油包水型工作液對(duì)超聲電脈沖復(fù)合強(qiáng)化鎳基高溫合金表面的影響研究*

金 輝，紀(jì)仁杰，王保坤，劉永紅

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），青島 266580）

高溫合金通常能夠在600 ℃以上的高溫下保持較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[1–2]，同時(shí)具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、石油化工等領(lǐng)域[3–4]。高溫合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，通常在惡劣的環(huán)境中使用，并且隨著工業(yè)的快速發(fā)展，要求金屬材料具有更好的耐高溫、高壓、高負(fù)載的能力，具有更好的耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕性能，所以對(duì)高溫合金進(jìn)行表面強(qiáng)化，提高零部件表面性能對(duì)于促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵作用[5]。鎳基高溫合金Inconel 718 是目前應(yīng)用最廣泛的高溫合金，因其性能優(yōu)越，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子軸、燃?xì)廨啓C(jī)上得到廣泛使用。Inconel 718 合金具有高強(qiáng)度、高硬度以及高加工硬化傾向，是一種典型的難加工材料[6–7]，而且Inconel 718 合金部件通常要求嚴(yán)格的尺寸公差（＜10 μm）和較低的表面粗糙度（Ra＜0.5 μm）[8–9]，所以在進(jìn)行表面強(qiáng)化時(shí)遇到了很多的困難。

目前，常用的金屬表面強(qiáng)化方法包括超聲滾壓、噴丸強(qiáng)化、激光沖擊、化學(xué)熱處理等，其中超聲滾壓一般用于處理塑性好、硬度低的金屬，對(duì)于具有較高強(qiáng)度和硬度的Inconel 718合金，單純超聲滾壓難以使其產(chǎn)生較大的塑性變形，處理效果較差；噴丸強(qiáng)化與激光沖擊在表面引起劇烈塑性變形，引入殘余壓縮應(yīng)力的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度增大[10]，難以達(dá)到零件的精度要求；采用化學(xué)熱處理方法，通過(guò)在表面滲碳、滲氮、滲鋁等形成硬度涂層，能夠有效提高表面的強(qiáng)度、硬度、耐磨損等性能，但是這種脆硬涂層在高負(fù)荷下表現(xiàn)不佳，而且與基體的結(jié)合性較差，容易產(chǎn)生“蛋殼效應(yīng)”。對(duì)金屬表面進(jìn)行強(qiáng)化使其適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，同時(shí)保證表面質(zhì)量，還需要對(duì)處理技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

超聲電脈沖復(fù)合處理技術(shù)是針對(duì)高溫合金這類(lèi)高強(qiáng)高硬材料開(kāi)發(fā)的表面處理技術(shù)，將電脈沖與超聲振動(dòng)進(jìn)行耦合，利用電脈沖的電致塑性效應(yīng)提高材料的可加工性，利用超聲振動(dòng)使材料表面發(fā)生劇烈塑性變形[11–12]。超聲電脈沖復(fù)合處理技術(shù)能夠?qū)Ω邷睾辖鸩牧媳砻孢M(jìn)行強(qiáng)化，提高表面強(qiáng)度、硬度、耐磨損、耐腐蝕等性能，但是通常用水作為工作液處理后的表面質(zhì)量較差，表面存在較多缺陷。超聲電脈沖復(fù)合處理后表面質(zhì)量與工作液有關(guān)，為了解決這一問(wèn)題，本研究研制了適用于超聲電脈沖復(fù)合處理工藝的油包水型工作液，研究工作液對(duì)超聲電脈沖復(fù)合處理Inconel 718 合金表面性能的影響，并探究其影響機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)性能強(qiáng)化和高表面質(zhì)量的結(jié)合，擴(kuò)大高溫合金的使用范圍，推動(dòng)航空航天、能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 試驗(yàn)及方法

試驗(yàn)所用材料為經(jīng)固溶時(shí)效處理的Inconel 718 鎳基高溫合金（國(guó)標(biāo)GH4169），材料的化學(xué)成分由能譜掃描測(cè)定，如表1 所示。處理試樣為直徑50 mm 的棒材，并利用線切割切成長(zhǎng)度300 mm 試樣。

表1 Inconel 718 高溫鎳基合金元素組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of nickel base superalloy Inconel 718（mass fraction） %

