一种3D打印钛合金复杂零部件的表面抛光方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印钛合金复杂零部件表面抛光的方法。在含有甲酰胺、氯化钾和去离子水的混合电解液中加入氧化铝纳米磨粒，搅拌均匀后作为抛光液；在40℃抛光液中加入十二烷基三甲基氯化铵活性剂，使抛光液中的氧化铝磨粒带正电荷；将3D打印钛合金试件浸入盛有抛光液的不锈钢槽中，3D打印钛合金试件接阳极、不锈钢槽接阴极；然后阴阳极之间施加脉冲直流电源产生放电等离子体；在电流波形的脉间阶段，由抛光槽底部的超声装置对抛光液施加频率为40

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印钛合金复杂零部件的表面抛光方法


[0001]本专利技术涉及金属材料表面处理
，具体涉及一种3D打印钛合金复杂零部件的表面抛光方法。

技术介绍

[0002]传统的钛合金零件制造主要依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造，但重量较大且无法加工成精细形状；锻造切削后虽然精度较好，但是钛合金材料浪费比较严重，原料的95%都会被作为废料切掉。而且，这两种技术都难以制造复杂的钛合金零件。3D打印（三维增材制造）钛合金技术较好地解决了铸造、锻造存在的难题。它是以激光束、电子束等高能束为热源，加热钛合金材料使之结合，直接制造复杂零部件的一种先进方法。由于采用了不需要专用模具的材料叠加技术，在节约90%价格昂贵的钛合金原材料的同时，能够显著降低加工费用。
[0003]鉴于成本、效率等因素的影响，钛合金3D打印技术主要用于薄壁、镂空、异形等特殊形状或结构的成型。而形状的特殊性、结构的复杂性以及钛合金材料的难加工性，使得高速切削等传统钛合金加工方法难以适用。目前国内鲜有专门针对3D打印钛合金制件表面进行后续处理的研究和报道，在3D打印钛合金零部件后处理过程中，基本上以手工打磨、抛丸以及传统试凑方法来提高制件表面精度和质量。然而，手工打磨和试凑方法的加工效率非常低。虽然近几年国外出现了增材与减材集成的复杂数控机床，但仍然存在刀具容易损伤、加工成本较高等问题。
[0004]近年来，国内外开展了大量基于非传统加工理论的钛合金复合加工技术的研究工作。该技术是利用电、化学等能量复合方式，来实现对钛合金材料的有效加工。其中，以电化学为主的电解复合加工、以电火花为主的放电复合加工，已在航空、航天等行业得到广泛应用。然而，3D打印钛合金镂空、异形等复杂零件，由于形状和尺寸的限制，工具电极的设计和导入存在困难，难以直接采用电解、电火花等复合加工方式，迫切需要开发一种基于上述能量形式的“无电极”加工方法。
[0005]电解等离子体加工就是在电解、放电加工基础上发展的新方法，是在电解液中，高电压作用下，金属工件表面产生放电等离子体而达到清洗或抛光效果的一种表面处理新技术。加工时将工件浸入一定温度的电解液中，因电化学作用而产生阳极氧化；施加特定电压，并选择恰当的工艺参数，工件表面与电解液毗邻处产生稳定的蒸汽气体层，使工件表面和电解液相隔离；随着电压的升高，气体层被击穿形成放电等离子体，去除阳极凸起处的氧化膜。当电化学阳极氧化作用与放电等离子体蚀除作用达到最佳动态平衡时，工件表面将获得良好的抛光效果。
[0006]然而，单纯的电解等离子体抛光存在一定的局限性，如：为防止电解等离子体从“微放电”向“电弧放电”转化损伤钛合金基体，常常要求输入尽可能小的能量，这将导致放电等离子体抛光阳极氧化物不够彻底。因此亟需其它能量形式加以辅助去除。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是，提出一种3D打印钛合金复杂零部件的表面抛光方法，其抛光过程是该方法基于多能量场耦合原理，利用加工过程中的电、热、化学、声、磨粒等能量形式共存的特点，借助阳极极化（生成氧化膜，钝化）、放电等离子体蚀除（活化）、超声空化和磨粒冲蚀（辅助活化）等作用，通过对电化学反应、等离子体放电、超声空化、磨粒冲击等效应的合理控制，实现3D打印钛合金复杂零件表面钝化和活化的动态平衡，最终降低表面粗糙度、提高表面质量，从而达到改善表面使用性能的目的。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取以下的技术方案：（1）调配含有甲酰胺、氯化钾和去离子水的混合电解液。
