DD406超合金在NaNO?溶液中的电化学特性对激光辐照的依赖性

《Optics & Laser Technology》：Dependency of the electrochemical characteristics of DD406 superalloy in NaNO 3 solution on laser irradiation

本研究探讨激光能量密度对DD406超合金在NaNO3溶液中电化学溶解行为的影响，通过电化学测试、微观分析和工艺优化，揭示了激光与电化学协同作用机制，成功制造出薄膜冷却孔等高精度微纳结构。

　　

王静|李文云|王静涛|叶林政|李文忠|赵瑞|朱浩|徐坤|刘阳|张照阳

太原理工大学机械工程学院，中国山西省太原市030024

摘要

激光电化学加工（LECM）由于其高加工效率和高质量，在制造复杂微结构方面显示出巨大潜力。然而，激光辐照对DD406超合金在NaNO₃溶液中电化学溶解行为的影响仍不甚明了。本研究探讨了DD406超合金在NaNO₃溶液中电化学溶解行为和工艺特性对激光能量密度的依赖性。结果表明，激光能量密度显著影响钝化和溶解行为。在低激光能量密度下，钝化作用增强，形成较厚的单层钝化膜；随着激光能量密度的增加，钝化作用减弱，钝化膜变薄。在不同激光能量和电流密度下进行的LECM测试揭示了表面形态、成分和粗糙度的变化。在低激光能量密度下，材料去除主要通过电化学溶解实现，首先溶解γ相，随后γ′相发生片状腐蚀；在高激光能量密度下，激光蚀刻占主导地位，导致表面出现熔融滴珠并降低表面质量。本文提出了一个定性模型，用于解释DD406在NaNO₃溶液中LECM过程中的界面结构和溶解行为。最终成功制备了一系列微结构，包括直径为570 μm、锥角为6.48°的薄膜冷却孔；直径为560 μm × 560 μm、锥角为2.86°的正方形结构；以及直径为575 μm、锥角为6.23°的倒角正方形结构。这些微结构具有清晰的边缘，且无重铸层或杂散腐蚀等缺陷。

引言

随着技术的进步，工业界对表面质量和尺寸精度提出了越来越严格的要求，特别是在航空航天、石油化工和核能等领域[1]、[2]。尽管在精密制造方面取得了显著进展，但在加工难以加工的材料（如镍基单晶超合金）时仍面临诸多挑战。其中，DD406因其稳定的微观结构、均匀细小的γ′相沉淀强化、优异的整体性能和出色的高温耐腐蚀性而被广泛使用[3]、[4]。因此，DD406被广泛应用于薄膜冷却孔、高温部件以及能源转换和石油化工应用中的微/纳米结构的制造。传统的加工技术（如车削和磨削）在精度和表面质量方面常常不尽如人意，这些问题主要是由于材料的高强度、较差的热导率以及易于加工硬化[5]。 电化学加工（ECM）利用法拉第定律，在工件和工具电极之间施加电场来实现阳极溶解，从而获得高复制精度和无应力的表面[6]。与其他工艺（如激光加工[7]和电火花加工[8]）不同，ECM可以在不损害材料表面和内部性能的情况下加工导电材料。这使得ECM近年来在航空航天、石油化工和核能等高端领域具有吸引力。然而，在实际的ECM过程中，电流往往无法完全限制在目标加工区域内，而是会扩散到未加工的表面，导致所谓的“杂散腐蚀”或“杂散电流”[9]。这种现象是ECM中电流分布不均匀的原因之一。此外，加工间隙中的流场或电解质导电性分布不均，导致某些区域电场集中，而在其他区域电场减弱[10]，进一步加剧了电流分布的不均匀性和加工精度的不足。为了解决这些限制，基于ECM的工艺混合技术受到了关注，以提升加工能力和扩展加工窗口。McGeough等人[11]、De Silva等人[12]和Reynaerts等人[12]开发并探索了激光电化学加工（LECM），将激光的高能量密度与ECM的电化学精度相结合，通过热效应和电化学效应的协同作用实现对材料去除的精细控制。这种集成显著提高了加工效率和质量，为在难以加工的材料中制造复杂微结构提供了巨大潜力。与纯ECM工艺相比，LECM工艺具有多个优势：首先，激光辐照引起的局部温度升高提高了电解质溶液的导电性，从而加快了电化学溶解的反应速率；其次，激光等离子体产生的强烈冲击波可以破坏工件表面的钝化膜，为电化学反应提供更多位点；第三，空化效应引起的气泡崩塌有助于改善加工区域的扰动，促进电解质溶液的更新和副产物的去除。此外，Arshad等人[13]和Wang等人[14]对LECM工艺机制有了更深入的理解，研究了钝化减弱、多相溶解和颗粒脱落的新现象。他们的发现表明，LECM可以实现优异的形状精度、高表面质量和效率提升。Liu等人[15]将高速激光钻孔与电化学后处理结合，能够在20秒内加工出无重铸层或微裂纹的微孔，表面粗糙度降低了68.16%，显微硬度降低了63.40%。Zhu等人[16]、[17]提出了一种结合激光、电化学和磨料作用的复合方法，用于加工微通孔，显著提高了表面质量。热电场模拟证实，当激光脉冲能量从0.2 mJ增加到1 mJ时，电流密度增加了三个数量级，验证了激光能量与电化学活性之间的协同机制。为了进一步提高激光传输效率并拓宽加工窗口，Reynaerts等人[18]和Yang等人[19]采用了集成在管状电极中的同轴光纤激光器，实现了直径为1.25 mm、长宽比为42:1的小孔的高效加工，并且重铸现象最小。他们还应用激光电化学铣削技术制造了宽度为1.79 mm、深度为6.49 mm、表面粗糙度为2.5 μm的微深槽[20]。随着对LECM研究的深入，其在微结构制造中的应用潜力持续扩大。Chang等人[21]使用飞秒激光与ECM结合，将表面粗糙度从约200 nm降低到约20 nm。Zhou等人[22]使用LECM成功加工了镍基超合金中的高质量微槽，平均深度达到294.11 μm，宽度达到542.63 μm。这些结果证明了LECM在提高形状精度、表面质量和加工效率方面的有效性。然而，迄今为止的大多数研究主要集中在应用层面的工艺优化，对基本机制（尤其是激光辐照在电化学溶解行为中的作用）的探索有限。

