《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：Investigation of the electrochemical polishing behavior for additive manufactured 316?L stainless in an acetic acid
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本研究針對316L不銹鋼增材制造部件表面缺陷問題，采用低電流密度醋酸電解液進行電化學拋光（ECP），顯著降低表面粗糙度（降幅超50.8%），改善耐腐蝕性和摩擦性能（摩擦系數(shù)從0.201降至0.103），驗證了ECP作為高效后處理方法的可行性。
作者：曹文健、安德里亞·吉奧蒂、斯特凡妮婭·布魯斯基
中國河南省工業(yè)大學超硬磨料與磨削設備重點實驗室，鄭州450001
摘要
金屬增材制造（AM）能夠靈活地制造出具有復雜幾何形狀和定制結(jié)構(gòu)的零件，從而提供了廣泛的應用領(lǐng)域。然而，零件在制造完成后的表面缺陷會顯著影響其性能，導致諸如高表面粗糙度、加速磨損、易腐蝕以及外觀質(zhì)量差等問題。為了解決這些挑戰(zhàn)，本研究探討了電化學拋光（ECP）作為一種有前景的表面后處理技術(shù)，以實現(xiàn)光滑和明亮的效果。實驗使用了乙酸電解液，在低電流密度下對直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）316L不銹鋼進行了處理。Nyquist、Tafel和Mott-Schottky分析證實了表面完整性和密度的提升，拋光后的膜厚度從2.16納米增加到2.34納米。圓盤上的銷釘測試進一步表明，經(jīng)過ECP處理的表面在潤滑條件下表現(xiàn)出最小的波動性和低摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)從0.201降低到0.103。結(jié)果表明，使用溫和的酸性電解液進行ECP處理是可行的，可以顯著降低表面粗糙度（超過50.8%），同時保持沉積腔體的均勻性且不會損失尺寸精度。這一工藝為獲得均勻光滑的表面層提供了一種有效的后處理方法。
引言
由于316L不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高衛(wèi)生標準以及良好的熱穩(wěn)定性，它被廣泛應用于食品加工的各個環(huán)節(jié)，從生產(chǎn)初期到最終包裝和儲存[1]。在各種應用中，尤其是在面團成型初期經(jīng)常使用的圓柱形工具，由于其復雜的幾何形狀和特定的表面處理要求而顯得尤為重要。金屬增材制造（AM）技術(shù)在生產(chǎn)具有復雜幾何形狀和特定結(jié)構(gòu)的零件方面具有顯著優(yōu)勢[2][3]。在金屬AM技術(shù)中，直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）因能夠靈活準確地制造三維零件而備受關(guān)注[4][5]。然而，制造完成后的表面缺陷會顯著影響DMLS零件的性能，因此需要額外的表面處理工序[6]。傳統(tǒng)的表面處理方法通常存在一些缺點，如尖銳邊緣、毛刺以及表面殘留的油脂，這些都會導致復雜的清潔工作變得不可避免。
從這一角度來看，電化學拋光（ECP）是一種高效且有前景的解決方案，因為它可以通過原子級別的電化學反應去除材料，而不受材料硬度的限制[7][8]，且不會產(chǎn)生加工力和工具磨損，因此非常適合用于增材制造零件的后處理，以獲得具有復雜幾何結(jié)構(gòu)（如內(nèi)部通道[9]、流線型薄壁曲面[10]）的光滑表面。ECP過程中的材料去除基于粘性層理論[11]，該理論能夠?qū)崿F(xiàn)電流密度的均勻分布，并避免電場過度集中導致的輪廓精度損失。值得注意的是，ECP中的電極間隙（>10毫米）遠大于傳統(tǒng)電化學加工（ECM）中的間隙（<0.5毫米）[8]。ECP過程中的電流密度僅為0.1–1 A cm?2，所需拋光時間通常較長（>10分鐘）。
