馬寧，由藝強(qiáng)

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

鈦合金具有比強(qiáng)度高、韌性好、耐蝕、耐熱等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域[1]。激光選區(qū)熔化(SLM)是一種增材制造技術(shù)，可用于復(fù)雜異形航空航天零件的成型，使用激光選區(qū)熔化技術(shù)制造TC4鈦合金零件，不僅不受零件形狀限制，而且可以使材料利用率和成型效率大大提高。但是由于波紋效應(yīng)、階梯效應(yīng)和表面部分粘結(jié)顆粒的存在[2]，導(dǎo)致增材制造件表面有明顯的紋理特征，表面粗糙度(Ra)一般在10 μm左右[3]。較差的表面質(zhì)量不僅會(huì)降低零件的尺寸精度、疲勞強(qiáng)度、力學(xué)性能和抗腐蝕性，還會(huì)影響其配合性質(zhì)和工作精度，一定程度上制約了SLM技術(shù)的應(yīng)用及推廣[4]。目前人們通過表面處理技術(shù)來提高SLM制造的金屬零件的表面光潔度，包括噴砂、機(jī)械研磨、化學(xué)拋光及激光拋光等。Pyka等選擇HF作為蝕刻劑，首先對(duì)TC4進(jìn)行化學(xué)刻蝕，去除表面相連的粉末顆粒，再使用HF、乙酸和硫酸的混合溶液對(duì)鈦合金進(jìn)行電化學(xué)加工，有效地降低了表面粗糙度[5]。但是強(qiáng)酸拋光溶液對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重并且容易造成環(huán)境污染。Mohammadian等使用化學(xué)拋光和磨料流拋光相結(jié)合的方法，對(duì)IN625管狀零件進(jìn)行內(nèi)表面拋光，可以完全去除IN625零件內(nèi)表面的半焊接顆粒，顯著改善零件的表面粗糙度和織構(gòu)[6]。但磨料流加工棱邊時(shí)易過拋，材料去除不均勻。章媛等潔使用銑削的方法對(duì)選區(qū)激光熔化AISI420不銹鋼進(jìn)行表面處理后可以令試樣的粗糙度從約10 μm降低到1 μm以下，極大地改善了制件的表面性能[4]。但是機(jī)械加工方法不僅會(huì)導(dǎo)致刀具消耗嚴(yán)重，而且會(huì)引發(fā)加工區(qū)域表面產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力、表面微劃痕、微裂紋等二次損傷。

電解加工作為一種非機(jī)械的金屬切削加工方法，能夠加工任何具有高切削率的導(dǎo)電材料，而無需考慮其硬度、彈性、脆性等力學(xué)性能，并且具有工件表面光整、無加工紋路、無毛刺等特點(diǎn)[7]。采用甲酰胺為基的氨基磺酸非水溶液可避免常規(guī)水溶液拋光后雜散點(diǎn)蝕嚴(yán)重，表面質(zhì)性能差的情況[8]。本文采用氨基磺酸?甲酰胺溶液對(duì)SLM成型的TC4鈦合金試件進(jìn)行拋光。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

使用鉑力特S210金屬3D打印機(jī)制作試樣，調(diào)整加工試件與基板之間夾角，分別制作了0°、15°、25°三種不同構(gòu)建角度的試樣(如圖1所示)，將SLM樣品從基板上取下后用電火花線切割成15 mm ×15 mm × 1.2 mm的小樣。

圖1 表面構(gòu)建角度示意圖Figure 1 Schematic diagram of surface construction angle

電化學(xué)拋光在直徑為100 mm的燒中進(jìn)行，樣品(陽(yáng)極)和夾具位于燒杯邊緣，陰極采用銅電極，陰陽(yáng)極間距為14 mm，電化學(xué)加工原理及裝置如圖所示。按1 000 mL甲酰胺、80 g氨基磺酸及5 g氯化鈉的配比配制電解液。該溶液可以出現(xiàn)類似NaNO3溶液所呈現(xiàn)的非線性現(xiàn)象，加工表面會(huì)存在電阻變化的非金屬化合物黏液層，可大大減輕或阻止鈍化膜的再生成[9]，從而有效避免鈦合金形成強(qiáng)保護(hù)性鈍化膜而不易加工的問題。電解拋光在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)前先用蒸餾水清洗所有樣品，然后在超聲波清洗儀中用丙酮脫脂10 min。每次試驗(yàn)后，立即用蒸餾水洗滌樣品，然后用丙酮洗滌，最后風(fēng)干。

圖2 電化學(xué)拋光裝置的示意圖(a)和實(shí)物照片(b)Figure 2 Schematic diagram (a) and photo (b) of the setup for electrochemical polishing

