應用于3D打印航空金屬零部件的表面加工工藝研究進展

呂經康，曹剛敏

(霍尼韋爾綜合科技(中國)有限公司，上海 201203)

1 金屬3D打印技術在航空制造業中的應用

金屬3D打印(又被稱為增材制造)工藝是一種通過數字化控制，利用高能束作為能量源將金屬粉末燒結，逐層累加，快速成型的新興技術。區別于傳統機械加工方法，如車、銑、磨、鍛、鑄、焊等減材或等材加工工藝，3D打印則通過材料累加的方法從而實現零部件快速制造。該工藝不需要模具，周期短，材料利用率高，尤其對于難以加工的材料、結構復雜零部件制造更有優勢。傳統機械加工工藝如圖1所示，粉末激光燒結如圖2所示，典型3D打印部件如圖3所示。

圖1 傳統機械加工工藝

圖2 粉末激光燒結

圖3 典型3D打印部件

航空制造是衡量一個國家制造業水平的重要標志，代表了制造業的發展方向。不同于汽車制造業，航空制造業的零部件結構更加復雜，每種零部件需求數量少，開模成本高，周期長等。為了不斷滿足可靠性、安全性以及輕量化的發展要求，越來越多的新材料被開發應用到航空航天制造業。金屬3D打印的技術特點可以極大匹配航空航天制造業的需求，縮短產品研發及生產周期，從而控制綜合成本。在航空飛行器零部件的維修保養方面也面臨著同樣的問題，而金屬3D打印工藝在此領域同樣具有明顯的優勢，可以大大節約維修成本，縮短維修周期[1]。目前，全球各大航空航天制造業都高度重視金屬3D打印技術，如NASA馬歇爾飛行中心曾對3D打印的渦輪泵進行滿功率運轉測試，得到了理想的測試結果。2016年GE收購德國SLM解決方案集團股份公司和瑞典Arcam公司兩家3D打印相關企業，為3D打印技術應用于航空業零部件生產中做準備[2]。兩年后GE就宣布，其為GEnx-2B發動機生產的3D打印支架通過了美國聯邦航空管理局(FAA)的認證。2017年空客(Airbus)宣布了其首次在A350系列飛機上使用了3D打印鈦部件。2018年波音(Boeing)宣布與瑞士Oerlikon合作，共同研究應用于航空航天結構性鈦合金組件添加劑的3D打印技術，同年投資美國3D打印公司Ditigal Alloys，以提高自身金屬結構件的生產能力[3]。霍尼韋爾(Honeywell)目前在全球擁有數個3D金屬打印實驗室，其中一個就位于上海研發中心。2019年歐洲航天局與西門子簽訂合約，為金屬3D打印研發航空設計和生產軟件，以助力星際飛行計劃[4]。美國洛馬公司Lockheed Martin也高度重視3D打印技術在輕量化高性能材料方面的應用。

近年來，國內航空從業者同樣對3D打印技術高度重視。中國航發北京航空材料研究院與下屬的3D打印研究與工程技術中心，對金屬基復合材料、超高溫金屬結構材料、航空關鍵零部件3D打印修復等進行深入研究并取得了多項成果。北京航空航天大學王華明院士主持的“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”項目獲得了2012年國家技術發明一等獎，充分說明在國家層面上對3D打印技術的重視和認可。我國力爭在國際民航飛機制造業中能夠三分天下的國產大飛機C919，通過3D打印的鈦合金構件已應用到機頭工程樣機的主風擋窗框。2017年由沈陽航天航空大學提供的3D打印鈦合金承力構件成功應用在國產第四代隱身戰斗機鶻鷹2.0首飛中[5]。西北工業大學、南京航空航天大學等傳統航空院校也將3D打印技術作為航空制造工藝研究的重要方向，通過產研結合致力于該技術的發展。

2 3D打印技術應用面臨的難題

近些年隨著3D打印設備及技術的快速發展，加上3D打印技術對于航空制造業獨特的優勢，該工藝應用在航空領域方興未艾，應用范圍不斷擴大。但目前仍有一些技術瓶頸限制了其大規模應用，亟待突破。這些問題主要體現在如下方面。

