控制加工過程中的溫度可以有效提高磨料的使用壽命。SINGH等［35］通過將金剛石粉和鐵粉混合，然后進行機械合金化制作磁性磨料，對鋁管內(nèi)表面進行磨粒流拋光，表面粗糙度Ra最小值為0.22 μm。

針對結(jié)構(gòu)較為簡單的增材制造內(nèi)流道零件，磨粒流拋光可以有效去除粉末黏附并拋光表面，而針對復(fù)雜內(nèi)流道零件，特別是增材制造的大長徑比（流道長度與直徑的比值遠大于 10∶1）的內(nèi)流道零件，磨粒流加工方法還存在一些局限性。在磨粒流拋光過程中通過設(shè)計專用夾具，引導(dǎo)流體磨粒進出流道并提供擠壓力，但由于邊緣效應(yīng)，造成被加工件的出入口出現(xiàn)局部過拋或欠拋現(xiàn)象［36］；同時磨粒會殘留在復(fù)雜流道的拐彎、死角或者分叉流道的交匯節(jié)點處，金屬粉末甚至磨粒會在這些區(qū)域堆積堵塞導(dǎo)致后續(xù)無法加工；磨粒流拋光過程中存在明顯的宏觀力作用，拋光后工件表面殘余應(yīng)力明顯增大［37］，在加工薄壁內(nèi)流道時，易造成內(nèi)流道的變形甚至產(chǎn)生微裂紋。目前，針對內(nèi)流道磨粒流拋光技術(shù)的研究多集中在單一出入口的簡單流道工藝和材料擴展上，而增材制造的發(fā)動機、換熱器等整體金屬構(gòu)件一般具有多出入口流道、交叉流道、變徑流道等結(jié)構(gòu)特點，磨粒流拋光應(yīng)用于上述流道仍然面臨很大挑戰(zhàn)。

隨著增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，部分學(xué)者進行了增材制造大長徑比內(nèi)流道的磨粒流拋光試驗，發(fā)現(xiàn)磨粒流拋光在加工由臺階效應(yīng)、球化效應(yīng)和粉末黏附等導(dǎo)致的成形表面時有顯著效果［38］。鑒于磨粒流拋光技術(shù)在內(nèi)流道加工上具有較好的適應(yīng)性，進一步深入探索磨粒流拋光在增材制件復(fù)雜內(nèi)流道精整加工中的應(yīng)用具有重要意義。另外，以磁力、超聲波、電化學(xué)能等不同能量為基礎(chǔ)的復(fù)合磨粒流拋光技術(shù)使得磨粒流拋光的應(yīng)用更加靈活與多樣化。因此，應(yīng)用復(fù)合磨粒流拋光技術(shù)將是增材制件內(nèi)流道精整加工技術(shù)的一個重要趨勢。

2 增材制件內(nèi)流道的化學(xué)和電化學(xué)拋光處理

化學(xué)拋光是利用化學(xué)試劑的化學(xué)浸蝕作用，在化學(xué)溶液中金屬材料表面的微觀凸起處優(yōu)先發(fā)生溶解，實現(xiàn)表面處理［39］。該方法對小型增材制造鏤空結(jié)構(gòu)或陣列結(jié)構(gòu)零件表面松動易脫落的球化層和表面黏附的金屬球形粉末的去除效果顯著，有利于消除增材制件的裂紋萌生點。電化學(xué)拋光是將工件陽極和工具陰極浸沒在電解液中，并在陰陽極間施加直流電壓，工件表面微觀凸起處的電流密度大于凹陷處而具有更快的溶解速率，從而實現(xiàn)表面處理［40］。電化學(xué)拋光可以在化學(xué)拋光的基礎(chǔ)上進一步減小表面粗糙度。