1.2 表征方法

使用Oxford Instruments X-MAX20掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拋光前后TC4鈦合金的表面微觀形貌，使用電鏡自帶的能譜儀(EDS)檢測(cè)表面元素組成。使用艾普HR-150C洛氏硬度測(cè)試儀測(cè)量試件拋光前后的洛氏硬度。采用配有TS100標(biāo)準(zhǔn)傳感器的TIME-3200手持粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量試樣的線性粗糙度平均值(Ra)、均方根(Rq)及最大輪廓高度(Rz)，同時(shí)還能測(cè)量出試件的表面輪廓，取樣長(zhǎng)度為0.8 mm，測(cè)量距離4 mm。拋光前后的TC4鈦合金樣件的耐腐蝕性測(cè)試在CHI660E型電化學(xué)工作站進(jìn)行，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極作為對(duì)電極，TC4鈦合金試樣作為工作電極(暴露面積1 cm2)，以3.5%NaCl溶液為腐蝕介質(zhì)。電化學(xué)測(cè)試在室溫25 °C下進(jìn)行，在?0.3 V至0.3 V的電位范圍內(nèi)以1 mV/s的速率進(jìn)行掃描。使用上海越平FA2004B型精密電子天平稱量拋光前后試件的質(zhì)量，每個(gè)試件稱量3次，取平均值。鈦合金試樣的材料去除量Δh(單位：mm)可由式(1)計(jì)算。

式中Δm為試件在加工前、后的質(zhì)量差(單位：g)，ρ為工件密度(單位：g/mm3)，A為加工面積(單位：mm2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度對(duì)電化學(xué)拋光的影響

在不同電流密度下對(duì)TC4鈦合金電化學(xué)拋光25 min，TC4鈦合金表面狀態(tài)變化見圖3。0°、15°和25°三種構(gòu)建角度試件的表面粗糙度隨著電流密度的增大呈現(xiàn)了相似的趨勢(shì)和接近的結(jié)果。當(dāng)電流密度過小時(shí)，鈦合金陽(yáng)極表面處于鈍化溶解狀態(tài)，拋光效果不明顯，表面粗糙度較大。隨著電流密度的增大，去鈍化能力增強(qiáng)，拋光速度加快，粗糙度逐漸降低。對(duì)于所分析的表面，電流密度1 A/cm2時(shí)獲得的Ra更小，表面質(zhì)量更好。材料去除量隨著電流密度的增大而增大，當(dāng)電流密度為1 A/cm2時(shí)，去除厚度達(dá)到0.3 mm左右。

圖3 電流密度對(duì)不同構(gòu)建角度拋光TC4鈦合金表面粗糙度和材料去除量的影響Figure 3 Effect of current density on surface roughness and material removal of TC4 titanium alloy samples with different construction angles after being polished

在電流密度0.6 A/cm2下電化學(xué)拋光不同時(shí)間時(shí)TC4鈦合金表面狀態(tài)變化見圖4。反應(yīng)初始階段，試件反應(yīng)不完全，表面粗糙度較大。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，材料去除量增大，當(dāng)反應(yīng)25 min時(shí)，材料去除厚度在0.15 mm左右，表面變得光亮平滑，粗糙度明顯減小，拋光后的平均表面粗糙度為0.8 μm，約為拋光前表面粗糙度的1/10?？梢宰⒁獾?，材料去除量隨時(shí)間延長(zhǎng)呈線性變化，并且不同構(gòu)建角度試件的斜率都很接近。

圖4 加工時(shí)間對(duì)不同構(gòu)建角度拋光TC4鈦合金表面粗糙度和材料去除量的影響Figure 4 Effect of processing time on surface roughness and material removal of TC4 titanium alloy samples with different construction angles after being polished

圖5為在電流密度0.6 A/cm2下加工30 min后不同構(gòu)建角度時(shí)間表面粗糙度的變化情況，在整個(gè)過程中，Rq和Rz遵循與Ra相同的趨勢(shì)，保持平均Rq/Ra和Rz/Ra比率分別等于1.2和5.0。

2.3 電化學(xué)拋光后TC4鈦合金樣品表面形貌的演變

2.3.1 宏觀圖像

圖6顯示0°構(gòu)建角度在電流密度0.6 A/cm2下拋光前后樣本的照片，以顯示宏觀拋光效果?？梢?，電解拋光后的樣品表面比原始樣品表面光滑、光亮。很明顯，適當(dāng)延長(zhǎng)拋光時(shí)間可以顯著改善表面質(zhì)量。

