射流等离子体电解化学热处理低碳钢平板表面的热物理特性与结构演变研究

本文推荐研究人员针对传统浸没式等离子体电解处理（PET）在处理大型复杂构件及内表面时的局限性，创新性地开发了射流等离子体电解化学热处理（jet-PET）技术。通过研究低碳钢平板在氯化铵基电解液中的局部处理过程，团队揭示了临界电压对气汽层稳定性的调控规律，建立了热流分布模型，并证实该技术可实现表面渗碳/氮及淬火强化，为高性能表面工程提供了新策略。

　　

在金属表面工程领域，等离子体电解处理（Plasma Electrolytic Treatment, PET）技术因其高效性而备受关注。传统PET通常需将工件完全浸入电解液，这不仅限制了大型构件、复杂形状零件及内表面的处理能力，还导致能耗随工件尺寸增大而显著上升。更棘手的是，浸没处理时工件表面的气汽层会因重力作用形成厚度不均的垂直梯度，进而引起温度场和电流密度分布失衡，影响处理效果的均匀性。

为突破这些瓶颈，来自莫斯科国立工艺大学“STANKIN”高效机械加工技术系的研究团队将目光投向射流等离子体电解化学热处理（jet-PET）技术。该技术通过将电解液以射流形式局部喷射至工件表面，利用产生的等离子体进行加热和化学扩散，既能精准处理特定区域，又可大幅降低能耗。研究人员聚焦低碳钢平板表面，系统探究了jet-PET过程的热物理特性与微观结构演变规律，相关成果发表于《Next Materials》。

本研究主要采用射流电解装置、电压-电流-温度同步监测系统、红外测温仪、金相显微镜、X射线衍射仪（XRD）和显微硬度计等关键技术方法。通过调控电压参数，记录临界转变电压；结合热流模型计算温度分布；利用显微结构观察和物相分析表征处理层组成。

3.1. 射流PET的伏安与伏温特性

通过分析不同电解液（如氯化铵、添加尿素或甘油的复合电解液）中的电压-电流-温度关系，研究人员确定了两个关键电压阈值：一是形成稳定气汽层并启动稳态加热的“第一临界电压”（140–175 V）；二是气汽层破裂、电解液恢复接触的“第二临界电压”（270–350 V）。高于第二临界电压时，加热模式转为非稳态，电流小幅回升，温度下降，同时辉光颜色由红转蓝，表明等离子体电解抛光（PEP）效应开始主导。

3.2. 射流PET过程中的热流分布

基于薄板局部加热模型和贝塞尔函数推导，团队建立了热流计算方程。实验发现：输入金属板的热流随电压升高而线性增加，最高可达1.7 kW（280 V时）；而输入电解液的热流则随电压上升而下降。这表明在稳态加热模式下，能量主要分配于工件加热与电解液冷却两大途径，且二者存在此消彼长的关系。

3.3. 处理后钢表面的结构与物相组成

在氯化铵+尿素电解液中处理后的试样截面呈现明显的梯度结构：表层为Fe₂O₃/FeO氧化物层；其下为由Fe_2–3N和Fe₃C组成的化合物层；随后是马氏体层和铁素体-类共析体混合结构。XRD检测到残余奥氏体，显微硬度最高达770 HV。值得注意的是，jet-PET在氯化铵+甘油电解液中也能促进氮化物形成（而传统浸没法无法实现），证明射流技术可显著提升氮扩散效率。然而，因甘油增粘导致冷却速率降低，该体系未形成马氏体，硬度增幅有限。添加硼酸后则基本无硬化效果，仅见碳扩散形成的类共析组织。

本研究证实射流PET技术可通过调控电压精确控制气汽层状态，实现低碳钢表面的局部化学热处理（渗碳、渗氮）和淬火强化。其热流分布模型为工艺优化提供了理论依据，结构分析则揭示了处理层的成分-性能梯度关系。该技术不仅克服了浸没式PET的尺寸与形状限制，有望应用于大型装备关键部位的表面强化与修复，还为绿色低能耗表面工程开辟了新路径。