增材制件内流道精整加工技术研究进展

王磊 邬宇梁 赵纪元 卢秉恒

摘要：金属增材制造技术在航空航天领域具有复杂内流道的构件成形上具有广阔的应用前景，然而具有复杂内流道的增材制件的精整加工是工业应用的瓶颈问题。分析了内流道机械抛光技术、化学与电化学抛光技术、电解质等离子抛光技术的加工原理、关键技术及国内外研究进展。针对增材制件内流道精整加工需求，分别研究了机械抛光技术、化学与电化学抛光技术、电解质等离子抛光技术的适应性问题及探索方向。针对增材制件内流道精整加工关键技术发展趋势提出了展望：①研究针对功能梯度材料、多金属材料的增材制件内流道精整加工技术；②研究针对具有复杂几何形状、内部复杂分叉、渐变毛细结构、拓扑结构等复杂内流道的复合精整加工技术或组合加工技术；③研究针对内流道精整加工质量的高精度检测方法和几何误差的三维重构技术。

关键词：增材制造；内流道；精整技术；孔加工；电解质等离子抛光

中图分类号：TG175

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.07.001

Research Progresses of Finishing Technology for Inner Channel of

Additive Manufacturing Parts

WANG Lei1 WU Yuliang1 ZHAO Jiyuan1，3 LU Bingheng1，2

1.High End Manufacturing Equipment Collaborative Innovation Center of Xian Jiao Tong

University，Xian，710054

2.National Innovation Institute of Additive Manufacturing，Xian，710300

3.School of Automation，Beijing Information Technology University，Beijing，100192

Abstract： In the field of aerospace， metal additive manufacturing technology had broad application prospects in the formation of parts with complex inner channels. However， the finishing of additive manufacturing parts with complex inner channels was a bottleneck problem in industrial applications. The principle， technology and development of mechanical polishing， chemical and electrochemical polishing and electrolyte plasma polishing on inner channel were reviewed herein. In addition， the adaptability and exploration direction of mechanical polishing， chemical and electrochemical polishing and electrolyte plasma polishing for the finishing of inner channel of additive manufacturing parts were studied respectively. Finally， the development trend of the key technologies for the finishing of inner channel of additive manufacturing parts was put forward： ①the finishing technology research of the inner channel of the additive parts for functionally graded materials and polymetallic materials; ②the research on compound finishing technology for complex inner channel with complex geometry， bifurcation， gradual capillary structure， topology and so on; ③the research on high-precision detection method for the finishing quality of inner channel and the three-dimensional reconstruction technology of geometric errors.

Key words： additive manufacturing; inner channel; finishing technology; hole machining; plasma electrolytic polishing

0 引言

增材制造（additive manufacturing）是一種颠覆传统减材制造的新兴技术，已经从最初的原型制造逐渐发展为直接制造、批量制造，在航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域展示了重大价值和广阔的应用前景［1］。航空航天构件的整体化金属增材制件多由带有内部流道、空腔等复杂结构的零部件组成，例如，液体火箭发动机关键零部件喷注器壳体和推力室，使用环境苛刻，零件内部有百余条冷却流道，这些零部件的表面质量直接决定了发动机的整体性能和使用寿命。尽管金属增材制造为成形这些具有复杂精细结构的零部件提供了有力的技术手段，但仍然存在许多挑战［2-4］：如技术、工艺和质量存在巨大差异，金属增材制件后处理工艺不成熟。在内流道制件的成形过程中，逐层叠加带来的表面“阶梯效应”明显，内部辅助支撑和粉末黏附残留物去除困难，特别是电子束选区激光熔化（SLM）制造的复杂小尺寸流道，孔径内半烧结的粉末团聚成蛋糕状堵塞物，清粉和后处理异常困难。

精确控制增材制造内流道表面的成形质量，包括降低表面粗糙度、提高轮廓精度和一致性，这对流体的流动效率、换热效率有很大影响。工作时流道内附着的粉末如果脱落会酿成重大事故，因此，一般需经过精整加工等后处理手段以获得高质量高性能的内外表面。

