镍基高温合金的电解质等离子抛光电解液及其抛光方法

878 编辑：中冶有色技术网来源：南京航空航天大学

2024-03-15 13:38:41

权利要求书： 1.一种镍基高温合金电解质等离子抛光用电解液，其特征在于，按重量百分比计，其成分包含以下原料：硫酸盐1.5% 3%，络合剂0.3% 1.5%，余量为水；

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所述硫酸盐为硫酸铵；

所述络合剂为乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸钠、柠檬酸铵中的一种；

所述硫酸盐比络合剂含量比范围是1：1?9：1。

2.根据权利要求1所述的镍基高温合金电解质等离子抛光用电解液，其特征在于，所述硫酸盐比络合剂含量比范围是1：1?2：1。

3.基于权利要求1或2中所述的一种镍基高温合金电解质等离子抛光用电解液的镍基合金电解质等离子抛光工艺方法，其特征在于，包含以下步骤：（1）将混合好的电解质加入水中，充分搅拌至混合均匀，加热至70?75℃，将准备好的抛光液加入抛光槽中；

（2）将待抛光镍基高温合金工件清洗后装夹至专用夹具上，并浸入电解液中，浸入深度为10?50mm；

（3）将电源阳极接专用夹具，阴极联接若干阴极板，通入直流电流，输出电压为250?350，抛光时间为1?10min，抛光期间内通过控温装置，使电解液温度保持在70?75℃；

（4）抛光后取出工件，并进行清洗、干燥，得到抛光镍基高温合金成品。

说明书：一种镍基高温合金的电解质等离子抛光电解液及其抛光方法技术领域[0001] 本发明涉及电解质等离子抛光镍基高温合金领域，特别涉及一种用于抛光GH4169镍基高温合金的电解液及其制备方法。背景技术[0002] 镍基高温合金在高温下具有良好的强度、硬度、抗氧化以及耐腐蚀性能，有着良好的热加工性能、焊接性能以及抗疲劳性能，被广泛应用在航空、航天以及新能源等领域。航空航天零部件最常见的失效形式是疲劳断裂，又由于零件的表面是零件与外界环境接触的边界，很多疲劳裂纹都是在表面产生，所以零件表面质量对其耐久极限以及耐蚀性有显著的影响，良好的抛光工艺可以降低零件表面粗糙度值、提高光洁度、并提高零件表面的耐腐蚀性能。[0003] 现有对镍基高温合金的抛光方法大致分为三类，即机械抛光、化学抛光以及电解抛光，但均有着不可避免地缺点。机械抛光耗费人力，抛光效率慢，产生的粉尘会对人体造成危害；化学以及电解抛光采用的抛光液为强酸、强碱溶液，具有着高毒性、高危险性，产生的废液也很难处理。电解质等离子抛光和加工技术是近30年逐渐发展起来的一种绿色环保、高效的金属表面抛光技术，不同于电解抛光其抛光液为低浓度盐溶液，不会造成环境污染等问题。但若采用不合适的抛光液，会使得抛光后的工件表面质量变差，甚至出现表面钝化膜、缺口等现象。[0004] 申请号为201110162401.3的中国发明专利“一种用于改善Ni5at.％W合金基带表面质量的电解抛光液及其使用方法”，其电解抛光液组成包括质量浓度80％～85％的磷酸溶液、98％的硫酸溶液、80％的乳酸溶液和丁二酮肟粉末，其中磷酸溶液、硫酸溶液、乳酸溶液以体积比7:5:3进行混合，丁二酮肟粉末为磷酸溶液、硫酸溶液和乳酸溶液总质量的10％～15％。由于该专利电解抛光的对象是作为涂层超导体多层结构金属基带用的Ni5W合金，尺寸固定且很小根本无法与核电站的大型设备相比。授权公告号为CN110129872B的中国专利公开了“一种钴铬金属电解质等离子抛光用抛光液”，专门针对钴铬金属加工件开发，抛光后钴铬金属工件表面明亮有光泽，表面光滑无沙点。但是该抛光液并不适用于电解质等离子抛光镍基高温合金。[0005] 授权公告号为106637377A的中国专利公开了一种镍基合金电解抛光液及其抛光方法，该电解抛光液由以下重量份的组分组成：磷酸50～75份、硫酸8～15份、硫氰酸铵1～5份、1,4?丁炔二醇5～15份、丁二酮肟1～8份、聚乙二醇1～5份、瓜尔豆胶1～3份。抛光方法是先对待抛光的镍基合金除油去圬，然后对其进行活化处理后，再进行电解抛光。所述活化处理采用如下方法：将镍基合金放入含过氧化氢1～5wt％的稀硝酸中进行活化，所述稀硝酸的浓度为2～20wt％。电解抛光的通电方式为恒压直流，阴阳极距离为80～150mm，电流密2