1)3D打印零部件內部缺陷比較多，如氣孔缺陷、球化缺陷、融合不良、裂紋缺陷[6]。這些內部缺陷會嚴重影響零部件的力學性能，進而影響其使用壽命。

2)3D打印金屬零部件應力較大，需優化熱處理工藝的工藝參數以獲得更好的力學性能及疲勞性能。

3)3D打印金屬零部件表面粗糙度較差，表面缺陷比較明顯。3D打印技術通過將金屬粉末燒結，逐層生長，通過類似鋪漢堡一樣的工藝完成。零部件在打印生長過程中會呈現出明顯的分層紋理特征，造成零部件的內外表面粗糙度較差，同時會影響零部件的性能，例如疲勞性能、耐磨性能、尺寸精度等，進而影響零部件的壽命以及使用范圍。3D打印金屬零部件要想達到使用要求，必須對其表面進行加工處理，以改善其性能。

3 3D打印金屬零部件常用的表面加工工藝

目前，應用于3D打印金屬零部件的表面后加工工藝有很多，包括傳統的機械拋光、化學拋光、激光拋光、磨粒流拋光、電化學拋光等工藝，這些工藝因操作方法、拋光效果、拋光速度、拋光成本等不同，進而影響其使用范圍。本文就目前常用的5種3D打印金屬部件表面后加工工藝進行歸納比較，對其應用范圍及優缺點進行了闡述，希望對從業者有所幫助。

3.1 傳統機械加工

傳統的表面機械加工工藝是指利用機床對金屬部件表面進行切削磨加工處理，一般認為包括車、銑、刨、鉆、磨等工藝。不同的加工過程中需要對應不同的車床(如銑床、刨床、鉆床、磨床)來實現操作。傳統的機械加工工藝因工藝成熟、種類齊全，而在金屬材料加工行業中被廣泛使用。對金屬部件外表面進行加工，進而改善其表面粗糙度就是傳統機械加工工藝的一個典型應用。在機械加工工藝里，機床和刀具的性能決定了切削磨工藝的效果[7]。如機床按照精度不同可分為普通精度、精密、高精密機床等。刀具按材料不同有合金工具鋼、硬質合金、陶瓷材料刀具等。不同精密度的機床及加工工藝決定了加工成本的不同。在實際加工過程中，需要根據對金屬部件表面粗糙度的要求及金屬部件的成分來選擇不同類型、材料和精度的機床及刀具。同時同一個加工工藝通過不同的加工方法，可以達到不同的加工效果。以磨削工藝為例，有粗磨、精磨、研磨、珩磨[8]等，其中珩磨工藝可以將金屬表面粗糙度加工至0.1 μm。

目前一些3D打印金屬部件也通過傳統的機械加工工藝來改善其表面粗糙度。傳統機械加工工藝在處理3D打印部件外表面上的一些明顯優點如下。

1)機械加工工藝的通用性較好，精度高，應用范圍廣。目前很多機械加工設備都可以通過電腦控制，選用合理的機械加工參數，實現對多種復雜結構零部件的加工。如高精度的五軸聯動加工中心就可以實現對結構復雜零部件的精確加工。

2)機械加工可以實現對難以加工金屬材料的加工。對于有些不容易通過其他表面加工工藝進行處理的金屬材料，如高溫合金等，通過選用合適的機械加工方法及工藝條件來實現表面粗糙度的改良。

但是，傳統機械加工工藝在應用于3D打印金屬部件表面加工時缺點同樣突出，主要體現在如下幾個方面。

1)傳統機械加工工藝很難實現對3D打印金屬部件的內表面及不規則外表面進行加工處理。特別對于管體腔體的金屬零部件，因機械加工多需要使用刀具磨具，很難深入部件內部進行加工處理。

2)在機械加工過程中往往需要定制專用夾具，來實現不同零部件的固定。因為3D打印工藝的特點，打印出來的零部件多是不同尺寸、不同類型的零部件，這就決定了在機械加工過程中需要定制不同的夾具，很難實現用少量的通用夾具來進行機械加工，從而增加了工藝成本。

