Công nghệ xử lý bề mặt linh kiện in 3D kim loại: lựa chọn và ứng dụng anod hóa, mạ điện, phun phủ và thụ động hóa

Giới thiệu: Vì sao chi tiết in 3D kim loại cần xử lý bề mặt

Các chi tiết kim loại được tạo hình bằng công nghệ nóng chảy chọn lọc trên nền bột bằng laser (SLM), dù mật độ bên trong có thể đạt trên 99%, nhưng độ nhám bề mặt tự do, bột chưa nóng chảy còn sót lại và lỗ rỗng hở trên bề mặt thường không đáp ứng trực tiếp yêu cầu của các ứng dụng chức năng. Về các chỉ tiêu kỹ thuật như chống ăn mòn, chống mài mòn, dẫn điện, cách điện hoặc ngoại quan, trạng thái in thô hầu như đều bị hạn chế. Xử lý bề mặt là khâu then chốt để biến một chi tiết “đã in xong” thành “chi tiết kỹ thuật có thể bàn giao”, đồng thời là bước thường bị đánh giá thấp giữa sản xuất bồi đắp và ứng dụng cuối.

一、Tiền xử lý bề mặt: trước hết làm cho bề mặt “sạch, phẳng và kiểm soát được”

Độ nhám bề mặt ban đầu của chi tiết SLM thường có Ra từ 6 đến 12μm, đồng thời tồn tại hạt cầu hóa và phần chân support còn sót. Trước khi bước vào bất kỳ xử lý tiếp theo nào, cần dùng phun cát, phun bi hoặc mài thủ công để giảm Ra xuống 1,6 đến 3,2μm, đồng thời loại bỏ hoàn toàn phần support và bột chưa nóng chảy còn dư. Cần đặc biệt chú ý rằng chi tiết in 3D kim loại thường có lỗ rỗng hở trên bề mặt; ở giai đoạn tiền xử lý phải dùng làm sạch siêu âm kết hợp cồn hoặc chất tẩy rửa kiềm để rửa sạch bột trong lỗ rỗng, nếu không dung dịch mạ hoặc chất bịt kín về sau sẽ lưu lại trong lỗ rỗng và trở thành nguồn ăn mòn lâu dài.

二、Anod hóa: chủ yếu cho hợp kim nhôm, kết hợp cách điện và chống ăn mòn

Các chi tiết in bằng hợp kim nhôm như AlSi10Mg, 6061 phù hợp nhất với anod hóa axit sulfuric, có thể tạo màng oxit nhôm dày 5 đến 25μm trên bề mặt, cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn và cách điện bề mặt, đồng thời có thể nhuộm màu để đạt hiệu ứng trang trí. Điểm chính của quy trình là: trước tiên bịt kín lỗ rỗng hở trên bề mặt, sau đó kiểm soát điện áp oxy hóa ở 12 đến 20V và nhiệt độ dung dịch điện phân 15 đến 22℃; khi chiều dày màng vượt quá 20μm, cần đánh giá độ giòn và mức tăng kích thước. Hợp kim titan TC4 tuy cũng có thể anod hóa tạo màu, nhưng màng oxit mỏng và độ bám với nền yếu, cần dùng quy trình chuyên dụng và kiểm soát chiều dày màng, không thể áp dụng trực tiếp thông số của hợp kim nhôm.

三、Mạ điện và mạ hóa học: đồng, niken, bạc giúp tăng dẫn điện và chống mài mòn

Bề mặt thép không gỉ 316L và hợp kim titan TC4 có tính trơ hóa học mạnh, nếu mạ điện trực tiếp rất dễ bong tróc. Trình tự đúng là: trước tiên tẩy dầu và loại bỏ lớp oxit, sau đó xử lý bằng chất hoạt hóa chuyên dụng, tiếp theo mạ lót một lớp kim loại mỏng. Mạ niken hóa học có thể tạo lớp mạ đồng đều 3 đến 10μm trên các khoang trong phức tạp và bề mặt dị hình, độ cứng có thể đạt 500 đến 600HV, khả năng chống mài mòn được cải thiện rõ rệt. Rủi ro chính là dung dịch bị giữ trong lỗ rỗng và giòn hydro: sau mạ bắt buộc khử hydro ở nhiệt độ cao, ví dụ giữ ở 200℃ trong 2 đến 4 giờ, đồng thời bịt kín lỗ xuyên và lỗ mù để tránh dung dịch mạ tồn dư gây ăn mòn điểm.

四、Phun phủ và lớp phủ: kết hợp cách nhiệt, chống mài mòn và ngoại quan

Phun plasma, phun hồ quang, sơn điện di và sơn bột thường được dùng để chống mài mòn, chống ăn mòn hoặc đồng nhất ngoại quan. Với các chi tiết đầu nóng cần cách nhiệt, có thể phun lớp phủ chắn nhiệt zirconia; với chi tiết ngoại quan, sơn điện di hoặc sơn bột có thể che phủ vân in. Cần lưu ý rằng phun nhiệt có đầu vào nhiệt, có thể làm biến dạng kết cấu thành mỏng hoặc công xôn; trước khi phun nên tiến hành gá kẹp và mô phỏng biến dạng nhiệt, đồng thời kiểm soát dung sai chiều dày lớp phủ trong phạm vi ±0,05mm.

五、Thụ động hóa và màng thụ động: nền tảng chống ăn mòn cho thép không gỉ và hợp kim titan

Sau khi thép không gỉ 316L được thụ động hóa bằng axit nitric hoặc axit citric, bề mặt giàu crom sẽ hình thành màng thụ động Cr2O3 đặc chắc, điện thế ăn mòn điểm có thể tăng hơn 200mV; đây là công đoạn bắt buộc đối với thiết bị y tế và chi tiết tiếp xúc thực phẩm. Hợp kim titan TC4 sau xử lý nhiệt sẽ hình thành lớp alpha giàu oxy trên bề mặt, cần tẩy axit và thụ động hóa để loại bỏ, nếu không sẽ ảnh hưởng đến độ bám của lớp mạ sau đó và tính năng mỏi. Thụ động hóa không phải “càng đậm đặc càng tốt”; nếu nồng độ và nhiệt độ vượt ngưỡng, ngược lại có thể phá vỡ tính liên tục của màng.

六、Quyết định lựa chọn quy trình và các lỗi thường gặp

Việc lựa chọn nên tuân theo thứ tự “vật liệu — chức năng — môi trường làm việc — chi phí”: hợp kim nhôm ưu tiên anod hóa, chi tiết cần dẫn điện và chống mài mòn chọn mạ niken hóa học, môi trường ăn mòn chọn thụ động hóa, ngoại quan và cách nhiệt chọn phun phủ. Bốn lỗi thường bị bỏ qua nhất là: dung dịch bị giữ trong lỗ rỗng gây ăn mòn chậm, chiều dày lớp mạ làm kích thước lắp ráp vượt dung sai, giòn hydro khiến chi tiết cường độ cao gãy giòn, độ bám kém do tiền xử lý không triệt để. Đưa xử lý bề mặt vào đánh giá DFM là cách căn bản để tránh làm lại khi bàn giao.

Kết luận

Xử lý bề mặt là chặng cuối để in 3D kim loại đi từ mẫu thử đến bàn giao kỹ thuật. Chỉ khi hiểu rõ ranh giới tương thích giữa các vật liệu và quy trình, đồng thời kiểm soát tốt tiền xử lý và bịt kín lỗ rỗng, mới có thể đạt kết quả ổn định, đáng tin cậy giữa chống ăn mòn, chống mài mòn, dẫn điện và ngoại quan.