[0009]（2）在混合电解液中加入纳米粒径的氧化铝磨粒，搅拌均匀后作为抛光液。
[0010]（3）在抛光液中加入十二烷基三甲基氯化铵活性剂，使抛光液中的氧化铝磨粒带正电荷。
[0011]（4）将3D钛合金试件浸入盛有抛光液的不锈钢槽中，3D钛合金试件接阳极、不锈钢槽接阴极。
[0012]（5）阴阳极之间施加脉冲直流电源，主要电参数包括：电压300-400V、脉冲频率800-1200Hz、占空比40-60%，脉宽阶段为电解等离子体的电、热、化学等效应作用阶段，由于氧化铝磨粒呈正极性和同性相斥的原因，并不参与脉宽阶段阳极表面的电化学效应。
[0013]（6）检测抛光过程中的电流波形，只在波形的脉间阶段，由抛光槽底部的超声装置对抛光液施加频率为40-60kHz的超声振荡，并带动抛光液中的氧化铝纳米磨粒对等离子体放电蚀除后阳极表面残留的氧化膜进行冲击和剥离。
[0014]（7）采用循环水冷系统使抛光液温度保持在40℃左右，对3D钛合金试件进行不少于15min的抛光处理。
[0015]本专利技术的3D打印钛合金复杂零部件的表面抛光方法具有以下优点和效果：可以处理薄壁、镂空、异形等3D打印钛合金复杂零件，不存在宏观切削力；方法简单，不需要除油、除锈、脱脂等预处理过程；是利用高压直流电源击穿气体层所产生的放电等离子体、超声空化和纳米磨粒的冲蚀相互配合去除氧化膜，而不是选择高活性电解液实现阳极表面的活化；采用工件浸入式，不需要铜、石墨等材料单独作为阴极，不存在工具电极设计、损耗以及如何导入3D打印钛合金复杂零件中的技术难题。
[0016]本专利技术通过超声和磨粒联合辅助电解等离子体抛光钛合金的方法，成本低、操作方便，容易实现3D打印钛合金结构特殊、形状复杂零部件的内外壁高效抛光，利于产业化和商业推广。
附图说明
[0017]图1为3D打印钛合金零件超声磨粒联合辅助电解等离子体抛光前后的表面形貌和粗糙度。
具体实施方式
[0018]本专利技术的一种3D打印钛合金复杂零部件的表面抛光方法，其较佳的具体实施方式是：采用浓度分别为750ml/L、10g/L的甲酰胺和氯化钾作为电解质，与去离子水混合在一
起，经过20min的搅拌，形成混合电解液；在混合电解液中加入50nm粒径、20g/L的氧化铝磨粒，搅拌均匀后作为抛光液；在抛光液中加入10g/L的十二烷基三甲基氯化铵活性剂，使抛光液中的氧化铝磨粒带正电荷；将3D打印钛合金试件浸入盛有抛光液的不锈钢槽中，3D打印钛合金试件接阳极、不锈钢槽接阴极；阴阳极之间施加脉冲直流电源，对钛合金进行电解等离子体抛光，主要电参数包括：电压350V、脉冲频率1000Hz、占空比55%；检测抛光过程中的电流波形，只在波形的脉间阶段，由抛光槽底部的超声装置对抛光液施加频率为50kHz的超声振荡，并带动抛光液中的氧化铝纳米磨粒对等离子体放电蚀除后阳极表面残留的氧化膜进行冲击和剥离；采用循环水冷系统使抛光液温度始终保持在40℃，对钛合金试件进行20min的超声磨粒联合辅助电解等离子体抛光处理。
[0019]对抛光后的3D打印钛合金试件分别进行无水乙醇、去离子水清洗和常温干燥，使用扫描电子显微镜进行测量，如图1所示，3D打印钛合金试件经过超声磨粒联合辅助电解等离子体抛光后，粗糙表面变得光滑平坦。可以理解的是，此处所描绘的实例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印钛合金复杂零部件的表面抛光方法，该方法基于多能量场耦合原理，利用加工过程中的电、热、化学、声、磨粒等能量形式共存的特点，借助阳极极化（生成氧化膜，钝化）、放电等离子体蚀除（活化）、超声空化和磨粒冲蚀（辅助活化）等作用，通过对电化学反应、等离子体放电、超声空化、磨粒冲击等效应的合理控制，实现3D打印钛合金复杂零件表面钝化和活化的动态平衡，最终降低表面粗糙度、提高表面质量，所述抛光方法主要采用以下步骤：1）调配含有甲酰胺、氯化钾和去离子水的混合电解液；2）在混合电解液中加入纳米粒径的氧化铝磨粒，搅拌均匀后作为抛光液；3）在抛光液中加入十二烷基三甲基氯化铵活性剂，使抛光液中的氧化铝磨粒带正电荷；4）将3D钛合金试件...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟建兵，赵国勇，董小娟，李丽，周海安，徐汝锋，马长宁，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：