CN108687344A - 物品表面精整方法 - Google Patents

Abstract

公开了可通过将电极设置在金属表面上并且在所述金属表面与所述电极之间设置可渗透电介质隔片来电解抛光所述金属表面的方法。使电解质渗入所述可渗透电介质隔片中，并且将电压差施加至所述电极和所述金属表面。

Description

物品表面精整方法

背景技术

所描述的主题总体上涉及表面精整领域，并且具体涉及换热器的制造以及具有精整表面的物品的增材制造。

增材制造是指一类制造方法，其特征在于以下事实：精整零件是通过对多个薄的材料片进行逐层构造而形成的。增材制造可涉及将液体或粉末材料施加至工作台上，然后进行烧结、固化、熔化和/或切割的某种组合以形成层。重复所述过程多达数千次以构造所需精整部件或物品。

已知各种类型的增材制造。实例包括立体光刻（由固化的光敏液体层来增材制造物体）、电子束熔化（使用粉末作为原料并使用电子束选择性地熔化粉末）、激光增材制造（使用粉末作为原料并且使用激光选择性地熔化粉末）以及激光物体制造（将薄的固体材料片施加至工作台上并使用激光切除不需要的部分）。

许多增材制造工艺利用扫描能量束来熔融易熔材料。通常以光栅扫描模式执行扫描，其中使用多条基本上平行的扫描线来形成物品。为了减少由热或化学反应动力学效应所导致的层的变形，通常在沿着每一层的单独位置处的离散部分对该层进行扫描。因此在相邻部分之间的边界处形成接缝。扫描部分接缝以及粉末熔融或其他增材制造加工的其他人工痕迹可导致增材制造所形成的部件的不期望的表面特性。

发明内容

根据一些实施例，一种用于制造物品的方法包括将所述物品的数字模型输入到包括能量源的增材制造设备或系统中。所述增材制造设备将来自能量源的能量施加至相继施加的递增量的金属粉末，所述能量将金属粉末熔融以根据所述数字模型来形成金属粉末的增量部分，从而形成物品。将电极设置在物品的熔融金属表面上，并且在熔融金属表面与电极之间设置可渗透电介质隔片。使电解质渗入可渗透电介质隔片中，并且将电压差施加至电极和熔融金属表面。

根据一些实施例，一种制造换热器的方法包括形成换热器芯，所述换热器芯包括多个内部流体流动通道。将电极设置在内部流体流动通道的内金属表面上，并且在内金属表面与电极之间设置可渗透电介质隔片。使电解质渗入可渗透电介质隔片中，并且将电压差施加至电极和内金属表面。然后从内金属表面去除电极和可渗透电介质隔片。

根据一些实施例，一种电解抛光金属表面的方法包括将电极设置在金属表面上，并且在金属表面与电极之间设置可渗透电介质隔片。使电解质渗入可渗透电介质隔片中，并且将电压差施加至电极和金属表面以电解抛光金属表面。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并明确要求保护本公开的主题。本公开的前述和其他特征以及优点从结合附图进行的以下具体实施方式中显而易见，在附图中：