3)機械加工工藝相較于其他通過表面腐蝕進行表面處理的工藝，生產效率比較低。機械加工工藝很難實現同時對金屬部件的多批量加工，拉長了加工時間，增大了加工成本。

4)有些非全自動化的傳統機械加工工藝對操作工的要求比較高，操作工的技術水平很大程度上會影響最終的加工效果，很難實現所有部件表面粗糙度的一致性。

5)工藝成本較高，如之前提到的高精度五軸聯動加工中心，動輒幾十萬上百萬的前期投入，同時后期磨拋耗材的費用在機械加工中也占據不少成本。

3.2 化學拋光

化學拋光是指將金屬零部件放于特定的化學溶液中，化學溶液會對金屬表面進行選擇性腐蝕，去除表面凸起毛刺等，從而起到表面整平的工藝。對于化學拋光的過程，陳范才[9]認為由2個階段組成：第1階段是對金屬表面進行宏觀拋光，金屬部件在化學拋光液的作用下，其表面的凸處較凹處更快溶解，進而起到整平的效果；第2階段則屬于微光拋光，在經過第1階段的整平后，金屬部件表面粗糙度有了很大的改善，其表面會逐漸形成一種金屬氧化膜。金屬的溶解速率因受到氧化膜的保護而不同，在此過程中，金屬晶界附近的結晶不完整部分會緩慢腐蝕溶解，使得微觀表面變得平滑，進一步起到改善表面粗糙度的作用。

化學拋光作為一種研究多年的表面處理工藝，目前有眾多溶液體系可以應用于不同的金屬材料，如鈦合金、鋁合金、高溫合金等。M. Bezuidenhout等[10]研究了利用HF-HNO3體系對3D打印的鈦合金材料進行化學拋光，結果表明，當保持HNO3濃度為3.17 mol/L，將HF的濃度從1 mol/L、2 mol/L、4 mol/L逐步增加時，Ti6Al4V金屬零部件的表面粗糙度和雙向拉伸疲勞強度均有所提高。數據表明當HF濃度為4 mol/L時，表面粗糙度可以改善40%。天津科技大學宋振興等[11]通過對H2SO4-H3PO4體系拋光液進行工藝參數優化，對3D打印的GH3536合金異形內流道部件進行了化學拋光，并且對經過化學拋光處理后的表面粗糙度進行了測量，使用XRD及電化學測試方法進行了表征。結果表明，經過化學拋光，該合金部件的表面粗糙度得到了大幅改善，并在不影響表面元素分布及晶體結構的前提下提高了耐腐蝕性能。隨著社會發展和國家政策的引導，科學工作者試圖開發出更多新型環保化學拋光液。付貴等[12]通過對化學拋光溶液成分進行正交優化設計，研究了一種包含硫酸、鋁鹽、過硫酸鈉和六次甲基四胺的硫酸體系拋光液，并對6061鋁合金進行化學拋光。結果顯示，最優參數的拋光液對6061鋁合金部件有較低的溶蝕性，同時使表面粗糙度改善了53.3%。

化學拋光工藝作為一種比較成熟的拋光工藝，其優點比較突出，缺點也比較明顯。其優點主要包括如下幾方面。

1)該工藝對設備的需求比較簡單，前期投入成本低，工藝過程中維護方便，人力需求少。化學拋光需要保證操作工人安全，整個操作工藝在通風良好的環境下進行。該工藝不需要投入昂貴的儀器設備，僅需要加熱、攪拌、化學反應槽等設備來確保化學反應正常進行。另外隨著化學拋光的進行，拋光液中的有效成分會有所消耗，操作工人或者自動補液設備根據溶液的消耗速度定期定量補充有效成分即可。同時整個化學拋光過程中沒有太多人力需求，這也大大降低了工藝的成本。

2)不同于其他減材加工工藝，化學拋光工藝是對金屬零部件結構形狀要求最低的。將需要處理的金屬表面裸露浸泡在化學拋光液中，保持充分的溶液攪拌即可，可以處理相對比較復雜的零部件。

