一种自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法

本发明涉及电化学抛光领域，尤其涉及一种自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法。

背景技术：

1、金属点阵结构具有轻质、高比刚、高比强等优异力学性能和减振散热等功能，是满足新一代航空航天器关键零部件轻量化和多功能化发展需求的重要手段，对降低发射成本和提升火箭运力具有重要意义。

2、目前金属点阵结构最主要制造技术是粉末床熔化技术，但由于其粉末熔化-凝固的材料成形机理，打印过程会在点阵结构表面形成疏松粉末层缺陷，粘连粉末尺寸已接近点阵特征尺寸，且分布范围广、分布规律复杂，显著影响微构件几何精度，降低整体结构刚度、强度、疲劳寿命等力学性能。表面喷砂、激光抛光等现有表面处理工艺难以加工三维点阵结构高度复杂且受遮挡表面。因此，电化学抛光工艺由于其形状适用性广、抛光效率高、不损伤基材性能等优势，成为抛光点阵结构受遮挡复杂内表面的理想技术。然而，由于点阵结构存在大量受遮挡内表面，实现复杂点阵结构表面均匀抛光极具挑战，不均匀抛光会导致内部结构抛光效率低、残留粗糙度高，而外部结构易抛光过度甚至导致结构损伤，严重影响点阵结构综合力学性能。

3、经调研，现有金属点阵结构电化学抛光工艺使用合适的工具阴极形状以调控抛光均匀性。环形和平板电极是目前主要使用的阴极形状，但是由于阴极无法侵入点阵结构内部，导致内部电场受到屏蔽，粘连粉末无法被完全去除，而外部结构容易抛光过度，破坏微构件完整性。为克服上述局限，研究人员提出了一种侵入式微圆柱阵列阴极，有效提升内部结构抛光效率。但是，微圆柱阵列阴极仍存在以下局限：1、微圆柱面无法匹配点阵结构复杂三维表面，点阵结构内部靠近阴极区域电流密度大于远离阴极区域，导致局部不均匀抛光；2、针对不同形状的点阵结构须定制不同参数的阴极，显著提升研制时间和成本；3、大量点阵结构不存在可供微圆柱电极侵入的通道，无法直接应用微圆柱阵列阴极进行抛光。因此，迫切需要一种面向复杂金属点阵结构的抛光均匀性好、适用性广、抛光效率高的电化学抛光工艺。

4、因此，本领域的技术人员致力于开发一种自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，从而解决上述问题。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有金属点阵结构电化学抛光电极无法侵入点阵结构导致粘连粉末无法完全去除、局部抛光不均匀、需要针对不同形状点阵定制阴极以及大量点阵结构不存在可供微圆柱电极侵入的通道的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1、交错点阵结构设计；

4、步骤2、交错点阵结构制造和电化学自抛光。

5、进一步地，所述步骤1还包括：

6、步骤1.1、构建交错点阵结构几何模型，分别构建两套隐函数描述交错点阵结构中的两相点阵结构；

7、步骤1.2、根据步骤1.1的几何模型，计算电化学自抛光过程中极间电场、点阵结构表面电流密度分布以及抛光均匀性评价函数；

8、步骤1.3、构建拉格朗日函数，计算形状导数，更新交错点阵结构隐函数模型；

9、步骤1.4、重复步骤1.2至1.3直至满足收敛条件，得到抛光均匀性最优的交错点阵结构基本单元，进而沿空间三维方向阵列该基本单元获得交错点阵结构件。

10、进一步地，所述步骤1.1具体为：利用隐函数建模方法构建交错点阵结构几何模型，所述两相交错点阵结构在空间上互相交错但无接触，在此基础上获得第一相实体区域、第一相边界、电解液、第二相实体区域和第二相边界。

11、进一步地，所述步骤1.2具体为：根据所述步骤1.1的交错点阵结构几何模型，以及金属材料、电解液电导率的物理信息，结合周期边界条件，利用有限元方法计算交错点阵结构基本单元电化学抛光过程中极间电场和点阵结构表面电流密度分布，进而根据所述点阵结构表面电流密度分布计算结果构建并计算抛光均匀性评价函数。

12、进一步地，所述步骤1.3具体为：根据所述步骤1.2构建的抛光均匀性评价函数，以及交错点阵结构体积分数等约束函数，构建拉格朗日函数，并计算上述函数的形状导数，基于最速梯度下降算法确定每一相点阵结构边界的法向移动速度，利用hamilton-jacobi方程更新交错点阵结构隐函数模型。

