3D打印内壁抛光不均匀？纳米颗粒让微小通道既光滑又高尺寸精度

激光粉末床熔融等增材制造技术可以制造出传统工艺无法实现的复杂内部结构，例如用于散热的微通道热管。然而，层层堆积的加工方式也会在表面留下“后遗症”：

• 粘附粉末：未熔化的颗粒粘在表面。

• 阶梯效应：层层制造形成的固有台阶特征。

• 熔池边界：在熔池结构中具有更快的溶解速率。

这些特征导致内表面粗糙度通常>10 μm，对于直径小于3 mm的微通道，会严重阻碍液体流动和热交换。例如，热管依靠内部毛细结构输运工质，而内表面无规律的粗糙特征会大大减缓工质的流动速率进而降低内通道表面的毛细力，影响散热效率。此外，熔池边界更快的溶解速率是导致抛光不均匀的主要原因之一。

电化学抛光是一种非接触式精加工方法，通过阳极溶解去除表面凸起。但传统电化学抛光主要依赖工艺参数优化（电压、时间、电解液等），而忽略了材料本身的微观结构对溶解均匀性的影响。在金属3D打印中，熔池内部和边界的晶粒尺寸、取向、第二相分布都存在差异，导致局部电化学势不同，溶解速度不一，最终抛光后的表面仍然起伏不平。

上海交通大学的研究团队，提出一种在增材制造合金中引入原位纳米颗粒的策略，从材料根源破解3D打印流道内壁抛光不均匀的难题。本期谷·专栏，将分享这一让纳米颗粒“当监工”的创新性解题思路。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.08.043

第一作者： 母杰瑞

通讯作者： 王洪泽

通讯单位： 上海交通大学

解题思路：让纳米颗粒“当监工”

研究团队提出了一种从材料根源入手的策略：在AlSi10Mg合金粉末中原位生成TiB₂纳米颗粒（尺寸小于100 nm），然后通过3D打印成型。这些纳米颗粒在凝固过程中扮演两个角色：

1. 晶粒细化剂：作为α-Al的异质形核核心，将粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶，平均晶粒直径从7.43 μm降至2.85 μm。高角度晶界比例从82.8%提高到97.1%。

2. 电位调节剂：TiB₂本身的腐蚀电位比铝基体高，但均匀分散后能提升周围铝基体的局部电位，减小不同晶粒之间的电位差异。

这样一来，原本在熔池边界容易优先溶解的“薄弱区”被大幅削弱，腐蚀坑从纵向深挖转向横向扩展，从而获得更均匀的溶解表面。

实时“透视”：同步辐射X射线看电化学溶解过程

为了直观对比有无TiB₂时的电化学溶解行为，研究者在上海同步辐射光源进行了原位X射线成像（图2a-b）。在10 wt.% NaNO₃溶液中施加3V恒电位，观察480秒内的表面形貌演变。

结果：

普通AlSi10Mg：溶解表面起伏剧烈，最大深度差达116 μm，表面粗糙度在11.7-34.5 μm之间波动，且平均溶解深度随时间非线性增长，说明溶解状态不稳定。

TiB₂/AlSi10Mg：最大深度差仅55 μm，表面粗糙度稳定在11.2-12.4 μm，平均溶解深度线性增加，溶解过程均匀可控。

电化学测试进一步证实：TiB₂/AlSi10Mg的点蚀电位（1.88 V）高于普通AlSi10Mg（1.38 V），钝化膜更稳定；在3V下的腐蚀电流密度（0.041 A/cm²）远低于普通样品（0.102 A/cm²），说明溶解速率更温和。

腐蚀坑的“三步走”与晶粒细化的影响

通过高时间分辨率图像（图7a）和定量分析，研究人员将腐蚀坑的演化分为三个阶段：

阶段I（0-60 s）：扩散控制，坑深平方与时间呈线性关系，形成半球形或碟形坑。

阶段II（60-240 s）：坑底盐层积累，离子扩散受阻，溶解速率下降，最大坑深几乎不变。此时侧向扩展占主导。

阶段III（240-480 s）：腐蚀裂纹横向延伸导致凸起区域剥落，暴露出新鲜表面，溶解再次加速，坑深平方与时间恢复线性关系。

关键发现：在TiB₂/AlSi10Mg中，由于晶粒细化，腐蚀坑的侧向扩展更明显，纵向深度增长更慢。定量分析显示，相同时间内，TiB₂/AlSi10Mg的熔池边界与内部溶解速率差比普通合金降低了62.7%（图8a、c）。