复杂金属增材制件的内表面精整加工是当前工业领域应用的难题，也是制约金属增材制造技术推广的障碍之一。在航空航天领域具有功能流道的产品可以用来传递质量或能量，对内表面的成形质量要求较高，但后处理加工涉及的作业工况复杂，制约条件多，内部工作环境恶劣，加工困难，所以，内流道精整加工成为难题。在工业领域，现阶段主要的技术方法有机械抛光技术（如磨粒流加工技术）、化学和电化学抛光等，这些技术对于简单流道的加工可基本满足要求，但在复杂流道、盲孔、薄壁、变截面、复杂曲面等方面尚存在较大不足。由于零件形状复杂，表面精度要求高，机械抛光、电化学抛光等常规的精整加工方法受其工艺限制，容易出现去除量不均匀、流道破损等问题［4］，难以取得好的抛光效果。而采用电解电火花组合技术对内流道表面进行加工时则会产生重铸层，且加工时间较长［5］，不适用于内流道的表面精整加工。电解质等离子抛光（PeP）技术相比于上述抛光方式，不仅可以有效降低金属表面粗糙度，还能提高金属表面的耐磨性、耐腐蚀性等表面性能，同时抛光过程中不存在宏观力，不会在工件表面留下微裂纹和残余应力而影響工件寿命。该技术为解决航空航天增材制件的内流道精整加工问题提供了一种新方法。然而，电解等离子后处理加工技术处于发展的初期，对特定材料、内表面特征的适应性加工还有待深入研究。因此，新型内流道精整技术是增材制造后处理技术发展的重要方向。

本文针对金属增材制件内流道精整加工技术需求，分析了金属内流道零件常用的机械抛光技术、化学与电化学抛光技术、电解等离子抛光技术的国内外研究动态，论述了上述三项关键技术的适应性问题及进一步探索方向。最后，针对增材制件内流道精整加工关键技术的发展趋势提出了展望。

1 增材制件内流道的机械抛光处理

内流道的机械抛光方法包括机械打磨、超声加工、磨料流抛光等技术。磨粒流抛光是利用具有流动性的黏弹性磨料挤压通过工件待加工表面，通过磨料的切削作用来达到去除毛刺、抛光的目的［6］。磨粒流加工技术原理如图1a所示。磨粒流抛光具有可达性好的特点，受形状限制小，可用于窄缝、异形曲面及流道等复杂内表面结构的加工，同时磨粒流抛光对材料的适应性强，适应于加工各种金属材料以及玻璃、陶瓷、塑料等非金属材料［7］，是目前增材制件精整加工常见的后处理方式。

磨粒流加工技术应用于增材制造内流道的加工，国内外学者开展了一系列深入研究。WILLIAMS等［8］ 研究了磨粒流加工对增材制件表面阶梯效应的去除效果，发现影响材料去除率的主要因素为磨粒粒度、加工循环次数、挤压力和增材制造方向。FURUMOTO等［9］研究了具有U形流道的增材制件的磨粒流加工效果，如图1b所示，将内流道表面粗糙度由100～154 μm降为30～100 μm。周顺新［10］利用磨粒流技术对离心压缩机叶轮流道进行加工，如图1c所示，将叶轮流道表面粗糙度Ra降低到0.8 μm以下。2019年，高航等［3］提出了恒压差旋转磨粒流加工技术，针对钛合金多孔结构件外表面及阵列异型斜孔进行了抛光试验，磨粒流加工增材制造钛合金格栅阵列孔的效果如图1d所示，能够有效消除阶梯效应、球化效应和粉末黏附等加工缺陷。

近年来，为提高磨粒流抛光技术的效率和适应性，许多学者开展了以磨粒流抛光技术为基础，融合磁力、超声波、电化学能等不同能量的复合抛光技术研究。磁力研磨使用了混有磁性磨料的研磨液，磁性磨料在磁力线方向有规律地形成具有一定柔性的“磁力刷”，以一定的压力压向工作表面，在机床主轴的高速旋转下，使磨料与工件之间产生相对运动，实现对工件表面的研磨抛光［11-12］。邓超等［13］对航空发动机所用钛合金弯管进行磁力研磨加工，将内表面粗糙度Ra值由0.35 μm降低到0.12 μm。杨海吉等［14］提出将多个径向充磁的磁极组成柔性磁极链放置于4 mm的TC4细长管内部，完成对小直径细长管内表面的高效精密抛光。JHA等［15-16］研究了一种磁流变抛光技术，使用铁基碳化硅材料为磁性磨料加工复杂内表面，并建立了挤压力与工件表面粗糙度之间的数学模型。由于增材制造的内流道较为复杂，磁力研磨技术针对分叉流道以及流道的死角区域加工困难，存在磁粒残留难以清除的问题，再加上抛光效率有限，因此，适用于增材制造内流道的磁力抛光处理技术仍处于探索性研究。

