关于通过γ电化学选择性溶解表面改性提升镍基高温合金可加工性的学术研究报告

一、 研究概况

本研究报告了一项关于改善难加工材料——镍基高温合金可加工性的原创性研究。该研究由大连理工大学高性能精密制造国家重点实验室的Xiaolin Shi, Xiaoguang Guo, Lin Niu, Renke Kang, Zhigang Dong* 共同完成，并以题为“Surface modification by γ-electrochemical selective dissolution for improving nickel-based superalloy machinability”的论文形式，于2024年发表在《Journal of Manufacturing Processes》期刊的第132卷。通讯作者为Zhigang Dong。

二、 研究背景与目的

本研究的科学领域属于先进制造与材料表面工程交叉领域，具体聚焦于难加工金属材料的性能调控与加工工艺创新。镍基高温合金因其优异的高温强度、抗蠕变和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等关键部件。然而，这些部件通常需要通过车、铣、磨等加工方法达到高精度要求，而镍基高温合金本身的高硬度、高强度特性导致其可加工性极差，在加工过程中面临切削力大、刀具磨损严重等严峻挑战。以往的研究多集中于优化刀具材料、润滑条件和切削参数等外部工艺条件，但这些措施并未改变材料本身的属性，效果有限。因此，从根本上调整材料性能以改善其可加工性，成为了一个亟待解决的关键科学问题。

镍基高温合金的典型微观结构由两相组成：γ相（奥氏体基体相）和γ’相（Ni₃Al型金属间化合物强化相）。研究者提出一个创新设想：若能通过某种技术选择性地去除其中一相，使合金表层转变为多孔结构，则必然导致其表层强度和硬度下降，从而使加工变得容易。电化学选择性溶解（Electrochemical Selective Dissolution）技术为实现这一设想提供了可能。该技术通过对双相合金施加适当的电化学腐蚀，使两相呈现出显著的耐蚀性差异，从而优先溶解耐蚀性较差的一相，而耐蚀性较好的一相则基本保留。因此，本研究的目标是开发一种基于γ相电化学选择性溶解的表面改性新工艺，在镍基高温合金待加工表层构建多孔结构，有效降低其表层微硬度，最终达到显著降低切削力和刀具磨损、提升其可加工性的目的。

三、 详细研究流程

本研究遵循了“工艺开发-机理探究-性能验证”的系统性工作流程，主要包含以下四个紧密衔接的核心环节：

第一环节：新型γ电化学选择性溶解工艺的开发与参数确定。 此环节旨在建立一种适用于加工领域（要求中性、安全电解液）的γ相选择性溶解方法。研究首先从理论上分析了工艺参数（电解液和电位）的选择依据。研究以K417G镍基高温合金为对象，通过透射电镜能谱分析确认了γ相富Cr、γ’相富Al的关键成分差异。基于此，研究推断：要实现γ相的选择性溶解，电化学腐蚀条件必须满足既能破坏富含Cr氧化物/氢氧化物的γ相保护膜，又能稳定富含Al氧化物/氢氧化物的γ’相保护膜。理论分析指出，含氧阴离子（如NO₃⁻）电解液有助于稳定Al的氧化物/氢氧化物；而高电位会促使Cr(III)的氧化物/氢氧化物转化为可溶的Cr(VI)（CrO₄²⁻），从而破坏富含Cr的保护膜。因此，推测在含氧阴离子电解液（如NaNO₃）中施加高电位可实现γ相选择性溶解。

随后，研究通过实验验证并确定了具体工艺参数。选用中性且常见的15 wt% NaNO₃作为电解液。为了确定所需的高电位值，研究制备了化学成分分别与K417G中γ相和γ’相匹配的纯相样品，并在三电极体系中测试了它们在NaNO₃电解液中的动电位极化曲线。结果表明，在电位高于约1.3 V（vs. SCE）时，γ相的电流密度始终显著高于γ’相，表明γ相的溶解速率远快于γ’，这为实现选择性溶解提供了电位窗口。通过计算两相电流密度差（δi）并发现其在2.0 V以上达到饱和，研究最终选取了2.5 V vs. SCE作为后续实验的施加电位。进一步的恒电位极化实验（在2.5 V下进行）直观地证实了该条件下的选择性溶解行为：γ样品快速溶解、表面变粗糙、体积减小；而γ’样品几乎未发生变化，表面形成了保护性膜层。