此外，准原位CT断层扫描（图8）表明，当存在大小相近的孔隙时，TiB₂/AlSi10Mg中的孔隙能促进裂纹偏转和凸起剥落，反而加速均匀溶解；而AlSi10Mg中的孔隙则主要导致坑深加深。这说明，晶粒尺寸而非孔隙率是决定溶解均匀性的主导因素。

模拟揭秘：晶粒取向与盐层谁更“厉害”？

研究人员建立了相场模型，模拟了10秒内腐蚀坑的演化（图9a），并考虑了两种影响因素：

• 晶粒取向差异：面心立方铝的不同晶面腐蚀速率不同，{111}最快，{001}最慢，电位差约12 mV。

• 扩散限制盐层：坑底金属离子过饱和形成盐膜，阻碍离子传输。

模拟结果显示：

盐层对坑形的影响占比68.1%，晶粒取向影响占31.9%。

在无扩散限制条件下，晶粒细化使溶解深度减少32.6%（9.02→6.08 μm）；在有盐层时，减少幅度仅为16.4%（6.42→5.37 μm）。这说明当存在盐层时，晶粒取向的影响被削弱，但细化晶粒依然有助于减小深度差异。

电位分布模拟：在相同深度区间，TiB₂/AlSi10Mg的电位差（58 mV）远小于普通合金（147 mV），证明晶粒细化使局部电化学势更加均匀。

扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）进一步测量了各相的电位：

铝基体最负（暗）

硅网络稍高（较亮）

TiB₂纳米颗粒最高（最亮）

但TiB₂与铝的电位差（约38 mV）小于硅与铝的电位差（约43 mV）。由于TiB₂均匀分布在晶界，它并没有加剧局部电偶腐蚀，反而通过提高周围铝的电位，使整个表面电位分布更平坦。

应用验证：1.4 mm热管“脱胎换骨”

在真实的热管（12个内径1.4 mm的直通道）上进行电化学抛光后，对比结果令人振奋：

• 表面粗糙度：从5.4 μm降至2.2 μm，改善85%。

• 圆度公差：从59 μm降至31 μm，改善76%。

• 毛细爬升高度：采用红外热像法测量工质（乙醇）的上升高度，TiB₂/AlSi10Mg热管的毛细性能比普通AlSi10Mg热管提升218%（图3d）。

这意味着，经过TiB₂改性和电化学抛光后的3D打印微通道，能够更有效地利用毛细力驱动液体流动，从而显著提高热管的传热效率。

结论与展望

本研究证明了：在增材制造合金中引入原位纳米颗粒（TiB₂），可以主动调控电化学溶解行为，实现更均匀的材料去除。

核心机制总结：

1. 晶粒细化：柱状晶→等轴晶，晶粒取向随机化，局部电位梯度降低。

2. 腐蚀模式转变：从纵向深坑→横向裂纹扩展，加速凸起剥落，减缓深坑发展。

3. 盐层辅助稳定：扩散限制盐层使溶解前缘均匀推进。

4. 电位均化：均匀分散的TiB₂纳米颗粒提升周围铝基体的局部电位，削弱微区电偶效应。

这种“材料-工艺协同”策略，为未来3D打印复杂内流道、散热结构、微反应器等高性能部件的精密后处理提供了可推广的新范式。随着增材制造向更小、更复杂的内腔发展，纳米颗粒的“内建”功能将越来越重要。

图片解析

图 1：实验方法与流程示意图。(a) 增材制造热管及其原始表面；(b) 电化学溶解过程原位观察示意图；(c) 增材制造热管毛细作用测试示意图。

图 2：增材制造样品在10 wt.% NaNO₃溶液中沿构建方向480 s电化学溶解过程的原位同步辐射X射线成像。(a) 增材制造AlSi10Mg；(b) 增材制造TiB₂/AlSi10Mg；(c) 溶解表面定量轮廓图；(d) 溶解表面平均粗糙度和平均溶解深度随时间的变化；(e) 增材制造AlSi10Mg和(f) 增材制造TiB₂/AlSi10Mg在电化学抛光后的形貌对比。