超声振动辅助磨料流抛光技术是将超声振动与磨料流抛光相结合形成的复合抛光加工技术［17-19］。MULIK等［20］开发了一种超声波辅助磁力研磨技术，能够将表面粗糙度加工到纳米级。VENKATESH等［21］使用超声波辅助磨粒流抛光技术完成了螺旋锥齿轮的精加工。YU等［22］进行了IN718合金的超声振动辅助磨料流抛光试验，获得了更好的抛光效果和更高的效率。如何基于上述研究成果，将超声振动辅助磨料流抛光技术应用于增材制造内流道的加工，是一项有意义和具挑战性的工作。

电解辅助磁力研磨是一种复合加工技术，既有磁力研磨的优点，又因为加工过程中工件表面发生电解形成较软的钝化膜，可以降低金属表面硬度对磁力研磨的工艺限制［23-24］ 。DABROWSKI等［25］开发了一种电解辅助磨粒流加工装置，使用的磨料为水凝胶和电解质聚合物的混合物。BRAR等［26］研究了一种用于内孔表面精加工的电化学加工和磨粒流抛光组合加工技术。考虑到电解辅助磁力研磨加工技术在处理增材制造内流道的技术潜力，刘文浩等［27］使用电解辅助磁粒研磨方法加工SLM成形零件型腔内表面，发现该方法比单一磁粒研磨加工的加工效果好，加工效率高。

为增强对内流道加工对象的适应性，人们对磨粒流抛光技术装备、磨料和磨料介质不断改进。WALIA等［28］和SANKAR等［29］研究了一种旋转磨粒流加工方法，通过在工件流道内置的旋转杆带动磨料进行抛光，将加工时间缩短了80%。MALI等［30］设计了一种双向磨粒流抛光装置，实现了Al/SiCp-MMC部件内流道的抛光。刘薇娜等［31］提出了基于软性磨粒流的复杂曲面与约束模块相配合的高精密抛光加工方法。GROVER等［32］开发了一种新型磁流变珩磨工具，可以将不同内径的内表面粗糙度加工到纳米级。一些学者在优化磨粒流抛光技术的同时，也在研究如何获得更好的磨料介质。SAMBHARIA等［33］合成了一种低成本研磨凝胶，该凝胶可以替代昂贵的磨料用于磨粒流抛光中。SANKAR等［34］发现，通过控制加工过程中的温度可以有效提高磨料的使用寿命。SINGH等［35］通过将金刚石粉和铁粉混合，然后进行机械合金化制作磁性磨料，对铝管内表面进行磨粒流抛光，表面粗糙度Ra最小值为0.22 μm。

针对结构较为简单的增材制造内流道零件，磨粒流抛光可以有效去除粉末黏附并抛光表面，而针对复杂内流道零件，特别是增材制造的大长径比（流道长度与直径的比值远大于 10∶1）的内流道零件，磨粒流加工方法还存在一些局限性。在磨粒流抛光过程中通过设计专用夹具，引导流体磨粒进出流道并提供挤压力，但由于边缘效应，造成被加工件的出入口出现局部过抛或欠抛现象［36］；同时磨粒会残留在复杂流道的拐弯、死角或者分叉流道的交汇节点处，金属粉末甚至磨粒会在这些区域堆积堵塞导致后续无法加工；磨粒流抛光过程中存在明显的宏观力作用，抛光后工件表面残余应力明显增大［37］，在加工薄壁内流道时，易造成内流道的变形甚至产生微裂纹。目前，针对内流道磨粒流抛光技术的研究多集中在单一出入口的简单流道工艺和材料扩展上，而增材制造的发动机、换热器等整体金属构件一般具有多出入口流道、交叉流道、变径流道等结构特点，磨粒流抛光应用于上述流道仍然面临很大挑战。