13、进一步地，所述步骤1.4中的所述收敛条件为：相邻两迭代步抛光均匀性评价函数变化量<1％、设计变量变化量<1％、约束函数违反量<1％。

14、进一步地，所述步骤2还包括：

15、步骤2.1、使用粉末床熔化技术制造步骤1中设计的交错点阵结构件；

16、步骤2.2、对所述步骤2.1得到的粉末床熔化技术制造的交错点阵结构件进行电化学自抛光，去除第二相点阵结构表面松散粉末层；

17、步骤2.3、使用电化学自抛光去除第一相点阵结构表面松散粉末层；

18、步骤2.4、步骤2.2和步骤2.3交替进行，直至抛光结束。

19、进一步地，所述步骤2.2具体为：将金属交错点阵结构用夹具装夹后放入电解液中进行电化学自抛光，以所述第一相点阵结构为阴极、所述第二相点阵结构为阳极，去除所述第二相点阵结构表面松散粉末层。

20、进一步地，所述步骤2.3具体为：交换阴、阳极，以所述第一相点阵结构为阳极、所述第二相点阵结构为阴极，在相同电解液和抛光参数下进行抛光，去除所述第一相点阵结构表面松散粉末层。

21、进一步地，所述步骤2.2和步骤2.3中的电化学自抛光的抛光温度为40～70℃，抛光电压为1～10v，抛光时间为20～40分钟。

22、在本发明的较佳实施方式中，通过设计新型交错电极结构，通过其两相互不接触的点阵结构互为阴极抛光的工艺大幅提升点阵结构内部抛光效率，实现内外均匀抛光。通过交错点阵结构形状优化设计方法，精确调控工件-阴极间电场强度和电流密度分布，最小化抛光不均匀性。所述交错点阵结构为基于gyroid的交错点阵结构、基于i-wp的交错点阵结构或其他类似结构，所述交错点阵结构选用的金属选用为17-4ph不锈钢、316l不锈钢、ti6al4v钛合金或alsi10mg铝合金等金属材料。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

24、1、阴极侵入点阵结构内部，可有效调控点阵结构内部抛光效率，实现均匀抛光。

25、2、阴极为点阵结构，具有超高比表面积，显著提升抛光效率。

26、3、阴极结构兼具承载功能，交错点阵结构可“自抛光”，无需额外设计和制造阴极。

27、4、交错点阵结构适用于所有桁架构型的点阵结构抛光，适用范围广。

28、5、形状优化方法可精确调控抛光均匀性，提升抛光质量。

29、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

技术特征：

1.一种自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

3.如权利要求2所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤1.1具体为：利用隐函数建模方法构建交错点阵结构几何模型，所述两相交错点阵结构在空间上互相交错但无接触，在此基础上获得第一相实体区域、第一相边界、电解液、第二相实体区域和第二相边界。

4.如权利要求2所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤1.2具体为：根据所述步骤1.1的交错点阵结构几何模型，以及金属材料、电解液电导率的物理信息，结合周期边界条件，利用有限元方法计算交错点阵结构基本单元电化学抛光过程中极间电场和点阵结构表面电流密度分布，进而根据所述点阵结构表面电流密度分布计算结果构建并计算抛光均匀性评价函数。

5.如权利要求2所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤1.3具体为：根据所述步骤1.2构建的抛光均匀性评价函数，以及交错点阵结构体积分数约束函数，构建拉格朗日函数，并计算上述函数的形状导数，基于最速梯度下降算法确定每一相点阵结构边界的法向移动速度，利用hamilton-jacobi方程更新交错点阵结构隐函数模型。

6.如权利要求2所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤1.4中的所述收敛条件为：相邻两迭代步抛光均匀性评价函数变化量<1％、设计变量变化量<1％、约束函数违反量<1％。

7.如权利要求1所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

8.如权利要求7所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤2.1具体为：将金属交错点阵结构用夹具装夹后放入电解液中进行电化学自抛光，以所述第一相点阵结构为阴极、所述第二相点阵结构为阳极，去除所述第二相点阵结构表面松散粉末层。

9.如权利要求7所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤2.3具体为：交换阴、阳极，以所述第一相点阵结构为阳极、所述第二相点阵结构为阴极，在相同电解液和抛光参数下进行抛光，去除所述第一相点阵结构表面松散粉末层。

10.如权利要求7所述的自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤2.2和步骤2.3中的电化学自抛光的抛光温度为40～70℃，抛光电压为1～10v，抛光时间为20～40分钟。

技术总结
本发明公开了一种自抛光金属点阵结构设计和电化学抛光方法，涉及电化学抛光领域，包括交错点阵结构设计的步骤和交错点阵结构制造和电化学自抛光的步骤，交错点阵结构设计的步骤具体包括先构建交错点阵结构几何模型、计算抛光均匀性评价函数、计算形状导数、更新交错点阵结构模型以及验证是否满足收敛条件；之后进行交错点阵结构的制造和电化学自抛光，电化学自抛光通过以交错点阵结构单元互相作为另一相的阴极进行电化学抛光。本发明无需额外定制阴极，通过其两相互不接触的点阵结构互为阴极抛光的工艺大幅提升点阵结构内部抛光效率，最优化的交错点阵结构可精确调控点阵结构内部电场分布，实现内外均匀抛光。

技术研发人员：张磊
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16