航空用TC4鈦合金微小結構綠色加工技術探究——射流電解質等離子體材料去除機制與掃描加工形貌調控規律

1、引言

隨著先進制造技術的發展，微小金屬零件在航空航天、醫療器械等領域的應用日益廣泛，如心血管支架、航空發動機葉片氣膜冷卻孔等[1-3]。這類應用不僅要求零件具備優異的耐磨耐腐蝕性能，還需滿足高精度加工質量要求。鈦合金因具有優秀的力學性能，以及耐高溫、抗腐蝕等特性，成為理想的微小金屬零件制造材料。然而，鈦合金較差的導熱性和較低的彈性模量等，導致傳統加工方法(如銑削、激光加工)在制造微小孔、微溝槽時易產生重熔層和微裂紋，難以滿足高加工質量要求[4-6]。

射流電解微銑削(JetElectrochemical Micro Milling,Jet-ECMM)通常采用10%-20%NaNO3溶液作為電解液，工件接陽極并施加20~50V電壓，基于陽極電化學溶解原理[7]，通過點射流或掃描射流實現微小孔和微槽的加工，該技術已在國內外得到廣泛研究。Clear等[8]針對鎳基高溫合金，采用計算機輔助調控射流角度和移動路徑，當射流與工件表面夾角為22.5°時，獲得了表面粗糙度Ra為0.04μm的加工表面。Guo等[9]采用圖像算法輔助同軸抽吸射流電解加工，通過調節電解液供給速率和抽吸壓力以獲得更高加工定域性。Du等[10]提出一種激光誘導射流電解加工方法，通過激光與射流束耦合獲得更高的加工效率，材料去除率達到2.23mm³/min。然而，Jet-ECMM因加工電壓較低、電解液濃度較高，導致加工效率受限、加工成本上升，且大量電解液的使用易造成環境污染[6]，亟需發展更高效、綠色的加工方法。

電解質等離子體加工方法(Electrolytic plasma machining(EPM))是一種新興的加工方法，使用低濃度的中性鹽或弱酸溶液，對工件施加200V~500V電壓，通過復雜的等離子體物理作用和化學反應使工件表面材料去除[11-13]，具有加工效率高、加工成本低、污染性小的優點。將電解質等離子體加工(EPM)與射流技術結合，形成了射流電解質等離子體加工(Jet Electrolytic Plasma Machining，Jet-EPM)方法可有效改善Jet-ECMM加工效率低的問題。Quitzke等[14]使用5mm直徑噴嘴開展實驗，對比分析加工電壓對工件表面粗糙度的影響，得到400V左右加工電壓有較好表面粗糙度。Christian Kranholda等[16]以316L不銹鋼為對象，研究了加工電壓、電解液溫度等因素對加工電流穩定性的影響，提出最優加工電壓在300V~400V，電解液溫度不低于75℃。

Jet-EPM在加工鈦合金表面微結構時，其高材料去除率導致已加工區域的形貌會擾動后續射流的流場和電場分布，進而降低加工定域性和最終加工質量。鑒于此，本文以TC4鈦合金為研究對象。首先，通過定點射流實驗厘清加工時間對微孔形貌的演化規律;繼而，通過移動射流實驗，著重考察噴嘴移動速度與掃描重疊率等關鍵參數對微槽加工定域性的影響，并對比實驗結果以揭示其內在機制。本研究工作旨在為Jet-EPM技術在鈦合金零件表面微結構加工領域的應用提供理論依據和技術支持。

2、原理與實驗方案

2.1基本原理

EPM的基本原理是利用高電壓在工件與電解液接觸界面引發劇烈的電化學反應與瞬時汽化，形成一層氣態包絡層。帶電粒子(電子與離子)在強電場作用下穿越該包絡層，導致局部電場畸變，從而在工件表面誘發復雜的等離子體物理效應與電化學反應，最終實現材料的高效去除，其原理如圖1(a)所示。而Jet-EPM技術旨在將材料去除區域精確限定于射流沖擊點。為此，射流需達到臨界速度以形成水躍現象，迫使電流密度在沖擊區域呈現典型的高斯分布[16]，從而將有效加工范圍嚴格約束在射流束覆蓋區內，如圖1(b)所示。

