姚燕生，周瑞根，張成林，梅濤，吳敏

1. 安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，合肥 230106 2. 安徽省工程機(jī)械智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230106 3. 安徽拓寶增材制造科技有限公司，蕪湖 241000 4. 安徽天航機(jī)電有限公司，蕪湖 241000

航空航天制造業(yè)是高精尖裝備產(chǎn)業(yè)的典型代表，其裝備多服役于極其惡劣的環(huán)境中，高性能、輕量化、復(fù)雜化、一體化以及多功能化零件是航空航天工業(yè)發(fā)展的必然要求。復(fù)雜整體金屬構(gòu)件、輕量化點(diǎn)陣構(gòu)件等都包含復(fù)雜曲面、薄壁結(jié)構(gòu)以及多孔點(diǎn)陣等極難加工結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法滿足要求，而增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造。增材制造是基于堆積離散原理，在軟件和數(shù)控系統(tǒng)控制下以高能束(激光/離子束/電弧等)為熱源將絲材/粉末材料熔化逐層堆積成形，無(wú)需傳統(tǒng)道具和夾具以及多道加工工序，顯著提高了原材料的使用率，減少了加工時(shí)間和成本。航空航天領(lǐng)域中的渦輪葉片、燃油噴嘴、燃燒室導(dǎo)流襯套、飛機(jī)機(jī)艙隔板等都是采用增材制造技術(shù)成形，并獲得工程應(yīng)用的典型零件。航空航天零件的設(shè)計(jì)與制造最大的挑戰(zhàn)就是在確保一定的強(qiáng)度和性能的前提下優(yōu)化重量，仿生拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與增材制造技術(shù)的融合，為航空航天領(lǐng)域輕量化和復(fù)雜化金屬構(gòu)件的高性能、多功能化提供了可能。增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域迅速發(fā)展的同時(shí)，零件表面質(zhì)量的處理仍然制約著增材制造在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過(guò)優(yōu)化增材制造過(guò)程中的工藝參數(shù)(增材方向、掃描速度、鋪粉層厚度等)、改進(jìn)粉末質(zhì)量等國(guó)內(nèi)外有很多相關(guān)的研究都證明可以提高增材制造零件的表面質(zhì)量, 但是仍難達(dá)到使用要求?；瘜W(xué)、電化學(xué)、激光和磨粒流拋光等可達(dá)性較強(qiáng)的表面拋光技術(shù)被用來(lái)改善由粉末黏附、球化效應(yīng)、階梯效應(yīng)及其相互影響造成的粗糙表面，具有很好的應(yīng)用前景。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述了表面拋光技術(shù)改善航空航天領(lǐng)域增材制造復(fù)雜金屬構(gòu)件的表面粗糙的問(wèn)題，并針對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)展望。

1 表面拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀

航空航天領(lǐng)域?qū)α慵谋砻尜|(zhì)量和外觀的要求越來(lái)越嚴(yán)格，但增材制造成型表面往往都很粗糙，尤其是增材制造的復(fù)雜構(gòu)件的內(nèi)表面的表面質(zhì)量很差。表面拋光處理是零件提高表面質(zhì)量和光潔度的最后一道工序，其地位和作用越來(lái)越重要。增材制造表面拋光技術(shù)發(fā)展過(guò)程如圖1所示，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究進(jìn)一步提高傳統(tǒng)機(jī)械表面拋光的表面質(zhì)量、加工精度和效率的同時(shí)，也致力于非傳統(tǒng)表面拋光方法的研究。傳統(tǒng)的機(jī)械表面拋光技術(shù)(銑削、噴砂、振動(dòng)磨削和微加工等)在外表面上的應(yīng)用日趨成熟，并與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高效拋光效果，解決了傳統(tǒng)機(jī)械拋光的高粉塵、高勞動(dòng)強(qiáng)度等缺點(diǎn)。但其在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)表面上效果仍然不是很理想，故研發(fā)能有效提高內(nèi)部表面粗糙度(Ra)的非傳統(tǒng)表面拋光技術(shù)就顯得尤為重要。下面綜述了可達(dá)性較強(qiáng)的化學(xué)、電化學(xué)、磨粒流和激光拋光4種非傳統(tǒng)表面拋光方法在復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。

