GH4169超級(jí)合金因?yàn)槠渑c眾不同的特性而具備多種多樣工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)用，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)，潛水艇，航天飛機(jī)等。殊不知，因?yàn)槠鋱?jiān)硬的特性，這類材料的機(jī)加工變成至關(guān)重要的問題之一。光化學(xué)反應(yīng)加工是非常規(guī)的微加工加工工藝。它生產(chǎn)制造的金屬材料平扁構(gòu)件無毛邊和應(yīng)力。在PCM中，經(jīng)過將金屬分子溶解在化學(xué)溶液中開展金屬材料去除。它涉及到應(yīng)用拍照專用工具輔助的光刻膠從限制區(qū)域蝕刻金屬?，F(xiàn)如今，PCM在航天航空，轎車，電子器件，裝飾物，診療等領(lǐng)域的高精密零件生產(chǎn)制造中起著尤為重要的功效。[1，2]。

GH4169是一種關(guān)鍵的鎳基超級(jí)合金，可用以各種各樣工程項(xiàng)目運(yùn)用。它尤其用以航天航空，深海，核能發(fā)電和食品類加工運(yùn)用[3]。這類鎳合金經(jīng)過產(chǎn)生密不可分黏附的氧化皮，可在溫度起伏期內(nèi)抵抗剝落。GH4169在超高壓標(biāo)準(zhǔn)下具備運(yùn)用[4]。

Saraf和Sadaiah科學(xué)研究了電磁場(chǎng)對(duì)SS316L蝕刻速率的直接影響[5]。Patil和Mudigonda在GH4169上開展了試驗(yàn)，以熟悉控制變量（比如切削用量，走刀速率和車削深層）在不一樣參數(shù)水平上對(duì)表面光滑度和內(nèi)應(yīng)力的影響[6]。Qu等。使用PCM在Monel400上開展了研究。研究表明，軋制方向會(huì)直接影響蝕刻速率[7]。Bruzzone和Reverberi第一次在PCM中引進(jìn)了模擬仿真。因此，應(yīng)用了3D蒙特卡羅模擬模型并進(jìn)行了試驗(yàn)值[8]。?akir科學(xué)研究了氯化鐵蝕刻劑對(duì)鋁的影響，因?yàn)锳l蝕刻是PCM工業(yè)生產(chǎn)中的至關(guān)重要的問題[9]。Ho等。進(jìn)行化學(xué)加工，剖析納米晶鎳并預(yù)測(cè)蝕刻劑濃度值對(duì)蝕刻品質(zhì)的直接影響[10]。?akir等。對(duì)氯化鐵和氯化銅蝕刻劑的銅蝕刻加工工藝開展了比較分析。用氯化鐵蝕刻劑觀察到更多的蝕刻速度，而用氯化銅蝕刻劑造成光潔的表面品質(zhì)[11]。Allen和Almond探討了PCM工業(yè)生產(chǎn)中氯化鐵蝕刻劑的質(zhì)量控制（QC）難題[12]。

參考文獻(xiàn)說明，并未對(duì)PCM中的表面拓?fù)溟_展調(diào)查。GH4169是一種難車削的合金，具備廣泛的應(yīng)用范疇。能夠應(yīng)用放電加工，激光加工等在加工全過程中造成地應(yīng)力的狀況下開展加工。PCM是無地應(yīng)力和無毛邊的加工工藝，在Inconel合金上并未開展重大科學(xué)研究。加工工藝主要參數(shù)對(duì)表面拓?fù)涞闹苯佑绊懯荘CM中的關(guān)鍵問題。此項(xiàng)科學(xué)研究第一次調(diào)研了GH4169的光化學(xué)反應(yīng)加工。

2。原材料和方式 

2.1。原材料

挑選用以試驗(yàn)的原材料是GH4169。最開始取250×250×毫米的板用以精確測(cè)量表面表面粗糙度值。表面表面粗糙度的初始值在不一樣的部位拍攝產(chǎn)品工件并觀查做為1.98的均值?μ米。標(biāo)本采集的規(guī)格為20×20毫米。未加工的GH4169的掃描儀透射電鏡（SEM）圖象如圖所示1所顯示。如圖2所顯示，能量色散X射線分析（EDAX）曲線圖提供了GH4169的成分。

圖1 

GH4169加工前的SEM圖像。

圖2 

GH4169的EDAX配置文件。

2.2。加工機(jī)制

在光化學(xué)加工中，通過蝕刻去除金屬。觀察到三個(gè)主要階段（圖3）。（一個(gè)）來自蝕刻劑溶液的離子或分子通過邊界層向工作表面上的裸露膜擴(kuò)散。（b）由于暴露于蝕刻劑的膜之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成可溶性和氣態(tài)副產(chǎn)物。（C）來自工件表面的副產(chǎn)物通過邊界層擴(kuò)散到蝕刻劑溶液中。