为了阐明激光辐照对电化学溶解行为的影响，本研究探讨了LECM过程中DD406的溶解机制。特别关注了电化学行为、钝化膜的结构和成分以及材料去除过程。首先，通过开路电位（E_OCP）、电位动力学极化（PdP）、恒电位极化（PsP）和电化学阻抗谱（EIS）评估了电化学溶解特性。其次，使用X射线光电子能谱（XPS）和透射电子显微镜（TEM）分析了钝化膜的成分和界面结构。第三，通过扫描电子显微镜（SEM）、激光共聚焦显微镜和能量分散X射线光谱（EDX）研究了激光能量和电流密度对LECM性能的影响，包括微观形态和表面粗糙度。基于实验结果，建立了DD406在NaNO₃溶液中的溶解模型。最后，利用LECM工艺制备了高质量的薄膜冷却孔和微纳结构。

原理示意图和实验装置

本研究探讨了LECM过程中镍基单晶超合金DD406的溶解机制。如图1(a)所示，激光辐照引起的局部加热提高了电解质的导电性，加速了反应界面的离子传输，从而通过欧姆效应和阿伦尼乌斯效应促进了快速溶解。欧姆效应的机制基于电解质导电性之间的正相关关系

材料与溶液制备

本研究中使用的DD406超合金是一种通过定向凝固制备的镍基单晶材料。标准热处理顺序为1290°C × 1 h + 1300°C × 2 h + 1315°C × 4 h/AC + 1120°C × 4 h/AC + 870°C × 32 h/AC。从铸锭中切割出尺寸为5 × 5 × 2 mm³的立方样品，并将其嵌入冷固环氧树脂中，暴露出5 × 5 mm²的测试表面。每次实验前，样品均使用2000目SiC砂纸进行打磨

DD406超合金的微观结构

DD406超合金的金属学结构在LECM过程中起着关键作用。图3(a)显示了其金属学结构，由两种相组成的定向凝固柱状树枝晶构成：立方体γ′相（Ni₃Al）和网格状γ相（Ni固溶体）。γ基体具有面心立方结构，而γ′相也形成立方晶格结构，并分布在γ相内，形成了γ/γ'双相微结构。

应用

航空发动机包含许多关键部件，其中薄膜冷却孔等微纳结构最具代表性。这些部件主要由难以加工的材料（如镍基单晶或合金）制成。LECM工艺是加工这类复杂结构的最有前景的技术之一。为了研究DD406超合金的加工质量，采用了LECM工艺进行了实验

结论

本研究探讨了DD406超合金在NaNO₃溶液中电化学溶解行为对激光能量密度的依赖性，包括极化行为、与钝化相关的特性以及界面结构分析。还探讨了在NaNO₃溶液中制备微纳结构，以促进LECM工艺在航空航天领域的应用。

• (1)
  极化和钝化相关行为揭示了

CRediT作者贡献声明

王静：概念构思、数据管理、方法论、初稿撰写、资金获取、资源协调。李文云：数据管理、方法论。王静涛：撰写、审稿与编辑、资金获取、资源协调。叶林政：撰写、审稿与编辑。李文忠：资源协调。赵瑞：资源协调。朱浩：撰写、审稿与编辑。徐坤：撰写、审稿与编辑、资源协调。刘阳：撰写、审稿与编辑。张照阳：撰写、审稿与

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52505483、52505512）、中国博士后科学基金（编号：2024M751169）、新疆智能装备研究院（编号：XJYJY2025007）、太原理工大学海安研究院开放项目（编号：2024HA-TYUTKFYF010）以及山西省先进制造技术重点实验室开放基金（编号：XJZZ202503）的支持。