圖1 表面拋光技術(shù)發(fā)展過(guò)程Fig.1 Development process of surface polishing technology

1.1 化學(xué)拋光

化學(xué)拋光(Chemical Polishing, CP)是在合適的化學(xué)試劑作用下使得試樣表面選擇性溶解凹凸不平區(qū)域的不規(guī)則表面、浸蝕整平的一種方法。粗糙表面凸起部位優(yōu)先溶解，在溶解過(guò)程中氧化膜生成和溶解同時(shí)存在，但溶解速率有差異。試樣表面凹下部分生成的粘膜較厚，溶解的金屬離子不易擴(kuò)散到拋光液中，周圍新鮮的拋光液也不易浸入，溶解速度較慢，隨著不均勻溶解的進(jìn)行，零件表面逐漸平整有光澤。

Pyka等采用選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)制作了厚度分別為100、140、160和180 μm,孔厚為1 mm，梁尺寸為100 μm的4種不同的多孔圓柱形結(jié)構(gòu)，在氫氟酸(HF)溶液中進(jìn)行10～14 min的化學(xué)拋光后有效地消除了由附著顆粒和階梯效應(yīng)引起的表面粗糙度不均勻性。李曉丹等采用SLM制造了Ti-6Al-4V制件，并在HF和硝酸(HNO)混合拋光液下進(jìn)行化學(xué)拋光。結(jié)果表明在溫度為30 ℃、反應(yīng)時(shí)間為10 min拋光條件下效果最佳，試樣表面粗糙度Ra由 12～15 μm降至9～10 μm，拋光后鈦合金試樣的強(qiáng)度出現(xiàn)小幅下降，但內(nèi)部殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，同時(shí)耐腐蝕性能提高。將上述優(yōu)化后的拋光參數(shù)應(yīng)用到復(fù)雜的格柵和管道類零件上，得到了相似的拋光效果，為彎曲流道、深孔和復(fù)雜曲面等拋光提供了很好的指引。

圖2 化學(xué)拋光過(guò)程中不同類型表面缺陷溶解順序[15]Fig.2 Sequence of chemical dissolution of different types of surface defects[15]

化學(xué)拋光有時(shí)會(huì)造成拋光后零件表面質(zhì)量更差的現(xiàn)象，因?yàn)榱慵砻娴膬?nèi)部缺陷在拋光后都出現(xiàn)在表面導(dǎo)致表面粗糙度變大。對(duì)于這種情況在化學(xué)拋光前引入熱處理(Heat Treatment, HT)、熱等靜壓(Hot Isostatic Pressure, HIP)可以有效去除內(nèi)部缺陷，Wysocki等研究指出SLM制作的純鈦圓盤經(jīng)600 ℃退火后在HF-HNO混合溶液中拋光效果最佳。Persenot等采用EBM制造了圖4所示鈦合金晶格結(jié)構(gòu)零件，對(duì)比分析了HIP、CP和兩者結(jié)合處理的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明初始Ra=42.6 μm，HIP處理后零件Ra=43.3 μm, 化學(xué)腐蝕后Ra=26.4 μm，HIP+CP后Ra=27.4 μm。HIP和CP的結(jié)合處理不僅降低了表面粗糙度還提升了零件的拉伸性能。

圖3 化學(xué)拋光前后支架的整體視圖及其表面紋理[17]Fig.3 Overall view of scaffolds and texture of their surface before and after chemical polishing[17]

圖4 拉伸試樣的幾何形狀和設(shè)計(jì)成能代表晶格結(jié)構(gòu)其中一段的支柱[21]Fig.4 Geometry of specimens and a representative strut of a lattice[21]

1.2 電化學(xué)拋光

電化學(xué)拋光(Electrochemical Polishing, ECP)(也稱電解拋光)是指在一定電解液中被拋光工件連接陽(yáng)極，發(fā)生有選擇性溶解，同時(shí)在金屬表面會(huì)發(fā)生氧化膜的生成和溶解，從而降低其表面粗糙度、提高光亮度的表面拋光技術(shù)。根據(jù)圖5所示陽(yáng)極極化曲線選用合適的電解拋光參數(shù)進(jìn)行拋光，凹凸不平的表面有選擇的溶解，凸出的地方比凹陷的地方溶解速度快，從而降低表面粗糙度達(dá)到鏡面效果。

