在航空发动机中，由于涡轮叶片处于温度高、应力复杂、环境恶劣的部位而被列为第一关键部件，也是一个国家航空工业发展水平的显著标志［1-3］。然而，随着高推比的航空发动机不断更新，对涡轮叶片的高温性能提出了更高的要求［4-6］。近年来，涡轮叶片材料不断更新换代，从变形高温合金、铸造等轴晶高温合金、定向柱晶高温合金，到现今的镍基单晶高温合金（以下简称DD6合金）。DD6合金因具有拉伸强度高、综合性能好、组织稳定及铸造工艺性能好等优点被广泛应用于航空航天、地下勘测等领域［7-8］。其微观组织由 基体相和 强化相组成。 强化相是热处理后析出的一种Ni3Al沉淀强化相，其含量和尺寸对镍基高温合金的疲劳和蠕变性能有着重要的影响［9］。在合金设计上对 相的要求为： 相的体积分数为60%~70%、 相尺寸为0.4~0.6 μm、 和 两相错配度在-0.5%~-0.1%［10］。此外，DD6的拉伸性能、持久性能、蠕变性能、高温抗氧化性能及耐热腐蚀性能等均超过其他镍基高温合金的平均水平，且其含Re量低而具有低成本的优势［11-12］。
为了提高DD6合金的表面质量，本文采用电化学抛光的方法对DD6合金进行抛光。电化学抛光材料去除机理十分复杂，其中最受认可的法国科学家Jacquet在1903年提出的黏膜理论。黏膜理论认为附着于金属表面的离子会形成一层厚度不均的黏膜。尖端处的黏膜层较薄，相应的黏膜电阻就较小，凹陷处的黏膜层较厚，相应的黏膜电阻也就较大［13］。因此，尖端处的电流密度比凹陷处的电流密度大，金属的溶解速率快，从而达到了抛光整平的目的。
1 实验材料及方法
1.1 实验样件及加工
本实验的样件为DD6合金，具体样件尺寸如图1所示（单位：mm）。采用螺旋选晶法在高梯度真空定向凝固炉中浇注出长度为70 mm的DD6合金毛坯棒。利用X射线衍射法测定所有毛坯棒的晶体取向，选取毛坯棒轴向晶体取向与材料［001］方向一致的棒料，取向偏差控制在±10°。所有毛坯棒按照如下步骤进行标准热处理：1 210 ℃保温1 h、1 300 ℃保温2 h、1 315 ℃保温4 h的固溶处理，以及在1 120 ℃保温4 h的一次时效处理和870 ℃下保温32 h的二次时效处理。
DD6合金的化学成分如表1所示。其中，Al、Ta、Nb等 相形成元素可以增加 强化相含量，同时Co、Cr等金属元素也可以通过降低 相的溶解度和高温溶解性来达到这一目的。一些固溶强化元素如W、Mo、Ta、Re可以减缓基体金属扩散，从而提高合金的高温稳定性，但这些元素的含量又需要精准控制以防止有害相的析出。
表1 DD6合金的化学成分 (%) |
| w（Cr） | w（Co） | w（W） | w（Mo） | w（Al） |
|---|---|---|---|---|
| 0.8~4.8 | 8.5~9.5 | 7.0~9.0 | 1.5~0.5 | 5.2~6.2 |
| w（Nb） | w（Ta） | w（Re） | w（Hf） | w（Ni） |
| 0~1.2 | 6.0~8.5 | 1.6~0.4 | 0.05~0.1 | 余量 |
1.2 电化学抛光实验
1.2.1 阳极极化曲线
用控制电位法测定镍在酸性溶液中阳极溶解的过程时，可以得到如图3所示的阳极极化曲线。ab段为活化溶解阶段，此时金属溶解速率很快，金属表面一直处于活化溶解状态。从b点开始，电化学反应出现极化现象，阳极表面开始不断生成钝化膜，bc段为过渡钝化阶段。到了cd段，钝化膜开始稳定生成，为稳定钝化阶段（抛光区）。虽然大部分的电化学抛光反应都选择在cd段进行，但是钝化膜本质上是一层难溶的、致密且牢固的氧化物或其他化合物薄膜，此膜将金属表面与电解液机械地隔离开，使电化学反应速率降低甚至阻碍金属溶解，且该问题不可避免，使实验的电参数变得难以控制。de段为过钝化阶段，该阶段的电压可以击穿钝化膜。
1.2.2 基于黏膜理论的电解液的选择
电化学抛光过程中钝化膜对抛光效果的影响非常大，因此如何控制钝化膜的生成是电化学抛光DD6合金的主要障碍，而突破这一障碍的关键因素是电解液。根据黏膜理论，黏性电解液会将金属离子富集在阳极表面上，生成一层黏性膜。这层黏性膜对抛光表面低凹部位有一定的保护作用，同时也能减少阳极表面杂散腐蚀现象，这与钝化膜的优点一致。与钝化膜不同的是，黏性膜不影响反应的进行。因此，为了保证生成黏性膜，电解液需要有黏性，同时还要有一定的酸性，综合考虑后，选择了甲酰胺-氨基磺酸混合电解液。使用该溶液抛光时，阴阳极反应方程式如式（1 ）、（2 ）所示。
阳极：
阴极：
1.2.3 实验过程及设备
