答辩博士：赵晨昊
指导老师：曲宁松教授
论文题目：激光增材制造内通道电化学光整加工技术研究
答辩委员会：
主席：李小宁教授/博导 南京理工大学
委员：康敏 教授/博导 南京农业大学
朱荻教授/博导 南京航空航天大学
徐九华教授/博导 南京航空航天大学
李亮教授/博导 南京航空航天大学
李寒松教授/博导 南京航空航天大学
曲宁松教授/博导 南京航空航天大学
秘书：王登勇 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2022年5月27日14:30
答辩地点：南航明故宫校区A4号楼4218
学位论文简介：
激光增材制造技术是一项结合激光熔化与快速凝固成形，采用逐层叠加方式直接加工出零件的数字化先进制造技术，在复杂结构件制造方面具有巨大的时间和成本优势。然而，作为激光增材制造技术的固有缺陷，成形件表面会黏附未完全熔合的粉末颗粒，严重影响零件的表面质量、使用性能及服役寿命。电化学减材加工技术在工具可达待加工面情况下可实现无刚性后处理，去除增材制造打印件表面凸起，提升其表面质量。本文以可视性差、工具操作难度大、但工业应用广泛的内通道为研究对象，开发出多种电化学光整工艺方法用于去除激光增材制造内通道表面的粉末颗粒等凸起，并实现对弯曲内通道、高深径比内通道的光整加工。
主要研究工作：
（1）探明了激光增材制造SUS 304材料沿不同平面取向的微观结构、组织形貌，以及表面电化学阳极行为。发现水平截面呈现多组平行的带状织构，竖直截面为大量相互交叠的月牙形织构，两个特征截面的元素含量及分布相同，只存在单一奥氏体相，具有相近的极化特性和法拉第电流效率，溶解后的形貌特征类似，熔池边界的抗腐蚀性弱于熔池区域，会优先发生电化学溶解。原始打印面电化学光整实验证实，相较于上表面，侧表面具有更少的凸起体量，在电场尖端效应作用下更易被整平，其粗糙度值降低程度更明显。
（2）提出了对冲供液电化学光整加工增材制造内通道技术，通过镜像排布在阴极两侧的导流管泵驱冲液的方式在内通道区域形成流速约1.2–1.6 m/s的流场以驱动电解液更新并运离气泡等绝缘性电解产物，确保电化学溶解作用的持续进行。该技术可去除增材制造内通道表面黏附的粉末颗粒及驼峰状凸起，在电流密度7 A·cm−2下将表面粗糙度从初始值Sa 14.151 μm降至Sa 6.287 μm。
（3）提出了同轴冲液约束性电化学光整加工增材制造内通道技术，优化了电解液进入内通道路径，使电解液沿着内通道轴向方向喷出，在加工区域形成流速为1.8–2 m/s、更为高效且均匀的液流环境用于运离电解产物；约束性电化学光整方法将电化学反应约束在内通道区域，使更多电量用于内通道表面凸起的溶解，强化电化学光整作用。该技术可高效去除内通道表面黏附的粉末颗粒，粗糙度可降至Sa 3.266 μm。
（4）提出了电化学机械复合光整加工增材制造内通道技术，采用缠绕有磨料丝的毛刷阴极在内通道内做往复移动来施加电化学溶解作用，通过刷毛运动来带走电解产物，同时刮擦内表面凸起，从而使电化学作用和机械作用同时用于内通道光整加工。发现低电流密度2 A·cm−2也可以获得理想的光整效果，表面粗糙度可降至Sa 4.243 μm；高电流密度7 A·cm−2进一步优化光整效果，粗糙度可降至Sa 3.880 μm。内通道表面凸起的去除主要依靠电化学溶解作用，机械作用对于材料去除贡献占比小于2%，但机械作用有助于气泡等电解产物的排出，确保电化学光整作用的持续进行。
（5）开展了激光增材制造弯曲内通道和高深径比内通道电化学光整加工的研究。采用仿形中空阴极内喷液电化学光整加工、间隔绝缘柔性阴极往复移动电化学光整加工以及毛刷阴极电化学机械复合光整加工等三种工艺方法用于增材制造弯曲内通道光整后处理。针对高深径比内通道，采用同轴冲液约束性电化学光整技术用于其表面后处理。以上方法可去除增材制造弯曲内通道或高深径比内通道表面黏附的粉末颗粒，有效降低表面粗糙度。
主要创新点：
（1）提出了通过对冲供液的液流手段加速运离加工区域电解产物的增材制造内通道电化学光整方法，实现了增材制造内通道的有效光整并彻底去除内表面黏附的粉末颗粒和基体表层的驼峰状凸起。
（2）提出了同轴冲液的液流手段提高内通道区域的传质传递效率及流场均匀性；同时，开发出约束性电化学光整方法，抑制非加工区域气泡产生对电量的消耗，强化内通道区域电化学溶解反应，显著提高光整效果，并将该方法用于高深径比内通道的光整后处理。
（3）提出了电化学机械复合光整增材制造内通道方法，利用毛刷阴极往复移动实现无泵驱供液条件下内通道区域电解液更新及产物排出，同时毛刷的机械作用用于刮擦内表面凸起，实现了在高、低电流密度下增材制造内通道的有效光整。
（4）采用柔性阴极往复移动电化学光整技术和毛刷阴极往复移动电化学机械复合光整技术对工程应用中常见的弯曲内通道进行光整，有效去除增材制造弯曲内通道表面黏附的粉末颗粒和表层凸起，提升弯曲内通道表面质量。