超聲電脈沖復(fù)合處理試驗(yàn)裝置如圖1 所示，其中左上角為處理位置的放大圖。整套裝置由超聲滾壓設(shè)備、脈沖電源設(shè)備、循環(huán)沖液系統(tǒng)和機(jī)床組成。處理過(guò)程中超聲能量由超聲發(fā)生器產(chǎn)生，傳輸?shù)匠暆L壓設(shè)備的超聲振動(dòng)頭上再以超聲頻機(jī)械振動(dòng)的形式作用到金屬材料表面，超聲振幅可以通過(guò)超聲發(fā)生器調(diào)節(jié)，超聲滾壓設(shè)備安裝于車(chē)床刀架上。脈沖電流由脈沖電源設(shè)備提供，再經(jīng)由導(dǎo)線、碳刷施加到金屬表面，脈沖電流頻率為1000 Hz，峰值電流可通過(guò)電源設(shè)備調(diào)節(jié)。超聲滾壓所需的靜壓力由空氣壓縮機(jī)調(diào)節(jié)和提供。金屬工件上下兩端的碳刷與超聲振動(dòng)頭處在同一截面上，保證在處理過(guò)程中兩種能量最大程度地耦合，取得更好的表面效果。循環(huán)沖液系統(tǒng)包括工作液泵、循環(huán)管路和水槽。在處理位置有保護(hù)罩包裹試樣、振動(dòng)頭和碳刷，防止工作液飛濺并保證試驗(yàn)安全性，保護(hù)罩材料為有機(jī)玻璃。整套裝置以CDZ6140 機(jī)床為依托進(jìn)行搭建，由機(jī)床對(duì)處理過(guò)程的工件轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 超聲電脈沖復(fù)合處理裝置實(shí)物圖Fig.1 Experimental device of coupling electrical pulse and ultrasonic treatment

在處理過(guò)程中，處理工件裝夾在車(chē)床三爪卡盤(pán)上并在機(jī)床主軸帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。氣缸將空氣壓縮機(jī)輸出的氣壓轉(zhuǎn)換為靜壓力，將振動(dòng)頭擠壓在工件表面，再通過(guò)滾珠進(jìn)行超聲滾壓處理，使工件表面產(chǎn)生劇烈塑性變形，晶粒逐漸細(xì)化。同時(shí)試樣的上下兩端通過(guò)碳刷連接脈沖電源，電脈沖的電致塑性效應(yīng)提高了金屬塑性，增強(qiáng)了超聲滾壓的處理效果。碳刷由彈簧卡扣結(jié)構(gòu)固定在試樣表面，保證穩(wěn)定接觸，處理過(guò)程中超聲振動(dòng)頭與碳刷隨機(jī)床軸向進(jìn)給，工作液泵抽取工作液沖液到上下碳刷與振動(dòng)頭位置，流至下方水槽循環(huán)沖液。電脈沖與超聲振動(dòng)同時(shí)加載，利用示波器檢測(cè)脈沖電流信號(hào)，利用壓力傳感器后接信號(hào)放大器和示波器檢測(cè)超聲振動(dòng)信號(hào)，如圖2 所示。電脈沖參數(shù)為峰值電流400 A、頻率1000 Hz。超聲振動(dòng)參數(shù)為靜壓力400 N、超聲振幅8 μm、頻率25 kHz。工作液通過(guò)兩根內(nèi)徑8 mm 的軟管沖出，沖液流量為2 L/min。車(chē)床參數(shù)為車(chē)床轉(zhuǎn)速12 r/min，進(jìn)給速度0.082 mm/r，重復(fù)次數(shù)為4 次。

圖2 超聲振動(dòng)與電脈沖復(fù)合波形Fig.2 Composite waveform of ultrasonic vibration and electric pulse