國內(nèi)外學(xué)者針對增材制件內(nèi)流道的化學(xué)和電化學(xué)拋光處理技術(shù)開展了一系列研究。對采用激光選區(qū)熔化方式制造的Ti-6Al-7Nb支架進行化學(xué)拋光［41］，如圖2a所示，研究發(fā)現(xiàn)在低濃度溶液中使用磁力攪拌器進行長時間拋光可以確保過程穩(wěn)定可控，實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)件的批量加工。增材制件成形精度低，其原始表面粗糙度較高［42］，采用化學(xué)拋光方法往往無法保證對不同區(qū)域材料進行均勻去除，容易造成加工后零件尺寸超差［43］。采用化學(xué)拋光與電化學(xué)拋光相結(jié)合的方法對Ti-6Al-4V材料的多孔結(jié)構(gòu)支架進行拋光［44］，如圖2b所示，化學(xué)拋光主要用來去除附著的粉末顆粒，而電化學(xué)拋光在此基礎(chǔ)上進一步減小表面粗糙度Ra，由拋光前的6～12 μm 降至0.2～1 μm。NiTi記憶合金的電解拋光可以將表面粗糙度降至0.07 μm［45］，遠遠低于機械拋光的表面粗糙度0.18 μm。通過研究并優(yōu)化電壓、間隙、電解液溫度等參數(shù)，提高了管道內(nèi)表面質(zhì)量［46］。干為民等［47］進一步研究了增材制造零件的生長方向?qū)﹄娊鈷伖馓幚硇Ч挠绊憽?/p>

如何更有效地提高內(nèi)流道電解加工效率，減小內(nèi)表面粗糙度，一直是國內(nèi)外學(xué)者的重點研究方向。他們相繼研發(fā)了電解電火花加工、電解機械加工、超聲電解加工、激光電解加工、磁場輔助電解加工等復(fù)合加工技術(shù)進行流道加工。采用電火花、電解、電解電火花復(fù)合加工微小孔，加工效率是僅采用電化學(xué)加工的9.2倍，且工件表面精度比單純電解加工的高［48］。針對三元流閉式整體葉輪流道加工，采用組合電加工技術(shù)與數(shù)控電火花加工相比，加工效率提高40%，且減小了電極損耗［49-50］。采用電解電火花復(fù)合加工閉式葉輪內(nèi)流道，加工效率提高30.3%，表面粗糙度Ra達到1.6 μm［51］。研究發(fā)現(xiàn)，對機械研磨處理后的工件進行電解電火花復(fù)合加工，工件表面粗糙度比僅進行電解電火花復(fù)合加工降低了10%［52］。基于電解機械復(fù)合加工方法開發(fā)的帶有電解液內(nèi)噴和大旋轉(zhuǎn)電流的復(fù)合陰極夾頭的數(shù)控電解機械復(fù)合機床［53］，實現(xiàn)了數(shù)控電解復(fù)合加工的整體化和多樣化。上述加工方法可以直接或和其他先進技術(shù)組合用于增材制造流道的后續(xù)處理。2021年，有學(xué)者將電化學(xué)與機械拋光相結(jié)合為電化學(xué)機械拋光工藝［54］，在電化學(xué)溶解過程中，機械效應(yīng)可以最大限度地減少表面起伏，并排出氣泡和電解產(chǎn)物，促進連續(xù)拋光過程，實現(xiàn)均勻平坦的表面。該工藝還可以充分拋光彎曲的內(nèi)孔，消除部分熔化的粉末，其表面相當(dāng)光滑，三維表面粗糙度Sa值從15.522 μm顯著降至9.095 μm，形貌如圖3所示。趙鑫采用化學(xué)拋光和磨粒流拋光相結(jié)合的復(fù)合拋光方法［55］，處理的增材制造內(nèi)流道表面形貌如圖4所示，大量附著和黏結(jié)的粉末被清理干凈，表面未發(fā)現(xiàn)因化學(xué)拋光液腐蝕氧化產(chǎn)生的點蝕或晶界腐蝕，復(fù)合拋光后內(nèi)流道表面形貌平整光潔，表面一致性高。

在電解加工過程中，金屬陽極溶解產(chǎn)生的鈍化膜會阻礙加工過程的進行，通過輔助手段去除鈍化膜是電解加工的一個重要發(fā)展方向。超聲電解復(fù)合加工過程中電解液中的懸浮磨粒在超聲波振動作用下與液體空化作用共同去除工件表面的鈍化膜，從而促使電解加工的進行［56］。超聲脈沖電化學(xué)復(fù)合加工可以提高加工效率和表面質(zhì)量［57］。超聲電解復(fù)合珩磨相比于只進行電解珩磨能得到更小的表面粗糙度和更高的材料去除率［58］。在磁場輔助電解加工中，磁場的存在可以改善工件表面電解液的循環(huán)和提高氣層的穩(wěn)定性［59-60］。

相對而言，化學(xué)拋光工藝簡單，對增材制件內(nèi)流道表面黏附的金屬粉末去除效果顯著。電化學(xué)拋光能進一步減小工件表面粗糙度，不受工件形狀的限制，且加工過程中陰極與工件不直接接觸，不會增加工件表面的殘余應(yīng)力，適合薄壁件的拋光。在復(fù)雜內(nèi)流道的加工上，電化學(xué)拋光因為使用液態(tài)的拋光介質(zhì)而體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

