不锈钢阵列结构选区激光熔化制备与电化学抛光技术研究

论文摘要

多孔结构材料尤其是有序的孔洞排布结构材料具有良好的力学性能和功能特性,比如具有质轻、高比强度、減震、吸音、吸能等特点,可应用于汽车、航天、船舶、建筑、土木、机械、医疗、能源、军工等领域。然而由于其结构的复杂性,传统的工艺无法制造内孔以及微小复杂的孔洞结构,探索多孔结构合理可行的制备方法和工艺逐渐受到人们重视。3D打印技术中的选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术可用于解决多孔结构的制造难题。但是,以粉末颗粒为基材的粉末床熔化技术,在逐层成形过程中,未被熔化的粉末颗粒会残留在熔池侧壁的固液凝固界面,造成粗糙的制备表面,这种表面缺陷在复杂的多孔结构中尤为严重,因此SLM制备多孔结构的表面问题,已成为该技术的瓶颈之一。此外,SLM制备多孔结构主要优势是具备可设计性,有望实现新的功能性应用,结合SLM技术研究能源领域中金属多孔电极,为新一代多孔电极的设计和制备提供指导。本研究从单道到单层多道再到多层多道,逐级递进对不锈钢阵列形式的多孔结构SLM制备工艺进行优化,确定了制备微米尺度Bcc阵列结构的SLM优化工艺。成功制备了无气孔、裂纹等缺陷和无变形的Bcc阵列结构,并分析了其微观组织特征。建立了阵列结构的力学分析模型,计算分析了Bcc阵列的压缩性能及变形、失效机理,并预测了不同相对密度Bcc阵列结构的能量吸收特性,为Bcc阵列结构的能量吸收应用和设计提供理论指导。针对SLM制备不锈钢阵列结构表面粗糙度的后处理问题,本研究提出一种可以高效平滑粗糙三维结构表面的过电位电化学抛光（OECP）新方法,可以高效、高选择性地去除SLM制备表面的粘附颗粒,并基于电化学分析阐明了过电位电化学抛光机理。更进一步,开发了过电位电化学抛光+常规电化学抛光（OECP+ECP）的组合抛光技术,可以显著提高抛光质量和减少材料去除量,研究表明,新型抛光方法可有效提升SLM制备阵列结构的力学性能,使其单位质量的压缩平台应力和能量吸收提高近1倍。基于开发的SLM制造工艺与新型抛光技术,实现了复杂异形管道内表面更灵活可控、更高效的平滑,对钢、铝等多种材料都具有广泛的适用性。针对能源领域对电极导电性、机械强度的高要求,本研究设计了网格阵列结构电极。通过SLM和OECP技术成功制备具有连续框架结构的网格阵列结构电极。其电导率和拉伸性能分别达到商用泡沫不锈钢的4倍和10倍;在此基础上,设计了流道嵌入的中空多孔圆锥阵列结构电极,并在中空多孔阵列结构表面沉积了纳米针,成功制造了多尺度的三维电极。该电极具有优异的电子/离子/溶液传输性,以及高电化学活性表面积、高电极活性及耐腐蚀性。该多尺度电极电化学活性表面积为商用泡沫不锈钢的9倍;与其他同材质电极相比,此电极实现了达到目前报道的最低过电位,电极耐久时间为商用泡沫不锈钢的7倍多。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 金属多孔结构的研究现状

