镍及镍基合金的电化学抛光工艺研究与机理探讨.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要

镍及镍基合金具有优异的化学稳定性和热稳定性，广泛应用于航空航天、

化工、医疗器械等领域。随着科技的飞速发展，现代工业对精密零部件的需求

越来越大，精密加工的发展和零件的小型化对边缘和表面精加工提出了更加严

格的要求。要提高机械部件的疲劳强度，就必须有光滑平整的表面，但是用

N6镍或镍基合金Inconel718材料制成的零件硬度高、强度高，进行精密加工

过程有很大的困难。为了使被加工的零件表面满足表面粗糙度和尺寸的要求，

工件的抛光工艺尤为重要。因此，对N6镍和镍基合金Inconel718材料的抛光

工艺进行研究具有重要意义。

本文采用磷酸-硫酸体系对N6镍和Inconel718材料进行了电化学抛光，

抛光后的工件表面镜面光滑，且耐腐蚀性能提升。首先优化了N6镍电化学抛

光工艺的电解液组成、电流密度和抛光温度，优化出具有良好的稳定性的电流

密度区间为1.5～1.8A/cm2。对电流密度进行进一步优化可知，随着电流密度

的增加，光亮度呈缓慢上升的趋势，硬度呈缓慢下降的趋势。在优化条件下抛

光的工件光亮度由未抛光时61.3光泽单位提升至272.7光泽单位，粗糙度由未

抛光时的1.413μm下降至0.628μm。

为了对N6镍电化学抛光的添加剂进行筛选，首先对8种不同添加剂进行

初步实验，确定聚二硫二丙烷磺酸钠（SPS）、中性红、丙三醇和苯骈三氮唑

对N6镍的电化学抛光有良好效果。接着借助量子化学计算，计算出4种添加

剂的EHOMO值和ELUMO值，且4种添加剂具有较低的∆E值，能较好的吸附在

基底表面。通过Multiwfn软件和VisualMolecularDynamics（VMD）软件对

其进行了分子表面的静电势的计算，说明吸附作用不是静电吸附。运用分子动

力学模拟，得出这4种添加剂吸附能由大到小分别是中性红、SPS、苯骈三氮

唑和丙三醇。通过探究添加剂对阳极极化的影响，得出这4种添加剂在电化学

抛光过程中在Ni基底进行了吸附，对电化学抛光过程起到了抑制作用。对不

同浓度的添加剂进行了优化，最终得出SPS最佳浓度为5g/L、中性红最佳浓

度为5g/L、甘油的最优添加量为20mL、苯骈三氮唑最佳浓度为3g/L，在最

优添加剂浓度下抛光后的工件表面粗糙度进行对比，得出在含有5g/LSPS的

抛光液中抛光后的工件表面粗糙度最低，最低值为0.503μm。

为了探究Inconel718材料在基础电解液中的抛光机理，通过阳极极化曲

线、电化学阻抗测试和Rs-E曲线测试证实了Inconel718材料的电化学抛光过

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程符合粘膜理论。针对电化学抛光Inconel718材料工艺，研究了电解液组成、

电流密度和温度对电化学抛光的影响，优化工艺下抛光后的表面粗糙度仅为

10.4nm。通过建立模型探究抛光过程对表面形貌影响并预测粗糙度的变化规

律，基于表面形貌模拟和粗糙度预测的结果，对不同抛光时间抛光后的

Inconel718材料进行了粗糙度的测量，证实抛光初期刻蚀孔随机分布在工件表

面，随着抛光时间的增加刻蚀孔孔径增大，工件表面逐渐平整，最终可以在优

化条件下获得光滑表面。Tafel、EIS和XRD测试表明抛光后的工件具有良好

的耐腐蚀性，并且与抛光前相比工件表面的结晶度增强。

将电化学抛光技术应用于Inconel718材料制成的螺钉去毛刺中，对抛光

时间和抛光电流进行了工艺优化，通过观察螺钉3D形貌图的毛刺去除情况，

确定了抛光螺钉的最佳工艺。在优化后的工艺下对螺钉进行抛光，抛光后螺纹

间的毛刺可以很好的被去除，满足项目要求。

关键词：电化学抛光；N6；Inconel718材料；量子化学计算；分子动力学模

拟；螺钉抛光

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