GH3044合金表面的等离子体电化学去除机制：阳离子驱动行为与动态气体层特性

《Applied Surface Science》：Plasma electrochemical removal mechanism on GH3044 alloy surface: cation-driven behavior and dynamic gas layer characteristic

等离子电解抛光（PEP）中不同阳离子对动态气层（VGE）及GH3044合金抛光性能的影响研究表明，Li+引发湍流VGE导致材料去除不均，而Na+、K+促进稳定VGE但过厚抑制溶解，NH4+形成稳定且厚度适中的VGE，并生成·NH3作为配位体有效去除表面氧化物。优化参数后表面粗糙度从240.1 nm降至44.6 nm。

　　

Jinwei Liu|Gaoyu Xia|Shuangyang Peng|Liyun Liu|Deping Yu|Peng Zhang|Xiuquan Cao|Chen Xiao

四川大学机械工程学院，中国成都610065

摘要

等离子体电化学抛光（PEP）是一种用于抛光具有复杂结构金属表面的新型技术。动态气体层对PEP中的去除行为有显著影响，但这一点却很少受到关注。在本研究中，我们探讨了阳离子与动态气体层之间的关系，并进一步将这些效应与GH3044合金的最终抛光性能联系起来。动态气体层表现出两种主要状态：湍流波动和动态稳定。研究发现，Li⁺会引发湍流蒸汽-气体包层（VGE），导致材料去除不均匀。Na⁺和K⁺有助于形成动态稳定的VGE；然而，过厚的气体层会阻碍合金的溶解过程。NH₄⁺有助于形成稳定且厚度适中的VGE层。生成的·NH₃作为配体，有效促进了表面氧化物的去除。通过使用优化参数，GH3044合金的表面粗糙度从240.1 nm显著降低到44.6 nm。这一结果为提高镍基超合金的表面质量提供了理论支持。

引言

镍基合金广泛用于飞机发动机的关键部件中，如涡轮叶片、燃烧室和涡轮盘[1]、[2]、[3]。这得益于它们优异的机械性能、承受极端工作条件的能力以及良好的抗氧化性。基材的表面质量对这些部件的性能和服务寿命有着重要影响。例如，航空发动机叶片的表面粗糙度应约为Ra 0.4 μm，以确保出色的空气动力学特性和更长的服务寿命[4]。常用的镍基高温合金抛光方法包括机械研磨抛光[5]、[6]、电化学抛光[7]、[8]、[9]和激光抛光[10]。这些工艺可以提高表面质量，以满足各种极端环境下的航空航天应用需求。然而，它们各自都有局限性。机械抛光可能会产生微裂纹和残余应力，并且难以处理复杂或不规则的形状。电化学抛光会产生废水和废气，对人类健康构成一定危害。激光抛光需要高功率设备，导致成本显著增加[11]。因此，有必要探索新的抛光方法来避免这些缺陷。

等离子体电化学抛光（PEP）是一种新型抛光技术，它通过电解质溶液中的等离子体反应和电化学过程的协同作用实现材料去除[12]。该技术因能够实现低表面粗糙度、高光泽和高效率而受到广泛关注，适用于复杂工件且不会产生残余应力[13]、[14]。与传统电化学抛光相比，PEP使用低浓度盐溶液，具有显著的环境优势，适用于抛光各种金属和合金，如不锈钢[15]、[16]、钛合金[17]、铝合金[18]和铜[19]。然而，PEP在降低镍基合金表面粗糙度方面的效果明显不如上述材料。表面粗糙度的降低幅度仅为72%，而对于SS304不锈钢，可以达到80%[20]。由于缺乏对材料去除机制的清晰理解，基于镍基超合金的材料特性来优化这一过程具有挑战性。

关于PEP中镍基超合金的材料去除机制，学术界存在两种观点。一种观点认为，镍基超合金的材料去除行为是由电化学反应和等离子体相互作用的综合效果造成的[21]、[22]。另一种观点认为，这种去除行为主要由电化学反应驱动，抛光过程中蒸汽-气体包层（VGE）气层的不连续性和波动促进了超合金的表面精加工[23]。尽管存在分歧，但两种观点都承认电化学反应在去除过程中起着关键作用。电解质组成作为影响电化学行为的核心参数，一方面与工件材料发生化学反应[25]、[26]，另一方面离子可能会影响材料的表面电荷状态[27]，从而影响其表面电化学行为。关于后者的研究相对较少。缺乏相关的理论框架阻碍了对PEP中镍基高温合金材料去除机制的深入理解。因此，迫切需要研究电解质中离子对VGE动力学行为的影响，以进一步丰富去除理论。

在本研究中，采用了等离子体电解抛光（PEP）方法，系统地研究了不同阳离子对蒸汽-气体包层（VGE）动态演变及合金表面质量的影响。首先，使用Li₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄和(NH₄)₂SO₄作为抛光盐进行抛光实验。实验在三个pH值（4、7、10）下进行，考察了这些pH值对GH3044合金表面质量的影响。同时记录了抛光前后溶液pH值和电导率的变化。随后，通过观察抛光盐对VGE行为和等离子体发射的影响来评估能耗。在等离子体电解抛光过程中，使用高速摄像机和示波器监测VGE、等离子体发射和电流的变化。抛光后，通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）检查合金表面。接着，使用能量色散X射线光谱（EDS）表征抛光表面的元素组成，并通过X射线光电子能谱（XPS）分析化学价态，以阐明抛光机制。最后，对GH3044合金的表面性能进行了测试，包括润湿性、耐磨性和表面显微硬度。

化学试剂

电解质含有4 wt%的抛光盐、pH调节剂和去离子（DI）水。常用的单价阳离子盐——Li₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄和(NH₄)₂SO₄——用作抛光盐。KOH和HNO₃用于将电解质的pH值调节为3、7和10三个水平。所有试剂均为分析级，由国药化学试剂有限公司提供。

材料

GH3044板材被切割成尺寸为3 × 10 × 10 mm³的试样。其基本化学成分见表1。

材料表面质量的影响

图2显示了使用不同盐在不同pH值下抛光后的GH3044合金表面粗糙度S_a。随着pH值的增加，使用Li₂SO₄时的表面粗糙度S_a从188.7 nm增加到334.3 nm。使用Na₂SO₄时，粗糙度范围为131.9 nm至187.8 nm；使用K₂SO₄时，粗糙度为185.8 nm至249.8 nm；使用(NH₄)₂SO₄时，在pH 4时粗糙度为44.6 nm，在pH 7时为55.7 nm，在碱性条件下增加到470.2 nm。这些结果表明(NH₄)₂SO₄产生的表面粗糙度较低。

结论

本研究采用PEP技术对GH3044合金进行了抛光。研究了四种不同阳离子（Li⁺、Na⁺、K⁺和NH4⁺）与动态气体层演变之间的关系。表征了这些阳离子对合金表面形貌和微观结构的影响，并检查了合金的表面粗糙度和表面膜性能。具体结论如下：

1.

在相同的PEP工艺条件下，不同的阳离子会导致VGE的变化

作者贡献声明

Jinwei Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，资金获取。Gaoyu Xia：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，研究，概念构思。Shuangyang Peng：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。Liyun Liu：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。Deping Yu：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。Peng Zhang：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。数据可用性：数据可应要求提供。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52305494和52405217）、四川省科技计划（编号：2024NSFSC0894、2024JDHJ0006和2025YFHZ0164）、先进装备摩擦学国家重点实验室的摩擦学科学基金（编号：SKLTKF24B08）以及四川大学的科技创新团队计划（编号：SUSE652A004）的支持。