在定點射流加工中，初始階段的電流密度沿射流軸線呈理想的高斯分布。然而，隨著加工凹坑的形成與演化，工件表面形貌的改變會顯著擾動流場結構與電流分布，進而影響材料去除的定域性。移動射流加工微槽可視為噴嘴在離散點位上短暫駐留加工的疊加結果。因此，研究定點加工中時間對形貌演化的影響規律，是理解與預測移動加工形貌的基礎。

在移動射流加工過程中,噴嘴移動速度直接決定了射流在單位路徑上的駐留時間，是控制微槽形貌的關鍵參數。同時，已加工區域的形貌會反作用于后續射流的流場與電場分布，形成復雜的動態耦合。因此，系統分析移動速度對微槽形貌的影響，是確定最優工藝窗口的必要途徑。同理,在重疊掃描加工中，掃描重疊率決定了已加工形貌對后續射流的干擾程度，直接影響寬槽加工的均勻性與一致性，故需深入研究不同重疊率對材料去除定域性的影響機制。

2.2實驗設備與檢測

搭建了如圖2所示的Jet-EPM實驗平臺，主要由三軸移動平臺、直流電源、絕緣夾具、供液系統組成。直流電源額定功率為10kW,輸出電壓范圍 0-400 V可調,精度  ±0.1 V,陽極與加工工件連接,陰極與噴嘴連接;移動平臺可實現噴嘴相對于工件表面的精確三維(XYZ)運動,其末端最低移動速度為5mm/s;供液系統由儲液箱、過濾器、負壓泵、噴嘴、集液槽組成,電解液經過濾器由負壓泵輸送至噴嘴,形成射流作用于工件表面,加工后電解液通過集液槽收集過濾后回收。儲液箱內置加熱裝置,可穩定控制電解液溫度。射流噴嘴通過絕緣夾具安裝于 Z軸末端，可精確調節其高度和姿態。

使用 0.6mm直徑噴嘴在 TC4鈦合金板上進行點射流實驗,結合 COMSOL Multiphysics仿真結果,對 Jet-EPM加工微小孔過程中形貌演化和加工定域性進行驗證分析。設計了如表 1所示的實驗方案,用于分析定點射流凹坑形貌隨加工時間的變化規律。基于此,進一步設計了如表 2所示的實驗方案,以研究移動射流加工中噴嘴移動速度和掃描重疊率的影響。

工件加工后形貌通過白光干涉儀進行三維輪廓檢測,通過截面輪廓曲線與等高線分析加工定域性。

表 1. 定點加工實驗參數

Tab 1. Experimental parameters for stationary jet machining

表2. 移動加工實驗參數

Tab 2. Experimental parameters for moving jet machining

不同于傳統接觸式加工方法, Jet-EPM加工方法加工微小孔與微型槽時依賴電場分布,雖然加工形貌與射流有對應關系,但由于加工時電流密度分布的變化以及雜散電流的腐蝕,導致加工形貌與預期不一致,形成過切現象  [17],因此,參考電解加工深小孔的加工質量評價方法,采用過切量作為評價陽極材料集中去除能力(即加工定域性)的指標  [18]。按照圖 3所示測量凹坑截面輪廓尺寸數據,按照下式計算獲得平均過切量 OC_avg 。

其中  d1 、d2 分別為凹坑頂部、底部直徑, d為噴嘴直徑。

由于 Jet-EPM加工的凹坑底部并非平面,因此在通過凹坑最深點的截面輪廓上,從表面基準線向下至最大深度 80%處的水平切距作為 d2 。

3、定點射流下加工時間對形貌演化影響規律

3.1定點射流電流密度分布仿真

采用有限元法對 Jet-EPM過程進行仿真,旨在分析加工過程中電流密度分布的演變,進而預測加工形貌。基于 COMSOL Multiphysics建立簡化 Jet-EPM過程二維模型,以模擬 Jet-EPM過程中表面凹坑形成過程中電流密度分布,該簡化模型主要包含噴嘴、電解液域和工件表面,如圖 4所示。電解液射流到工件表面形成薄液膜覆蓋,在水躍現象作用下將電流限制在射流接觸點,通過COMSOL Multiphysics中腐蝕變形幾何模擬仿真材料去除過程中凹坑形成過程與電流密度分布變化。