3)適合單次多批量加工，大大縮短加工時間。化學拋光是將待處理的金屬部件放入拋光液中，通過控制溶液的溫度和攪拌，浸泡不同的時間來達到需要的拋光效果。根據化學拋光液容器的大小以及待拋光金屬零件的尺寸，可以同時將一件或多件金屬零件進行拋光，相較于其他加工工藝，效率更具有優勢。

同樣，化學拋光也有一些缺點，限制了其應用范圍。其缺點主要包括如下幾方面。

1)化學拋光的質量以及效率較低。M. Bezuidenhout等在研究HF-HNO3體系對增材制造鈦合金材料進行化學拋光時，觀察到拋光效率隨著時間而下降，5 min后4 mol/L濃度的HF溶液就下降至2 mol/L濃度HF的效果，也表明了化學拋光工藝在工藝穩定性方面仍有很多需要改善的地方。

2)化學拋光液多以高濃度酸性化學品組成，在拋光過程中會有大量有害氣霧產生，如鉻酸霧、氮氧化物等。出于對從業者職業安全以及環保性的要求，整個操作過程在通風良好的空間進行，操作人員需要經過風險評估后佩戴合適的PPE(個人防護裝備)，同時要對工藝過程中產生的有害氣霧進行收集處理，達到環保排放要求。

3)化學拋光液以及工藝操作過程中產生的清洗液等屬于危險廢液，不可直接排放到環境中。廢液需要按照性質分類收集，并交由有資質的危廢處理單位進行后續處理。后續危廢處理在整個化學拋光工藝中也會占據較高的成本。

為了改良化學拋光的缺點，目前很多基于化學拋光的改進工藝也在研究中。如化學拋光可以與機械拋光同時使用以求達到更好的效果。另外，S. Raikar等[13]在化學拋光工藝的基礎上，提出了一種全新的化學拋光方法。他們對3D打印Ti-6Al-4V(Ti64)材料首先進行表面硫化處理，然后將此部件放于5 mol/L濃度的H2SO4和0.25 mol/L濃度的Na2MoO4的溶液中，該部件被硫化處理的表面將被選擇性溶解，而沒有被硫化處理的部分則不被腐蝕，從而達到改善表面粗糙度的目的。該方法對金屬部件尺寸形狀幾乎沒有要求，可適用于絕大部分Ti64零部件。

典型化學拋光車間如圖4所示。

圖4 典型化學拋光車間

3.3 磨粒流拋光

磨粒流拋光是一種將含有磨粒的黏彈性磨料在一定壓力作用下，與零件表面進行摩擦，將其表面毛刺去除以及微觀凸凹處進行磨拋，從而達到對金屬零部件表面光整加工的表面后處理工藝。該技術興起于20世紀60年代的美國，最早是用于去除航空零部件的腔體閥體孔道內表面毛刺。經過近幾十年的發展，目前國內也有很多企業在做相關的產品和技術應用。

磨粒流拋光工藝的應用范圍很廣[14]，硬度較低的有色金屬材料以及硬度較大的高溫合金、陶瓷材料、復合材料等，通過使用不同的磨料以及調整工藝參數來進行磨拋加工。常用的磨料包括氧化鋁、氮化硼、碳化硅等，可以根據待加工金屬零部件的需求來選擇不同的磨料直徑，從微米到毫米級別。這些磨粒被高分子聚合物包裹，形成一種類似橡皮泥的有一定粘性的柔軟磨料。磨料在一定壓力下，在待加工的金屬表面進行流動摩擦，從而改善其表面粗糙度。磨粒流拋光示意圖如圖5所示。

圖5 磨粒流拋光示意圖

A. P. Nagalingam等[15]在對磨粒流工藝的研究中，通過改變壓力、磨粒濃度、磨粒流溫度、磨拋時間等對3D打印的AlSi10Mg零部件內表面進行了拋光處理，結果表明，在可接受的厚度損失前提下表面粗糙度提高了90%。宋紅文等[16]對發動機葉片進行了磨粒流表面拋光，拋光后的表面粗糙度可以達到0.1～0.15 μm，抗疲勞強度也得到了提高。高航等[17]對3D打印的AlSi10Mg鋁合金格柵進行磨粒流拋光后，其表面粗糙度從14 μm下降至1.8 μm。

