韋鴻鈺，王 冠，郭鐘寧

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510225）

表面形貌是固體材料的重要屬性，直接影響材料的使用性能。多孔結(jié)構(gòu)是較常見的表面形貌之一，對(duì)其加工可采用粉末燒結(jié)、電鍍、機(jī)械、激光、化學(xué)刻蝕等加工方法[1-4]。電解加工依靠電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理去除材料，具有效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。以往認(rèn)為，在電解加工過程中，暴露于電解液中的金屬是均勻腐蝕的，但事實(shí)并非如此。由于金屬表面結(jié)構(gòu)和組織不均勻或溶液狀態(tài)不均一，會(huì)導(dǎo)致形成若干個(gè)微陽(yáng)極區(qū)和微陰極區(qū)，電解反應(yīng)在這些區(qū)域間發(fā)生，形成若干個(gè)微觀的局部腐蝕，據(jù)此提出用電解加工方法在金屬表面加工微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)想。

電解加工的材料去除過程主要取決于加工區(qū)域的電場(chǎng)分布，采用適當(dāng)?shù)碾娫床⒂行Э刂萍庸^(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)分布，可對(duì)工件表面的加工反應(yīng)進(jìn)行更好的控制。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，將直流和脈沖電源極化條件下加工表面的孔洞形貌進(jìn)行對(duì)比分析，探討兩種極化條件下的孔洞形成及生長(zhǎng)特征，為更好地控制多孔表面電解加工提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及試劑

試驗(yàn)樣品的材料為304不銹鋼，形狀尺寸為直徑6 mm的圓片，除加工表面外，其余表面均采用環(huán)氧樹脂封裝。電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl溶液（分析純）。試驗(yàn)裝置見圖1，為標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，鉑金電極為輔助電極，Ag/AgCl電極為參比電極。

圖1 恒電壓電解加工示意圖

試驗(yàn)前，分別用 300#、800#、1200#、2000# 砂紙對(duì)加工表面進(jìn)行拋光，并放入丙酮及純水中進(jìn)行超聲清洗，在去除油污及雜質(zhì)后進(jìn)行冷風(fēng)干燥，使被加工表面具有一致的表面狀態(tài)。整個(gè)加工過程采用電化學(xué)工作站監(jiān)測(cè)參數(shù)變化，用激光共聚焦顯微鏡觀察表面孔洞形貌。

1.2 試驗(yàn)方法

在總加工電量相等的條件下，分別采用直流及直流脈沖電源進(jìn)行恒電壓電解加工，采用計(jì)時(shí)電流法觀測(cè)整個(gè)過程中的電流變化，研究直流和直流脈沖極化條件下的材料溶解控制過程。對(duì)加工表面孔洞形貌及尺寸進(jìn)行測(cè)量，用圖像處理技術(shù)統(tǒng)計(jì)加工表面孔洞分布及腐蝕率。

2 結(jié)果及討論

2.1 直流和直流脈沖極化下的溶解過程

電極過程是由一系列性質(zhì)不同的單元步驟串聯(lián)組成的復(fù)雜過程，一般有陽(yáng)極過程、陰極過程和液相傳質(zhì)過程（圖2）。當(dāng)電極反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，這3個(gè)環(huán)節(jié)既彼此獨(dú)立又相互聯(lián)系，整個(gè)電極反應(yīng)的進(jìn)行速度受“最慢”環(huán)節(jié)的制約，一般稱之為控制步驟。

圖2 電極過程

在等電量條件下，直流和直流脈沖加工的電壓、電流與時(shí)間的關(guān)系見圖3、圖4。由法拉第定律可知，電解加工過程中材料的溶解與陽(yáng)極表面的電流成正比，因此可通過陽(yáng)極表面的電流來(lái)觀測(cè)陽(yáng)極反應(yīng)過程。

圖3 直流電解電壓電流對(duì)照?qǐng)D

圖4 直流脈沖電解電壓電流對(duì)照?qǐng)D

當(dāng)采用直流恒壓極化時(shí)，在加工初始階段，由外電流流入的電子來(lái)不及發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，陽(yáng)極表面電流呈線性增長(zhǎng)，主要發(fā)生的是電化學(xué)極化，此階段屬于暫態(tài)階段；隨著溶解反應(yīng)的進(jìn)行，陽(yáng)極表面附近的離子濃度下降，溶液中的離子得不到及時(shí)補(bǔ)充，故反應(yīng)速度開始下降；約25 s后，陽(yáng)極表面的電流趨于穩(wěn)定，此時(shí)溶解反應(yīng)主要受離子擴(kuò)散速度的控制，即受濃差極化控制，此階段屬于穩(wěn)態(tài)階段。

而在脈沖電源極化條件下，每個(gè)脈沖周期的陽(yáng)極表面電流密度都近似于暫態(tài)階段，即受電化學(xué)極化控制，當(dāng)即將進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)脈沖關(guān)斷，溶液開始恢復(fù)至反應(yīng)前的狀態(tài)，而在下一個(gè)脈沖周期重新開始電化學(xué)極化。因此，在整個(gè)加工過程中，陽(yáng)極表面是在暫態(tài)條件下溶解，主要受電化學(xué)極化的控制。

