过电位抛光增材制造双极板流道结构及性能研究.pdf

第 21 卷 第 3 期 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 39 收稿日期：2023-09-14；修订日期：2024-01-16 Received：2023-09-14；Revised：2024-01-16 基金项目：国防基础科研计划（JCKY2020605C007）Fund：Defense Industrial Technology Development Program(JCKY2020605C007)引文格式：简冉,董伟菘,林开杰.过电位抛光增材制造双极板流道结构及性能研究J.装备环境工程,2024,21(3):39-48.JIAN Ran,DONG Weisong,LIN Kaijie.Structure and Performance of Bipolar Plate Flow Channel by Overpotential Polishing Additive Manu-facturingJ.Equipment Environmental Engineering,2024,21(3):39-48.*通信作者（Corresponding author）过电位抛光增材制造双极板流道 结构及性能研究 简冉1,2*，董伟菘1，林开杰1（1.南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京 211106；2.结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，湖北 荆门 448035）摘要：目的目的 研究过电位抛光对不锈钢异形截面微流道内壁成形性及双极板性能的影响。方法方法 采用电化学实验、扫描电子显微镜（SEM）、粗糙度测试分别对激光粉末床熔融技术成形异形截面微流道进行测试分析，研究抛光时间对微流道内壁表面形貌、典型缺陷、表面粗糙度及双极板耐腐蚀性的影响。结果结果 在抛光前10 min，微流道内壁的质量得到有效提升，随着抛光时间的延长，其表面粗糙度达到稳定值，同时典型缺陷也由黏粉、半熔金属颗粒等局部缺陷逐渐变化到球化、挂渣、阶梯效应等大范围缺陷，直至出现点蚀现象。抛光时间在 515 min 内，LPBF 成形 316L 不锈钢表面质量提升，随着抛光时间的增加，其耐腐蚀性下降。结论结论 采用过电位抛光工艺并选择适当的过电位抛光时间，能有效提升微流道内壁成形质量及双极板耐腐蚀性能。关键词：过电位抛光；激光粉末床熔融技术；316L；微流道；双极板；耐腐蚀性 中图分类号：TG113 文献标志码：A 文章编号：1672-9242(2024)03-0039-10 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2024.03.006 Structure and Performance of Bipolar Plate Flow Channel by Overpotential Polishing Additive Manufacturing JIAN Ran1,2*,DONG Weisong1,LIN Kaijie1(1.College of Materials Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China;2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Corrosion Protection and Control,Hubei Jingmen 448035,China)ABSTRACT:The work aims to study the effect of overpotential polishing on the formability of the inner wall of stainless steel irregular cross-section microchannels and the performance of bipolar plates.The electrochemical test,scanning electron mi-croscopy(SEM),and roughness test were adopted to analyze the laser power bed fusion(LPBF)shaped microchannels.The ef-fects of polishing time on the surface morphology,typical defects,surface roughness,and corrosion resistance of microchannels were studied.In the first 10 minutes of polishing,the quality of the inner wall of microchannel was effectively improved.With 40 装 备 环 境 工 程 2024 年 3 月 the extension of polishing time,the surface roughness reached a stable value,and the typical defects gradually changed from lo-cal defects such as sticky powder and semi molten metal particles to large-scale defects such as spheroidization,slag hanging,and step effect,until pitting.Within 515 minutes of polishing,the surface quality of LPBF formed 316L stainless steel was im-proved.With the extension of polishing time,its corrosion