1.3 检测方法与设备
使用Oxford Instruments X-MAX20扫描电子显微镜观察抛光前后DD6合金样件的表面微观形貌，使用电镜自带的能谱仪检测表面元素。采用Tylor Hobson Form Talysurf PGI840粗糙度检测仪测量抛光后的样件表面粗糙度，测量区域为样件径向尺寸较小的中心区域附近，取样长度为0.8 mm，评价长度为4 mm。在CHI660E型电化学工作站测试抛光前后的DD6合金样件的耐腐蚀性。电化学测试采用三电极体系，以饱和甘汞电极为参比电极，铂电极作为对电极，DD6合金样件作为工作电极，以质量分数为5%的 NaCl溶液为腐蚀介质，电化学实验在室温25 ℃下进行。每次抛光后，用精密电子天平测量DD6合金样件的质量、表面粗糙度，并观察表面形貌。根据式（3） 计算不同电解液浓度下所需要氨基磺酸的质量。
式中：m为氨基磺酸的质量，单位为g；c为溶液的摩尔浓度，单位为mol/L；V为溶液的体积，单位为L；M为氨基磺酸的摩尔质量，数值为97.1 g/mol。
2 结果与分析
2.1 工艺参数分析
为了得到电化学抛光DD6疲劳样件的最佳工艺参数，本文通过单因素实验法优化了电化学抛光中的3个重要参数：抛光电压、电解液浓度、抛光时间，并结合表面形貌去分析各个参数对表面质量的影响。
2.1.1 抛光电压
2.1.2 电解液浓度
抛光电压为20 V、抛光时间为2 min的条件下，表面粗糙度Ra随电解液浓度变化的曲线如图7所示。图8为不同电解液浓度下DD6合金样件的微观形貌。由图7可知，当电解液浓度为1.2 mol/L时，表面粗糙度达到最低值。当酸的浓度较低时，金属溶解速率较慢，所以表面粗糙度还有待降低，不足以获得足够平整的表面。酸浓度高于1.2 mol/L时，表面粗糙度急剧增加。主要原因可从两方面分析：首先，从图8可看出，浓度为1.6 mol/L时，DD6合金样件表面被酸过度腐蚀，出现很多蚀坑。放大500倍后，通过图像分析软件Image-Pro得出点蚀坑直径为18.64 μm，比30 V抛光电压留下来的蚀坑要大。其次，酸性浓度越高，溶液电导率越高，反应速率过快，也会影响表面粗糙度。当电解液浓度为1.2 mol/L时，表面黏结的颗粒和蚀坑明显减少，表面粗糙度也更小。
2.1.3 抛光时间
DD6合金样件在浓度为1.2 mol/L的电解液中经20 V电压抛光不同时间后，其表面粗糙度Ra随抛光时间变化的曲线如图9所示。由图9可知，当抛光时间为1 min时，由于还没完全反应，表面粗糙度较大，此后金属进入活性溶解状态。当抛光时间为2 min时，表面粗糙度达到最低值。随着抛光时间的增加，金属以离子状态融入溶液后，溶液电导率增加，相当于增加了电流密度，影响了表面粗糙度。此外，抛光时间越长，溶液温度越高，溶液的黏性就越差，表面质量也会越差。DD6合金样件在不同抛光时间下的微观形貌如图10所示。从图10可以看出，初始状态下机械加工的加工痕迹呈现典型的密集分布特征。抛光2 min后，表面的加工痕迹相对平整很多，且表面无明显点蚀坑，表面质量较高，电化学抛光的效果明显。
图11为抛光前后表面放大2 000倍的微观形貌图。电化学抛光后，表面可以看出明显的晶格，其中 强化相均匀镶嵌在 基体相中。而抛光前工件由于机械加工的作用产生塑性变形，使得晶格扭曲，晶粒被拉长，同时表面 强化相含量减少，影响了材料的疲劳及耐蚀性能，这足以说明电化学抛光可以提升材料的上述性能。在以上单因素实验的基础上，得出实验最佳参数：抛光电压为20 V、电解液浓度为1.2 mol/L、抛光时间为2 min。
2.2 表面元素分析
2.3 耐蚀性分析
3 结论
1）通过对DD6合金开展电化学抛光实验，得出在抛光电压为20 V、电解液浓度为1.2 mol/L、抛光时间为2 min的条件下，抛光效果最好。按对表面的影响明显程度从大到小排序，分别为抛光电压、电解液浓度、抛光时间。抛光后表面粗糙度达到0.358 μ ，明显小于抛光前。
2）在高抛光电压和高酸浓度条件下，表面出现不规则的点蚀坑和杂质颗粒，其中在高酸浓度条件下更严重。通过抛光后表面的宏观形貌图得出抛光电压是影响表面光亮度的关键因素。此外，较高的酸浓度对提升表面光亮度的效果一般。
3）根据表面元素光谱图，分析出抛光后表面O元素含量少，说明抛光过程中并未生成含有金属氧化物的钝化膜，促进了反应的进行，加大了溶解速率。DD6合金样件抛光前后极化曲线表明，抛光后DD6合金样件的腐蚀电位为-0.192 VSCE，相比于抛光前自腐蚀电位更正，自腐蚀电流更小，即电化学抛光提升了DD6合金的耐蚀性能。