圖3 

光化學(xué)加工機(jī)制。

2.3。實(shí)驗(yàn)程序

PCM實(shí)驗(yàn)中遵循的不同步驟在圖4中給出。

圖4 

PCM實(shí)驗(yàn)流程圖。

通過使用超聲波清潔器清潔樣品。用于清潔的溶液包含去離子水和1％的鹽酸。在SEM下觀察清潔的表面的表面變化，并在EDAX上觀察化學(xué)組成。通過使用FeCl 3（氯化鐵）作為蝕刻劑對(duì)樣品進(jìn)行加工。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)基于完全階乘（3k）方法。從過去的文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)對(duì)PCM的響應(yīng)參數(shù)有重要影響[ 13 – 18are是蝕刻劑的濃度，蝕刻溫度和蝕刻時(shí)間。通過一次使用一個(gè)因素來確定工藝參數(shù)范圍的方法已經(jīng)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。所選擇的工藝參數(shù)是蝕刻劑濃度，蝕刻劑溫度和蝕刻時(shí)間，其每三個(gè)等級(jí)如表1所示。對(duì)于過程參數(shù)的這種組合，需要使用完全階乘方法進(jìn)行27個(gè)實(shí)驗(yàn)。另外，在表2中包括作為表面粗糙度（）值的響應(yīng)參數(shù)。

2.4。實(shí)驗(yàn)裝置

圖5顯示了GH4169 PCM的實(shí)驗(yàn)裝置。蝕刻浴用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。它由一個(gè)保溫蓋組成，可保持浴槽內(nèi)的溫度。溫度控制器用于控制浴溫，精度為±1°C。使用Taylor Hobson talysurf輪廓儀進(jìn)行表面光潔度（）的測(cè)量。

圖5

實(shí)驗(yàn)裝置。

3。結(jié)果與討論

借助于平均有效圖和方差分析（ANOVA）對(duì)工藝變量對(duì)表面粗糙度的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。因此，分析了工藝變量對(duì)響應(yīng)參數(shù)的影響，以獲得低表面粗糙度和高材料去除率的最佳條件。

3.1。表面粗糙度分析（）

表3顯示了表面粗糙度的方差分析（ANOVA）。從方差分析結(jié)果，可以觀察到工藝參數(shù)對(duì)表面光潔度值的影響很大。對(duì)于溫度和濃度，它顯示所選范圍接近100％顯著，而對(duì)于時(shí)間和范圍，則約為95.1％顯著。統(tǒng)計(jì)學(xué)上最重要的因素是溫度。

表3

表面粗糙度的方差分析摘要。

圖6顯示了光化學(xué)加工的GH4169表面粗糙度的主要影響圖。主要效果圖顯示，隨著輸入?yún)?shù)水平的提高，表面粗糙度降低。蝕刻溫度，濃度和時(shí)間以重要性從高到低的順序是影響的控制變量。

圖6

粗糙度的主要影響圖（）。

在45°C的溫度下，氯化鐵與GH4169的反應(yīng)才剛剛開始，因此最初觀察到的表面粗糙度更大。隨著溫度升高，蝕刻劑的粘度降低。因此，其導(dǎo)致陽離子穿過擴(kuò)散層的滲透性提高。在高溫下，蝕刻劑的侵蝕不是沿著晶界，而是分布在整個(gè)晶粒區(qū)域，導(dǎo)致表面更光滑。因此，從主效應(yīng)圖可以看出，隨著溫度的升高，表面粗糙度降低。

可以看出，隨著蝕刻劑濃度的增加，蝕刻速率降低（如表4和圖7所示）。

表4

表面粗糙度的方差分析摘要。

圖7

樣品重量損失相對(duì)于50°C和20分鐘蝕刻濃度的圖表。

當(dāng)蝕刻劑濃度高時(shí)，隨著氯化鐵變得更粘，陽離子在擴(kuò)散層上的移動(dòng)變得困難。因此，降低的擴(kuò)散速率導(dǎo)致更好的表面光潔度。反應(yīng)時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響很小，因?yàn)闇囟群蜐舛葘?duì)機(jī)加工起著至關(guān)重要的作用。

圖8顯示了控制參數(shù)和響應(yīng)變量之間的交互作用圖?？梢钥闯?，隨著溫度，濃度和時(shí)間的增加，表面粗糙度值明顯降低。隨著溫度升高，表面粗糙度值降低；在溫度45為500g / L的濃度℃下記錄的平均表面粗糙度值為0.56? μ m和在55℃下是0.259? μ M（參照?qǐng)D8的（a） ）。時(shí)間對(duì)于表面粗糙度而言不是很重要的參數(shù)，因?yàn)閷?duì)于恒定溫度，隨著時(shí)間的增加，表面粗糙度值的變化非常小，如圖8（b）所示。對(duì)于20分鐘的蝕刻時(shí)間，平均為? 0.44μ米的表面粗糙度被記錄500 g / L的濃度和0.31? μ 600 g / L的濃度M（參照?qǐng)D8的（c） ）。