resistance decreased.Adopting an overpotential polishing process and selecting an appropriate overpotential polishing time can effectively improve the forming quality of the inner wall of the micro-channel and the corrosion resistance of bipolar plate.KEY WORDS:overpotential polishing;laser power bed fusion;316L;microchannels;bipolar plates;corrosion resistance 目前激光粉末床熔融技术（LPBF）在高精尖装备产业领域已得到广泛应用，其直接成形的高性能的复杂化一体结构几乎不受几何形状限制1-4。然而，由于LPBF 技术本身的限制，在逐点、逐层地制备金属结构件过程中，表面不可避免地存在一些缺陷5。高粗糙度表面对流体流动性能、耐腐蚀性能和金属材料电性能产生显著的影响。尽管目前可以通过激光工艺参数（激光扫描速度、扫描策略、分层厚度）、结构参数优化、粉末质量提升等方法在一定程度上提升表面质量6-7，但仍然不能达到最佳使用要求。电化学抛光工艺是将工件连接直流电源阳极，选择性溶解凹凸不平表面结构，从而降低工件表面粗糙度、提升光亮度的后处理方法，能对复杂流道内部进行高效、稳定、精细抛光8-9。但是，目前传统的电化学抛光只采用工件极限电流平台范围中的低电压抛光，其初始抛光粗糙度仅约为 1 m，不能满足 LPBF 成形的高粗糙度双极板微流道内壁结构抛光10。因此，需探索开发出面向 LPBF成形的具备异形截面微流道双极板结构的电抛光工艺。电化学抛光中，抛光时间是一个可变因素。如果抛光时间过短，表面金属无法溶解，抛光效果较差；如果抛光时间过长，金属容易出现过腐蚀现象。因此，需要通过试验选择合适的抛光时间。本研究采用自主搭建的过电位电化学抛光设备，选定过电位抛光温度为(705)，电解液成分保持一致，采用稳压直流的方式进行抛光实验。接着，通过工件阳极极化曲线确定过电位抛光电压选择，研究抛光时间对异形截面流 道成形性、表面粗糙度、燃料电池工作条件下的耐腐蚀性、双极板表面接触电阻的影响规律，优化获得面向双极板微流道结构的高效抛光工艺。1 316L 不锈钢原始形貌 LPBF 成形金属构件表面包括顶面和侧面。在激光加工的过程中，可以通过激光的多次熔化及自身的凝固作用使得 316L 不锈钢试样顶面的金属颗粒完全熔化消散，该表面的粗糙度 Ra 为 11.194 m（如图1a 所示）。由于熔池的移动方向与其侧面垂直，不能完全将侧面的实体颗粒完全融化，从而导致 LPBF 成形构件侧表面黏附了较多的金属颗粒，粗糙度值比顶面更高，为 26.768 m（如图 1b 所示）。通常 LPBF制备的金属构件表面粗糙度的影响因素可分为 2 类：一类是由于激光扫描下熔融轨迹相互接触，以及层间“阶梯效应”11导致的较大范围的轮廓起伏；另一类是由于熔化颗粒、挂渣、球化等缺陷导致的较小的轮廓凸起。这 2 类缺陷共同导致试样表面微观形貌复杂，使用传统电化学抛光通常不能达到理想的抛光效果，因此需探索一种高效的面向微流内壁的抛光工艺。2 过电位抛光 316L 不锈钢构件工艺探索 目前对 LPBF成形件表面进行抛光的研究方法较为成熟，主要包括激光抛光12-13、机械抛光14、化学 图 1 LPBF 成形 316L 不锈钢不同表面的粗糙度 Fig.1 Different surface roughness of LPBF formed 316L stainless steel:a)top surface;b)side surface 第 21 卷 第 3 期 简冉，等：过电位抛光增材制造双极板流道结构及性能研究 41 抛光15-17、磨粒流抛光等18-19。其中，激光或机械抛光通常用来对构件外表面进行抛光处理，而对大多数内表面的处理较为困难。化学刻蚀方法处理 LPBF 成形件过程中不加选择、低对比性材料的去除往往导致抛光后试样与原始形状和尺寸存在明显偏差。本研究所选的电解抛光工艺主要是侧重于内表面的材料去除而不受抛光位置的限制，可满足所选异形截面流道内壁的精细抛光效果。传统的电解抛光工艺采用电位工件极限电流平台范围内电压较低的区域，能够将初始表面低粗糙度的试样抛光至镜面状，但其缓慢的抛光过程及非选择性材料去除，使得该方法难以适用于LPBF 成形的高粗糙度值表面，且易导致构件原始形状出现过腐蚀现象，甚至会导致尺寸严重变形20。过电位抛光工艺可有效去除表面的黏附颗粒，对结构实现高效的精抛光处理20。因此，本实验采用过电位电化学抛光工艺。过电位抛光采用的电压是在极限电流平台之外，略高于平台区末端电位的过电位区域进行电化学抛光21。过电位抛光不同 316L 不锈钢表面的抛光过程如图 2 所示。在相同的工作环境下，经机械研磨后的金属表面较为平整，因此导致表面盐膜厚度、电场分布都更加均匀，抛光时间延长对表面质量的影响不大（见图 2a）。未经处理的 LPBF 成形构件表面往往黏有许多金属颗粒，在通电环境下，颗粒周围电场分布不均匀性增大，凸起的部分周围分布更强的电场22。同时，过电位导致金属颗粒表面黏附盐膜的厚度不均匀（如图 2b 所示），盐膜更薄处更容易与流动的电解液发生接触，且导致破裂，使得凸起位置优先暴露而被去除。因此，LPBF 成形试样表面未熔化、球化等局部缺陷能够得到有效去除。为探索面向 LPBF 成形双极板结构的最高效过电位抛光电压，本实验选取表面积相同（10 mm10 mm）的 LPBF 成形样件和经过机械抛光（2000#砂纸打磨）的样件作为研究对象，对比其阳极极化曲线，如图 2c 所示。可以看出，2个试样的极限电流平台的范围均在 1.52.1 V。在低电压条件下（10 min），试样表面接触电阻值逐渐上升。结合粗糙度测量结果可知，金属表面粗糙度值越高，相应表面的电阻值越低。这是因为在测试过程中高粗糙度试样表面凸起的金属点增加了试样与碳纸的接触面积，降低了接触电阻26。