3D打印钛合金内流道复合抛光方法及机理研究

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3D打印钛合金内流道零件已经越来越凸显出设计制造和结构性能方面的优势,但内流道表面抛光问题依然严峻。化学抛光装置简单,效率高成本低,但抛光后金属表面易产生腐蚀且不能显著改善粗糙度。微磨料浆体射流抛光是一种潜在的复杂内流道抛光方法,物理磨抛力量强,但国际国内较少有系统的研究和科学报道。本文首先对化学和微磨料浆体射流抛光进行独立研究,揭示两种抛光方式的优缺点,结合两种方法各自的特点创新提出针对3D打印TC4钛合金内流道的复合抛光方法。以化学抛光为辅助,微磨料浆体射流抛光为主要抛光手段,以期实现3D打印TC4钛合金内流道表面抛光后获得更高表面质量及尺寸精度。化学抛光研究中,探究硝酸氢氟酸体系和硝酸氟化铵体系溶液配比、温度、时间、添加剂对抛光速率的影响规律。通过黏膜层理论建立化学抛光的数学模型,揭示黏膜层与化学抛光系统中各参量间的关系并实现化学抛光速率最高及减薄速率最小这一目标,同时丰富现有化学抛光理论。由于化学抛光会产生腐蚀溶解,腐蚀层太深后续物理磨抛难以去除,化学抛光需抑制钛合金减薄量和腐蚀层深度的增加。因此,通过调整化学溶液体系中各影响因素控制黏膜层厚度,可实现这一目标。化学抛光最佳体系是硝酸氟化铵体系,参数为水:硝酸:氟化铵=100ml:20ml:3g/L,增粘剂0.21g/L,40℃下抛光10min钛合金试样表面粗糙度可降低到1.5μm左右。微磨料浆体射流抛光研究中,借鉴钛合金接触式加工中刀具纹理、切削速度设计磨粒形状和流体的射流流速。探究微磨料浆体射流对内流道抛光后粉末去除、表面形貌、表面粗糙度和尺寸精度的影响,分析内流道疲劳腐蚀、冲刷变形与加工时间的相关性。研究发现:流体压力1MPa下流体流速可达钛合金高速切削速度,而微磨料浆体射流抛光对化学腐蚀层临界去除时间为150min左右。化学抛光存在表面腐蚀及粗糙度改善有限的问题,微磨料浆体射流抛光存在加工时间过久弯道冲刷变形和疲劳腐蚀的问题,通过两者复合抛光可解决各自的局限,既能通过物理磨抛去除化学产生的腐蚀层,又能减少物理磨抛的时间抑制弯道冲刷变形,同时二次复合抛光后表面质量很高。结合化学及微磨料浆体射流的复合抛光,确定内流道腐蚀层的临界去除和微磨料浆体射流的临界变形两个临界条件。在临界条件下建立复合抛光方法,结合金相、扫描、激光共聚焦显微镜分别对3D打印Φ3、5、7、9mm不同口径内流道复合抛光后进行表面形貌、金相、表面粗糙度及尺寸分析,证实了复合抛光技术的可行性及技术潜力。
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