图 3：增材制造AlSi10Mg和增材制造TiB₂/AlSi10Mg热管的毛细作用与电化学抛光效果对比。(a) 内表面粗糙度；(b) 圆度公差；(c) 红外热像仪捕捉的毛细爬升高度；(d) 毛细作用的定量结果。

图 4：增材制造AlSi10Mg和增材制造TiB₂/AlSi10Mg在10 wt.% NaNO₃溶液中的典型点蚀形貌。(a-c) 增材制造AlSi10Mg；(d-f) 增材制造TiB₂/AlSi10Mg及(f)中对应的元素分布；(g-j) TiB₂纳米颗粒与铝基体在[001]带轴下的HRTEM图像及(g)中对应的元素分布。

图 5：增材制造AlSi10Mg和增材制造TiB₂/AlSi10Mg在10 wt.% NaNO₃溶液中轻微溶解后沿构建方向的晶粒特征。EBSD结果及对应的晶界分布：(a) 增材制造AlSi10Mg，(b) 增材制造TiB₂/AlSi10Mg；(c) 增材制造样品的等径直径分布统计；(d) 高角度晶界（HAGB）和低角度晶界（LAGB）的统计。

图 6：增材制造样品在10 wt.% NaNO₃溶液中的电化学溶解性能。(a) 动电位极化曲线；(b-d) 增材制造AlSi10Mg和(d-f) 增材制造TiB₂/AlSi10Mg的溶解熔池结构；(g) 对应的元素分布；(h) 样品溶解熔池形貌对比。

图 7：10 min内腐蚀坑的演化与定量分析。(a) 原位同步辐射X射线成像；(b) 三个不同腐蚀坑随溶解时间增加的局部溶解速率；(c) 溶解深度平方（h²）与溶解时间的拟合结果；(d, e) 电化学溶解过程中对应的腐蚀坑轮廓。

图 8：增材制造样品在10 wt.% NaNO₃溶液中电化学溶解1、3和5 min后的X射线断层扫描重建图，以及随溶解时间变化的溶解速率，和5分钟时溶解形貌对比。(a, b) 增材制造AlSi10Mg；(c, d) 增材制造TiB₂/AlSi10Mg。

图 9：电化学溶解10 s过程中腐蚀坑模型的边界条件与模拟结果。(a) 增材制造AlSi10Mg和增材制造TiB₂/AlSi10Mg中腐蚀坑的示意图及演化；(b) 样品随溶解时间增加的溶解深度演化；(c) 相同深度范围内（图a中直线AB和CD）的初始电位分布和电解液电位分布；增材制造TiB₂/AlSi10Mg晶粒尺度的表面电位分布。(d) 沿A、B、C线的高度、电位和表面电位分析。

图 10：原位TiB₂纳米颗粒改性前后均匀电化学溶解机制示意图。(a-c) 增材制造AlSi10Mg；(d-f) 增材制造TiB₂/AlSi10Mg。

论文引用

Jierui Mu, Qianglong Wei, Chu Lun Alex Leung, Qiang Lu, Zijue Tang, Zhenyang Gao, Pengyuan Ren, Tengteng Sun, Yakai Xiao, Yi Wu, Yongbing Li, J.P. Oliveira, Jian Lu, Haowei Wang, Hongze Wang, J. Mater. Sci. Technol. 256 (2026) 295-309.

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.08.043.

课题组介绍

母杰瑞，2026年获上海交通大学博士学位，主要从事增材制造金属结构表面处理研究，以第一作者在Progress in Materials Science、International Journal of Machine Tools and Manufacture、Journal of Materials Science & Technology、Corrosion Science、Materials letter等期刊发表SCI论文7篇。自主搭建了同步辐射原位电化学溶解观测装置，揭示了电化学溶解行为，提出了激光增材-电化学减材一体化策略，开发了预溶解-电化学抛光复合新技术。

王洪泽，上海交通大学长聘副教授、博士生导师、国家优青（海外）、团中央强国青年科学家、麻省理工科技评论中国35岁以下科技创新35人，欧盟玛丽居里学者，全国有色金属优秀青年科技奖获得者，长期从事金属材料激光增材制造研究。主持国家自然科学基金4项，科技部重点研发计划国际合作专项首席科学家、科技创新2030重大专项课题负责人，研究成果获中国材料研究学会技术发明奖和中国光学学会技术发明奖，入选首届“中国焊接制造十大进展”和“中国有色金属优秀成果”。

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