磨粒流拋光是一種自動化程度很高的工藝，通過對工藝參數的設置，可以實現表面加工的精準控制。同時該工藝生產效率較高，磨料在設定的工藝參數下可以快速完成拋光工作。磨料由于其類流體的特性，不僅可以對金屬部件的外表面進行磨拋，對結構復雜的腔體閥體孔道部件更有針對性，相比較傳統機械拋光工藝，其應用范圍更廣。隨著航空制造業的發展，越來越多的精密復雜金屬零部件被設計出來，相信磨粒流拋光技術的應用前景也越來越廣闊。

3.4 激光拋光

激光拋光技術出現在2000年前后，是通過控制高能激光束，對3D打印的金屬部件表面進行熔解，進而改善其表面粗糙度。激光拋光實驗裝置原理示意圖如圖6所示。激光拋光的應用范圍很廣，目前很多金屬材料，如鋁合金、鐵鎳鉻合金和鈦合金等，通過激光拋光進行表面加工都有所報導。

圖6 激光拋光實驗裝置原理示意圖

Chen Lan等[18]通過對3D打印的316L不銹鋼材料進行激光拋光，結果表明，零件表面粗糙度從Sa4.84 μm下降至Sa0.65 μm，同時材料的抗拉強度和延展性都有所提高。Fang Zhihao等[19]研究了3D打印Inconel718高溫合金通過激光拋光后的表面粗糙度，結果顯示，在最優的激光參數設置下，表面粗糙度可以從最初的7.5 μm下降至0.1 μm。隨著技術和設備的發展，激光拋光的工藝參數也不斷得以改進，研究表明，其與其他輔助工藝同時使用可以得到更好的拋光效果。T. A. Mai等[20]通過對304不銹鋼材料進行脈沖激光拋光，金屬部件的表面粗糙度從195 nm下降至75 nm。Kang Di等[21]通過對激光拋光設備的改進，實現了對304不銹鋼部件進行超聲輔助激光拋光。經過超聲輔助激光拋光后的金屬部件，其表面粗糙度從2.777 μm下降到0.551 μm，相較于僅使用激光拋光后的0.703 μm，效果提高了21%。激光拋光的優點[22-24]如下。

1)這是一種快速高效的拋光方法，可以通過精確控制激光束的參數來達到控制拋光速率的目的。該工藝通過控制激光束只溶解部件微表面的峰部，熔解下來的金屬材料在重力及表面張力的作用下會分布到谷部中，進而起到整平作用，達到改善表面粗糙度的目的[25]，因此激光拋光相較于其他的減材表面加工工藝不會損失材料重量[26]。

2)激光拋光過程中不引進化學雜質，是一種環境友好型工藝。通過高能激光束的能量熔解金屬表面的凸凹不平，在此過程中不會產生污染。同時激光拋光是一種不接觸的過程，工藝過程中不需要刀具磨具等耗材的使用，這樣就減少了耗材費用，降低了工藝成本。

3)激光拋光工藝自動化程度高，可對任意金屬外表面進行選擇性拋光。K.C.Yung等[27]對CoCr合金3D打印部件的平面、凸面、凹面、斜面進行了激光拋光，表面粗糙度均提高了90%以上，從4.5 μm下降至0.28 μm。

4)經過激光拋光后，金屬部件在提高表面粗糙度的同時，其外表面硬度也會有所提高。由于激光拋光是將金屬表面熔解再固化的過程，所以經過激光拋光后的金屬零件不僅在表面粗糙度上有所改良，同時由于金屬部件微觀結構的變化，很多其他的性能也會發生顯著的變化。K. C. Yung等[28]在研究激光拋光CoCr合金時發現，由激光拋光造成的金屬表面微觀硬度從380 HV提高到413 HV，并且硬度提高部分的厚度可達到150 μm。

同樣的，激光拋光也存在如下缺點，需要進行改進。

1)激光拋光因為是對金屬部件的表面進行激光熔解，容易造成表面缺陷。B. Meylan等[29]報道了在對工具鋼進行激光拋光過程后，部件表面出現了很多灼蝕坑，并通過進一步研究發現，在放電加工過程中，來自銅電極的銅雜質被帶入部件表面造成了灼蝕坑，進而影響了拋光效果。

