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Nature子刊：制造方位角和后处理对增材制造316L腐蚀性能和机械新功能的影响( 二 )

Nature 机械 锻造 许多



图1:粉末床融合过程 。 一层一层铺粉(PBF)过程的横截面示意图 。
最近的研究解决了如何最好地量化这些基于粉末的AM部件的粗糙表面 ， 与具有许多削边、锋利和悬垂特征的传统材料表面处理相比 ， 这是独特的 。 Cabanettes等人的研究使用常用的测量工具 ， 如触控笔和光学轮廓测量方法 ， 对打印表面进行了研究 。 手写笔技术显然不足以表征打印表面的粗糙度 ， 因为数据丢失到手写笔工件 。 相比之下 ， 光学轮廓术能够定性和定量地区分AM表面的大部分高纵横比特征 。 区域算术平均高度(Sa)随着样品方向(构建角)的增加而增加 ， 并向向下的表面转移 。 也就是说 ， 光学轮廓术受到视线效果的限制 ， 隐藏了尖锐的边缘特征 ， 而这些特征对于描述打印表面上的压力和环境压力源至关重要 。 Fox等人和Kim 等人最近的研究使用x射线计算机断层扫描更准确地测量整个打印表面 ， 包括这些尖锐的凹陷区域 。
已经进行了许多研究 ， 试图减轻AM零件上观察到的大粗糙度 ， 并探索了几种抛光方法:
电解抛光
激光表面修饰(重熔、冲击强化等)
机械表面加工(平面抛光、滚转抛光等)
化学抛光
研究多种分开的和结合的技术
所有技术都显示了AM零件表面粗糙度的降低 ， 但其中许多技术的问题是无法有效地抛光复杂形状的零件 。 电抛光是抛光复杂形状的一种可靠方法 ， Urlea等人目前的研究是在AM部件附近构建定制阴极以提高抛光效率 。 然而 ， 对于需要严格公差的小而高的宽高比特征 ， 均匀的抛光率仍然是一个问题 。 无论几何复杂性如何 ， 无法同时保持光洁度和表面精度都是任何抛光工艺面临的普遍挑战 。
没有研究系统地调查表面粗糙度对AM金属零件局部腐蚀敏感性的影响 。 也有少数研究表明冲击表面处理对AM金属零件有影响 ， 并将这些处理与零件的局部腐蚀敏感性相关联 。 这项工作的主要目的是展示打印时PBF 316L零件的表面粗糙度如何取决于样品几何形状 ， 并解释这种粗糙度如何影响局部腐蚀起始的敏感性 。 此外 ， 五种不同的表面处理将展示如何降低对局部腐蚀的易感性 。 在PBF 316L零件的打印表面进行了五种不同的表面处理 ， 以降低粗糙度和/或降低局部腐蚀引发的敏感性 。
结果与讨论
样品几何和表面处理
本研究的样品采用PBF技术 ， 采用316L不锈钢粉末 ， 其加工参数在“方法”一节中详细说明 。 为了研究腐蚀行为与样品取向(构建角)的关系 ， 将样品构建成平行六面体形状 ， 如图2所示 。 构建角度在图2中被标记为顶部(法线平行于构建方向)、侧面(法线垂直于构建方向)、上表皮(法线与构建方向45°)和下表皮(法线与构建方向135°) 。 在以前的研究中 ， 类似的形状已被用于显示粗糙度与构建角的关系 。 此外 ， 该平行六面体棱镜提供了一个没有支撑材料的悬垂表面和大平面 ， 使其易于进行电化学实验 。

图2:样品设计 。 用于本研究的平行六面体棱镜的光学图像 。
表面形貌和微观结构
打印时的二次电子图像 ， 电抛光 ， 滚转抛光 ， 以及顶部表面再熔台阶表面的轮廓扫描策略 ， 如图3所示 ， 为两个表面方向 ， 顶部和侧面 。 打印后的顶表面(图3a)表现出pbf的典型特征 ， 具有明显的熔体轨迹、部分熔融的功率颗粒和球化 。 电抛光至打印表面最低点以下约13 um的深度 ， 消除了这些部分融合的特征 ， 产生了如图3b所示的光滑表面 。 转鼓抛光 ， 如图3c所示 ， 可以部分去除并压平最高的凸起 。 通过适当的优化 ， 从滚转抛光中去除材料可以获得更光滑、更少曲折的表面粗糙度 ， 但这些优化超出了本工作的范围 。 对比图3a d ， 轮廓/激光重熔过程使用了第二次激光扫描整个顶表面 ， 轮廓绕过每个层区域的周长 。 这产生了更光滑的顶部表面熔化轨道比单道策略与最小的部分熔融粉末颗粒 。 它还改善了侧表面 ， 再次减少了部分使用的粉末的数量 。

图3:样品表面图像 。 具有不同表面光洁度的a-d顶方向和e-h侧方向表面的二次电子图像;A e作为印刷 ， b f电抛光 ， c g滚筒式抛光 ， d h轮廓扫描/重熔 。
打印后的侧表面比顶部表面粗糙得多 ， 并装饰有大量部分熔融的粉末颗粒附着体 ， 图3e h 。 轮廓扫描策略不如顶部表面有效 ， 但它似乎减少了附着颗粒的数量密度(图3h) 。 如图3f所示 ， 对打印时的侧面方向进行电抛光可产生光滑表面 ， 与(b)中电抛光的顶部表面相似 ， 但有更多的凹陷 。 凹陷很可能是由粗糙的初始表面和更深的空腔造成的 。 在图3g中 ， 滚筒式抛光对侧面的效果与对顶部表面(c)的效果相同 。

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