油包水型工作液由油相、水相和表面活性劑混合而成，其中含水量對(duì)于其流變特性有很大影響。從環(huán)保角度考慮，乳化液中水含量大則具有成本低以及清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。用HANNA HI8733 便攜式電導(dǎo)率儀和LDV–1+PRO 黏度計(jì)測(cè)量了不同含水量油包水型工作液的電導(dǎo)率和黏度，測(cè)量結(jié)果如圖3 所示。隨著含水量的增大，乳化液的黏度和電導(dǎo)率均呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。在油包水型工作液中，隨著含水量的增加，分散于油相中的水相液滴也增大，從而增加界面間的相互摩擦作用，使黏度增大。黏度越高，提供的潤(rùn)滑效果越好，然而沖液效果越差。電導(dǎo)率越低，介電性能越強(qiáng)，對(duì)表面放電抑制作用越強(qiáng)。結(jié)合以上分析，選擇含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%和40%的油包水型工作液進(jìn)行超聲電脈沖復(fù)合處理試驗(yàn)，以下簡(jiǎn)稱為20%油包水型工作液和40%油包水型工作液。兩種乳化液均具有較低的電導(dǎo)率，同時(shí)能夠提供較好的潤(rùn)滑和充液效果，其具體配制比例如表2 所示。

圖3 不同含水量油包水型工作液的黏度和電導(dǎo)率Fig.3 Viscosity and electrical conductivity of water in oil (W/O) emulsion with different water contents

采 用LW200–4CS 型 金 相 顯 微鏡對(duì)樣件截面形貌進(jìn)行觀察。采用CFT–1 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行直線往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨副是直徑為4 mm 的陶瓷球，加載方式為砝碼加載，加載載荷為50 N，摩擦往復(fù)速度為40 mm/s，往復(fù)長(zhǎng)度為5 mm，摩擦?xí)r間為20 min；利用配備的磨損量探頭測(cè)量磨損輪廓；采用高精度天平測(cè)量摩擦磨損試驗(yàn)前后的重量差，獲得磨損量。采用華辰CHI–760e電化學(xué)分析儀對(duì)處理試樣進(jìn)行電化學(xué)腐蝕測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)采用三電極模式，1 cm2試樣表面為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。用去離子水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl 溶液作為測(cè)試溶液，測(cè)量開(kāi)路電位并將其作為初始電位進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)量，掃描頻率從100 kHz 至0.1 Hz。采用鹽霧腐蝕進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，NaCl鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，pH 值為7，箱內(nèi)溫度為35 ℃，霧化后沉降量為2 mL/（h·cm2），樣件腐蝕面積為1 cm2，除被腐蝕區(qū)域外其余地方均被蠟封。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面及截面微觀形貌分析

圖4 為未處理試樣和在不同工作液的條件下處理的試樣表面，可以看到，未處理試樣表面比較暗淡，能夠觀察到明顯的車(chē)削紋路。用水作為工作液處理后，整個(gè)表面布滿淡黃色呈雨點(diǎn)狀的放電坑，表面比較粗糙，這說(shuō)明在處理過(guò)程中出現(xiàn)了放電現(xiàn)象，放電帶來(lái)的沖擊和熱對(duì)表面造成破壞并留下凹坑狀放電痕跡。用20%油包水型工作液作為工作液處理后試樣表面較為光滑，超聲電脈沖復(fù)合處理對(duì)試樣表面有移峰填谷作用，車(chē)削紋路消失。表面存在放電坑痕跡，但與水相比放電痕跡減少，放電現(xiàn)象減弱，可見(jiàn)20%油包水型工作液對(duì)于放電現(xiàn)象有一定的抑制作用。用40%油包水型工作液處理后表面明亮光整，達(dá)到鏡面效果，沒(méi)有觀察到放電坑存在，說(shuō)明40%油包水型工作液對(duì)表面放電具有顯著的抑制作用。

圖4 不同處理?xiàng)l件下試樣表面Fig.4 Surface of samples treated with different conditions

未處理試樣和在不同工作液的條件下處理的試樣表層截面金相如圖5 所示。圖5（a）為未處理試樣的金相圖，晶粒粗大，分布較為均勻，能觀察到明顯的孿晶。圖5（b）～（d）分別為用水、20%和40%油包水型工作液作為工作液處理后試樣的截面金相，可以看到，經(jīng)過(guò)處理后的試樣由于表面發(fā)生劇烈塑性變形，表層晶粒被明顯細(xì)化、拉長(zhǎng)（其中紅色虛線以上到試樣表面為晶粒細(xì)化層，黃色虛線以上到試樣表面為強(qiáng)化影響層，黃色虛線以下為基體組織）。3 種處理試樣晶粒細(xì)化層厚度都在10 μm 左右，強(qiáng)化影響層深度在175～180 μm 之間，說(shuō)明工作液不同對(duì)于強(qiáng)化層深度方向沒(méi)有明顯的影響。

