江苏激光联盟导读：

本文概述了增材制造金属工件的多种后处理技术，对其机理、应用范围、优势以及缺陷等进行了全面的梳理。

2.6.7 化学蚀刻

化学蚀刻用于抛光金属部件的粗糙表面。批量处理(Batch processing)可用于大量样品，某些区域的蚀刻速率可通过掩模来控制。该过程需要每种材料都有特定的化学物质才能有效，而这取决于:

※ 化学浓度

※ 温度

※ 传输机制——用于移除用过的化学物质并将新鲜反应物带到材料表面，例如射流喷射搅拌、机械搅拌、电磁搅拌和超声波

▲图30 化学蚀刻的SLM Ti6Al4V表面，具有平滑的粗糙表面和部分焊接的粉末颗粒:(a)蚀刻前和(b)蚀刻后。

Lyczkowska等人研究了酸性蚀刻剂对SLM Ti6Al4V中空支架的化学蚀刻，发现其使得具有部分焊接粉末颗粒的粗糙表面变得平滑。因为蚀刻速率取决于液体蚀刻剂在固体表面上的相对速度，所以在内外部应该有不同的蚀刻剂速度。对于中空支架和具有内部特征的部件，蚀刻速率和均匀性应存在差异(图30)。

除了蚀刻时间和化学浓度之外，蚀刻速率还取决于槽温度和工件或液体蚀刻剂的搅拌。高频(约20千赫)下的超声波搅拌比通常在低于1000rpm(17赫兹)下操作的机械搅的蚀刻速度快得多。气穴现象引起的微小气泡破裂有效地去除了工件表面松散粘附的粉末颗粒(图31)。

▲图31 SLM Ti6Al4V化学蚀刻中超声搅拌对材料去除率的影响。

虽然化学蚀刻工艺很简单，但它也存在以下局限性:

※ 不均匀性——在复杂形状的样品上很难实现均匀的蚀刻；液体蚀刻剂由于其相对于固体的高表面张力而不能进入极小的孔，并且截留的空气可以防止蚀刻剂进入小盲孔，因此尖角一般会优先被蚀刻。

※ 应力腐蚀——具有拉伸残余应力或高应变的局部区域蚀刻速度相对而言更快。

※ 支架盲区——当大规模蚀刻用到支架时，机械夹具会盖住夹具里的局部区域，阻止均匀蚀刻。

※ 光洁度不足——AM金属很难获得均匀的亚微米表面光洁度。

2.6.8 电化学加工（Electrochemical machining,ECM）

电化学加工(也称电解加工)或抛光(Electrochemical polishing,ECP)也可用作AM金属的后处理技术，因为工件可导电。在这个过程中，阳极金属工件的表面被电离，离子向阴极电极移动，在移动的电解液中被冲走。材料去除率可以通过结合欧姆定律和法拉第电化学定律来确定:

其中I:电流(A),t:时间(s),z:阳极的价电子,F:法拉第常数= 96500库仑/摩尔,v:移除材料的体积(立方毫米),m:阳极的分子质量(g),d:质量密度(克/立方厘米),A:电极正面面积(mm2),E:电压(V),r:电解质的电阻率(Ω mm)g:电极间隙(mm),c:特定材料去除率(mm3/A/s)

等式5可以被修改以计算比率I/A(电流密度)、V/A(加工深度)和V/t(材料去除率)。等式5的推导对直流和静态电解质进行假定。通过其他调整，可加强ECM/ECP过程。通过以超声波频率(千赫)或极低频率(< 50赫兹)振动，以及通过使用脉冲电流，电解液可以高速流动或流过中空电极或部分绝缘电极，从而实现更快的去除速率和更好的零件质量。

▲图32 样品原件以及经过1到5分钟ECP后样品横截面的光学图

Zhang Baicheng等人使用直流以30毫米的电极间间隙、50 A/mm2 电流密度在20%硫酸和甲醇电解液中抛光SLM Inconel 718（图32）。五分钟后，表面光洁度从6微米变为3.6。然而，由于γ′沉淀在电解液中的溶解，抛光表面从5 GPa软化到3 GPa。