2)激光拋光的工藝特點決定了其不適用于需要內表面拋光的金屬部件。

3)激光拋光工藝通常需要對金屬零部件進行逐個加工，很難實現批量零部件處理，拉長了工作周期。

3.5 電化學拋光

電化學拋光對于3D打印的金屬零部件拋光來說是一種非常簡便有效的工藝。該工藝根據金屬陽極溶解定律，將待拋光金屬零部件作為陽極，以不溶性金屬或者其他導電材料作為陰極，通過直流電利用拋光液將金屬表面溶解整平。在電化學拋光過程中，被拋光金屬作為陽極，表面的金屬會被氧化成金屬離子從而溶解到拋光液中，同時在金屬表面會形成一層陽極膜阻礙金屬的熔解。一般通過控制電流大小，使金屬陽極溶解速度大于陽極膜形成速度，從而得以不斷溶解，達到拋光效果。從微觀方面解釋，由于金屬表面凸凹不平造成較差的表面粗糙度，在電化學拋光時，凸處的尖端放電效應造成在凸處電流更大以及另外在凸處生成的氧氣更多，更容易破壞陽極膜的生成，從而在凸處金屬的溶解速度大于在凹處的溶解速度，最終在金屬陽極表面達到整平效果。電化學拋光裝置示意圖如圖7所示。

圖7 電化學拋光裝置示意圖

與其他表面拋光工藝相比，電化學拋光具有如下優勢。

1)工藝成本低，拋光效率高。通過選擇不同的電化學拋光體系幾乎可以對所有3D打印金屬零部件進行電化學拋光，如鋁合金、鈦合金、高溫合金等，U. Alia等[30]通過對3D打印的Inconel 625金屬零部件進行電化學拋光，結果表明，其表面粗糙度提高了80%以上。

2)由于電解液是流體，對于拋光結構復雜零部件或者腔體、管體等內表面，相較于傳統機械加工有無可比擬的優勢。Wu Zhaozhi等[31]通過微觀電化學拋光法，成功地利用含有B4C的拋光液將300 μm深的微腔底部拋光至(0.223±0.021) μm。同時電化學拋光可以實現對金屬零部件的批量加工。內部腔體待拋光的3D打印U型管如圖8所示。

圖8 內部腔體待拋光的3D打印U型管

3)電化學拋光過程及結束后在金屬零部件表面沒有粉塵的產生，結束后對金屬零部件進行表面清洗吹干即可，避免了粉塵污染。

4)電化學拋光的拋光速度、拋光效果可以通過調整參數(如電流、電解液濃度等)來實現。

同時電化學拋光仍存在一些不足，主要體現在如下幾方面。

1)電化學拋光很難特別精確地控制拋光速度及精度。

2)如果金屬零部件本身有缺陷，電化學拋光后會被放大表現出來。

3)電化學拋光溶液具有壽命數據，使用一段時間后需要更換溶液，后續危廢需要處理。

4)不同于化學拋光，電化學拋光工藝需要陰極材料來實現電化學過程。對于結構非常復雜的內部管道腔體零件，如何恰當地將陰極材料與金屬材料匹配一直是個挑戰。

目前，還有一些基于電化學拋光工藝發展起來的如超聲電化學拋光、脈沖電化學拋光、磁力電化學拋光等。其中S. Jaina等[32]通過優化脈沖參數，使用酸性拋光液將Inconel 718合金表面粗糙度從17 μm提升到0.25 μm。這些新型電化學拋光工藝為后續的工藝發展提供了方向和思路，因其目前并未廣泛應用，在此不做詳述。

4 結語

綜上所述，本文綜合比較了目前常用的應用于增材制造金屬零部件的5種表面加工工藝，這些工藝應用范圍、工藝成本、處理效果等各有千秋。在實際的3D打印金屬零部件的表面加工過程中，需要根據零部件的成分、結構，并結合對表面粗糙度的要求以及成本控制等角度來選取合適的表面加工工藝，通過一種或幾種工藝的應用，達到改善表面粗糙度以及金屬表面性能的目的，推進3D打印技術的廣泛應用。