但是随着试样表面整体越来越光滑，测试时试样只能与碳纸表面的无数微小接触点相贴合，与碳纸接触过小的表面积导致了较大的电阻值，表面整体接触电阻偏高。图 11 不同过电位抛光时间双极板界面接触电阻 Fig.11 Contact resistance of bipolar plate interface for different overpotential polishing time:a)curve of surface contact resistance changing with pressure;b)surface contact resistance of bipolar plates under 140 N working pressure 双极板在不同抛光时间下的 Tafel 曲线和计算所得腐蚀电位及腐蚀电流数值如图 12 所示。通过自腐蚀电位可对材料的耐腐蚀性进行初步的评价，进一步评价还需和腐蚀电流相结合。腐蚀电流反映的是材料表面材料的溶解速度，当自腐蚀电位升高的同时，腐蚀电流密度下降，则材料耐蚀性较高。由图 12a 可知，随着抛光时间的增加，双极板的耐腐蚀性先增加、后降低，且在 15 min 后维持稳定。抛光刚开始时，试样的耐腐蚀性较低。由图 12b 可见，此时腐蚀电流远高于抛光10 min的试样，为0.055 mA。这是因为LPBF成形初始表面存在的大量凸起缺陷，增加了与腐蚀溶液的接触面积，单位面积内电流量提升，材料更易锈蚀。当抛光进行到 510 min 时，试样腐蚀电流下降明显，且腐蚀电位轻微上升，表明该时间段内双极板的耐蚀性明显提升。一方面，局部缺陷的改善显著降低了试样迁移点，降低了腐蚀电流密度；另一方面，第 21 卷 第 3 期 简冉，等：过电位抛光增材制造双极板流道结构及性能研究 47 LPBF 成形试样的原始钝化膜仍保持完整，耐腐蚀电位较高。然而在抛光 15 min 时，双极板的耐腐蚀性急剧降低。结合 SEM 照片可知，此时试样整体已经进入失效阶段。钝化膜外侧铁氧化物在化学与电化学的共同作用下变薄，直至失效27。双极板表面整体点蚀现象陡然增加，使得金属表面钝化膜快速失效，导致双极板自腐蚀电位上升，易受腐蚀。同时，更加严重的点蚀微孔增加了工件与腐蚀介质的接触面积，进一步造成了腐蚀电流密度上升。随着抛光时间的延长，不断增强的点蚀效应也使得工件的腐蚀电流不断上升。图 12 不同过电位抛光时间双极板耐腐蚀性能 Fig.12 Corrosion resistance of bipolar plates for different overpotential polishing time:a)polarization curve;b)measurements of corrosion resistance current and voltage 6 结论 本文采用自搭建的过电位抛光设备对 LPBF成形异形截面微流道进行抛光工艺探索、优化及后续双极板性能的研究。系统分析了抛光时间对 LPBF 微流道内壁典型缺陷、表面形貌、特征尺寸演变的影响，并明晰了其对双极板工作条件下界面接触电阻、耐腐蚀性能的影响规律，得出以下结论：1）对于 316L 不锈钢块体和微流道结构，其整体尺寸或者特征尺寸随抛光变化趋势都是一致的。在初始抛光时间段内，表面盐溶液膜形成过程和氧化膜均阻碍了材料去除效率，大量的金属去除发生在 15 min以后。不同区域的材料去除速率相差较大，这主要是由电流密度和盐溶液薄膜所决定，电流密度高、盐溶液与外界交换迅速，材料去除速度增加。2）过电位抛光 LPBF 成形微流道不同位置的抛光效果由初始表面形貌决定，低质量的金属表面在相同抛光条件下始终维持较高的粗糙度值，如悬垂下表面。在抛光前 10 min 内，微流道内壁质量均得到有效提升。随着抛光时间的延长（15 min 后），典型位置的表面粗糙度值逐渐趋向于一个稳定值。过电位抛光去除 LPBF 典型缺陷均是先从黏粉、半熔金属颗粒等局部缺陷逐渐演变为球化、挂渣、阶梯效应等，直至出现点蚀现象，点蚀的出现会逐渐导致整体结构失效。3）在 140 N 压力下，随着过电位抛光时间的延长，包含微流道的双极板表面接触电阻是先下降、后上升的，且双极板耐腐蚀性先增加、后降低。抛光初始阶段，由于材料低质量表面增加了与腐蚀溶液的接触面积，材料发生锈蚀几率增加。随着抛光进行到515 min，LPBF 成形 316L 不锈钢表面质量提升，发生腐蚀几率下降。随着抛光时间进一步提升，材料表面钝化膜完整性降低，且孔状点蚀增加，双极板的耐腐蚀性能下降。参考文献：1 YAO D Z,WANG J,AN X Z,et al.The Essential Role of Initial Powder Bed State in Selective Laser Melting of 316 L Stainless SteelJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,2023,215:124521.2 ZHAKEYEV A,WANG P F,ZHANG L,et al.Additive Manufacturing:Unlocking the Evolution of Energy Mate-rialsJ.Advanced Science,2017,4(10):1700187.3 SNYDER J C,STIMPSON C K,THOLE K A,et al.Build Direction Effects on Additively Manufactured ChannelsJ.Journal of Turbomachinery,2016,138(5):051006.4 李亚洲,杨强,彭瑞龙,等.聚醚醚酮及其复合材料激光粉末床熔融成形的研究现状与展望J.精密成形工程,2023,15(11):46-60.LI Y Z,YANG Q,PENG R L,et al.Research Status and Prospect of Laser Powder Bed Fusion of Polyethere-therketone and Its CompositesJ.Journal 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