圖5所示為定點射流加工下凹坑形成過程的變形區域放大圖。通過圖5(a)可以明

顯看出射流剛接觸到工件表面時，電流密度以射流軸線為中心呈現高斯分布，在射流中心點達到峰值，并向邊緣迅速衰減至接近零，表現出良好的區域限制性。隨著加工時間的延長，凹坑深度與寬度快速增大，電流密度最大值迅速下降，有效分布區域范圍擴大，如圖5(c)所示。當加工時間進一步延長，如圖5(d)-5(f)所示，材料去除效率降低，凹坑寬度變化接近停止，深度緩慢增加，電流密度峰值及其有效分布范圍逐漸趨于穩定。

3.2實驗結果與仿真結果對比分析

圖6所示為加工不同時間后獲得的凹坑實物圖，圖7展示了不同加工時間下加工凹坑的二維形貌演變。可以看出，加工時間對凹坑形貌的影響呈現出明顯的階段性特征:當加工時間為15s時，材料去除主要發生在射流接觸區域，所形成的凹坑邊緣較為平緩，等高線分布稀疏，最大高度差約為25μm;隨著加工時間延長至30s(圖7b)，材料去除區域逐漸向射流中心聚焦，凹坑邊緣趨于陡峭，底部形貌開始呈現平坦化特征;當加工時間進一步增加至60s以上，凹坑直徑顯著擴大，表明材料去除范圍明顯擴展。

圖8進一步給出了不同加工時間下凹坑的截面輪廓曲線。結果表明，凹坑的深度與直徑均隨加工時間的增加而持續增大，進一步驗證了加工時間對材料去除范圍與形貌演變的系統性影響。

圖9展示了不同加工時間下凹坑的平均過切量變化。如圖9所示，平均過切量隨加工時間呈現V形變化，在30s時降至最低為216μm，而后隨加工時間延長而增大，其中在30s至45s時間段增大速度較緩，在45s至90s快速增大，在90s時達到415μm。該變化趨勢與仿真結果高度一致:加工初期(0-45s)，電流密度高度集中于射流中心區域，材料去除以軸向為主，過切量較小;隨著加工時間延長(60-90s)，凹坑逐漸形成并加深，導致射流與工件表面的流動邊界發生顯著變化，電流密度分布由初始的高斯集中形態逐漸擴散、畸變，有效作用區域擴大。這種電流的“散焦”效應，使得材料去除不再局限于中心區域，而是向凹坑側壁徑向擴展，從而導致過切量迅速增大。

4、移動射流加工微型槽形貌分析

在明確加工時間對單一點位加工形貌的影響規律后，通過調控移動速度與路徑重疊率降低已加工形貌對流場重構的影響。首先使用10mm/s、20mm/s、30mm/s、40mm/s噴嘴移動速度對工件進行直線往復掃描加工，對比分析不同移動速度對微槽加工形貌的影響機理。在此基礎上進一步進行25%、50%、62.5%三種不同掃描重疊率加工實驗，分析不同掃描重疊率對寬槽加工形貌的影響規律。

4.1移動速度對溝槽質量的影響

圖10所示為不同噴嘴移動速度下微溝槽的實物圖，圖11為不同噴嘴移動速度下微槽三維形貌及不同噴嘴移動速度條件下槽寬沿掃描方向的分布。分析可見，當噴嘴移動速度較低時(如10mm/s)，加工形成的微槽邊界不規則，槽寬波動顯著(達0.49 mm)。隨著移動速度提高，微槽邊緣逐漸趨于規整，槽寬均勻性改善;當速度為30mm/s時，槽寬波動最小(0.12mm)，表明此時射流作用范圍最為穩定，加工一致性最佳。

