离子液体强化镍基高温合金的多功能空化处理技术研究

推荐：研究人员针对镍基高温合金表面处理能量不足的问题，开发了结合离子液体(ILs)的激光-磁场协同强化多功能空化(LMEI-MFC)技术。该技术通过[BMIM][BF4 ]/[BMIM][FeCl4 ]离子液体增强空化气泡能量，实现了CM186LC合金表面结构均匀化和硬度提升，为航空发动机叶片涂层预处理提供了新方案。

　　

在航空发动机领域，镍基高温合金是制造涡轮叶片的核心材料，但其表面处理一直面临重大挑战。传统水射流空化(WJC)和超声波空化(UC)技术存在能量分散、处理效率低等问题，而热障涂层(TBC)喷涂前的表面预处理又需要复杂的机械抛光和化学蚀刻步骤。更棘手的是，合金在高温高压工作环境下会出现γ/γ'相筏化(rafting)现象——这是由晶格错配和应力导致的微观结构粗化，直接影响叶片寿命。

针对这些行业痛点，日本的研究团队在《Results in Materials》发表了一项突破性研究。他们创新性地将离子液体(ILs)引入自主研发的激光-磁场协同强化多功能空化(LMEI-MFC)系统，通过精确调控空化气泡的物理化学行为，实现了镍基高温合金的表面强化。这项技术巧妙地融合了水射流的机械冲击、超声波的广域处理、磁场的洛伦兹力调控以及激光诱导的多光子电离等多重能量形式。

研究团队采用了两套关键技术方案：其一是配备0.2mm窄喷嘴的LMEI-MFC装置，整合了5个超声换能器和78块钕磁铁；其二是创新性地在纯水中添加0.47%浓度的两种离子液体——亲水性的[BMIM][BF₄
]和磁响应性的[BMIM][FeCl₄
]。通过光子计数、激光显微术和SEM-EDS等表征手段，系统评估了SC610单晶和CM186LC柱状晶试样的处理效果。

在材料与方法部分，研究团队对两种典型镍基合金（SC610和CM186LC-DS）进行了差异化热处理，并采用阶梯式抛光工艺制备试样。核心实验装置LMEI-MFC系统包含三大功能模块：30MPa高压水射流发生器、450nm激光激发源和垂直水射流的强磁场阵列（磁通密度1.5T）。通过H9319光子计数器实时监测空化发光强度，结合三维激光显微镜和维氏硬度计量化处理效果。

研究结果部分揭示了多项重要发现：

1. 表面形貌调控：纯水处理的CM186LC试样中心出现明显筏化凹陷（Sa粗糙度从9nm增至25nm），而添加[BMIM][FeCl₄
   ]的试样表面均匀性显著提升（Sa维持在24-25nm）。
2. 元素迁移行为：SEM-EDS显示处理后Re、W、Ta等强化元素表面浓度激增，其中Re含量提升达290%，这解释了硬度提升的机理。
3. 能量增效机制：离子液体使光子计数强度从5×10⁵
   跃升至1×10⁶
   ，证实了ILs分解产生的Fe/Cl离子增强了气泡碰撞。
4. 硬度变化：LMEI-MFC(ILs)仅需15分钟就使CM186LC硬度提升20HV，效率是纯水处理的2倍。

讨论部分指出，该技术的突破性在于：

1. 首次实现离子液体在空化气泡中的选择性渗透，[BMIM]⁺
   阳离子通过界面渗透后发生多光子电离，大幅提升气泡电荷密度；
2. 磁场诱导的洛伦兹力使带电气泡运动轨迹可控，解决了传统空化能量随机分散的难题；
3. 为不同合金"量身定制"离子液体配方——磁响应性[BMIM][FeCl₄
   ]更适合CM186LC，而[BMIM][BF₄
   ]处理SC610时虽提高硬度但引发裂纹。

这项研究为航空发动机叶片制造提供了革命性表面处理方案。通过离子液体-空化协同技术，不仅简化了传统繁琐的预处理工序，更通过元素选择性迁移和微观结构调控，使合金表面硬度提升20-30HV。未来优化离子液体配方后，该技术有望应用于更广泛的耐高温材料领域，为绿色制造提供新范式。论文通讯作者Toshihiko Yoshimura强调，这项技术的工业化应用将显著延长涡轮叶片寿命，对实现"双碳"目标下的航空发动机节能减排具有重要意义。