第二环节：γ电化学选择性溶解的表面改性效果与机理研究。 此环节旨在验证工艺对实际合金的改性效果并阐明其微观机理。研究对K417G合金试样进行了在上述确定条件下（15 wt% NaNO₃, 2.5 V vs. SCE, 1200 s）的γ电化学选择性溶解处理。处理后，利用扫描电镜观察发现，合金表层成功被改性为厚度约118 μm、均匀的多孔结构层，该多孔层由立方体颗粒构成，其形状和化学成分（富Al、低Cr）与原始的γ’相一致，这表明γ相被选择性溶解，留下了空隙，而γ’相基本保留在原位。

为了阐明机理，研究采用X射线光电子能谱分析了处理前后合金表面关键元素（Cr和Al）化学态的变化。处理后的XPS谱图显示：Al的谱图中Al₂O₃和Al(OH)₃的信号显著增强，表明Al发生了阳极氧化；Cr的谱图中则出现了新的CrO₄²⁻峰，证实了理论推测——高电位下Cr₂O₃和Cr(OH)₃转化为了可溶的CrO₄²⁻。这些结果支持了如下机理模型：在自然状态下，γ和γ’表面分别形成富含Cr氧化物/氢氧化物和富含Al氧化物/氢氧化物的自然氧化膜。在NaNO₃电解液和高电位（>1.3 V）作用下，γ相保护膜中的Cr₂O₃/Cr(OH)₃溶解为CrO₄²⁻，导致保护膜破坏；而γ’相中的Al则被阳极氧化，持续生成稳定的Al₂O₃/Al(OH)₃，修补并强化其保护膜。因此，γ相失去保护而优先溶解，γ’相被其稳定的保护膜隔离而得以保留，随着腐蚀的进行，最终在表层形成以未溶解γ’相为骨架的多孔结构。

第三环节：改性层力学性能评估。 此环节旨在量化表面改性对材料表层硬度的影响。研究对未改性K417G和表面改性K417G分别进行了维氏硬度测试。结果表明，未改性合金的硬度为368.0 HV，而表面改性后合金的硬度急剧下降至150.6 HV，降幅高达59.1%。SEM观察压痕形貌发现，改性样品压痕周围出现塌陷，且压痕面积和深度更大，这直接证实了由γ相选择性溶解产生的多孔微观结构导致了材料抵抗外载荷能力的下降，即硬度显著降低，这为后续可加工性的改善提供了直接的性能依据。

第四环节：可加工性改善效果验证（铣削实验）。 此环节是研究的最终验证阶段，旨在评估表面改性对实际加工性能的提升效果。研究分别在未改性K417G和表面改性K417G工件上进行了微铣削对比实验。实验使用两刃硬质合金刀具，在固定的主轴转速、进给速率和切深（10 μm，确保切削完全在约118 μm厚的改性层内进行）条件下进行。通过测力仪测量切削力，并通过扫描电镜观察刀具磨损形貌。

实验结果令人信服：铣削表面改性K417G时的合力为1.88 N，相较于铣削未改性K417G时的2.47 N，降低了约23.9%。在刀具磨损方面，铣削未改性合金的刀具出现了严重的刀尖破损和粘结磨损；而铣削表面改性合金的刀具，其刀尖破损和粘结磨损均得到显著缓解。这些结果直接证明，通过γ电化学选择性溶解形成的多孔、低硬度表层，有效降低了材料的切削抗力和对刀具的磨损，显著改善了其可加工性。