在316L不銹鋼的增材制造零件的電化學拋光中，通常選擇基于酸的電解液[12]。Rotty等人研究了酸性溶液（H?PO?）中的電拋光行為[13]，并通過比較鑄造不銹鋼和通過增材激光制造的不銹鋼來評估制造過程的影響。為了獲得更好的拋光效果，一些復合拋光電解液也被采用。Tyagi等人在含有85% H?PO?和15% H?SO?的酸性電解液中進行了電拋光，使拋光后的AM表面粗糙度降低到3.0 ± 0.75 μm[14]。Yi等人提出了一種基于各向同性電蝕刻（IEP）的新通用金屬表面處理方法，使用兩種含有1%和10%體積比H?SO?和CH?OH的電解液[15]，并量化了IEP過程中的孔洞形成、生長和合并過程。盡管使用H?PO?和H?SO?進行電拋光已成為標準做法，但該過程會釋放有毒和污染性氣體，對環(huán)境和工人構(gòu)成風險[16]。因此，選擇了安全性較高的乙酸（CH?COOH）作為拋光電解液。
本研究利用0.25 A cm?2的低電流密度下的CH?COOH電解液，對圓盤上的銷釘表面進行了新的處理方法研究。該處理通過形成具有更高電位和更低腐蝕率的鈍化膜來提高316L不銹鋼的耐腐蝕性。Mott-Schottky分析揭示了控制電荷轉(zhuǎn)移和離子擴散的雙層膜結(jié)構(gòu)。根據(jù)粘性層模型，該工藝有效去除了表面缺陷并生成了致密的膜，從而降低了摩擦系數(shù)。該方法在保持零件幾何形狀的同時有效處理了腔體特征，體現(xiàn)了其實際應用價值。
材料
本研究使用的材料是316L不銹鋼粉末。圖1(a)展示了通過DMLS制造的圓盤上銷釘樣品。獲得了不同直徑為15毫米、高度為5毫米的圓柱形樣品，激光層厚度分別為60微米、50微米和30微米，見圖1(b)。所使用的商業(yè)316L不銹鋼粉末平均粒徑為30（±2）微米，其元素組成列于表1中。
表面粗糙度和形貌分析
ECP實驗分別進行了90分鐘、70分鐘和65分鐘，表面粗糙度Sa的變化情況如圖6所示。圖6(a)展示了層厚度為60微米的原始沉積樣品的形貌，可見不規(guī)則的凸起（紅色區(qū)域）和凹陷（藍色區(qū)域）。實驗結(jié)果表明，粗糙度的變化可以分為三個階段：在初始階段（0–8分鐘），凸起的高度逐漸減小。
腔體加工制造
基于之前討論的DMLS零件的表面處理機制，設計了帶有腔體的組件，并通過DMLS分別使用不同的層厚度（60微米、50微米和30微米）進行制造，見圖18(a)。圖18(b)展示了腔體結(jié)構(gòu)的橫截面，其中邊長為7毫米的方形槽深為1.5毫米，邊長為3毫米的方形槽深為...
結(jié)論
本研究探討了使用15% CH?COOH弱酸和低電流密度對DMLS制造的316LSS零件進行ECP處理的方法。得出以下結(jié)論：
由于DMLS過程中的球化效應，制造出的零件具有較高的粗糙度。ECP是一種有效的方法，可以去除DMLS零件表面的粘附粉末顆粒、凸起和凹陷，從而獲得均勻光滑的表面形態(tài)。作者貢獻聲明
安德里亞·吉奧蒂：撰寫、審稿與編輯、監(jiān)督、形式分析。斯特凡妮婭·布魯斯基：監(jiān)督、概念構(gòu)思。曹文�。�撰寫初稿、驗證、方法論研究、數(shù)據(jù)整理。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益沖突或個人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
本研究得到了河南省工業(yè)大學超硬磨料與磨削設備重點實驗室（編號：JDKFJJ2025015）、河南省工業(yè)大學人才引進計劃（編號：2025BS022）、河南省青年科學基金項目以及CPSF博士后獎學金計劃（編號：GZC20250900）的支持。