圖5 電化學(xué)拋光過(guò)程典型的電流-電壓特性曲線[22]Fig.5 Typical current-voltage characteristic curve of electrochemical polishing process[22]

隨著人們對(duì)電解拋光原理和影響因素的研究，目前在需要嚴(yán)格控制表面質(zhì)量和光潔度的航空航天領(lǐng)域電解拋光已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。電解拋光后的表面粗糙度與電解液成分、溫度、拋光時(shí)間、陽(yáng)極電流密度等密切相關(guān)。為了解決強(qiáng)酸電解液的使用帶來(lái)的安全隱患和廢液污染問(wèn)題，更加綠色環(huán)保的電解液被研發(fā)逐步代替了強(qiáng)酸。Lassell研究表明電子束激光熔化鈦合金零件在無(wú)水、醇基溶液中電解拋光后零件表面粗糙度明顯降低、疲勞強(qiáng)度顯著提高。Zhang等研究了激光增材制造Ti-6Al-4V試樣在含不同濃度氯離子的醇基電解液濃度下的拋光。結(jié)果表明在0.4 mol /L氯離子電解液中得到最佳的電解拋光表面，粗糙度降低了75.04%，失重率為4.93%，表面生成的二氧化鈦氧化膜明顯提高了試樣的耐腐蝕性。Goddard和Protsenko等采用了深共晶溶劑(Deep Eutectic Solvents, DES)作為電解液對(duì)鎳及其合金零件進(jìn)行電解拋光處理，拋光后的零件表面光亮且耐蝕性、顯微硬度都有所增強(qiáng)。研究表明深共晶溶劑是一種很有前途的環(huán)境友好型電解拋光介質(zhì)。此外，等離子體電解拋光也是一種環(huán)境友好型拋光技術(shù)，其采用無(wú)污染的拋光鹽，且拋光效率更高、效果更好和更適合復(fù)雜零件的處理。

航空航天領(lǐng)域零件復(fù)雜化、輕量化是必然的趨勢(shì)，電解拋光工藝也越來(lái)越關(guān)注復(fù)雜零件的處理。Urlea和Brailovski對(duì)SLM成形的不同成形方向的V形Ti-6Al-4V樣件進(jìn)行了電解拋光。結(jié)果表明不同生長(zhǎng)方向的零件表面材料去除率不同，同時(shí)他們對(duì)增材制造內(nèi)孔表面的電解拋光進(jìn)行了研究，證明了利用ECP對(duì)增材制造鈦合金的內(nèi)表面進(jìn)行有效拋光是可行的。Lohser采用SLM制造了有一系列不同類型通孔的堆疊六邊形316L不銹鋼試樣，并在磷酸和硫酸混合電解液中進(jìn)行電解拋光40 min。結(jié)果表明拋光后試樣內(nèi)外表面平滑且有光澤。Mingear等利用光學(xué)輪廓儀和掃描電鏡表征了激光粉床熔合(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)制備的多直徑不規(guī)則NiTi合金內(nèi)表面在ECP前后的差異。結(jié)果表明ECP能有效降低內(nèi)表面粗糙度，且較低的激光能量密度參數(shù)會(huì)使得后續(xù)電解拋光最大程度獲得較低的表面粗糙度。Tyagi等基于光學(xué)輪廓測(cè)量、掃描電鏡、接觸角測(cè)量技術(shù)對(duì)比分析了CP和ECP在拋光316不銹鋼內(nèi)表面的效果差異。結(jié)果表明初始面粗糙度(Sa)為 13.88±2.65 μm，在ECP后為3.0±0.75 μm，在CP后為5.22±2.46 μm，電解拋光效果優(yōu)于化學(xué)拋光，但是電解拋光在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)受到電極可及性的限制。