圖5 不同處理?xiàng)l件下試樣表層截面金相Fig.5 Cross-sectional metallographic microstructure of samples treated with different conditions

2.2 耐磨性分析

圖6 為未處理試樣和在不同工作液條件下處理試樣表面的平均摩擦系數(shù)和磨損量。由于表面粗糙，未處理試樣在對(duì)磨過(guò)程中摩擦系數(shù)最高，穩(wěn)定后平均摩擦系數(shù)為1.195；水處理試樣在對(duì)磨過(guò)程中也一直保持較高的摩擦系數(shù)，穩(wěn)定后的平均摩擦系數(shù)為1.113，僅比未處理試樣略低，原因在于其表面存在較多的放電坑等缺陷，表面質(zhì)量較差； 20%油包水型工作液處理試樣的摩擦系數(shù)低于水處理試樣，穩(wěn)定后平均摩擦系數(shù)為0.988； 40%油包水型工作液處理試樣表面光滑，摩擦系數(shù)明顯低于水和20%油包水型工作液，平均摩擦系數(shù)為0.928。摩擦磨損試驗(yàn)后未處理試樣磨損量為0.0037 g，水處理試樣的磨損量為0.0029 g，20%油包水型工作液處理試樣磨損量為0.0026 g，40%油包水型工作液處理試樣磨損量為0.0021 g。與未處理試樣相比，水處理試樣、20%和40%油包水型工作液處理試樣磨損量分別降低了21.6%、29.7%、43.2%。結(jié)果表明，用研制的油包水型工作液處理后，Inconel 718 合金試樣更好的表面質(zhì)量有效地改善了其磨損性能，減小了磨損量和對(duì)磨試驗(yàn)中的摩擦系數(shù)。

圖6 不同處理?xiàng)l件下試樣的平均摩擦系數(shù)和磨損量Fig.6 Average friction coefficient and wear loss of samples treated with different conditions

圖7 為不同處理?xiàng)l件試樣在經(jīng)過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)后形成的磨痕輪廓，可以看到，未處理試樣表面的磨痕最深，寬度最大，最深處為93.42 μm，輪廓寬度為1330 μm。水處理試樣次之，最深處距表面85.48 μm，輪廓寬度1240 μm。20%油包水型工作液試樣表面磨痕最深處距表面75.26 μm，輪廓寬度為1228 μm； 40%油包水型工作液最深處為72.76 μm，輪廓寬度1250 μm。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)超聲電脈沖復(fù)合處理后的試樣磨損后磨痕的深度和寬度都明顯小于未處理試樣，在不同工作液處理的試樣中，用40%油包水型工作液處理后的試樣具有最好的耐磨損性能。

圖7 不同處理?xiàng)l件下試樣摩擦磨損后的磨痕輪廓Fig.7 Wear mark contours of samples under different treatment conditions

2.3 耐腐蝕分析

圖8 為不同處理?xiàng)l件的試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl 溶液中的動(dòng)電位極化曲線，用Cview 軟件擬合了不同試樣的腐蝕電位E0和腐蝕電流密度I0，如表3 所示。未處理試樣的腐蝕電位最小，為–0.139 V，20%和40%油包水型工作液處理試樣的腐蝕電位遠(yuǎn)高于未處理試樣和水處理試樣，其中40%油包水型工作液處理試樣的腐蝕電位為–0.115 V。從腐蝕電流密度來(lái)看，40%油包水型工作液處理試樣最小，為8.9671×10–6A/cm2，比其他3 種處理試樣小一個(gè)數(shù)量級(jí)，而未處理試樣的腐蝕電流密度最大，為6.8204×10–5A/cm2。高腐蝕電位和低腐蝕電流密度說(shuō)明用40%油包水型工作液作為工作液處理之后表面具有良好的耐腐蝕性能。

表3 動(dòng)電位極化曲線擬合值Table 3 Fitting values of kinetic potential polarization curve

圖8 不同處理?xiàng)l件下試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl 溶液中的動(dòng)電位極化曲線Fig.8 Potentiodynamic polarization curves of samples treated with different conditions in NaCl solution with mass fraction of 3.5%

