**René 88DT高温合金电解磨削中的电流密度主导协同调控机制** 该短语描述的是一种基于电流密度（current density）作为关键控制变量的协同调控策略，用于优化René 88DT高温合金的电解磨削（electrochemical grinding）工艺。René 88DT是一种镍基高温合金，广泛应用于航空航天领域的涡轮部件制造。电解磨削作为一种特种加工方法，结合了电化学溶解和机械磨削的优势，可有效加工这类难加工材料。电流密度作为核心工艺参数，直接影响材料去除速率、表面质量和加工精度，通过电流密度的调控实现电化学与机械作用的协同优化，是提升加工工艺性能的重要手段

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Current density-governed synergistic regulation in electrochemical grinding of René 88DT superalloy

　　

摘要：粉末镍基高温合金René 88DT在电化学磨削（ECG）中存在过度腐蚀与磨削损伤之间的核心矛盾，且缺乏统一的参数调控框架，使得该矛盾进一步加剧。为了解决这一问题，本文提出了一种以协同因子为核心的协同调控策略。其创新之处在于两个方面：首先，将λ（协同因子）理论建模为电流密度与工艺参数的函数，从而能够事先预测加工模式；其次，通过设计实验验证了该模型。该因子从根本上决定了加工模式，划分出三个不同的状态：磨削主导型、最优协同ECG型和电化学加工（ECM）主导型。综合实验表明，所有关键参数——包括电解液化学特性、磨粒尺寸、电参数和进给速率——最终都通过调节电极间电流密度来将λ调至最优[1, 1.5]区间。通过参数研究、模型验证和微观组织表征，建立了以电流密度为主导的统一机制框架，揭示了只有最优协同加工模式才能实现无损伤加工且无亚表面变形。所提出的策略在航空发动机燕尾榫涡轮槽加工中得到成功验证，接触面轮廓偏差在±20 μm以内，表面粗糙度Ra为0.52 μm。本工作为处理难加工材料中电化学-机械加工权衡问题提供了一种可量化、可预测的范式。

引言：镍基高温合金具有优异的强度、耐氧化性、耐热腐蚀性和良好的微观组织稳定性，在600°C至1200°C的高温环境中仍能保持较高的力学性能。它们广泛应用于航空航天领域的航空发动机涡轮叶片[1,2]、燃烧室[3,4]和涡轮盘[5,6]；火箭发动机喷管[7]；能源领域燃气轮机的热端部件[2,8]；以及化工行业的高温耐腐蚀设备[9,10]。

磨削通常是镍基高温合金制造流程中的核心精加工工序，直接决定了工件的最终加工精度和表面质量[11,12]。然而，由于镍基高温合金硬度高、抗塑性变形能力强且导热系数低，在磨削过程中表现出显著的材料抵抗性，导致磨削力大幅增加[13,14]。这种机械效应不仅会导致磨粒快速钝化和磨损，显著缩短砂轮寿命，还因频繁修整或更换砂轮而增加了加工成本和辅助时间，导致材料去除率降低[15,16,17]。更严重的是，过大的磨削力以及因低导热系数造成的局部热量积聚，容易引起工件振动、热变形、烧伤和相变，最终损害精密加工所需的尺寸精度和加工稳定性[17,18,19]。随着第二代粉末冶金高温合金（如René 88DT、N18、EP741NP、FGH96）的广泛应用，这些合金与锻造镍基高温合金相比具有更优的疲劳强度和屈服强度，机械加工的难度和成本进一步增加[20,21,22]。

电化学加工（ECM）是一种通过电化学阳极溶解去除金属材料的非接触加工技术，不受材料硬度限制[23,24,25]。它具有无工具磨损、加工表面无残余应力或热影响区、表面质量优异等优点，特别适合加工镍基高温合金和钛合金等难加工材料[24,26,27]。然而，材料钝化和传质能力可能限制ECM的效果：工具电极和工件电极表面的电解反应分别产生氢气泡[28,29]和阳极电解产物[30,31,32]。这些不导电物质在电极间隙中的积聚导致导电性分布不均匀，降低了阳极的表面质量，严重时甚至会引起拉弧或短路，损害加工稳定性[33,34,35]。因此，ECM通常依赖高压大流量泵来实现电解液的快速冲洗，从而增强间隙内的传质。这一要求也表明，ECM在加工需要高表面完整性的部件时，其精确控制能力仍有较大的提升空间[36,37]。

电化学磨削（ECG）是一种混合加工工艺，结合了ECM的高材料去除率和磨削可实现的高精度和低表面粗糙度[26,38]。它通过电化学作用软化材料，随后由磨粒去除钝化层和软化层，从而有效降低磨削力并减少磨粒磨损[39,40,41]。ECG已被广泛应用于不锈钢[42,43,44]、钛合金[45,46,47]、高温合金[48,49,50]和金属基复合材料[51,52,53]等难加工材料的精密及超精密加工。Lupak[54]对难加工材料进行电化学磨削和机械磨削的能耗对比数值模拟，发现相同外部条件和工艺参数下，电化学磨削消耗的能源更少。此外，ECG中磨粒的刮擦作用有助于去除电极间隙中的反应产物和气泡，使该工艺可以使用低功率泵甚至无需泵即可运行，降低了设备要求。