如圖6所示陰陽(yáng)極之間的距離是影響電解拋光效果的重要因素，但零件越來(lái)越復(fù)雜，很難保證拋光過(guò)程中每個(gè)表面特征都和陰極等距。Chang等在磷酸和硫酸混合溶液中對(duì)彎曲管道類、晶格結(jié)構(gòu)以及薄壁等復(fù)雜零件進(jìn)行過(guò)電位拋光(Overpotential Electrochemical Polishing, OCEP)和電化學(xué)拋光(ECP)。表明粗糙度零件及拋光原理如圖7所示。結(jié)果Ra從最初的8 μm減小至0.18 μm，去除厚度約為70 μm。常規(guī)電化學(xué)拋光無(wú)法確保不同區(qū)域有選擇性的去除材料，在拋光復(fù)雜、精細(xì)的零件時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)度腐蝕導(dǎo)致支柱斷裂的現(xiàn)象，拋光后零件尺寸嚴(yán)重超差。過(guò)電位拋光可以使粉末黏附顆粒有效去除，電化學(xué)拋光進(jìn)一步進(jìn)行精加工，該方法可以有效平滑具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何復(fù)雜增材制造金屬構(gòu)件。

圖6 恒定溫度和電壓下電解拋光表面粗糙度隨陰陽(yáng)極距離和拋光時(shí)間的變化[26]Fig.6 Variation of surface roughness with polishing time and inter anode/cathode distance at constant temperature and voltage[26]

圖7 拋光原理和拋光前后零件圖[35]Fig.7 Principles of polishing and parts diagrams before and after polishing[35]

1.3 磨粒流拋光

磨粒流拋光(Abrasive Flow Machining, AFM)最早由美國(guó)Extrude Home公司為航空航天領(lǐng)域合金零件的表面處理開發(fā)的精準(zhǔn)可控的超精密流體拋光技術(shù)，其原理如圖8所示。在一定壓力下黏彈性磨粒作為可隨形變化的加工刀具不斷往復(fù)流經(jīng)被加工表面，從而完成對(duì)零件待加工表面的拋光加工。磨粒流拋光技術(shù)對(duì)于“階梯效應(yīng)”產(chǎn)生的粗糙表面的拋光效果很好，磨粒粒徑和濃度、加工循環(huán)次數(shù)、增材制造方向等都是影響拋光過(guò)程中材料去除率的重要因素。

圖8 磨粒流拋光技術(shù)原理[36]Fig.8 Principle of AFM technology[36]

孫玉利等通過(guò)改進(jìn)夾具和仿真模擬技術(shù)研究了整體葉盤的磨粒流拋光效果，加工后Ra降低到0.6 μm。Fu等采用試驗(yàn)和仿真技術(shù)結(jié)合的方法研究了磨粒流拋光對(duì)整體葉盤的表面粗糙度和力學(xué)性能的影響。高航等研究了SLM制造的鋁合金航空格柵零件的磨粒流拋光。試驗(yàn)表明磨粒流拋光后格柵零件外表面粗糙度從14 μm降低到1.8 μm，且拋光表面紋理均勻、光亮，但是內(nèi)孔的表面粗糙度比格柵外表面要大。由于內(nèi)孔壁面是增材制造過(guò)程中層與層之間的邊緣結(jié)合處，粉末黏附和球化效果比較明顯，故此處粗糙度明顯比外表面差。磨粒流拋光技術(shù)同樣非常適合處理含有內(nèi)腔的復(fù)雜冷卻通道結(jié)構(gòu)。Li等利用AFM處理了非線性管道零件噴嘴內(nèi)表面，拋光后內(nèi)表面Ra從1.8 μm減少至0.4 μm。Han等通過(guò)SLM設(shè)計(jì)制造了7種不同的形狀和數(shù)量通道的共形冷卻通道樣件，如圖9所示，并利用磨粒流拋光技術(shù)對(duì)其內(nèi)通道進(jìn)行拋光處理。試驗(yàn)證明AFM可有效提高通道內(nèi)表面粗糙度，冷卻速率隨粗糙度的降低而增大。黨稼寧等利用AFM處理SLM制備的一體化燃油噴嘴。結(jié)果表明在磨粒濃度為36%、磨粒大小為80目、加工壓力為11.50 MPa以及加工時(shí)間為240 s的條件下拋光效果最佳，噴嘴內(nèi)流道Ra 由 9.10 μm降至 2.70 μm。但AFM過(guò)程難以避免會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的“邊緣效應(yīng)”，Uhlmann等研究表明采用磨粒流拋光SLM成形的渦輪葉片試件時(shí)，葉片進(jìn)/排氣邊存在過(guò)拋的問(wèn)題。如圖10所示負(fù)向擺放流道可以使AFM過(guò)程中磨料介質(zhì)對(duì)工件薄壁尖點(diǎn)位置的正向沖擊大幅度降低，工件內(nèi)孔邊緣更加平直。

