TWI859655B - 鎳基合金工件之電解拋光處理方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種鎳基合金工件之電解拋光處理方法，本發明使用草酸活化與電解拋光的製程，可避免傳統機械加工所產生之殘留應力與加工方向性的問題，使整體工件表面性質具有均一性。
Description
本發明係與金屬加工技術有關，特別係指一種用於積層製造鎳基合金工件表面平整化的電解拋光處理方法。
金屬積層製造是現行超精密金屬零組件製造的關鍵技術之一，可有效解決高值化模具、特規金屬零組件與複雜結構形貌及內部流道的加工需求，是未來金屬精密加工產業的發展趨勢。其中金屬積層製造鎳基合金工件因具有超群的高溫機械強度與耐蝕性質，與鐵基和鈷基合金合稱為超合金(Superalloy)，可應用於540℃以上的高溫環境、特殊耐蝕環境、高溫腐蝕環境、需具備高溫機械強度之設備，已成為國防、航太與醫療產業的未來主要應用材料之一；然上述產業對金屬積層製造鎳基合金工件的精度尺寸要求相當高，對工件表面的平整度及粗糙度更是要求，特別是在具有複雜扭轉曲面且薄板特徵的葉片工件，其技術難度更深，降低材料表面粗糙度，不僅能防止因材料表面缺陷而導致的應力集中現象以及減少機械振動及磨損，更能增加工件材料的使用壽命。
傳統機械切削加工會在工件表面形成塑性變形層與存在加工方向性，此現象無法準確地反應出金屬工件的
真正的結構和性質，而雷射加工則容易在金屬表面產生再鑄層堆積；然電解拋光技術是基於陽極溶解原理，藉以使工件表面平坦與光澤化之加工技術，且電解拋光的陽極溶解並不存在方向性並可優先溶解掉金屬表面的塑性變形層，達到去除表面殘留應力的效果外，電解拋光後的工件表面粗糙度與鏡面光澤度均是傳統機械拋光所無法比擬。
金屬積層製造雖可製造複雜型貌、複雜流道及內部結構的金屬製品，然其產品卻有表面粗糙度過高之缺點，因此必須藉由後續的加工才能達到商品化的需求，而目前的精密研磨拋光加工例如：磨削加工(Grinding)、研光(Lapping)、機械化學拋光(Mechano-Chemical Polishing)、化學機械拋光(Chemo-Mechanical Polishing)等等，這些技術上都有形狀及精度上的限制，而且也會有加工變質層及殘留應力的現象發生。而電解拋光表面處理製程雖具有拋光表面不會產生變質層，無附加應力及可加工形狀複雜、細小工件等優勢，但重要的是，電解拋光技術卻也受到金屬表面結構、電解液配方、溫度、電流密度和電壓等因素的影響；上述參數均易造成電解拋光過程中的陽極溶解不均勻性，進而導致拋光工件無法達到所預期之粗糙度與光澤度，且目前亦尚無針對積層製造所產製的鎳基合金物件的電解拋光配方與參數的文獻報導。
為改善先前技術之缺點，本發明係提供一種鎳基
合金工件之電解拋光處理方法，本發明使用草酸活化與電解拋光的製程，可避免傳統機械加工所產生之殘留應力與加工方向性的問題，使整體工件表面性質具有均一性。
本發明係為一種鎳基合金工件之電解拋光處理方法，該鎳基合金工件係以積層製造方式製作而成，該電解拋光處理方法步驟係包括：(A)將該鎳基合金工件進行噴砂處理，再將該鎳基合金工件置於一草酸溶液中、對該鎳基合金工件進行超音波震盪；(B)將該鎳基合金工件置入一由甲醇、硫酸、過氯酸混合而成的電解液中，以一定電壓對該鎳基合金工件進行電解拋光。
本發明之一實施例中，該(A)步驟之噴砂處理係使用金鋼砂。
本發明之一實施例中，該(A)步驟之草酸溶液之濃度為5~15vol%。
本發明之一實施例中，該(A)步驟之超音波震盪之操作時間為5~10分鐘，操作溫度為20~30℃。
本發明之一實施例中，該(B)步驟之電解液之成份體積比為：甲醇80%以上、硫酸4.5%以上、過氯酸12%以上。
本發明之一實施例中，該(B)步驟之電解液之成份體積比為甲醇：硫酸：過氯酸=18：1：3。
本發明之一實施例中，該(B)步驟之定電壓範圍為10~15V，操作溫度為0~30℃。
本發明之一實施例中，該(B)步驟之反應時間為15~20分鐘。
本發明之一實施例中，該鎳基合金工件之使用材料係為以鎳為基底的積層製造鎳基粉末及其改質粉末，包括Inconel 625、Inconel 713、Inconel 713LC、Inconel 718、Inconel 718 plus等。
本發明之一實施例中，該鎳基合金工件係為熱處理狀態、或積層製造粗胚狀態之工件。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。
S01~S0:步驟
圖1係為本發明之鎳基合金工件之電解拋光處理方法實施例步驟圖。
圖2係為本發明之電解拋光處理製程之各階段工件SEM圖。
圖3係為之電解拋光處理製程之各階段3D白光粗糙度量測圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
本發明鎳基合金工件之電解拋光處理方法實施例步驟圖如圖1所示，該實施例步驟係包括：(A)草酸活化：將該鎳基合金工件進行噴砂處理，再將該鎳基合金工件置於一草酸溶液中、對該鎳基合金工件進行超音波震盪，超音波震盪之操作時間為5~10分鐘、操作溫度為20~30℃，草酸溶液之濃度為5~15vol% S01；(B)電解拋光：將該鎳基合金工件置入一由甲醇、硫酸、過氯酸混合而成的電解液中，以一定電壓對該鎳基合金工件進行電解拋光，定電壓範圍為10~15V，操作溫度為0~30℃，反應時間為15~20分鐘 S02。