圖9 為不同處理試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液中的Nyquist圖和Bode 圖。Nyquist 圖由不完整的半圓弧組成，其直徑能夠反映試樣表面的耐腐蝕性，一般來(lái)說(shuō)半徑越大，耐腐蝕性越強(qiáng)。從圖9（a）中可以看出，40%油包水型工作液處理試樣的阻抗弧半徑最大，耐腐蝕性最好；20%油包水型工作液處理試樣次之。圖9（b）為處理試樣在不同頻率下的阻抗值，可以看到，在高頻區(qū)域4種試樣阻抗趨于一致，在低頻區(qū)表現(xiàn)出了不同。頻率為10–2Hz 時(shí)，未處理試樣、水處理試樣、20%和40%油包水型工作液處理試樣的阻抗值分別為6706 Ω·cm2、6961 Ω·cm2、7616 Ω·cm2、9751Ω·cm2，隨著阻抗的增加，涂層的耐腐蝕性能提高。圖9（c）為不同試樣在不同頻率下的相角變化，其中40%油包水型工作液處理試樣相角絕對(duì)值最大，為68.3°，耐腐蝕性最好。

圖9 不同處理?xiàng)l件下試樣在3.5% NaCl 溶液中的Nyquist 圖和Bode 圖Fig.9 Nyquist and Bode plots of samples treated with different conditions in 3.5% NaCl solution

圖10 為未處理試樣和不同工作液條件下處理試樣的表面鹽霧腐蝕圖像?？梢钥吹?，4 種試樣在經(jīng)過(guò)16 d 的腐蝕之后表面都出現(xiàn)了不同程度的腐蝕痕跡，未處理試樣的腐蝕主要集中在車(chē)削溝槽之間，并逐漸密集連在一起。水處理試樣由于表面存在許多放電坑，在放電坑附近極易腐蝕，在第4 d 就出現(xiàn)了明顯的腐蝕痕跡，并隨著時(shí)間的進(jìn)行范圍逐漸擴(kuò)大，形成了比較嚴(yán)重的腐蝕。20%油包水型工作液處理試樣表面也有放電坑存在，腐蝕從放點(diǎn)坑位置開(kāi)始，出現(xiàn)擴(kuò)大的趨勢(shì)，但是處理試樣表面的光滑位置沒(méi)有受到腐蝕影響。40%油包水型工作液處理試樣在鹽霧環(huán)境下表現(xiàn)出了極強(qiáng)的耐腐蝕能力，其表面光滑平整且沒(méi)有明顯的表面缺陷，在第16 d 時(shí)觀察到了輕微的腐蝕跡象。在鹽霧腐蝕環(huán)境下，Inconel 718 合金材料本身就有較強(qiáng)的抵抗能力，若表面存在雜質(zhì)或缺陷，會(huì)導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)的聚集并形成點(diǎn)蝕，隨后向外擴(kuò)展。試驗(yàn)結(jié)果表明，好的表面質(zhì)量能夠有效提高金屬表面的耐腐蝕性能。

圖10 不同處理?xiàng)l件下試樣表面腐蝕情況隨時(shí)間的變化Fig.10 Surface corrosion variation of samples treated with different conditions with time

2.4 油包水型工作液對(duì)表面放電的影響

在超聲電脈沖復(fù)合處理過(guò)程中，利用電致塑性效應(yīng)來(lái)提高處理金屬的塑性是處理Inconel 718 合金等高強(qiáng)高硬材料的關(guān)鍵。為了更好地發(fā)揮作用，脈沖電流需要具有很高的能量密度，并且直接與處理表面接觸。根據(jù)電接觸理論，接觸的兩個(gè)導(dǎo)體表面并不是光滑的，兩者之間通過(guò)接觸斑點(diǎn)形成導(dǎo)電路徑，所以在超聲電脈沖復(fù)合處理過(guò)程中，碳刷與工件表面并不完全接觸，如圖11 所示，電流流過(guò)接觸界面時(shí)，收縮經(jīng)過(guò)接觸點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生收縮電阻。接觸面總電阻為陽(yáng)極電阻、陰極電阻和收縮電阻的和，收縮電阻在其中占主要比重。在每個(gè)脈沖開(kāi)始時(shí)，流經(jīng)接觸界面的電流最大，此時(shí)在接觸點(diǎn)兩端存在很大的電壓，接觸界面間的間隙內(nèi)達(dá)到空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)而產(chǎn)生放電現(xiàn)象。同時(shí)隨著碳刷與工件表面間不斷相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸點(diǎn)不斷斷開(kāi)和閉合，觸點(diǎn)數(shù)量不斷變化，在處理表面形成連續(xù)的放電坑。油包水型工作液與空氣相比有更好的介電性能，在處理過(guò)程中起到了隔絕空氣的作用，防止空氣進(jìn)入碳刷與試樣表面間隙。