圖9 7種不同形狀和數(shù)量的直徑3 mm的通道的注塑模具CAD模型[40]Fig.9 CAD modeling of bars having seven types of conformal cooling channels (?3 mm)[40]

圖10 不同擺放角度增材制造格柵工件內(nèi)孔拋光效果對(duì)比[43]Fig.10 Comparison of inner hole polishing effect for convex side of additively manufactured grille parts at different placement angles[43]

1.4 激光拋光

激光拋光(Laser Polishing, LP)原理如圖11所示，通過(guò)控制激光光束直徑、照射在表面上的時(shí)間、激光功率等工藝參數(shù)控制能量密度的輸入，使零件表面材料重新融化并在重力和熔池表面張力的作用下快速冷凝成光滑的表面。激光拋光是微觀層面上的快速熔化和凝固的過(guò)程，激光束能量必須足以融化粗糙表面的波峰，但不能超過(guò)波谷的深度。一旦參數(shù)設(shè)置的不合理，能量密度過(guò)高造成更深層材料的熔化會(huì)導(dǎo)致粗糙度的增加。因此，必須小心控制激光束的能量，使之只融化一個(gè)微觀層。

圖11 激光拋光加工原理[44]Fig.11 Schematic view of the laser polishing mechanism[44]

Gora等對(duì)連續(xù)波激光拋光SLM制造鈦、鈷鉻零件進(jìn)行了深入研究。評(píng)估了不同的掃描策略、激光參數(shù)和初始表面條件對(duì)表面光潔度的影響。Obeidi等研究了激光功率、激光掃描道數(shù)、激光聚焦位置等加工參數(shù)對(duì)激光拋光SLM制造的316L不銹鋼圓柱試樣的影響。結(jié)果表明通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)使平均粗糙度從10.4 μm最大降低到2.7 μm。Bordatchev等對(duì)比了連續(xù)波激光和脈沖激光對(duì)Ni合金的拋光效果，脈沖激光相比較于連續(xù)波激光可以將Ra從10 μm降低到2 μm。脈沖激光微拋光獨(dú)特之處就在于它能夠更好地控制熔體的深度和熱影響區(qū)，同時(shí)仍能平滑表面。Fang等研究了SLM制造的Inconel 718平板試樣的激光拋光效果，結(jié)果表明拋光后Ra從7.5 μm下降到0.1 μm以下，表面顯微硬度從345 HV增加到440 HV。較高的硬度是由于激光拋光過(guò)程快速加熱和冷卻導(dǎo)致的晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化相的共同作用。

激光拋光技術(shù)在更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用對(duì)航空航天領(lǐng)域有很重要的指導(dǎo)意義。Lamikiz等研究了激光選區(qū)燒結(jié) (Selective Laser Sintering, SLS)制備的AlSi420不銹鋼零件水平面、斜面結(jié)構(gòu)激光拋光效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明拋光后Ra低于1.49 μm。Rosa等研究了在相同激光參數(shù)下多次掃描相同路徑的激光拋光對(duì)薄壁曲面零件的拋光效果。結(jié)果表明拋光后Sa從14 μm降低到5.39 μm。Rosa等采用直接金屬沉積(Direct Metal Deposition, DMD)成形了316L和TA4V這2種材料的復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)并進(jìn)行激光拋光。拋光后零件的表面光亮平滑，且實(shí)現(xiàn)了同一種激光完成DMD和LP，促進(jìn)了316L和TA6V這2種材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。Yung等提出一種新方法——“分層拋光法”，該方法可以根據(jù)組件表面形狀不斷調(diào)整激光離焦距離。使用該方法拋光了SLM制造的凸面、凹面、傾斜面等復(fù)雜曲面的鈷鉻合金零件。零件如圖12所示，拋光后粗糙度降低了93%，表面硬度提高了8%，凹面試樣的分層激光拋光模型如圖13所示。最后通過(guò)建立相應(yīng)的模型，可以將該方法應(yīng)用到任意自由曲面。

