GH4169超级合金因为其与众不同的特性而具备多种多样工业生产运用，比如航空发动机，潜水艇，航天飞机等。殊不知，因为其坚硬的特性，这类材料的机加工变成至关重要的问题之一。光化学反应加工是非常规的微加工加工工艺。它生产制造的金属材料平扁构件无毛边和应力。在PCM中，经过将金属分子溶解在化学溶液中开展金属材料去除。它涉及到应用拍照专用工具輔助的光刻胶从限制区域蚀刻金属。现如今，PCM在航天航空，轿车，电子器件，装饰物，诊疗等领域的高精密零件生产制造中起着尤为重要的功效。[1，2]。

GH4169是一种关键的镍基超级合金，可用以各种各样工程项目运用。它尤其用以航天航空，深海，核能发电和食品类加工运用[3]。这类镍合金经过产生密不可分黏附的氧化皮，可在溫度起伏期内抵抗剥落。GH4169在超高压标准下具备运用[4]。

Saraf和Sadaiah科学研究了电磁场对SS316L蚀刻速率的直接影响[5]。Patil和Mudigonda在GH4169上开展了试验，以熟悉控制变量（比如切削用量，走刀速率和车削深层）在不一样参数水平上对表面光滑度和内应力的影响[6]。Qu等。使用PCM在Monel400上开展了研究。研究表明，轧制方向会直接影响蚀刻速率[7]。Bruzzone和Reverberi第一次在PCM中引进了模拟仿真。因此，应用了3D蒙特卡罗模拟模型并进行了试验值[8]。Çakir科学研究了氯化铁蚀刻剂对铝的影响，因为Al蚀刻是PCM工业生产中的至关重要的问题[9]。Ho等。进行化学加工，剖析纳米晶镍并预测蚀刻剂浓度值对蚀刻品质的直接影响[10]。Çakir等。对氯化铁和氯化铜蚀刻剂的铜蚀刻加工工艺开展了比较分析。用氯化铁蚀刻剂观察到更多的蚀刻速度，而用氯化铜蚀刻剂造成光洁的表面品质[11]。Allen和Almond探讨了PCM工业生产中氯化铁蚀刻剂的质量控制（QC）难题[12]。

参考文献说明，并未对PCM中的表面拓扑开展调查。GH4169是一种难车削的合金，具备广泛的应用范畴。能够应用放电加工，激光加工等在加工全过程中造成地应力的状况下开展加工。PCM是无地应力和无毛边的加工工艺，在Inconel合金上并未开展重大科学研究。加工工艺主要参数对表面拓扑的直接影响是PCM中的关键问题。此项科学研究第一次调研了GH4169的光化学反应加工。

2。原材料和方式 

2.1。原材料

挑选用以试验的原材料是GH4169。最开始取250×250×毫米的板用以精确测量表面表面粗糙度值。表面表面粗糙度的初始值在不一样的部位拍攝产品工件并观查做为1.98的均值 μ米。标本采集的规格为20×20毫米。未加工的GH4169的扫描仪透射电镜（SEM）图象如图所示1所显示。如图2所显示，能量色散X射线分析（EDAX）曲线图提供了GH4169的成分。

图1 

GH4169加工前的SEM图像。

图2 

GH4169的EDAX配置文件。

2.2。加工机制

在光化学加工中，通过蚀刻去除金属。观察到三个主要阶段（图3）。（一个）来自蚀刻剂溶液的离子或分子通过边界层向工作表面上的裸露膜扩散。（b）由于暴露于蚀刻剂的膜之间发生化学反应，形成可溶性和气态副产物。（C）来自工件表面的副产物通过边界层扩散到蚀刻剂溶液中。

图3 

光化学加工机制。

2.3。实验程序

PCM实验中遵循的不同步骤在图4中给出。

图4 

PCM实验流程图。

通过使用超声波清洁器清洁样品。用于清洁的溶液包含去离子水和1％的盐酸。在SEM下观察清洁的表面的表面变化，并在EDAX上观察化学组成。通过使用FeCl 3（氯化铁）作为蚀刻剂对样品进行加工。实验的设计基于完全阶乘（3k）方法。从过去的文献中可以发现，这些参数对PCM的响应参数有重要影响[ 13 – 18are是蚀刻剂的浓度，蚀刻温度和蚀刻时间。通过一次使用一个因素来确定工艺参数范围的方法已经进行了初步实验。所选择的工艺参数是蚀刻剂浓度，蚀刻剂温度和蚀刻时间，其每三个等级如表1所示。对于过程参数的这种组合，需要使用完全阶乘方法进行27个实验。另外，在表2中包括作为表面粗糙度（）值的响应参数。

2.4。实验装置

图5显示了GH4169 PCM的实验装置。蚀刻浴用于进行实验。它由一个保温盖组成，可保持浴槽内的温度。温度控制器用于控制浴温，精度为±1°C。使用Taylor Hobson talysurf轮廓仪进行表面光洁度（）的测量。

图5

实验装置。

3。结果与讨论

借助于平均有效图和方差分析（ANOVA）对工艺变量对表面粗糙度的影响进行了统计分析。因此，分析了工艺变量对响应参数的影响，以获得低表面粗糙度和高材料去除率的最佳条件。

3.1。表面粗糙度分析（）

表3显示了表面粗糙度的方差分析（ANOVA）。从方差分析结果，可以观察到工艺参数对表面光洁度值的影响很大。对于温度和浓度，它显示所选范围接近100％显着，而对于时间和范围，则约为95.1％显着。统计学上最重要的因素是温度。