前述本發明之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，有一較佳實施例的製程參數為：(A)步驟中草酸濃度為10vol%，超音波震盪的處理時間為5分鐘；(B)步驟中甲醇、硫酸、過氯酸之組成比例為900ml、50ml、150ml，定電壓為12V，操作溫度大於10℃，電解拋光的反應時間為20分鐘。
本發明之一實施例中，電解拋光工作步驟可區分為三個步驟，將工件樣品置於陽極，當電解拋光時，陽極上之工件樣品即產生溶解反應，進行整平、平滑化、光澤化的步驟，以達到拋光效果，各步驟原理如下所述：
整平：反應初期，試片表面較為粗糙，此時金屬表面高點處的電場強度大，表面高點處出現溶解現象，反觀低點因電場強度較低受到溶解速度較小，此階段去整平效果為整
體製程中占最大。反應進行一段時間後，可達到初步整平的效果，此步驟也同時去除表面雜質。
平滑化：當反應進入此階段時，電解時從物品表面放出金屬離子，溶入電解液中，與電解液中的酸根離子結合，在陽極表面形成反應生成物的薄膜(阻障層)，此阻障層會隨電解液的不同而有所差異，此阻障層厚度雖薄，但是所造成的電阻卻甚高，一樣在所處理之表面形成高低的落差，造成高點溶解，低點受到保護的作用電場集中較小，基材表面之高點長時間溶解後逐漸縮短表面的高低落差，達到表面平滑化效果。
光澤化：消除表面的微粗糙面，在此階段中，分布於基材表面的黏稠層為發生微量拋光的場所。在此時，陽極電流密度會變得很小，使得微觀高點產生微量的去除，而低點則形成保護作用，不發生溶解，使基材達到亮化效應。
圖2為本發明之電解拋光處理製程之各階段工件SEM圖，圖3為3D白光粗糙度量測圖。圖2與圖3中，(a)為未經電解拋光的積層製造鎳基合金工件表面，(b)為經本發明第一步驟噴砂處理及草酸活化後的工件表面，(c)為經本發明第二步驟電解拋光後的工件表面。
由圖2與圖3可發現，本發明提供之電解拋光製程可使積層製造鎳基合金工件的表面粗糙度從10.1μm大幅下降至1.1μm，達到整體光滑平整之形貌，顯示本開發之電解拋光製程
可有效應用於積層製造鎳基合金工件之表面拋光需求。
藉此，本發明係提供一種鎳基合金工件之電解拋光處理方法，可改善現行積層製造鎳基合金工件表面粗糙度過大的缺點，使其達到商品化的需求。本發明可避免傳統機械加工所產生之殘留應力與加工方向性的問題，使整體工件表面性質具有均一性。本發明使用的方法步驟操作簡單、溶液個別成份取得方便，未來並可搭配自動化電解拋光製程導入，可於短時間內同時拋光整平多件工件，以達高效率生產的目的。本發明可推廣至國防軍事產業如飛機結構、太空載具及人造衛星，另於半導體、光電、航太、生化、醫療及精密機械產業上亦多有應用。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S01~S02:步驟
Claims (9)
- 一種鎳基合金工件之電解拋光處理方法，該鎳基合金工件係以積層製造方式製作而成，該電解拋光處理方法步驟係包括：(A)將該鎳基合金工件進行噴砂處理，再將該鎳基合金工件置於一草酸溶液中、對該鎳基合金工件進行超音波震盪；(B)將該鎳基合金工件置入一由甲醇、硫酸及過氯酸組成的電解液中，以一定電壓對該鎳基合金工件進行電解拋光；其中該(A)步驟之超音波震盪之操作時間為5~10分鐘，操作溫度為20~30℃，該鎳基合金工件係為熱處理狀態、或積層製造粗胚狀態之工件。
- 如請求項1所述之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，其中該(A)步驟之噴砂處理係使用金鋼砂。
- 如請求項1所述之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，其中該(A)步驟之草酸溶液之濃度為5~15vol%。
- 如請求項1所述之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，其中該(B)步驟之電解液之成份體積比為：甲醇80%以上、硫酸4.5%以上及過氯酸12%以上。
- 如請求項1所述之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，其中該(B)步驟之電解液之成份體積比為甲醇：硫酸：過氯酸=18：1：3。
- 如請求項1所述之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，其中該(B)步驟之定電壓範圍為10~15V，操作溫度為0~30℃。
- 如請求項1所述之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，其中該(B)步驟之反應時間為15~20分鐘。
- 如請求項1所述之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，其中該鎳基合金工件之使用材料係為以鎳為基底的積層製造鎳基粉末及其改質粉末。
- 如請求項1所述之鎳基合金工件之電解拋光處理方法，其中該鎳基合金工件之使用材料包括Inconel 625、Inconel 713、Inconel 713LC、Inconel 718或Inconel 718 plus。
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