圖11 超聲電脈沖復(fù)合處理過(guò)程的放電模型Fig.11 Discharge model of coupled ultrasonic and electric pulse treatment

圖12 為超聲電脈沖復(fù)合處理后的工件表面未受放電破壞處的微觀形貌。如圖12（a）所示，用水作為工作液時(shí)，處理后工件表面不平整，存在大量的溝槽以及材料脫落形貌。如圖12（b）所示，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%油包水型工作液時(shí)，處理后工件表面較為平整，存在部分溝槽，無(wú)材料脫落痕跡。如圖12（c）所示，用40%油包水型工作液時(shí)，處理后工件表面光滑平整，幾乎無(wú)缺陷。

圖12 超聲電脈沖復(fù)合處理后的未受放電破壞處微觀形貌Fig.12 Micro-morphology of undamaged area after coupled ultrasonic and electric pulse treatment

結(jié)合圖4（a）和12（a）可以推測(cè)出用水、20%和40%油包水型工作液在碳刷和工件接觸面間的分布情況。如圖13 所示，水和20%油包水型工作液由于黏度較低并不能完全隔絕空氣，而40%油包水型工作液黏度大，能夠形成厚的油膜，完全填滿碳刷與試樣表面的間隙。當(dāng)用水作為工作液時(shí)，碳刷與試樣表面之間存在空氣擊穿放電現(xiàn)象，對(duì)表面造成破壞并產(chǎn)生放電坑，同時(shí)由于水的潤(rùn)滑效果較差，導(dǎo)致磨損痕跡較為明顯。用20%油包水型工作液時(shí)，放電痕跡減少，工件表面的磨損痕跡減少。用40%油包水型工作液時(shí)，對(duì)表面放電具有顯著抑制作用，幾乎無(wú)放電痕跡，同時(shí)能提供更好的潤(rùn)滑效果，減少振動(dòng)頭與處理表面之間的摩擦力，處理后的試樣更為平整。

根據(jù)圖13，利用COMSOL 軟件進(jìn)行了不同工作液極間電場(chǎng)強(qiáng)度模擬，物理場(chǎng)為靜電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)分析，極間間隙為400 nm，極間電壓10 V，模型及仿真結(jié)果如圖14 所示?？梢钥吹?，用水作為工作液時(shí)在空氣間隙內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度最大，為3.7×107V/m。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%油包水型工作液時(shí)，在工作液的水相附近存在較高的場(chǎng)強(qiáng)，空氣間隙內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)最大，為4.6×107V/m。用40%油包水型工作液時(shí)，在分散相水相周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度最大，為6.3×107V/m。當(dāng)用水和20%油包水型工作液時(shí)，極間的最大場(chǎng)強(qiáng)都超過(guò)空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。40%油包水型工作液時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大，但是白油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比空氣要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)不到白油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生擊穿放電。

圖13 工作液在極間間隙分布Fig.13 Distribution of working fluid in gap

圖14 不同工作液極間電場(chǎng)仿真Fig.14 Simulation of electric field between electrodes of different working fluids

3 結(jié)論

采用不同工作液介質(zhì)超聲電脈沖復(fù)合處理Inconel 718 合金，并對(duì)處理后表面性能進(jìn)行檢測(cè)分析，得到以下結(jié)論。

（1）與水相比，兩種油包水型工作液處理后的表面具有更好的表面質(zhì)量。油包水型工作液處理后表面放電坑減少，對(duì)表面放電表現(xiàn)出顯著的抑制作用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%油包水型工作液表面幾乎觀察不到放電痕跡。通過(guò)觀察截面金相發(fā)現(xiàn)，油包水型工作液不會(huì)改變強(qiáng)化影響層深度。

（2）與水相比，采用油包水型工作液處理后試樣的耐磨損、耐腐蝕性能明顯提升，且40%油包水型工作液處理性能最佳。

（3）油包水型工作液作為工作液，能夠起到隔絕空氣的作用，同時(shí)極佳的介電性能有效避免了擊穿放電，保證處理后表面的完整性。