随着增材制造技术在航空航天领域的广泛应用，部分学者进行了增材制造大长径比内流道的磨粒流抛光试验，发现磨粒流抛光在加工由台阶效应、球化效应和粉末黏附等导致的成形表面时有显著效果［38］。鉴于磨粒流抛光技术在内流道加工上具有较好的适应性，进一步深入探索磨粒流抛光在增材制件复杂内流道精整加工中的应用具有重要意义。另外，以磁力、超声波、电化学能等不同能量为基础的复合磨粒流抛光技术使得磨粒流抛光的应用更加灵活与多样化。因此，应用复合磨粒流抛光技术将是增材制件内流道精整加工技术的一个重要趋势。

2 增材制件内流道的化学和电化学抛光处理

化学抛光是利用化学试剂的化学浸蚀作用，在化学溶液中金属材料表面的微观凸起处优先发生溶解，实现表面处理［39］。该方法对小型增材制造镂空结构或阵列结构零件表面松动易脱落的球化层和表面黏附的金属球形粉末的去除效果显著，有利于消除增材制件的裂纹萌生点。电化学抛光是将工件阳极和工具阴极浸没在电解液中，并在阴阳极间施加直流电压，工件表面微观凸起处的电流密度大于凹陷处而具有更快的溶解速率，从而实现表面处理［40］。电化学抛光可以在化学抛光的基础上进一步减小表面粗糙度。

国内外学者针对增材制件内流道的化学和电化学抛光处理技术开展了一系列研究。对采用激光选区熔化方式制造的Ti-6Al-7Nb支架进行化学抛光［41］，如圖2a所示，研究发现在低浓度溶液中使用磁力搅拌器进行长时间抛光可以确保过程稳定可控，实现多孔结构件的批量加工。增材制件成形精度低，其原始表面粗糙度较高［42］，采用化学抛光方法往往无法保证对不同区域材料进行均匀去除，容易造成加工后零件尺寸超差［43］。采用化学抛光与电化学抛光相结合的方法对Ti-6Al-4V材料的多孔结构支架进行抛光［44］，如图2b所示，化学抛光主要用来去除附着的粉末颗粒，而电化学抛光在此基础上进一步减小表面粗糙度Ra，由抛光前的6～12 μm 降至0.2～1 μm。NiTi记忆合金的电解抛光可以将表面粗糙度降至0.07 μm［45］，远远低于机械抛光的表面粗糙度0.18 μm。通过研究并优化电压、间隙、电解液温度等参数，提高了管道内表面质量［46］。干为民等［47］进一步研究了增材制造零件的生长方向对电解抛光处理效果的影响。

如何更有效地提高内流道电解加工效率，减小内表面粗糙度，一直是国内外学者的重点研究方向。他们相继研发了电解电火花加工、电解机械加工、超声电解加工、激光电解加工、磁场辅助电解加工等复合加工技术进行流道加工。采用电火花、电解、电解电火花复合加工微小孔，加工效率是仅采用电化学加工的9.2倍，且工件表面精度比单纯电解加工的高［48］。针对三元流闭式整体叶轮流道加工，采用组合电加工技术与数控电火花加工相比，加工效率提高40%，且减小了电极损耗［49-50］。采用电解电火花复合加工闭式叶轮内流道，加工效率提高30.3%，表面粗糙度Ra达到1.6 μm［51］。研究发现，对机械研磨处理后的工件进行电解电火花复合加工，工件表面粗糙度比仅进行电解电火花复合加工降低了10%［52］。基于电解机械复合加工方法开发的带有电解液内喷和大旋转电流的复合阴极夹头的数控电解机械复合机床［53］，实现了数控电解复合加工的整体化和多样化。上述加工方法可以直接或和其他先进技术组合用于增材制造流道的后续处理。2021年，有学者将电化学与机械抛光相结合为电化学机械抛光工艺［54］，在电化学溶解过程中，机械效应可以最大限度地减少表面起伏，并排出气泡和电解产物，促进连续抛光过程，实现均匀平坦的表面。该工艺还可以充分抛光弯曲的内孔，消除部分熔化的粉末，其表面相当光滑，三维表面粗糙度Sa值从15.522 μm显著降至9.095 μm，形貌如图3所示。赵鑫采用化学抛光和磨粒流抛光相结合的复合抛光方法［55］，处理的增材制造内流道表面形貌如图4所示，大量附着和黏结的粉末被清理干净，表面未发现因化学抛光液腐蚀氧化产生的点蚀或晶界腐蚀，复合抛光后内流道表面形貌平整光洁，表面一致性高。