圖12 不同類型的樣品具有復(fù)雜的表面幾何形狀[52]Fig.12 Different types of samples with complex surface geometry[52]

圖13 凹面試樣和激光拋光幾何模型[52]Fig.13 Concave specimen and laser polished geometric model[52]

1.5 4種拋光方法的對(duì)比

化學(xué)拋光因其較強(qiáng)的可達(dá)性、適用于難加工材料、體系簡(jiǎn)單、影響因素少被考慮應(yīng)用到格柵零件、異形孔槽、渦輪葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)拋光技術(shù)是航空航天增材制造復(fù)雜金屬零件重要方法之一，但化學(xué)拋光總是以原型尺寸的損失為代價(jià)的。化學(xué)拋光過(guò)程采用的大多是強(qiáng)酸溶液，使用危險(xiǎn)性高，針對(duì)不同復(fù)雜形狀金屬構(gòu)件仍需大量實(shí)驗(yàn)來(lái)豐富化學(xué)拋光技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，化學(xué)拋光后殘留廢液的處理也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

電解拋光后的零件表面金相組織分布均勻、規(guī)則，沒(méi)有明顯的劃痕，而且可以有效減少被加工零件的內(nèi)部和表面的應(yīng)力，適用于各種硬度和強(qiáng)度的金屬及其合金。電解拋光同樣很難在粗糙度較大的零件上獲得光滑的表面，而且對(duì)于管道、異形孔等較長(zhǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)只能去除靠近孔入口處的材料，單方面地延長(zhǎng)拋光時(shí)間很可能會(huì)造成局部發(fā)生過(guò)度腐蝕。電解拋光過(guò)程是不斷放熱的，溫度的控制無(wú)疑是困難的。若局部產(chǎn)生的熱量不能適當(dāng)?shù)叵ⅲ蜁?huì)增加樣品表面的局部溶液濃度，加速陽(yáng)極溶解導(dǎo)致局部點(diǎn)蝕效應(yīng)。

磨粒流拋光具有可達(dá)性高、精度高、加工變形小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于內(nèi)腔(如燃油噴嘴、燃燒室等)、復(fù)雜曲面(如渦輪葉片)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表面拋光。因不受零件結(jié)構(gòu)和尺寸限制，現(xiàn)已應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中的微小孔、窄縫及復(fù)雜型腔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。目前，在磨粒流拋光過(guò)程中均勻去除材料使得拋光后表面質(zhì)量均勻一致以及實(shí)現(xiàn)薄壁低剛度構(gòu)件的內(nèi)表面的拋光是備受關(guān)注的問(wèn)題。

激光拋光是一種非接觸式的拋光技術(shù)，具有生態(tài)友好、高度可重復(fù)、選擇性區(qū)域拋光能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不涉及被拋光部件與設(shè)備之間的載荷傳遞，沒(méi)有任何浪費(fèi)問(wèn)題(沒(méi)有磨料或液體廢棄物)，可以實(shí)現(xiàn)良好的拋光而不損害尺寸精度尤其是特征尺寸接近表面粗糙度的相同量級(jí)情況下，且不影響材料的機(jī)械和微觀結(jié)構(gòu)性能。此外，它有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的潛力，甚至可以集成到生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)需勞動(dòng)密集型的后處理就可以用增材制造技術(shù)制造出符合要求的部件。激光拋光在具有內(nèi)表面的增材制造金屬構(gòu)件的研究尚不充分，缺乏足夠的數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化這一技術(shù)?；瘜W(xué)拋光、電化學(xué)拋光、磨粒流拋光和激光拋光在加工精度和加效率等方面的對(duì)比如表1所示。

表1 4種拋光方法的優(yōu)劣對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of four polishing methods

1.6 復(fù)合拋光技術(shù)