圖12進一步給出了不同速度下微槽的三維形貌及槽底中部的截面輪廓曲線。結果顯示，在較低移動速度下(如10mm/s)，槽底起伏劇烈，最大波高可達130.856μm，形貌呈現多個不連續凹坑疊加的特征。隨著速度提高至30mm/s，槽底輪廓趨于平滑，波高顯著降低至15.942μm，材料去除均勻性明顯改善，證實該條件下加工形貌最優。然而，當速度進一步提高至40mm/s時，在掃描路徑的起始與終止端出現了局部深坑，反映出路徑兩端的材料去除量增大。

上述現象與Jet-EPM的加工特性密切相關。在較低移動速度下，射流在單位點位的駐留時間較長，材料去除量大，已形成的凹坑將擾動后續射流的流場與電場分布，導致材料去除區域失穩，形貌均勻性下降。而在較高移動速度下，盡管整體形貌趨于均勻，但由于運動平臺在路徑端點處的加減速或轉向停留，導致該區域實際駐留時間延長，引發局部過度蝕除，形成終端深坑。

4.2.重疊率對加工質量的影響

導致氣體包絡層厚度均一,使得電流密度和材料去除集中分布于射流直接接觸區。

4.2.1路徑重疊率射流仿真

通過流場仿真分析了不同重疊率下的流體流速和壓力分布，其結果如圖13所示。掃描重疊率通過調控二次射流與已加工微槽形貌間的流場壓力分布，進而主導了寬槽截面形貌的演化規律。其內在機理遵循“壓力分布→氣膜厚度→電流密度→材料去除”的鏈式反應原則。

在25%低重疊率條件下(圖13a),次射流核心區的穩定流場完全位于初次加工邊緣外側。該區域壓力分布均勻且集中，導致氣體包絡層厚度均一，使得電流密度和材料去除集中分布于射流直接接觸區。

當重疊率增至50%時(圖13b)，二次射流中心與初次槽邊緣重合。已加工形貌對流場產生干擾,引發了顯著的壓力場偏置。壓力較高的區域氣膜變薄、電阻下降,將導致該處電流密度集中。

當重疊率高于50%(圖13c和圖13d),二次射流核心區完全覆蓋初次槽結構。盡管流場擾動仍會導致一定的壓力偏置，但高度重疊的掃描路徑使高電流密度區有效作用于初次槽內部。

4.2.2重疊射流加工實驗驗證

即初次加工形貌干擾二次射流，導致其流場與電場發生畸變，使材料去除區域偏向初次掃描槽,最終形成不對稱的加工形貌。

為驗證上述仿真結果，進行了重疊射流加工實驗，并對加工后溝槽形貌進行了分析。

在25%重疊率下，三維形貌呈現出兩個獨立的凹槽，其截面輪廓相似且對稱(圖14a)。這與仿真中預測的獨立、局部的壓力集中區相符，直觀地證實了兩次掃描加工相互干涉度小，低重疊率下流場與電場影響微弱。

在62.5%高重疊率下，三維形貌展現出平坦的槽底與平緩的槽壁過渡(圖14c)。這一形貌驗證了高重疊率的核心優勢，即盡管存在流場擾動，但高重疊率的掃描路徑使得電流密度的作用區域在空間上充分疊加。該結果與仿真結論一致，表明高重疊率能有效利用材料去除的疊加效應，抑制不利的局部畸變,從而實現槽底整平與形貌均勻化。

當重疊率增加至50%，截面輪廓演變為顯著的不規則形貌(圖14b)。該形貌特征直接體現了仿真中呈現的壓力場偏置效應，

5、結論

本文通過實驗研究了采用射流電解質等離子體加工(Jet-EPM)方法在TC4鈦合金上加工微槽時，不同加工參數對加工定域性的影響機理。得到如下結果:

(1)定點射流加工初期，材料去除集中于射流接觸中心區域;隨加工時間延長，加工定域性逐漸下降。

(2)移動射流加工微槽時，加工質量隨噴嘴移動速度提高而提升;但當速度超過30mm/s時，掃描路徑兩端因駐留時間延長而出現材料過度去除。

(3)采用重疊掃描路徑加工寬槽時，路徑重疊率須高于50%，才能獲得平坦槽底。

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（注，原文標題：TC4鈦合金射流電解質等離子體微加工流場仿真與實驗研究_易軍）

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