在电解加工过程中，金属阳极溶解产生的钝化膜会阻碍加工过程的进行，通过辅助手段去除钝化膜是电解加工的一个重要发展方向。超声电解复合加工过程中电解液中的悬浮磨粒在超声波振动作用下与液体空化作用共同去除工件表面的钝化膜，从而促使电解加工的进行［56］。超声脉冲电化学复合加工可以提高加工效率和表面质量［57］。超声电解复合珩磨相比于只进行电解珩磨能得到更小的表面粗糙度和更高的材料去除率［58］。在磁场辅助电解加工中，磁场的存在可以改善工件表面电解液的循环和提高气层的稳定性［59-60］。

相对而言，化学抛光工艺简单，对增材制件内流道表面黏附的金属粉末去除效果显著。电化学抛光能进一步减小工件表面粗糙度，不受工件形状的限制，且加工过程中阴极与工件不直接接触，不会增加工件表面的残余应力，适合薄壁件的抛光。在复杂内流道的加工上，电化学抛光因为使用液态的抛光介质而体现出显著优势。

然而，通过化学和电化学抛光处理增材制件内流道也存在技术局限。在电化学处理增材制造内流道时，受到阴极工具的限制，需要针对不同形状的内流道设计专用电极，这很大程度上限制了电化学抛光的通用性。电化学抛光表面材料去除率较大、加工初始表面粗糙度较小的零部件时可以获得显著的抛光效果，但是金属增材制造成形的构件表面粗糙度较大，直接采用电化学抛光方法处理有可能导致抛光后的零部件尺寸超差［43］，且在复杂内流道上很难实现均匀的抛光。此外，电化学抛光使用的电解液具有一定的腐蚀性，可能导致内表面的抛光效果不如外表面，处理设备必须加装耐腐蚀措施，并且需要对加工后的废液进行专门处理。

开发具有适应性的阴极以适用不同的增材制件流道的抛光是一个值得探索的研究方向。将化学和电化学抛光与其他表面精整加工技术相结合，并采用中性的低浓度绿色环保型抛光溶液，也将是增材制件内流道的化学及电化学抛光技术的重要发展方向。

3 增材制件内流道的电解质等离子抛光处理

电解质等离子抛光技术是一个新兴的金属表面精整加工技术。在电解质等离子抛光过程中，零件不会受到宏观力作用，在一定程度上减小了工件表面的残余应力［61-62］，不会产生微裂纹；抛光后的表面粗糙度值Ra最小可达0.04～0.06 μm，有利于延长零件的使用寿命和减少安全隐患。电解质等离子抛光技术采用的抛光液一般为硫酸铵、氯化铵等偏中性的盐溶液，不会腐蚀工件和设备，符合绿色环保的发展理念。电解等离子抛光技术将是增材制件内流道精整加工技术的一种重要的发展方向。

在电解质等离子抛光过程中，放电次数、放电通道的形成位置和爆炸去除深度决定了金属表面粗糙度降低速度［63］。材料的去除率与阳极的电流密度成正比［64］，工件表面的热流密度随电流密度的增加而增加，使得工件表面熔化，容易去除［65］，工件表面凸起处的电流密度高于凹陷处而被优先去除［66］。