航空航天領(lǐng)域零件服役環(huán)境極其嚴(yán)苛且結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，普通單一的拋光方法效果總是不如人意，故相繼出現(xiàn)引入超聲波、磁場(chǎng)、脈沖等技術(shù)輔助拋光以進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和光潔度。Guo等采用旋轉(zhuǎn)振動(dòng)磁磨拋光方法處理SLM制備的Inconel 718合金雙層管狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜內(nèi)表面進(jìn)行拋光。拋光后Ra從初始7 μm降低到1 μm以下。Nagalingam等采用新型流體動(dòng)力空化磨料表面拋光技術(shù)(Hydrodynamic Cavitation Abrasive Finishing, HCAF)處理Al-Si-10Mg方形和圓形管道內(nèi)表面，HCAF的協(xié)同效應(yīng)能有效提高增材制造零件的材料去除率和表面光潔度。此外，HCAF僅需1.0%的磨粒濃度而傳統(tǒng)AFM需要50%，可見HCAF工藝可能是一種低成本的替代高精密表面處理的應(yīng)用。近年來(lái)，人們還發(fā)展了多種拋光技術(shù)混合的拋光加工工藝，利用不同的拋光加工工藝的優(yōu)點(diǎn)，避免了單一拋光加工工藝的局限性，在精確控制高精度的同時(shí)提高加工效率。這種復(fù)合拋光技術(shù)必將是航空航天復(fù)雜零件的超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)之一。Pyka等采用SLM制備了鈦合金多孔結(jié)構(gòu)零件，在化學(xué)拋光和電解拋光8 min條件下支柱表面粗糙度顯著降低且更加均勻，化學(xué)腐蝕主要去除附著的粉末顆粒，ECP進(jìn)一步降低粗糙度。Dong等研究表明DMLS制備的鈦合金晶格構(gòu)件在HF和HNO混合溶液中拋光15 min，然后利用磁力攪拌器在醇基電解液中拋光15 min能達(dá)到最佳拋光效果。Kerckhofs等對(duì)SLM制備的Ti-6Al-4V開放式多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行了化學(xué)和電化學(xué)拋光，實(shí)現(xiàn)了以可控的方式改善支柱表面粗糙度和力學(xué)性能?；瘜W(xué)腐蝕和電化學(xué)拋光結(jié)合顯著降低了增材制造多孔結(jié)構(gòu)零件的頂部和底部之間粗糙度較大的差異，相應(yīng)的強(qiáng)度和硬度有所下降。Mohammadian等結(jié)合CP和AFM技術(shù)對(duì)航空航天工業(yè)常用的管狀鉻鎳鐵合金625(Inconel 625)部件內(nèi)表面進(jìn)行拋光。結(jié)果表明采用CP+AFM拋光技術(shù)可以完全去除Inconel 625零件內(nèi)表面的半焊接顆粒，表面粗糙度和紋理得到明顯改善，是單獨(dú)化學(xué)拋光或磨粒流拋光對(duì)表面粗糙度降低效果的2倍左右。

隨著DryLyte公司研發(fā)出一種全自動(dòng)化且無(wú)污染的干式電解拋光設(shè)備，Bai等對(duì)SLM制備的316L不銹鋼的機(jī)械-電化學(xué)拋光(Dry Mechanical-Electrochemical Polishing, DMECP)的拋光機(jī)理和不同拋光參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。DMECP是一種利用離子傳輸和自由固體研磨來(lái)改善表面粗糙度和光潔度的全新的拋光工藝。在沒(méi)有使用液體電解質(zhì)的情況下，能夠滲透到包括死角位置的所有部分，適用于各種復(fù)雜金屬構(gòu)件，其拋光機(jī)理即氧化層的形成與去除的重復(fù)循環(huán)。電化學(xué)機(jī)械拋光能達(dá)到鏡面級(jí)效果，但是在應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上還需要進(jìn)一步解決機(jī)械和電化學(xué)作用的有機(jī)整合、材料均勻且精確的去除以及陰極和磨具之間運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。此外，南方科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在電解拋光基礎(chǔ)上提出了一種各向同性蝕刻拋光(Isotropic Etching and Polishing, IEP)方法，該方法允許拋光不同的金屬時(shí)使用相同的拋光溶液，且可產(chǎn)生無(wú)損的拋光表面。

2 發(fā)展趨勢(shì)