图1是使用金属粉末熔融增材制造来制造物品的设备的示意图；

图2是可以如本文所述制造的换热器的示意图；

图3A、3B、3C、3D、3E和3F各自示出了本文描述的方法的示例性实施例的处于不同阶段的金属表面的示意性金属横截面视图；以及

图4A、4B、4C、4D和4E各自示出了本文描述的方法的示例性实施例的处于不同阶段的金属表面的示意性金属横截面视图。

具体实施方式

现在参考附图，图1描绘了增材制造设备和工艺的示例性实施例。如图1所示，增材制造系统或设备10的实例包括：产生能量束14的能量源12、用于引导能量束的第一波导或其他光导16、第二波导或光导18、框架20、粉末供应装置22、粉末加工床24、烧结粉末材料26、撒布器28、粉末供应支撑件30和堆叠支撑件32。当然，图1的说明本质上是示意性的，并且增材制造装置的许多替代设计是可能的。各种类型的增材制造材料、能量源、粉末进料和储存、氛围控制以及工艺可用于制造本文所述的换热器及其各个特征。所用增材制造工艺的类型部分取决于制造部件所需材料的类型。在一些实施例中，换热器由金属制成，并且可使用金属成形增材制造工艺。此类工艺可以包括选择性激光烧结（SLS）、粉末床激光熔融（PBLF）或直接金属激光烧结（DMLS），其中将金属或金属合金粉末层施加至正在制造的工件上并且使用来自定向激光束的热能根据数字模型进行选择性烧结。金属成形工艺的另一种类型包括选择性激光熔化（SLM）或电子束熔化（EBM），其中使用由定向激光或电子束提供的热能来选择性地熔化（而非烧结）金属粉末，使得粉末熔融随着冷却并固化。图1仅示出用于形成增材制造物品的一种潜在的增材制造系统。

能量源12可为能够产生聚焦能量的任何源。例如，能量源12可为激光器或电子束发生器。能量源12产生能量束14，该能量束是聚焦的或可聚焦的能量束，例如激光束或电子束。在一些实施例中存在诸如镜子的光导16以使辐射在所需方向上偏转。在一些实施例中存在诸如光学头的第二光导18，并且还在所需方向上引导能量。例如，光导18可包括镜子并且附接到x-y定位装置。框架20用于容纳粉末供应装置22和粉末加工床24中的粉末材料。粉末供应装置22和粉末加工床24包括粉末材料，例如粉末状金属。粉末加工床24还包括熔融粉末26。熔融粉末26是容纳于粉末加工床24内的粉末，该粉末被至少部分地烧结或熔化。撒布器28是诸如使用惰性气体而非空气的气刀的撒布装置，该撒布装置可将粉末材料从粉末供应装置22转移到粉末加工床24。图1中的撒布器28的描述当然本质上仅仅是示意性的，并且没有描绘可用于从组件的目标部分去除金属粉末的特定特征件，诸如可控定向的空气喷嘴，所述目标部分包括内部腔体，诸如换热器芯中的流体流动通道。粉末供应支撑件30和堆叠支撑件32用于在增材制造期间提升和/或降低其上的材料。

在操作期间，能量源12产生能量束14，该能量束由光导16和18引导至粉末加工床24。可控制能量束14的能量强度和扫描速率以及图案以在粉末加工床中产生所需结果。在一些方面，结果可为粉末颗粒的部分熔融，从而在固化之后产生熔融结构，例如具有一定孔隙度的烧结粉末金属结构，所述孔隙度由熔融粉末颗粒之间的间隙空间产生。在一些方面，暴露于能量束14的结果可为粉末颗粒的完全局部熔融和流体化，从而产生密度接近或等于铸造金属物品密度的金属物品。在一些方面，能量束提供均匀熔化，使得对制造的物品的检查不能从原始颗粒中检测到颗粒图案。在增材制造物品的每层完成之后，移动粉末供应支撑件30以提升粉末材料供应件22相对于框架的高度。类似地，移动堆叠支撑件32以降低物品相对于框架20的高度。撒布机28将来自粉末供应装置22的粉末层转移到粉末加工床24。通过多次重复所述过程，可逐层构造物体。以这种方式制造的部件可以制成单一的实体部件，并且它们如果含有较小百分比的氧气、氢气或含碳气体，则通常更坚固。在一些实施例中，例如氧气的杂质量减少到小于50ppm，或甚至小于20ppm。

在本公开的实践中使用的数字模型在本领域中是公知的，并且在此不需要进一步的详细描述。数字模型可以从多种类型的计算机辅助设计（CAD）软件生成，并且已知多种格式，包括但不限于STL（标准曲面细分语言）文件、AMF（增材制造格式）文件、PLY文件，波阵面（.obj）文件以及其他可为开源或专有文件格式的文件。