四、 主要研究结果及其逻辑关联

本研究各环节的结果环环相扣，逻辑链条清晰：第一环节通过理论分析与实验验证，成功开发了一种使用中性NaNO₃电解液、在高于1.3 V电位下实现γ相选择性溶解的新工艺，并确定了2.5 V vs. SCE的最佳工艺参数，这为后续的表面改性提供了可靠的技术基础。第二环节应用该工艺处理实际合金，获得了预期中的多孔结构改性层，并通过XPS分析揭示了其微观机理——高电位下γ相保护膜（富Cr）的破坏与γ’相保护膜（富Al）的稳定化是选择性溶解得以实现的关键，这从理论上解释了工艺的可行性。第三环节的硬度测试结果（硬度降低59.1%）为第二环节产生的多孔结构提供了直接的力学性能量化证据，表明改性确实极大地软化了材料表层。最终，第四环节的铣削实验以前三个环节的成果为前提，证实了这种表层软化的工程价值——切削力降低23.9%，刀具磨损显著减轻，圆满实现了本研究改善可加工性的最初目标。从工艺开发、到机理阐明、再到性能验证，整个研究构成了一个完整且自洽的闭环。

五、 研究结论与价值

本研究得出以下核心结论： 1. 在NaNO₃电解液中，施加高于1.3 V（vs. SCE）的电位可以实现镍基高温合金的γ电化学选择性溶解。 2. 在该过程中，γ’相因其富含Al₂O₃和Al(OH)₃的稳定保护膜而基本不溶解；γ相则因其富含Cr₂O₃和Cr(OH)₃的保护膜被破坏而优先溶解。 3. γ电化学选择性溶解处理能将镍基高温合金表层改性为多孔结构层，使材料表层微硬度从368.0 HV大幅降至150.6 HV。 4. 基于γ电化学选择性溶解的表面改性能有效提升镍基高温合金的可加工性，显著降低切削力并减轻刀具磨损。

本研究的价值体现在：科学价值在于深入揭示了在特定电化学条件下（含氧阴离子电解液+高电位），镍基高温合金γ/γ’两相基于其保护膜成分（Cr基 vs. Al基）差异而表现出的选择性溶解行为机理，为多相合金的电化学相选择性调控提供了新的理论认知和实践案例。应用价值则更为突出，提出并验证了一种具有广阔前景的“加工前表面软化”新策略。该策略使用中性、安全的电解液，仅对待加工的表层进行改性，不影响工件基体性能，为解决镍基高温合金等难加工材料在高效制造中面临的切削力大、刀具损耗快、加工成本高等行业共性难题提供了一条创新且可行的技术途径。

六、 研究亮点

本研究的亮点在于： 1. 研究思路的创新性：将传统主要用于金相分析的电化学相萃取技术，创造性地应用于改善材料可加工性的表面改性领域，提出了“选择性溶解造孔以软化表层”的独特思路。 2. 工艺方法的新颖性：开发了一种使用中性NaNO₃电解液的新型γ电化学选择性溶解工艺，克服了传统酸性电解液腐蚀加工设备的缺点，更具工业应用潜力和操作安全性。 3. 机理研究的系统性：从两相成分差异出发，通过理论分析预测电位与电解液的作用，并综合利用动/恒电位极化、SEM、EDS、XPS等多种表征手段，完整地揭示了从保护膜化学态变化到宏观相溶解、再到多孔结构形成的全过程机理。 4. 验证链条的完整性：研究涵盖了从基础工艺参数确定、到改性效果与机理分析、再到最终加工性能验证的全流程，形成了一个设计严谨、证据充分的完整研究体系，结论坚实可信。

七、 其他有价值内容

研究在讨论中也提及了除Al和Cr外，其他合金元素（如Co）在γ和γ’相中的不均匀分布也可能影响电化学选择性溶解行为，这指出了未来研究可以进一步深化和拓展的方向。此外，作者团队之前已对γ’电化学选择性溶解进行了研究，本文则聚焦于γ相的选择性溶解，表明该团队正系统性地探索利用两相中任一相的选择性溶解来改善可加工性的不同技术路径，展现了该研究方向的系统性和全面性。