增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異形構(gòu)件從材料微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)可控成形，同時(shí)釋放了設(shè)計(jì)自由度、降低成本、支持按需定制等，但目前關(guān)鍵材料依賴進(jìn)口、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善、缺乏系統(tǒng)性應(yīng)用研究等。為了滿足航空航天領(lǐng)域?qū)p量化、大型金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)以及多功能仿生結(jié)構(gòu)零件的需求，增材制造技術(shù)未來(lái)研究重點(diǎn)將會(huì)在以下3點(diǎn)：①現(xiàn)有材料改性和研發(fā)更多樣化的材料。實(shí)現(xiàn)零件輕量化、高性能化以及多功能化。②成型尺寸范圍進(jìn)一步增大。突破微小尺寸后處理難度大和超大尺寸熱變形的限制。③替代工藝開發(fā)或工藝優(yōu)化。多激光束掃描成形代替單激光，優(yōu)化鋪粉層厚、鋪粉速度等工藝參數(shù)提高成形效率。

航空航天領(lǐng)域零件日益趨向高標(biāo)準(zhǔn)、高要求、多功能化，不管是傳統(tǒng)機(jī)械拋光，還是本文重點(diǎn)介紹的4種拋光方法都有其局限性。機(jī)械拋光無(wú)法處理高度復(fù)雜的自由形狀零件且會(huì)引入劃痕、殘余應(yīng)力。化學(xué)拋光會(huì)弱化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)，降低零件使用性能。電化學(xué)拋光在微尺度拋光區(qū)域方面選擇性不足。磨粒流拋光存在磨料團(tuán)聚、磨料污染和表面拋光質(zhì)量不均勻，且拋光過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的“邊緣效應(yīng)”。激光拋光過(guò)程中可能會(huì)因熱量的輸入加劇熱殘余應(yīng)力的積累。

針對(duì)各種拋光技術(shù)的局限，化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光過(guò)程采用中性溶液等更加環(huán)保的溶液仍是研究熱點(diǎn)。通過(guò)使用不同成分配制拋光液、優(yōu)化拋光液的成分配比等改善拋光液過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體以及對(duì)環(huán)境有害的F、P等。磨粒流拋光有2大關(guān)鍵問(wèn)題：一是各類零件的夾具的設(shè)計(jì)研究不充分，夾具標(biāo)準(zhǔn)化和系列化是實(shí)現(xiàn)大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)；二是磨粒流介質(zhì)缺少標(biāo)準(zhǔn)化研究，不同的單位對(duì)于磨粒流介質(zhì)有其獨(dú)特的生產(chǎn)方法和產(chǎn)品規(guī)格。解決以上問(wèn)題，必將進(jìn)一步推進(jìn)磨粒流拋光技術(shù)的發(fā)展，并逐漸取代傳統(tǒng)拋光工藝。激光拋光在復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、高長(zhǎng)徑比管道類復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的可達(dá)性較差，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，需要更多的研究案例逐步完善這一領(lǐng)域的缺口。此外，依托上述非傳統(tǒng)拋光方法進(jìn)一步創(chuàng)新研究復(fù)合表面拋光技術(shù)將在未來(lái)展現(xiàn)更大的潛力。

3 總結(jié)與展望

介紹了幾種表面拋光技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并分析了其發(fā)展趨勢(shì)。隨著對(duì)增材制造缺陷形成機(jī)制的深入研究和表面拋光方法的不斷創(chuàng)新發(fā)展，利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的航空航天領(lǐng)域復(fù)雜高性能零件可逐步達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用要求。

根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，在增材制造復(fù)雜高性能航空航天器件時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)綜合考慮成形工藝參數(shù)和表面拋光方法結(jié)合所達(dá)到的效果，進(jìn)一步優(yōu)化工藝在提高成形質(zhì)量的同時(shí)提升速度，實(shí)現(xiàn)材料-結(jié)構(gòu)-工藝一體化高效制造。針對(duì)復(fù)雜的薄壁零件和內(nèi)部管腔結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀精度的非接觸式測(cè)量和間接測(cè)量方法仍是重大難題。另外，高質(zhì)量的表面拋光技術(shù)離不開相應(yīng)的高性能的設(shè)備，開發(fā)綠色智能化的表面拋光裝備尤為迫切。進(jìn)一步將缺陷監(jiān)測(cè)技術(shù)融入到成形設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可控、智能調(diào)整的可實(shí)現(xiàn)集增材制造成形與后處理工藝于一體的成套設(shè)備是增材制造技術(shù)所面臨的重大挑戰(zhàn)。