摘要
在航空航天、生物医学、核工业及海洋工程等高端装备制造领域中，随着不规则形状复杂曲面零件的不断涌现，对其表面质量和性能的要求也不断提升，传统的机械抛光、电化学抛光、能量束抛光等技术存在各种各样的问题。近年来，电解质等离子体抛光技术因具有形状自适应性强、效率高、精度好、环境友好及非接触式抛光等优点而受到广泛关注。但是，电解质等离子体抛光的相关机理和模型、工艺参数规律以及对工件表面性能影响机制等研究不够深入，制约了该技术在实际生产中的应用。因此，本文采用理论分析、试验研究及材料测试表征相结合的方法，对不锈钢电解质等离子体抛光过程中界面反应机理进行了深入研究。提出了基于气层放电作用下的等离子体电化学反应材料去除机理，建立了界面反应动力学模型，并研究了关键参数对抛光的影响规律，阐明了界面反应对不锈钢表面性能的影响机制，为电解质等离子体抛光技术进一步开发与应用提供参考。主要研究内容如下： 基于气层的演化过程和放电作用，研究了气层对界面反应的作用机制。通过理论分析和试验研究，探讨了不锈钢电解质等离子体抛光过程中气层产生的热力学条件，揭示了电压和电解液温度对气层动态演化的影响规律；通过气体击穿放电的理论分析，研究了气层放电对抛光过程中产生具有强氧化性的自由基和活性物质的作用和影响，揭示了气层放电对界面反应的辅助增强作用，以及气层演化对阳极表面生成物快速扩散的促进作用。 基于电化学反应原理和放电等离子体理论，研究了界面等离子体电化学反应机理。利用电化学特性测试方法，分析了不锈钢表面钝化层的成分以及界面等离子体电化学反应特性，提出了界面等离子体电化学反应分为等离子体电化学氧化反应和等离子体电化学溶解反应；通过试验研究和材料测试表征，提出了气层放电作用下界面等离子体电化学氧化反应和等离子体电化学溶解反应的循环是不锈钢电解质等离子体抛光材料去除的主要方式；通过理论分析、模型建立和试验研究，揭示了钝化层在凸起处溶解速率高于凹陷处溶解速率是不锈钢电解质等离子体抛光微观整平的主要作用机制。 通过改进Gouty-Chapman-Stern双电层模型，建立了同时存在紧密层与扩散层的不锈钢电解质等离子体抛光界面双电层物理模型；在此基础上结合 Butler-Volmer 公式建立了界面反应动力学模型；通过分析影响动力学行为的关键因素，确定了抛光过程中影响电极反应速率的主要因素为电压、电解质浓度和电解液温度；通过动力学参数计算、模型验证和理论分析，揭示了电解液温度和电解质浓度对不锈钢电解质等离子体抛光界面反应速率的影响机制。 基于界面反应机理和动力学模型，以表面粗糙度和材料去除率为评价指标，研究了关键参数对不锈钢电解质等离子体抛光的影响机制。通过单因素试验研究，揭示了电压、电解质浓度、电解液温度、加工时间对表面粗糙度和材料去除率的影响规律，并且验证了动力学模型的有效性；通过响应曲面法试验研究，揭示了电压、电解质浓度、电解液温度对抛光效果的复合影响规律，得出了当电压为238 V、温度为72℃、电解液浓度为3.8 wt%时，能够同时实现最低粗糙度和最高材料去除率；以不锈钢不规则曲面零件为研究对象，对优化后的参数进行了试验验证，抛光后表面平均粗糙度Ra从初始的0.73 μm减小到0.078 μm，为不锈钢电解质等离子体抛光工业化应用提供参考。 通过理论分析与材料测试表征，揭示了界面反应对电解质等离子体抛光不锈钢表面微观组织结构和性能变化的影响机制，并对界面反应机理进行了验证。采用 X 射线衍射、电子背散射衍射、场发射透射电镜、X射线残余应力分析和电子拉伸试验等方法对微观组织结构、力学性能、润湿性能和耐腐蚀性能的变化进行了表征；提出了界面等离子体电化学反应、气层放电产生的高能等离子体轰击、材料内部退火应力的动态复合能量场，导致不锈钢表面微观组织结构演变以及屈服强度、拉伸强度、疏水性能的提高；此外，界面反应产生的钝化膜及组织结构转变是耐腐蚀性增强的作用机理，为不锈钢表面加工及防腐蚀提供了新思路和新方法。
NETL