1.2.1 多孔结构及其相关研究的起源

1.2.2 多孔结构的设计及其发展

1.2.3 多孔结构的特性分析

1.3 金属多孔结构的加工方法

1.3.1 金属多孔结构的传统制备方法

1.3.2 3D打印技术的原理及特点

1.3.3 SLM制备金属多孔结构的缺陷分析

1.4 金属多孔结构的力学性能

1.4.1 多孔结构的力学参数

1.4.2 多孔结构压缩性能的表征与分析

1.5 金属结构的表面抛光技术

1.5.1 SLM制备的金属结构表面特点

1.5.2 SLM制备金属多孔结构的抛光工艺研究

1.6 金属多孔结构的功能性应用

1.7 本文的主要研究内容

第2章试验材料及研究方法

2.1 试验设备

2.2 试验材料与方法

2.2.1 316L不锈钢粉末

2.2.2 选区激光熔化（SLM）方法

2.3 分析测试方法

2.3.1 显微组织分析

2.3.2 相组成及相分析

2.3.3 表面成分及价态分析

2.3.4 压缩性能测试

2.3.5 致密度和孔隙率检测

2.3.6 孔形态和结构三维特征分析

2.3.7 粗糙度测量

2.3.8 电化学性能测试

第3章不锈钢阵列结构的设计与SLM制备

3.1 引言

3.2 不锈钢Bcc阵列结构的设计与建模

3.2.1 Bcc阵列结构设计

3.2.2 Bcc阵列结构力学性能数值模拟建模

3.2.3 Bcc阵列结构相对密度的计算与设计

3.3 不锈钢Bcc阵列结构的SLM制备工艺

3.3.1 不锈钢Bcc阵列结构SLM工艺特点

3.3.2 不锈钢单一熔道的SLM工艺优化

3.3.3 不锈钢多道多层的SLM工艺优化

3.3.4 不锈钢阵列结构的SLM工艺优化

3.4 SLM制备不锈钢Bcc阵列结构的微观组织分析

3.5 SLM制备不锈钢Bcc阵列结构的力学性能分析

3.6 不同密度Bcc阵列结构的吸能特性预测与分析

3.7 本章小结

第4章不锈钢阵列结构的电化学抛光技术

4.1 引言

4.2 SLM制备不锈钢阵列结构的表面特征

4.2.1 SLM制备不锈钢表面的分类

4.2.2 SLM制备不锈钢表面粗糙度形成原因

4.3 SLM制备不锈钢表面抛光策略

4.4 新型过电位抛光（OECP）技术

4.5 OECP工艺优化

4.6 OECP技术对初始表面粗糙度的抛光能力分析

4.7 阵列结构的ECP与 OECP抛光技术比较

4.8 OECP+ECP组合式抛光技术

4.9 抛光对阵列结构力学性能的影响

4.10 OECP技术的适用性初探

4.10.1 异形管道内壁抛光

4.10.2 不同金属材料的抛光

4.11 本章小结

第5章阵列电极的SLM制备及其电化学性能分析

5.1 引言

5.2 阵列电极设计与制备

5.2.1 网格阵列结构电极设计与制备

5.2.2 中空多孔阵列结构电极设计与制备

5.3 阵列电极的抛光

5.3.1 抛光对阵列电极结构的影响

5.3.2 抛光对阵列电极力学性能的影响

5.3.3 抛光对阵列电极耐腐蚀性能的影响

5.4 阵列电极的结构与物理性能表征

5.4.1 网格阵列结构电极

5.4.2 中空多孔阵列结构电极

5.5 阵列电极材料的微观结构分析

5.5.1 网格阵列结构电极

5.5.2 中空多孔阵列电极

5.6 阵列电极的电化学活性

5.6.1 网格阵列电极

5.6.2 中空多孔阵列电极

5.7 阵列电极的电化学服役性能分析

5.7.1 网格阵列电极

5.7.2 中空多孔阵列电极

5.8 阵列电极的服役稳定性分析

5.8.1 网格阵列电极

5.8.2 中空多孔阵列电极

5.9 阵列电极与商用泡沫电极性能比较

5.10 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

致谢

个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 常帅

导师: 李俐群,傅盈西（Fuh Ying Hsi,Jerry）

关键词: 不锈钢阵列结构,电化学抛光,阵列电极

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,金属学及金属工艺,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TG175;TG665;TN249

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005097

总页数: 131

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