然而，通過化學(xué)和電化學(xué)拋光處理增材制件內(nèi)流道也存在技術(shù)局限。在電化學(xué)處理增材制造內(nèi)流道時，受到陰極工具的限制，需要針對不同形狀的內(nèi)流道設(shè)計專用電極，這很大程度上限制了電化學(xué)拋光的通用性。電化學(xué)拋光表面材料去除率較大、加工初始表面粗糙度較小的零部件時可以獲得顯著的拋光效果，但是金屬增材制造成形的構(gòu)件表面粗糙度較大，直接采用電化學(xué)拋光方法處理有可能導(dǎo)致拋光后的零部件尺寸超差［43］，且在復(fù)雜內(nèi)流道上很難實現(xiàn)均勻的拋光。此外，電化學(xué)拋光使用的電解液具有一定的腐蝕性，可能導(dǎo)致內(nèi)表面的拋光效果不如外表面，處理設(shè)備必須加裝耐腐蝕措施，并且需要對加工后的廢液進行專門處理。

開發(fā)具有適應(yīng)性的陰極以適用不同的增材制件流道的拋光是一個值得探索的研究方向。將化學(xué)和電化學(xué)拋光與其他表面精整加工技術(shù)相結(jié)合，并采用中性的低濃度綠色環(huán)保型拋光溶液，也將是增材制件內(nèi)流道的化學(xué)及電化學(xué)拋光技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3 增材制件內(nèi)流道的電解質(zhì)等離子拋光處理

電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)是一個新興的金屬表面精整加工技術(shù)。在電解質(zhì)等離子拋光過程中，零件不會受到宏觀力作用，在一定程度上減小了工件表面的殘余應(yīng)力［61-62］，不會產(chǎn)生微裂紋；拋光后的表面粗糙度值Ra最小可達0.04～0.06 μm，有利于延長零件的使用壽命和減少安全隱患。電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)采用的拋光液一般為硫酸銨、氯化銨等偏中性的鹽溶液，不會腐蝕工件和設(shè)備，符合綠色環(huán)保的發(fā)展理念。電解等離子拋光技術(shù)將是增材制件內(nèi)流道精整加工技術(shù)的一種重要的發(fā)展方向。

在電解質(zhì)等離子拋光過程中，放電次數(shù)、放電通道的形成位置和爆炸去除深度決定了金屬表面粗糙度降低速度［63］。材料的去除率與陽極的電流密度成正比［64］，工件表面的熱流密度隨電流密度的增加而增加，使得工件表面熔化，容易去除［65］，工件表面凸起處的電流密度高于凹陷處而被優(yōu)先去除［66］。

經(jīng)過多年的發(fā)展，電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)已成功應(yīng)用于多種金屬材料，如表1所示［63，66-79］。

在電解質(zhì)等離子的加工機理及工藝特性方面已取得了豐富的研究成果，揭示了電解質(zhì)等離子加工過程中的伏安特性［68，73］，如圖5a所示。通過向現(xiàn)有配方中加入絡(luò)合劑、表面活性劑、緩蝕劑等對合金拋光的配方進行優(yōu)化［71-72］。電解質(zhì)等離子拋光比電化學(xué)拋光獲得的表面粗糙度更小，金屬去除量更少［66］。針對激光選區(qū)熔化增材制件進行電解質(zhì)等離子拋光試驗［80］，獲得了比噴丸等傳統(tǒng)加工方法更好的效果。SUS304不銹鋼工件的表面粗糙度隨時間變化的模型［62-63，81］如圖5b所示。試件表面元素能譜儀（EDS）分析表明，電解質(zhì)等離子加工幾乎不改變表面的化學(xué)成分，表2所示為試件在10 min拋光后表面化學(xué)成分變化。在Ti-6Al-4V合金的電解質(zhì)等離子試驗中發(fā)現(xiàn)，適用于粗晶結(jié)構(gòu)的電解液同樣適用于細(xì)晶結(jié)構(gòu)，而細(xì)晶結(jié)構(gòu)在拋光過程中表面粗糙度下降更快［74］。在St45鋼的拋光試驗中發(fā)現(xiàn)，使用循環(huán)流動的電解液在縮小有效電壓范圍的同時增強了拋光效果［68］。利用多物理量仿真和在線計量學(xué)預(yù)測電解質(zhì)等離子拋光工藝的加工時間和表面粗糙度［82］。建立加工過程的電離模型，指導(dǎo)合理選擇工藝參數(shù)與電解液［83］。電解質(zhì)等離子拋光長管（長100 mm，直徑24 mm）內(nèi)表面（裝置見圖6）時發(fā)現(xiàn)，電解液的流動方式和電場分布對拋光表面質(zhì)量有影響［84］，管道內(nèi)表面粗糙度可達0.06 μm，其他研究發(fā)現(xiàn)拋光頭的進給速度和拋光間隙對管道內(nèi)表面粗糙度有較大影響［85］。電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)可以顯著提高增材制件的耐腐蝕性并一定程度提高其耐磨性［86］，使用不同的電解液配方可以加工不同的金屬材料［87］，在拋光高溫合金這種高強度高硬度材料上有潛在優(yōu)勢。