通过粉末熔融增材制造的物品制造可导致与一些其他更传统的制造技术相比相对粗糙的表面。另外，增材制造的有益特征之一是能够制造具有内部特征例如内部腔体或通道的物品，所述内部特征不容易通过常规制造技术制造，并且不容易进入以对内部表面进行光滑处理、打磨或以其他方式进行精整。光滑内表面可为有益的应用的一个非限制性示例性实施例是用于换热器，其中光滑内表面可促进有效的流体流动和热传递。图2中示意性地描绘了换热器芯100的示例性实施例。换热器组件100可使用增材制造技术（例如，参照图1所述的粉末床熔融），或使用任何常规的已知制造技术制造。一些常规制造技术（包括但不限于硬钎焊和焊接）可能会留下人工痕迹，例如凸起、隆起、间隙或凹陷，这些人工痕迹可不利地影响流体流动并且可通过表面精整来解决。如图2所示，加热器芯100的一部分以等距视图示出，其沿着正面（端部片材120）被剖开以示出组件的内部。如图2所示，换热器芯100包括穿过翅片结构114的吸热侧（冷侧）流体流动路径110和穿过翅片结构112的排热侧（热侧）流体流动路径112。冷侧流体流动路径110和热侧流体流动路径112通过分隔片材118隔开。分隔片材118也由金属合金形成并用于支撑翅片结构114和116。端部片材120形成主热换热器100的外部屏障。封闭杆122和124分别形成冷流体流动路径110和热流体流动路径112的外部屏障。另外的结构元件（未示出）包括但不限于用于支撑换热器100的热翅片结构和冷翅片结构的整体堆叠的芯带、安装结构或流体流动引导元件。通常将换热器芯100设置在壳体（未示出）内部，所述壳体支撑并保护芯并且提供进出冷侧流体流动路径110和热侧流体流动路径112的流体流动引导件（例如歧管，未示出）。在一些实施例中，换热器可以被配置为在飞机上使用。在操作期间，来自冷空气源（未示出，例如飞机上的冲压空气或风机辅助冲压空气或其他吸入空气）的冷空气在箭头C所指示的方向上进入冷侧流体流动路径110。来自热空气源（未示出，例如飞机上的来自涡轮压缩机引擎的放气或ECS工艺用气）的热空气在箭头H的方向上进入热侧流体流动路径112，并且通过翅片结构114、116排热并越过分隔片材118到达冷侧流体流动路径110。换热器100的金属部件可为换热器设计领域中已知的任何金属。在一些实施例中，金属部件可为用于低温换热器的铝合金和用于高温换热器的镍基合金。

如上所述，本文所述的方法中使用的粉末包括金属粉末。可以使用各种金属，这取决于成品应用的材料和性能要求。可以使用各种铁基钢合金，包括不锈钢和非不锈钢，任选地包含诸如铬或镍的各种合金元素来提供诸如高温性能等的特性。也可使用诸如铝合金和钛的其他合金。可以使用气体雾化工艺来形成金属粉末。金属粉末的粒度的实例可在从5μm至150μm的范围内。在一些方面，可以在形成具有均匀组成的粉末之前将合金元素组合在一起。在一些方面，一种或多种单独的合金元素可以具有其本身的粉末颗粒，这些粉末颗粒与合金混合物中的其他元素的颗粒混合，并且在增材制造工艺的熔融步骤期间发生实际合金的形成。在一些方面，粉末是“纯的”，即，其仅包含合金或合金元素的颗粒。在其他方面，粉末可以包含其他组分，例如聚合物粉末颗粒。在选择性烧结中，聚合物颗粒可以帮助在加工期间将金属粉末颗粒暂时粘结在一起，以便随后通过能量源或制造后热处理引起的热解而去除。

现在参照图3和图4，通过参考金属工件（例如，换热器的交换器芯）或其（多个）部分的示意图来公开示例性实施例。图3-4中描述的每一个实施例以图3A和图4A中示出的金属表面202开始。在一些实施例中，金属表面202可为通过诸如关于图1描述的粉末床熔融的增材制造方法所产生的熔融金属表面。在一些实施例中，金属表面202可为如图2中所描述的换热器芯的流体流动通道的内金属表面。在一些实施例中，金属表面202可为任何金属物体（例如，腔室、腔体、导管或其他通道）的内表面。在一些实施例中，金属表面202可以包括小于100μm，或小于50μm，或小于20μm的表面尺寸（例如，通道宽度或深度）。本文所述的方法可用于能够接受电解抛光的任何其他金属表面。