经过多年的发展，电解质等离子抛光技术已成功应用于多种金属材料，如表1所示［63，66-79］。

在电解质等离子的加工机理及工艺特性方面已取得了丰富的研究成果，揭示了电解质等离子加工过程中的伏安特性［68，73］，如图5a所示。通过向现有配方中加入络合剂、表面活性剂、缓蚀剂等对合金抛光的配方进行优化［71-72］。电解质等离子抛光比电化学抛光获得的表面粗糙度更小，金属去除量更少［66］。針对激光选区熔化增材制件进行电解质等离子抛光试验［80］，获得了比喷丸等传统加工方法更好的效果。SUS304不锈钢工件的表面粗糙度随时间变化的模型［62-63，81］如图5b所示。试件表面元素能谱仪（EDS）分析表明，电解质等离子加工几乎不改变表面的化学成分，表2所示为试件在10 min抛光后表面化学成分变化。在Ti-6Al-4V合金的电解质等离子试验中发现，适用于粗晶结构的电解液同样适用于细晶结构，而细晶结构在抛光过程中表面粗糙度下降更快［74］。在St45钢的抛光试验中发现，使用循环流动的电解液在缩小有效电压范围的同时增强了抛光效果［68］。利用多物理量仿真和在线计量学预测电解质等离子抛光工艺的加工时间和表面粗糙度［82］。建立加工过程的电离模型，指导合理选择工艺参数与电解液［83］。电解质等离子抛光长管（长100 mm，直径24 mm）内表面（装置见图6）时发现，电解液的流动方式和电场分布对抛光表面质量有影响［84］，管道内表面粗糙度可达0.06 μm，其他研究发现抛光头的进给速度和抛光间隙对管道内表面粗糙度有较大影响［85］。电解质等离子抛光技术可以显著提高增材制件的耐腐蚀性并一定程度提高其耐磨性［86］，使用不同的电解液配方可以加工不同的金属材料［87］，在抛光高温合金这种高强度高硬度材料上有潜在优势。

对内流道表面的精整加工，电解质等离子抛光技术显示出极大的潜力和优势，特别是在低刚度薄壁内流道的加工上具有较好的适应性。对内流道电解质等离子加工关键技术的研究主要聚焦在抛光液配放、专用工装、工艺参数匹配性等方面。2020年，笔者所在国家增材制造创新中心针对增材制件内流道加工工艺进行了试验研究，初步实现了长径比大于60∶1的细长流道抛光（图7），内表面的粗糙度Ra从6.3 μm左右降至3.2 μm，并开展了针对GH4169等材料平板试验件上小孔的孔边毛刺、孔壁重熔层去除工艺试验。然而，电解质等离子抛光技术在内流道的抛光应用上仍处于发展初期阶段，针对增材制造复杂内流道的精整加工，电解质等离子抛光技术仍然存在挑战，表现为：

（1）航空航天整体构件增材制造高温合金构件与常规的金属材料构件有很大不同，需要深入研究电解质等离子抛光作用机理并进行大量试验，研制出新的适合不同牌号高温合金的抛光液成分。

（2）考虑到增材制造内流道形状和尺寸的多样性，为适应不同形式的复杂内流道，需研发出专用的阴极工具并形成工艺参数数据库。

4 现有技术的对比分析

对内流道零件常用的磨粒流抛光技术、化学与电化学抛光技术、电解质等离子抛光技术进行对比分析，如表3所示。增材制造的发动机、换热器等整体金属构件一般具有多出入口流道、交叉流道、变径流道等结构特点，上述内流道的抛光处理仍然面临很大的挑战。

5 展望

当前，针对金属增材制件内流道精整加工的适应性工艺进行专门研究的科研成果仍然较少。特别是针对复杂金属增材制件内流道的精整加工技术的发展相对迟缓，将会阻碍增材制造技术在各领域的应用，是一个亟需解决的难题。金属增材制件内流道表面精整加工技术未来面临许多挑战，主要包括：

（1）对功能梯度材料、多金属复合材料的增材制造的内流道后处理加工，开发适应性的精整加工技术。

（2）对复杂几何形状（如泪珠、菱形、椭圆，甚至更复杂的不规则形状）、内部复杂分叉、渐变毛细结构、拓扑结构、甚至更复杂的不规则的复杂内流道，在多数情况下，没有单一的解决方案能实现最终的复杂零件表面处理，需要开发具有强适应性的复合精整加工技术或组合加工技术。

（3）对内流道精整加工质量的高精度检测方法和几何精度的三维重构技术也需要在未来的研究中深入探索。

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