度控制在10～25A/dm ，时间为2～10分钟，电解液温度控制在35～65℃。采用该抛光液抛光，镍基合金工件电解抛光表面外观良好，表面具有明显金属光泽，粗糙度可达Ra0.1μm以下。无白点、花斑、晶间腐蚀等问题，极大地提高了装备的耐腐蚀性能。但由于该发明仅适用于电解抛光镍基高温合金，不适用于电解质等离子抛光镍基高温合金，并且该发明中采用的电解液成分含有强酸，具有高毒性、高危险性，产生的废液也很难处理。

发明内容[0006] 为了克服现有技术的不足，实现对镍基高温合金的电解质等离子抛光，本发明提供了一种镍基高温合金电解质等离子抛光用电解液及抛光工艺方法，使得抛光后镍基高温合金的表面粗糙度在3min内从Ra0.6μm降低至Ra0.2μm，表面明亮有光泽，可以获得优良的表面质量，且抛光时间短、高效环保。[0007] 一种镍基高温合金电解质等离子抛光用电解液，按重量百分比计，其成分包含以下原料：硫酸盐1.5％～3％，络合剂0.3％～1.5％，余量为水。[0008] 所述硫酸盐为硫酸铵、硫酸钾、硫酸铜中的一种或多种混合。[0009] 所述络合剂为乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸钠、柠檬酸铵、柠檬酸中的一种或多种混合。[0010] 所述硫酸盐比络合剂含量≥1：1。[0011] 硫酸盐，由硫酸根离子与金属离子或铵根离子组成的无机盐，其中硫酸铵及硫酸钾都可溶于水，在水中电离出离子，可作为电解质。在电解质等离子抛光工艺中，作为抛光不锈钢等合金钢的优选电解质。在进行电解质等离子抛光镍基高温合金的试验中发现，采用硫酸盐作为电解质可以显著的提高抛光效率及抛光效果。其作用效果为提高氧化阶段工件表面的氧化速率，因此可以整体提高抛光效率。若不加入硫酸盐时，抛光速率及电流效率缓慢，达不到最佳的抛光效果。若用盐酸盐或硝酸盐替换硫酸盐时，工件表面或边缘会出现严重的腐蚀现象。[0012] 络合剂，能与金属离子反应生成络合物并溶于水的有机化合物，本发明中采用柠檬酸钠及乙二胺四乙酸二钠作为电解质。在进行试验中发现，采用络合剂作为电解质材料可以有效提高工件表面的光泽度，并且可以获得更低的表面粗糙度。在不添加络合剂仅采用硫酸盐作为电解质时，工件表面生成钝化层，生成的氧化物难以去除，工件表面发黑并出现严重的腐蚀现象。添加络合剂后，工件表面生成的化合物易于通过等离子体轰击去除，获得光整的表面。[0013] 抛光液的制备方法，是按质量百分比称量硫酸盐及络合剂，将称量好的电解质加入水中充分搅拌，混合均匀后加热至70～75℃，即得抛光液。[0014] 一种镍基高温合金抛光工艺，包含以下步骤：[0015] (1)将混合好的电解质加入水中，充分搅拌至混合均匀，加热至70?75℃，将准备好的抛光液加入抛光槽中；[0016] (2)将待抛光镍基高温合金工件清洗后装夹至专用夹具上，并浸入电解液中，浸入深度为10?50mm；[0017] (3)将电源阳极接专用夹具，阴极联接若干阴极板，通入直流电流，输出电压为250?350，抛光时间为1?10min，抛光期间内通过控温装置，使电解液温度保持在70?75℃；