现在参考图3，在图3B中，已将包括电介质颗粒206和可去除粘结剂208的层204施加至金属表面202。电介质颗粒可包含任何电介质材料，例如玻璃、陶瓷、聚合物或包含这些材料中的任一种的复合材料。粒度可提供低端值为5μm、10μm或15μm且高端值为40μm、45μm或50μm的范围内的平均粒径。这些端值可独立组合，并且据此明确公开具有上述低端值和高端值的所有可能组合的范围。可去除粘结剂可包含多种聚合物和涂料组合物。选择聚合物的一个因素可为其从金属基材上的可去除性。挥发性极性有机溶剂可用于去除许多种类型的涂料，但也可能需要花费大量精力和费用来避免环境污染以及在使用后回收溶剂。涂层也可通过将涂层加热到流体状态来去除，使得可用移动的流体如空气、水或有机溶剂来去除涂层。在一些实施例中，聚合物可为水溶性的（例如，聚乙二醇、甲氧基聚乙二醇、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、黄原胶、果胶、壳聚糖衍生物、葡聚糖、角叉菜胶、瓜尔胶、纤维素醚或淀粉基化合物）以促进用水去除。在一些实施例中，可具有水溶性和低熔点的水溶性聚环氧烷（例如，聚乙二醇、甲氧基聚乙二醇）可促进用热水去除。层204可使用包括浸涂、喷涂等在内的多种涂布技术来施加，并且可包含本领域已知的用于涂料的各种材料和添加剂。在图3C中，导电电极210的层被施加在层204的顶部上。导电电极210的层应具有足够的结构完整性以在可去除粘结剂208被去除并且导电电极210由剩余电介质颗粒206支撑（图3D）之后维持内聚力，但可具有任选的开口(例如，开口212)以促进可去除粘结剂208的去除。导电电极210可以使用多种技术来施加，例如浸渍、喷射、注射、电镀、无电电镀，热解碳沉积或化学气相沉积。还可使用电泳来施加层，方式是将电荷施加至金属表面202上以便使金属或金属前体沉积到层204上，然后将任何前体转化成金属。即使诸如喷嘴的施加装置不容易进入表面，也可使用电泳技术。在一些实施例中，可使用电泳、喷射或任何其他施加技术将包含金属或其他导体（例如，导电碳）和聚合物粘结剂的组合物沉积在层204的顶部上，并且将该组合物熔融、固化或聚结成粘合电极210。可通过使溶剂（例如，针对聚乙二醇的热水）通过导电电极210中的开口212流入和流出层204来去除可去除粘结剂208。图3D示意性地示出包含来自层204的电介质颗粒206的可渗透隔膜214上的导电电极，其中去除了可去除粘结剂208。如图3D中所示，响应于可去除粘结剂208的去除，一些电介质颗粒206可以被重新定位。

现在参考图4，其使用来自图3的编号来表示图3和图4的共同特征，在金属表面202上直接施加或形成多孔或以其他方式可渗透的不导电材料作为可渗透电介质隔膜216，其可形成如图4B所示的连续多孔电介质材料。用于可渗透隔膜216的材料的实例包括多孔陶瓷，诸如硅胶、微孔沸石、氧化铝、碳化硅或氧化锆，它们可以通过溶胶凝胶、螯合物、金属有机物分解或Pechini处理而沉积或形成于金属表面202上。有机聚合物泡沫（例如，膨胀聚氨酯或聚苯乙烯）也可用作可渗透电介质隔膜。有机聚合物可以具有比某些无机材料更低的介电常数，但是这种差异可通过泡沫中的空隙空间的影响而减小。在图4C中，已使用与以上关于图3C所述的类似技术将导电电极210的层施加在可渗透隔膜216的层上。在一些实施例中，诸如连续多孔电介质材料的可渗透隔膜216可以为后续施加的电极210提供结构支撑，在这种情况下，电极210不需要是自支撑的，使得可使用油墨和其他印刷技术来将电极210施加至可渗透隔膜216。