對內(nèi)流道表面的精整加工，電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)顯示出極大的潛力和優(yōu)勢，特別是在低剛度薄壁內(nèi)流道的加工上具有較好的適應(yīng)性。對內(nèi)流道電解質(zhì)等離子加工關(guān)鍵技術(shù)的研究主要聚焦在拋光液配放、專用工裝、工藝參數(shù)匹配性等方面。2020年，筆者所在國家增材制造創(chuàng)新中心針對增材制件內(nèi)流道加工工藝進行了試驗研究，初步實現(xiàn)了長徑比大于60∶1的細(xì)長流道拋光（圖7），內(nèi)表面的粗糙度Ra從6.3 μm左右降至3.2 μm，并開展了針對GH4169等材料平板試驗件上小孔的孔邊毛刺、孔壁重熔層去除工藝試驗。然而，電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)在內(nèi)流道的拋光應(yīng)用上仍處于發(fā)展初期階段，針對增材制造復(fù)雜內(nèi)流道的精整加工，電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)仍然存在挑戰(zhàn)，表現(xiàn)為：

（1）航空航天整體構(gòu)件增材制造高溫合金構(gòu)件與常規(guī)的金屬材料構(gòu)件有很大不同，需要深入研究電解質(zhì)等離子拋光作用機理并進行大量試驗，研制出新的適合不同牌號高溫合金的拋光液成分。

（2）考慮到增材制造內(nèi)流道形狀和尺寸的多樣性，為適應(yīng)不同形式的復(fù)雜內(nèi)流道，需研發(fā)出專用的陰極工具并形成工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

4 現(xiàn)有技術(shù)的對比分析

對內(nèi)流道零件常用的磨粒流拋光技術(shù)、化學(xué)與電化學(xué)拋光技術(shù)、電解質(zhì)等離子拋光技術(shù)進行對比分析，如表3所示。增材制造的發(fā)動機、換熱器等整體金屬構(gòu)件一般具有多出入口流道、交叉流道、變徑流道等結(jié)構(gòu)特點，上述內(nèi)流道的拋光處理仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。

5 展望

當(dāng)前，針對金屬增材制件內(nèi)流道精整加工的適應(yīng)性工藝進行專門研究的科研成果仍然較少。特別是針對復(fù)雜金屬增材制件內(nèi)流道的精整加工技術(shù)的發(fā)展相對遲緩，將會阻礙增材制造技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，是一個亟需解決的難題。金屬增材制件內(nèi)流道表面精整加工技術(shù)未來面臨許多挑戰(zhàn)，主要包括：

（1）對功能梯度材料、多金屬復(fù)合材料的增材制造的內(nèi)流道后處理加工，開發(fā)適應(yīng)性的精整加工技術(shù)。

（2）對復(fù)雜幾何形狀（如淚珠、菱形、橢圓，甚至更復(fù)雜的不規(guī)則形狀）、內(nèi)部復(fù)雜分叉、漸變毛細(xì)結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、甚至更復(fù)雜的不規(guī)則的復(fù)雜內(nèi)流道，在多數(shù)情況下，沒有單一的解決方案能實現(xiàn)最終的復(fù)雜零件表面處理，需要開發(fā)具有強適應(yīng)性的復(fù)合精整加工技術(shù)或組合加工技術(shù)。

（3）對內(nèi)流道精整加工質(zhì)量的高精度檢測方法和幾何精度的三維重構(gòu)技術(shù)也需要在未來的研究中深入探索。

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