脉冲电流的ECP过程提高了去除率和去除质量，因为在休止期间离子和其产生的碎片被有效地从阳极表面冲走，并且整个系统在较低温度下运行。与切割工具随时间降解的其他减材工艺（subtractive processes，与增材制造相反）不同，ECP的阴极电极不与工件接触，也不会腐蚀，可用于大规模生产。具有所需尺寸和形状的定制电极可用于大规模抛光；对于各种AM金属，可以获得精确的尺寸/形状，并实现亚微米级的表面光洁度(表10)。

表10 选定电化学抛光(ECP)AM金属的表面光洁度和材料去除率。

电极必须定制加工、成形为部件的最终设计形状和尺寸。当必须加工大量元件时，可以控制单个电极来抛光局部区域或整个表面。这种方法类似于使用非接触式铣削工具，通过控制输入参数，该工具可以在电解加工中具有较高的材料去除率，或者可以在ECP以较低的材料去除率抛光表面。图33比较了ECP抛光前后打磨过的SLM Inconel718表面。通过光学显微镜甚至肉眼就可看见平行打磨痕迹(图33a)在最佳条件下被完全打磨去除掉。使用扫描电镜的检查显示了表面和体积缺陷，这些缺陷有助于ECP抛光的SLM样品表面光洁度(图33b)。在空间光调制器过程中，样品经历快速熔化和固化，产生了高温度梯度和大残余热应力，使样品扭曲和破裂。气孔是凝固收缩和凝固前滞留在熔池中的氩气气泡共同作用形成的。

▲图33 经过:(a) 180-grit 砂磨，(b)电抛光的SLM Inconel 718合金表面

由于金属粉末中存在杂质，还观察到了一些熔渣。非导电相(碳化物、夹杂物、沉淀物、熔渣等)和表面缺陷(孔隙、裂纹)等的存在会降低表面光洁度(图34)。技术上而言，要想实现导电基质和非导电相的复合材料理想、均匀的电化学抛光尚无法实现。实验结果表明:

※ Inconel 718中较大的非导电相(NbC、M23C6和Laves)不受电化学反应的影响，因此会保留在抛光表面上

※ 较小的沉淀物(δ，γ′，γ′′)与基体的离子一起溶解

※ 由于尖角处的较高电流密度或由于局部区域的高拉伸残余应力，孔隙内和裂纹内的去除速率加快

▲图34 (a)ECP之前，(b)ECP之后孔隙的横截面

因为ECP的电化学反应只影响合金的导电基体，过度抛光形成更多的缺陷，而不会去除现有的缺陷。不同的蚀刻速率还会扩大和加深现有碳化铌(NbC)周围的铌贫化区。区域表面光洁度值高于线表面光洁度值，因为前者测量包括所有表面缺陷，而线表面值是沿着那些无表面缺陷的直线测量的(图35)。在最佳条件下，ECP工艺在AM金属上产生0.3微米的光亮表面光洁度，并在表10中得到证实。

▲图35 刻蚀速率对电化学抛光 SLM Inconel718合金表面粗糙度的影响。

可以通过调整扫描策略来减少孔隙，当利用热等静压工艺(HotIsostaticPressing,HIP）处理各种大量SLM构件时，还可能更具成本效益。因为Laves相和孔可以通过均质化来消除，这些后处理步骤可以在ECP之前应用，以获得更好的表面光洁度。

使用ECM和ECP作为后处理技术的局限性包括:

※ 该过程局限于使用均匀的导电材料。夹杂物、空隙、孔隙、炉渣和非导电相则被排除在外。

※ 残余应力和应变区域加速了局部去除速率。

※ ECM/ECP是反向电镀工艺，即阴极加工电极可以利用来自阳极工件的材料电镀。

※ 由于来自电极的杂散电流，尺寸控制可能很困难。

※ 使用腐蚀性电解液时，仪器必须耐腐蚀。

※ 由于浓度变化和与副产物的混合，电解质随着时间而降解。

使用氯化胆碱和乙二醇的深共晶溶剂混合物可以避免酸基电解质的复杂性和安全性问题。铸造和增材制造的316L不锈钢极化曲线(图36和37)由A、B和C三段组成。A段显示电流密度增加，表明阳极不锈钢溶解。在B段，饱和电流密度表明主动抛光和离子扩散是主要机制。在C段，电流密度的快速增加意味着溶剂的氧化和氧的析出。

▲图36 氯化胆碱和乙二醇混合溶剂中电抛光铸造316L不锈钢的三段极化曲线。A段，阳极不锈钢的溶解；B段，主动抛光和离子扩散；C段，溶剂的氧化和氧的析出

▲图37 除AM 316L不锈钢外，电抛光中的极化曲线与图36相似

最佳抛光发生在B段和c段的连接处附近。对于铸造和AM 316L不锈钢，电流密度约为60 mA/cm2，过电位为3至4。AM材料的表面光洁度可以抛光到400 nm以下，而抛光后的铸造材料表面略高，约为778 nm。

最新的后处理技术之一是等离子体电解抛光(plasma electrolytic polishing,PeP)，它结合了物理和化学反应来烧蚀导电工件的表面。阳极部分浸没在电导率在80至140毫秒/厘米范围内的电解液中。在180至400伏电压范围内产生的直流等离子体包围工件的表面轮廓并烧蚀材料。尽管等离子体可能是热的，但是周围的液体电解质保持等离子体温度低于其沸腾温度。

这种技术适用于复杂形状的工件，因为不需要物理电极，但它不能抛光内表面。虽然烧蚀速率极慢(< 5微米/分钟)，但抛光表面的光洁度可以低至20纳米。

粉末床熔融和直接能量沉积中的热量对金属粉末颗粒或线进行熔化并使之结合形成复杂的形状。零件的快速加热和冷却会导致点、面积和体积缺陷。粉末床熔融的问题包括:

在2019年，等离子体电解抛光仍处于研究阶段，存在诸多局限性。至今为止，PeP在AM金属中的应用也尚未得到充分研究。然而，该技术已成功用于医疗制造，抛光 Co-Cr合金、316L不锈钢和钛合金。该工艺的限制在于：

※ 该工艺需导电材料。

※ 该工艺不能抛光构件内部。

※ 由于去除速度慢，若要去除大量材料或重毛刺则不建议采用此方法。

※ 夹具可能会干扰过程并影响结果。

2.7 热处理（Heat Treating）

▲图38 SLM Inconel 718合金剪切微结构缺陷，包括(1)硬颗粒，(2)部分熔化的粉末和(3)毛刺覆盖的球形孔。

※各向异性——构建方向（building direction）影响部件的硬度和机械性能。在SLM Inconel 718中，Laves颗粒和孔隙的数量在边缘比在内部中高得多(图38)。

※ 性能较差——完工构件的机械性能（如硬度、抗拉强度、冲击强度、疲劳和蠕变），不如传统方法制造的相同材料。

※ 残余应力——熔融金属的不均匀和快速冷却会导致高残余应力和零件变形(图39和40)，甚至在微观(图41)和宏观(图40)层面产生裂纹。

然而，这些问题可以通过适当的热处理工艺来减轻，以使材料性能符合设计要求。后处理热处理包括但不限于应力消除、退火、淬火、固溶热处理、时效强化、直接时效强化和均匀化。若要避免表面氧化，需要在真空或惰性气体中进行热处理。

▲图39 通过线放电加工对SLM Inconel 718合金零件进行切片，发现残余应力导致的变形

▲图40 完工SLM钴铬合金上的环向和轴向热应力引起的可见宏观裂纹

▲图41 SLM Inconel 718合金表面的x-y平面图像，分别显示(1)部分焊接、(2)局部收缩和(3)微裂纹的细颗粒

最佳热处理工艺需要在以下几个方面进行平衡与优化:

※ 虽可使抗拉强度最大化，但会降低材料的延展性。

※ 热等静压消除了一些孔隙和空隙，提高了材料密度，但它会使材料老化，并显著降低SLM Inconel 718的可加工性。

※ 既可提高机械强度，但也会产生有害的拉伸残余应力。图42显示，在加热平台上选择性激光构建后，对AlSi10Mg样品进行粗加工会产生压缩残余应力，但任何后续热处理都会产生拉伸残余应力。

▲图42 SLM AlSi10Mg铝合金后热处理对残余应力的影响

2.8 去毛刺（Deburring）

毛刺（沿加工路径边缘附着的塑性变形材料）和锋利边缘（ built-up edges，BUEs）不仅影响外观，而且会伤害从业者，干扰装配过程，降低零件质量，并缩短部件的寿命。对于医用植入物，不必要的毛刺或者锋利的边缘会损伤植入物周围的组织，还会导致人体感染。

因为在AM金属中孔隙是不可避免的，所以沿着加工路径并在孔隙和空腔的顶部产生毛刺(图38和43)。在切削刀具边缘形成的BUEs生长并从刀具上脱落，并在刀具压力下被牢固地压在工件表面上。除了传统加工，毛刺也会在放电加工和激光加工等其他非传统加工过程中形成。

▲图43 使用(a)新工具和(b)磨损工具微研磨SLM Inconel 718合金后，切片孔隙上的毛刺

尽管去毛刺和最终修整程序繁琐，但其仍在少量零件上借助手工工具进行。批量去毛刺可以使用前面讨论的多种后处理技术完成，比如滚磨去毛刺、抛光、喷砂/去毛刺、磨料流加工/去毛刺、激光熔化/烧蚀/去毛刺、化学蚀刻/去毛刺、电抛光/去毛刺、电化学抛光/去毛刺(图44)和等离子电解抛光/去毛刺(图45)。

▲图44 电化学（a）去毛刺前、（b）去毛刺后

▲图45 微型钛植入物(a)在等离子电解去毛刺/抛光之前和(b)之后

与激光束一样，高能电子束也可用于去毛刺——毛刺在重力或表面张力下熔化并在工件表面上重新分布。Kim和Park进行了一项研究，使用大脉冲电子束(large pulsed electron beam,LPEB)对激光切割后的304不锈钢进行去毛刺。大电子束(30千伏加速电压，10焦耳/平方厘米面积能量密度，60毫米光束直径，2μs脉冲，0.1Hz频率)在含有0.05 Pa压力的氩气室中使用。光束熔化了> 100微米的大毛刺，但是熔融金属由于其高表面张力而形成大的重铸球体。当暴露在电子束下时，较小的毛刺熔化并混合成母材的液体熔池。在处理过的边缘上留下了较小的毛刺(< 10微米)。

在应用LPEB技术之前，进行表面研磨是将毛刺水平降低到小于100微米的重要前提。混合工艺将边缘粗糙度降低了81%，达到了121±4nm。LPEB去毛刺技术有以下局限性：

※ 实施成本高。

※ 必须是批量工艺，并且必须靠近真空室。

※ 需要初步去毛刺以去除大毛刺，并且不适用于内部去毛刺。

※ 孔隙上的微小毛刺很难用机械方法去除。在此情况下，相对于此方法，电、化学混合机制或扫描能量束的混合过程更适用。

全文完

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文章来源：Wayne Hung,Postprocessing of Additively Manufactured Metal Parts, Journal of Materials Engineering and Performance

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参考文章：L.C. Ardila, F. Garciandia, J.B. González-Díaz, P. Álvarez, A. Echeverria, M.M. Petite, R. Deffley and J. Ochoa, Effect of IN718 Recycled Powder Reuse on Properties of Parts Manufactured by Means of Selective Laser Melting, Phys. Procedia, 2014, 56, p 99–107. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.152

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