[0018] (4)抛光后取出工件，并进行清洗、干燥，得到抛光镍基高温合金成品。[0019] 本发明的技术效果是：[0020] (1)本发明提供的镍基高温合金抛光用电解液制备简单，操作安全，不会对环境造成危害，pH为6～8，接近中性，抛光液可反复使用，具有环保、减排、成本低廉等优点。[0021] (2)其他金属材料的电解液用于电解质等离子抛光镍基高温合金时，工件表面会出现表面发黑、晶界腐蚀及边界缺口等缺陷，其他具有抛光效果的电解液会出现电流效率低、耗能严重及抛光时间久等缺陷。本发明提供的一种镍基高温合金抛光工艺针对镍基高温合金抛光，使得抛光后镍基高温合金的表面粗糙度在3min内从Ra0.6μm降低至Ra0.2μm，表面明亮有光泽，可以获得优良的表面质量，且抛光时间短、效率高。附图说明[0022] 图1为将本申请实施例1用于电解质等离子抛光镍基高温合金工件的表面形貌，A为抛光前工件原始表面(所有实施例的原始表面形貌基本维持一致)，B?E为实施例1?4电解液抛光后工件表面。[0023] 标尺分别是：A、B：10um；[0024] C、D、E：100um。[0025] 图2为本发明实施例7?10用于电解质等离子抛光镍基高温合金工件的表面形貌；其中图2a?b分别对应实施例7、8，标尺：图2a为10um；图2b为10um。

具体实施方式[0026] 结合以下附图具体说明本发明的内容。[0027] 下列实施例用于加工的镍基高温合金工件的牌号为GH4169。[0028] 实施例1?10[0029] 实施例1?10提供的电解质等离子抛光电解液的组分见表1?2所示，各实施例所采用的溶剂为水，未列在表格中。表1?2中所示的百分比均为在水溶液中的重量百分比。[0030] 表1?2所示对实施例1?10中采用不同电解液进行电解质等离子抛光后的工件表面进行对比，评价指标包括：材料去除率、电流效率、表面形貌及表面粗糙度。[0031] 抛光方法，包括以下步骤：[0032] (1)将混合好的电解质加入水中，充分搅拌至混合均匀，加热至70?75℃，将准备好的抛光液加入抛光槽中；[0033] (2)将待抛光镍基高温合金工件清洗后装夹至专用夹具上，并浸入电解液中，浸入深度为10?50mm；[0034] (3)将电源阳极接专用夹具，阴极联接若干阴极板，通入直流电流，输出电压为250?350，抛光时间为1?10min，抛光期间内通过控温装置，使电解液温度保持在70?75℃；

[0035] (4)抛光后取出工件，并进行清洗、干燥，得到抛光镍基高温合金成品，结果见表1?2，图1所示，其中图1(A)为未抛光工件表面。

[0036] 表1[0037][0038][0039] 实施例1所得抛光液的抛光效果最佳，如图1B所示，抛光后工件表面获得了良好的表面光泽度。[0040] 实施例2，3考察了不添加络合剂的仅采用无机盐硫酸铵、氯化铵水溶液抛光的情况，结果可见，仅以硫酸盐或其他无机盐作为电解液时，工件表面会发黑并伴有严重的腐蚀现象甚至出现大量的熔融坑，见图1C、图1D。[0041] 实施例4，5考察了仅添加络合剂的抛光情况，结果可见，仅以络合剂柠檬酸钠、乙二胺四乙酸二钠作为抛光液时可以获得良好的光泽度及表面粗糙度，但抛光效率极低，电流效率较低导致耗能严重，见图1E。[0042] 实施例6考察了在络合剂中添加除硫酸盐以外无机盐氯化铵的抛光情况，结果可见，在络合剂中添加除硫酸盐以外无机盐对工件进行抛光时，工件表面或边缘会出现大量的熔融坑、缺口等表面缺陷。[0043] 表2[0044][0045] 实施例1、7?9考察不同硫酸盐与络合剂比值的混合电解液的抛光情况，结果可见，硫酸盐比柠檬酸盐含量比从0.5：1(实施例7)提升到2：1(实施例8)，抛光后工件表面粗糙度从Ra0.56μm降低至Ra0.2μm，电流效率由37％提高至48％。当继续提升该比例至9：1(实施例10)时，表面粗糙度及电流效率均没有较大的改变，结合去除率，将硫酸盐比柠檬酸盐含量比确定为1：1?9：1，较佳地，是1：1?2：1。

[0046] 因此，通过调整当硫酸盐比柠檬酸盐含量比值1：1?9：1范围内，可以获得最高的电流效率约为50％，抛光效率最高、能耗最低。[0047] 对比上述现象可以得知，通过调节硫酸盐及络合剂的含量可以显著的提高电解质等离子抛光镍基高温合金的抛光效率及抛光效果，使工件表面获得良好的光泽度及表面粗糙度。[0048] 以上所述仅是本发明的较佳的具体实施例，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明的技术方案范围内，对本发明的精神和原则之内做的任何修改及等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。