（一個(gè)）

（b）

（C）

（一個(gè)）
（b）
（C）

圖8

相互作用圖：（a）溫度和濃度，（b）溫度和時(shí)間，（c）蝕刻劑濃度和時(shí)間。

3.2。表面形態(tài)

3.2.1。掃描電鏡分析

圖9（a）示出未加工的GH4169的微觀結(jié)構(gòu)，圖9（b）示出加工后的GH4169的微觀結(jié)構(gòu)。使用55℃的溫度，600g / L的最佳蝕刻參數(shù)以及40分鐘的蝕刻時(shí)間，對(duì)GH4169進(jìn)行機(jī)加工。與未加工的表面相比，加工的表面具有較小的晶粒尺寸。機(jī)加工表面還顯示出少量的合金元素氯化物簇，這些元素簇可能因熔化而粘附到機(jī)加工表面上。

（a）加工前

（b）加工后

（a）加工前

（b）加工后

圖9

SEM圖像顯示了GH4169的表面形態(tài)。

3.2.2。GH4169的樣品微觀結(jié)構(gòu)

用尼康顯微鏡檢查加工后的GH4169樣品的微觀結(jié)構(gòu)。圖10（a）所示為機(jī)加工前試樣的微觀結(jié)構(gòu)，圖10（b），10（c）和10（d）所示為機(jī)加工后試樣在600 g / L和時(shí)間恒定濃度下的顯微組織。 40分鐘蝕刻。溫度變化分別為45°C，50°C和55°C。觀察到的蝕刻劑溫度對(duì)微結(jié)構(gòu)有顯著影響，并且隨著溫度的升高，加工痕跡變得更加平滑。

（A）

（b）

（C）

（d）

（A）

（b）

（C）

（d）

圖10

光化學(xué)加工的GH4169的顯微組織。（c）在50°C下加工后; （d）在55°C下加工后; 加工后（蝕刻劑濃度：600 g / L，蝕刻時(shí)間：40分鐘）。

隨著溫度從45°C升高到55°C，表面粗糙度降低。在溫度45℃，50℃，和55℃時(shí)，粗糙度值被發(fā)現(xiàn)是0.399? μ米，0.271? μ m和0.210? μ分別米，并且對(duì)于相同的粗糙度曲線被示于圖11，12和13。

圖11

GH4169樣品的2D粗糙度輪廓（參數(shù)：溫度：45°C，濃度：600 g / L，時(shí)間：40分鐘）。

圖12

GH4169的2D粗糙度輪廓（參數(shù)：溫度：50°C，濃度：600 g / L，時(shí)間：40分鐘）。

圖13

加工過的GH4169的2D表面粗糙度輪廓（參數(shù)：溫度：55°C，濃度：600 g / L，時(shí)間：40分鐘）。

光化學(xué)加工中腐蝕現(xiàn)象引發(fā)的材料去除。鈍化層的形成通常受氯離子的影響，最終導(dǎo)致腐蝕。在低溫下成核的腐蝕點(diǎn)很少，因此會(huì)產(chǎn)生粗糙且不理想的表面。在較高的蝕刻劑溫度下，成核的腐蝕部位更多，這將產(chǎn)生均勻的腐蝕并留下更好的表面光潔度。從圖14可以看出。在較低的溫度（45°C）下觀察到空隙形成（圖14（a）），從而導(dǎo)致較高的表面粗糙度。在蝕刻過程中觀察到良好的晶間和晶內(nèi)腐蝕（圖14（b）），這導(dǎo)致在較高溫度（55℃）下具有更好的表面粗糙度。

（A）

（b）

（A）

（b）

圖14

在（a）45°C和（b）55°C下光化學(xué)加工的樣品的SEM圖像。

4。結(jié)論

對(duì)于GH4169的加工，發(fā)現(xiàn)光化學(xué)加工是一種合適的加工工藝。進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以分析控制變量對(duì)PCM表面粗糙度的影響。以上研究結(jié)果如下：

（i）更高的溫度會(huì)導(dǎo)致更好的表面光潔度，因?yàn)槲g刻劑會(huì)與更多的晶粒區(qū)域發(fā)生反應(yīng)，從而使表面均勻變化。（ii）隨著蝕刻劑濃度的增加，表面粗糙度減小。

（iii）最佳的表面光潔度，如0.201? μ在溫度55觀察米℃，蝕刻劑的濃度為600g / L，和時(shí)間40分鐘。

（iv）與溫度和濃度相比，時(shí)間對(duì)表面粗糙度的影響較小。