现在参考图3和图4，可渗透隔膜214/216可渗入有液体电解质，并且在电极210与金属表面202之间施加电压差。图3E和图4D示意性地示出了精整金属表面202'的电解抛光的结果。液体电解质可为含水液体电解质、非含水有机液体电解质或离子液体电解质。含水液体电解质包括混合酸溶液，如硫酸和磷酸。非含水有机液体包括添加有高氯酸或无机氯化物盐的基于醇、乙二醇或有机酸的溶液。离子液体的实例包括氯化胆碱/尿素共晶。液体电解质的组成和具体特性可取决于金属表面202和电极210的组成、电极210与金属表面210之间的距离以及精整金属表面202'的目标表面特性。在一些实施例中，可渗透隔膜214/216的厚度可在电极210与金属表面210之间提供的距离在低端值为1μm、10μm或25μm且高端值为50μm、100μm或200μm的范围内。这些端值可独立组合，并且据此明确公开具有上述低端值和高端值的所有可能组合的范围。在一些实施例中，与其他电解工艺相比，用于电解抛光应用的电解质电阻可相对较高。在一些实施例中，电解质可具有的电阻的范围在低端值为1ohm-cm、10ohm-cm或100ohm-cm且高端值为100ohm-cm、1000ohm-cm或10,000ohm-cm的范围内。这些端值可独立组合，并且据此明确公开具有上述低端值和高端值的所有可能组合的范围（不包括其中高端值不大于低端值的不可能的组合）。

通过设置在可渗透隔膜214/216中的电解质，穿过电解质的电路可以通过连接到电源并连接到电极210和金属表面202的电触点（未示出）完成。在一些实施例中，电压差可在低端值为2伏、5伏或20伏且高端值为25伏、50伏或100伏的范围内。这些端值可独立组合，并且据此明确公开具有上述低端值和高端值的所有可能组合的范围。在一些实施例中，电流密度可在低端值为0.1安培/厘米²、1安培/厘米²或10安培/厘米²且高端值为10安培/厘米²、100安培/厘米²或1000安培/厘米²的范围内。这些端值可独立组合，并且据此明确公开具有上述低端值和高端值的所有可能组合的范围（不包括其中高端值不大于低端值的不可能的组合）。电解抛光的持续时间可在低端值为10秒、30秒、60秒或1200秒的范围内。这些端值可独立组合，并且据此明确公开具有上述低端值和高端值的所有可能组合的范围（不包括其中高端值不大于低端值的不可能的组合）。

在一些实施例中，电压差操作的施加可导致诸如氢气和氧气的气体的逸出。在诸如换热器或具有内部腔体或通道的其他物品的实施例中，可以通过使液体电解质或另一种流体流过内部腔体或通道来促进这种逸出气体的去除。在一些实施例中，可以通过改变通过内部流体流动通道的流动液体电解质的流速，或改变所施加的电压或电流，或同时改变流动液体电解质的流速来促进逸出气体的去除。在一些实施例中，此类改变可包括不具有流速或电压的周期与具有恒定或变化流速或电压的周期夹杂的脉动。

在电解抛光之后，在一些实施例中，可将电极210和可渗透电介质层214/216去除以暴露金属表面202，如图3F和图4E中所示。然而，不需要专门的去除步骤，因为物品的目标使用可导致去除电极210和可渗透电介质层214/216以暴露金属表面202。在一些实施例中，图3中的可渗透电介质层214和电极210的去除可以通过降解电极210（例如，考虑到电极的材料组成和特性，用酸、溶剂、热、电解、超声波或它们的组合进行降解）并用诸如空气、水或有机溶剂的流体冲刷表面以去除降解的电极210和电介质颗粒206来实现。图4中的可渗透电介质层216和电极210的去除可采用经修改以同样提供可渗透电介质层216的降解的类似技术来实现。