Joshi等人[55,56,57]提出了计算ECG中ECM和机械磨削材料去除率（MRR）的经验公式。Sapar等人[58]建立了考虑ECM、磨粒机械磨削和电解液流场冲洗的材料去除模型，发现电化学作用对总MRR贡献最大，其次是磨粒磨削和电解液流冲刷。Atkinson等人[59,60]研究了电压幅值和占空比对电化学过切的影响，提出可以从加工表面的硬度和形貌特征来判别ECG的工作机制。Noble等人[61,62]证实过切受电极间隙的影响很小，主要由杂散腐蚀决定，并提出通过调节电压与进给速率之比来限制过切、提高加工精度。Banerjee等人[51,63,64]基于加工参数与表面质量之间的函数响应关系，获得了硬质合金ECG的最优工艺参数。Wu等人[65,66]通过电化学行为分析，确定了NaH?PO?和Na?SO?的复合溶液为高速钢ECG的最优电解液，显著提高了MRR、表面质量和加工精度。

尽管上述研究做出了有价值的贡献，但在粉末镍基高温合金ECG的语境下，仍存在三个关键的研究空白尚未得到解决。首先，现有研究将电解液化学特性、磨粒特征和工艺参数视为独立因素，未将其整合到统一的机制框架中。缺乏将这些因素与单一主控变量关联起来的定量指标，使得系统性的工艺优化难以实现。其次，以往的研究缺乏对加工模式的预测能力；从磨削主导型到ECM主导型的过渡通常只能在事后表征后才被识别，而非事先预测。第三，虽然对锻造高温合金的ECM已有广泛研究，但针对粉末冶金René 88DT的综合ECG数据——包括其优化的电解液体系、多物理场分布以及磨粒磨损随工具服役时间的演变——仍然稀缺。

为填补这些空白，本研究提出了一种以电流密度为主导的协同调控策略，以理论有据且经过实验验证的协同因子λ为锚点。我们要解决的核心科学问题是：电极间电流密度能否作为统一的主导变量，将电解液、磨粒和工艺参数整合到一个统一的预测框架中，用于René 88DT的ECG加工？在第2节中，描述了棒状ECG的工作原理，并介绍了仿真模型（流场和电场）及实验装置（工件材料、电解液选择、工具电极和工艺参数）。在第3节中，系统呈现了实验和仿真结果：表征了四种电解液体系的电化学特性；量化了磨粒对流场和电场多物理场的调控效果；并通过λ的视角分析了关键工艺参数（电压、占空比、频率、进给速率、转速和初始磨削深度）对加工性能的影响。随后正式推导了λ的理论模型并通过实验进行了验证，通过微观组织表征阐明了底层的去除机制，并通过敏感性分析确定了主导调控参数。还考察了磨粒磨损在较长工具服役时间内的演变情况。基于已验证的λ模型和机制见解，第4节构建了一个统一的三模式机制框架，将所有影响因素整合为单一变量——电流密度，并通过加工航空发动机燕尾榫涡轮槽特性展示了所提策略的工程可行性。

实验与方法：本节介绍了本研究采用的实验和仿真方法。首先在2.1节中描述了棒状电化学磨削的工作原理，随后在2.2节中建立了多物理场仿真模型（流场和电场）以研究磨粒对加工间隙的调控效果。2.3节详细介绍了实验装置，包括工件材料、电解液选择、工具电极……

结果：本节分四个部分呈现实验和仿真结果：3.1节为依赖电解液的阳极溶解行为和加工表面质量，3.2节为磨粒对流场和电场的多物理场调控效果，3.3节为以协同因子λ为框架的关键工艺参数对材料去除和表面质量的影响，3.4节为磨粒磨损在较长工具服役时间内的演变。

讨论与应用：本节将研究成果整合为统一的机制框架。4.1节提出了协同因子λ的理论建模和实验验证，包括模型推导、验证实验、误差分析和敏感性研究，以识别最具影响力的工艺参数。4.2节通过以优化参数加工航空发动机燕尾榫涡轮槽展示了工程适用性。

结论：本研究通过系统性地整合电化学表征、多物理场仿真和实验验证，对粉末镍基高温合金René 88DT的电化学磨削（ECG）进行了研究。核心创新在于提出了一种以电流密度为主导的协同调控策略，以理论有据且经实验验证的协同因子为锚点。得出以下实质性结论。

（1）建立了λ的分析模型……

CRediT作者贡献声明：赵涵：撰写——初稿、方法论、数据整理、概念构思。方小勇：撰写——审阅与编辑、监督、获取资助、概念构思。梁静尧：验证、调查、数据整理。

赵涵 | 方小勇 | 梁静尧

中国扬州大学机械工程学院，扬州 225009，中国