2.2 直流和直流脈沖電源對(duì)表面腐蝕率的影響

腐蝕率指多孔表面的孔隙總面積占整個(gè)表面面積的百分比，用來(lái)衡量電解加工表面的腐蝕程度，其表達(dá)式為：

式中：φ為被測(cè)表面的腐蝕率；Sp為單個(gè)孔隙的面積；S為被測(cè)表面的總面積。

圖5是等電量直流和直流脈沖電解加工表面形貌。采用in-sight explorer軟件對(duì)兩種極化條件下的加工表面形貌進(jìn)行圖像處理，計(jì)算斑點(diǎn)面積占總面積的百分比，即加工表面的腐蝕率分別為直流35.2%、脈沖25.3%。可見，脈沖極化下的表面腐蝕率明顯低于直流電解。這是由于材料的腐蝕程度主要取決于流過陽(yáng)極表面的電量和加工效率，由于兩種極化條件的總電量相等，所以材料的腐蝕率主要受加工效率的影響。在直流極化下，陽(yáng)極表面達(dá)到穩(wěn)態(tài)后一直處于濃差極化狀態(tài)，材料連續(xù)穩(wěn)定溶解，故加工效率較高；而在脈沖極化下，電極的極化時(shí)間相對(duì)較少，且在脈沖間歇時(shí)段會(huì)發(fā)生一定程度的去極化，即在一個(gè)脈沖周期先后實(shí)現(xiàn)了雙電層的充放電，消耗了部分電量，使加工效率降低，所以表面腐蝕率也較低。

圖5 等電量直流及直流脈沖電解加工表面形貌（108×）

2.3 直流和直流脈沖電源對(duì)孔洞生長(zhǎng)規(guī)律的影響

孔洞的生長(zhǎng)包括沿孔徑和縱深方向的生長(zhǎng)。為研究孔洞的生長(zhǎng)規(guī)律，分別在等電量直流和直流脈沖條件下進(jìn)行電解加工試驗(yàn)，測(cè)量不同時(shí)刻多孔表面5個(gè)最大孔洞的直徑和深度，取其平均值作為該時(shí)刻孔洞的直徑和深度，結(jié)果見圖6?？煽闯?，無(wú)論在直流還是脈沖條件下，孔洞的直徑和深度均隨著加工時(shí)間的增加而增大，且增長(zhǎng)速度相當(dāng)；無(wú)論是孔徑方向還是深度方向，直流加工孔洞的生長(zhǎng)速度均高于脈沖加工孔洞的生長(zhǎng)速度。

圖6 直流及脈沖加工孔洞的尺寸變化

將圖5所示的兩種加工結(jié)果截取等大區(qū)域，用in-sight explorer圖像處理軟件編程測(cè)得兩種加工條件下不同面積的孔洞分布（圖7）。可見，直流加工陽(yáng)極表面的大面積孔洞明顯比脈沖加工多。在直流加工條件下，孔洞數(shù)量為212個(gè)，其直徑范圍為7.667～76.833 μm，深度為 6.782～76.539 μm；而在脈沖加工條件下，陽(yáng)極表面的孔洞數(shù)量為434個(gè)，比直流加工時(shí)明顯增多，但尺寸較小，孔徑分布范圍為 7.333～27.500 μm，深度為 3.855～24.647 μm。

圖7 直流及脈沖加工表面孔洞直徑尺寸分布

根據(jù)點(diǎn)蝕形成理論可知，孔洞形成需經(jīng)歷形核與增長(zhǎng)兩個(gè)過程。直流電解加工孔洞形核后便開始生長(zhǎng)，待長(zhǎng)到接近極限尺寸后再開始新的位置形核生長(zhǎng)，因而孔洞尺寸相差較大；而直流脈沖電解加工屬于間歇性加工，加工過程中電流的通斷能增強(qiáng)電化學(xué)極化控制作用，降低濃差極化的影響，電流的階躍使金屬表面的形核速度增大，脈沖的間歇又抑制了孔洞的生長(zhǎng)，即直流脈沖加工時(shí)表面的形核速率大于孔洞的生長(zhǎng)速率，因而脈沖加工條件下孔洞數(shù)量較多，尺寸更均勻。

3 結(jié)論

直流和直流脈沖電解加工都能獲得多孔表面結(jié)構(gòu)，直流電解過程主要受濃差極化控制，而脈沖電解更多的受電化學(xué)極化控制。直流電解加工時(shí)，表面腐蝕率高，孔洞增長(zhǎng)速度快，但均勻性較差；脈沖電解加工時(shí)，由于電壓的階躍能促進(jìn)孔洞的形核過程，脈沖間歇又抑制了孔洞的生長(zhǎng)，因此，表面孔洞萌發(fā)數(shù)量多、尺寸均勻，且易通過調(diào)整電場(chǎng)參數(shù)來(lái)控制孔洞的生長(zhǎng)。

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