在一些实施例中，本文描述的可渗透电介质隔片和电极可以在制造物品期间的中间步骤或作为制造工艺的结束步骤而设置在金属表面上。这提供了允许有效制造技术的多种技术效果。在中间步骤或结束步骤的实施例中，可渗透电介质隔片和电极与金属表面整合成一体结构允许具有复杂结构的物品（包括但不限于诸如具有腔体、通道或导管的内表面）在单一阶段被电解抛光。这种单一阶段电解抛光可以与诸如内部流动通道，例如换热器芯100（图2）的内表面的常规电解抛光形成对比，所述常规电解抛光将需要将单独的阶段分开施加至换热器的每个分隔片材定义的过程。在增材制造的情况下，此类常规的电解抛光阶段将需要多次去除来自增材制造设备的工件，在电解抛光设备中进行设置以及执行电解抛光阶段，并且返回到增材制造设备以供进一步应用。在一些实施例中，可以通过例如在制造工艺结束时以单一步骤引入可渗透电介质隔片和电极来实现进一步的效率。在一些实施例中，可提供技术效果，其中紧接近电极可促进金属表面的精细或小尺寸特征件的电解抛光。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本公开，但是应当容易地理解，本公开不限于此类公开的实施例。相反，可以对本公开进行修改以并入之前未描述但与本公开的精神和范围相符的任何数量的变型、变更、替代或同等布置。此外，尽管已描述了本公开的各种实施例，但是应当理解，本公开的多个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本公开不应被视为受先前描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (15)

1.一种制造物品的方法，其包括：

将所述物品的数字模型输入到包括能量源的增材制造设备或系统中；

通过重复施加来自所述能量源的能量来熔融相继施加的与所述物品的所述数字模型对应的递增量的金属粉末，从而形成所述物品；

将电极设置在所述物品的熔融金属表面上，并且在所述熔融金属表面与所述电极之间设置可渗透电介质隔片；

使液体电解质渗入所述可渗透电介质隔片中；以及

向所述电极与所述熔融金属表面施加电压差。

2.如权利要求1所述的方法，其中设置所述电极和所述可渗透电介质隔片包括：

在所述熔融金属表面上施加包含电介质颗粒和可去除粘结剂的层；

在所述层上施加所述电极；以及

将所述可去除粘结剂去除。

3.如权利要求2所述的方法，其中将所述可去除粘结剂去除包括使所述可去除粘结剂暴露于水或有机溶剂。

4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述可去除粘结剂包括聚乙二醇、甲氧基聚乙二醇、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、黄原胶、果胶、壳聚糖衍生物、葡聚糖、角叉菜胶、瓜尔胶、纤维素醚或淀粉基化合物。

5.如权利要求2-4中任一项所述的方法，其中所述电介质颗粒包括玻璃、陶瓷、聚合物或复合颗粒。

6.如任一项前述权利要求所述的方法，其中所述可渗透电介质隔片包含连续多孔电介质材料。

7.如任一项前述权利要求所述的方法，其还包括在所述施加所述电压差之后从所述熔融金属表面去除所述电极和所述可渗透电介质隔片，并且任选地回收所去除的电极材料和所去除的电介质隔片材料中的任一者或两者。

8.如任一项前述权利要求所述的方法，其中施加所施加的电压包括改变所施加的电压或电流。

9.如任一项前述权利要求所述的方法，其中所述熔融金属表面设置在所述物品的内部腔室中。

10.如权利要求9所述的方法，其还包括在施加所述电压期间使液体电解质流过所述内部腔室。

11.如权利要求9或权利要求10所述的方法，其还包括在施加所述电压差期间利用流动液体电解质来去除从所述内部腔室逸出的逸出气体。

12.如权利要求9-11中任一项所述的方法，其还包括改变通过所述内部腔室的流动液体电解质的流速，或改变所施加的电压或电流，或同时改变通过所述内部腔室的流动液体电解质的流速和所施加的电压。

13.一种电解抛光金属表面的方法，其包括：

在所述金属表面上设置电极，并且在所述金属表面与所述电极之间设置可渗透电介质隔片；

使液体电解质渗入所述可渗透电介质隔片中；以及

向所述电极和所述金属表面施加电压差以电解抛光所述金属表面，并且任选地从所述金属表面去除所述电极和所述可渗透电介质隔片中的任一者或两者。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述金属表面是换热器流体流动通道的内表面，并且其中所述方法包括在施加所述电压差之后从所述内金属表面去除所述电极和所述可渗透电介质隔片。

15.如权利要求13或权利要求14所述的方法，其中设置所述电极和所述可渗透电介质隔片包括：

在所述金属表面上施加包含电介质颗粒和可去除粘结剂的层；

在所述层上设置所述电极；以及

将所述可去除粘结剂去除。