2.3.2 微觀形貌

從圖7a可以看到，未電化學(xué)拋光時(shí)樣品表面附著大量未熔融的顆粒。經(jīng)電化學(xué)拋光10 min后，原樣品表面的部分熔融顆粒被消除，表面存在大量凹坑(見圖7b)。電化學(xué)拋光15 min后，試樣表面出現(xiàn)了一些帶有間隙結(jié)構(gòu)的平坦表面(見圖7c)。經(jīng)過20～30 min的電化學(xué)拋光后，TC4樣品表面逐漸變得非常光滑和均勻(見圖7d–7f)。結(jié)果表明，TC4零件表面存在未融化顆粒和深凹坑，表面粗糙度高達(dá)6.86 μm，經(jīng)過不同時(shí)間的電化學(xué)拋光后，顆粒逐漸消失，表面粗糙度顯著降低到0.62 μm。

圖5 不同構(gòu)建角度拋光前(a)、后(b)TC4鈦合金的Ra、Rq和RzFigure 5 Ra, Rq, and Rz of TC4 titanium alloy samples with different construction angles before (a) and after (b) being polished

圖6 在0.6 A/cm2下0°構(gòu)建角度拋光不同時(shí)間后TC4鈦合金的照片F(xiàn)igure 6 Photos of TC4 titanium alloy sample with a construction angle of 0°after being polished at a current density of 0.6 A/cm2 for different time

圖7 在0.6 A/cm2下拋光不同時(shí)間后0°構(gòu)建角度的TC4鈦合金的SEM照片F(xiàn)igure 7 SEM images of TC4 titanium alloy sample with a construction angle of 0°after being polished at a current density of 0.6 A/cm2 for different time

2.3.3 表面輪廓

圖8顯示出了不同構(gòu)建角度試件的初始和最終粗糙度輪廓軌跡?？梢钥闯觯捎陔A梯效應(yīng)的影響，隨著表面傾斜角的增大，表面粗糙度增大，形成較大的波峰和波谷。拋光后表面輪廓變得平滑，波峰和波谷沿著平均線均勻分布。

2.4 表面元素分析

從表1可知，拋光前TC4鈦合金表面含有少量O元素，經(jīng)電化學(xué)拋光之后未檢測(cè)到O元素，說明TC4表面的氧化物得到了很好的去除。

圖8 不同構(gòu)建角度拋光前后TC4鈦合金的輪廓曲線Figure 8 Profile curves for TC4 titanium alloy samples with different construction angles before and after being polished

表1 拋光前后TC4鈦合金表面的元素組成Table 1 Elemental composition of TC4 titanium alloy before and after electrochemical polishing

2.5 耐蝕性測(cè)試

圖9 0°構(gòu)建角度拋光前后TC4鈦合金的極化曲線Figure 9 Polarization curves of TC4 titanium alloy samples with a construction angle of 0° before and after being polished

表1 0°構(gòu)建角度拋光前后TC4鈦合金的腐蝕電位、腐蝕電流密度及腐蝕速率Table 2 Corrosion potential, corrosion current density,and corrosion rate of TC4 titanium alloy sample with a construction angle of 0° before and after being polished

從圖9及表2可以看出，電化學(xué)拋光后鈦合金的Tafel曲線向電位更正的方向偏移，腐蝕電位相比于鈦合金原始表面有一定的正移。與此同時(shí)腐蝕電流密度顯著下降，腐蝕速率降低。表面粗糙度是影響材料耐蝕性的重要因素之一[10]。腐蝕速率的降低體現(xiàn)為腐蝕電流密度的下降，這可從兩方面進(jìn)行解釋：一是光滑表面相比于粗糙表面的腐蝕面積更小[11]；二是光滑表面的表面能較小，結(jié)合電子的逸出功可知，材料光滑表面的電子相比于表面能較大的粗糙表面的電子更不易逸出[12]。

2.6 拋光前后洛氏硬度的變化

對(duì)拋光前后洛氏硬度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)一步分析電解拋光方法對(duì)TC4鈦合金的力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表3。不同構(gòu)建角度鈦合金拋光前后的洛氏硬度變化較小，因?yàn)殁伜辖饞伖獠煌恢脺y(cè)量結(jié)果稍有差別，屬正常變化范圍，所以電解加工對(duì)TC4鈦合金表面硬度沒有影響。

表3 不同構(gòu)建角度拋光前后TC4鈦合金的洛氏硬度Table 3 Rockwell hardness of TC4 titanium alloy samples with different construction angles before and after being polished（單位：HRC）

3 結(jié)論

采用氨基磺酸?甲酰胺體系電解液對(duì)激光選區(qū)熔化成型的TC4鈦合金進(jìn)行電解拋光，取得了明顯的光整效果。拋光過程中電流密度和電解時(shí)間都直接影響最終光整效果的實(shí)現(xiàn)，在電流密度為1 A/cm2下電解拋光25 min時(shí)取得的光整效果最佳，試樣表面平整光亮，均一性良好。拋光后試件的耐腐蝕性得到了增強(qiáng)，硬度無明顯變化。