表3

表面粗糙度的方差分析摘要。

图6显示了光化学加工的GH4169表面粗糙度的主要影响图。主要效果图显示，随着输入参数水平的提高，表面粗糙度降低。蚀刻温度，浓度和时间以重要性从高到低的顺序是影响的控制变量。

图6

粗糙度的主要影响图（）。

在45°C的温度下，氯化铁与GH4169的反应才刚刚开始，因此最初观察到的表面粗糙度更大。随着温度升高，蚀刻剂的粘度降低。因此，其导致阳离子穿过扩散层的渗透性提高。在高温下，蚀刻剂的侵蚀不是沿着晶界，而是分布在整个晶粒区域，导致表面更光滑。因此，从主效应图可以看出，随着温度的升高，表面粗糙度降低。

可以看出，随着蚀刻剂浓度的增加，蚀刻速率降低（如表4和图7所示）。

表4

表面粗糙度的方差分析摘要。

图7

样品重量损失相对于50°C和20分钟蚀刻浓度的图表。

当蚀刻剂浓度高时，随着氯化铁变得更粘，阳离子在扩散层上的移动变得困难。因此，降低的扩散速率导致更好的表面光洁度。反应时间对表面粗糙度的影响很小，因为温度和浓度对机加工起着至关重要的作用。

图8显示了控制参数和响应变量之间的交互作用图。可以看出，随着温度，浓度和时间的增加，表面粗糙度值明显降低。随着温度升高，表面粗糙度值降低；在温度45为500g / L的浓度℃下记录的平均表面粗糙度值为0.56  μ m和在55℃下是0.259  μ M（参照图8的（a） ）。时间对于表面粗糙度而言不是很重要的参数，因为对于恒定温度，随着时间的增加，表面粗糙度值的变化非常小，如图8（b）所示。对于20分钟的蚀刻时间，平均为  0.44μ米的表面粗糙度被记录500 g / L的浓度和0.31  μ 600 g / L的浓度M（参照图8的（c） ）。

（一个）

（b）

（C）

（一个）
（b）
（C）

图8

相互作用图：（a）温度和浓度，（b）温度和时间，（c）蚀刻剂浓度和时间。

3.2。表面形态

3.2.1。扫描电镜分析

图9（a）示出未加工的GH4169的微观结构，图9（b）示出加工后的GH4169的微观结构。使用55℃的温度，600g / L的最佳蚀刻参数以及40分钟的蚀刻时间，对GH4169进行机加工。与未加工的表面相比，加工的表面具有较小的晶粒尺寸。机加工表面还显示出少量的合金元素氯化物簇，这些元素簇可能因熔化而粘附到机加工表面上。

（a）加工前

（b）加工后

（a）加工前

（b）加工后

图9

SEM图像显示了GH4169的表面形态。

3.2.2。GH4169的样品微观结构

用尼康显微镜检查加工后的GH4169样品的微观结构。图10（a）所示为机加工前试样的微观结构，图10（b），10（c）和10（d）所示为机加工后试样在600 g / L和时间恒定浓度下的显微组织。 40分钟蚀刻。温度变化分别为45°C，50°C和55°C。观察到的蚀刻剂温度对微结构有显着影响，并且随着温度的升高，加工痕迹变得更加平滑。

（A）

（b）

（C）

（d）

（A）

（b）

（C）

（d）

图10

光化学加工的GH4169的显微组织。（c）在50°C下加工后; （d）在55°C下加工后; 加工后（蚀刻剂浓度：600 g / L，蚀刻时间：40分钟）。

随着温度从45°C升高到55°C，表面粗糙度降低。在温度45℃，50℃，和55℃时，粗糙度值被发现是0.399  μ米，0.271  μ m和0.210  μ分别米，并且对于相同的粗糙度曲线被示于图11，12和13。

图11

GH4169样品的2D粗糙度轮廓（参数：温度：45°C，浓度：600 g / L，时间：40分钟）。

图12

GH4169的2D粗糙度轮廓（参数：温度：50°C，浓度：600 g / L，时间：40分钟）。

图13

加工过的GH4169的2D表面粗糙度轮廓（参数：温度：55°C，浓度：600 g / L，时间：40分钟）。

光化学加工中腐蚀现象引发的材料去除。钝化层的形成通常受氯离子的影响，最终导致腐蚀。在低温下成核的腐蚀点很少，因此会产生粗糙且不理想的表面。在较高的蚀刻剂温度下，成核的腐蚀部位更多，这将产生均匀的腐蚀并留下更好的表面光洁度。从图14可以看出。在较低的温度（45°C）下观察到空隙形成（图14（a）），从而导致较高的表面粗糙度。在蚀刻过程中观察到良好的晶间和晶内腐蚀（图14（b）），这导致在较高温度（55℃）下具有更好的表面粗糙度。

（A）

（b）

（A）

（b）

图14

在（a）45°C和（b）55°C下光化学加工的样品的SEM图像。

4。结论

对于GH4169的加工，发现光化学加工是一种合适的加工工艺。进行了实验研究，以分析控制变量对PCM表面粗糙度的影响。以上研究结果如下：

（i）更高的温度会导致更好的表面光洁度，因为蚀刻剂会与更多的晶粒区域发生反应，从而使表面均匀变化。（ii）随着蚀刻剂浓度的增加，表面粗糙度减小。

（iii）最佳的表面光洁度，如0.201  μ在温度55观察米℃，蚀刻剂的浓度为600g / L，和时间40分钟。

（iv）与温度和浓度相比，时间对表面粗糙度的影响较小。