超声振动辅助Inconel 718电弧加工：实现加工效率与微结构调控的协同提升

为解决电弧放电加工中热耦合不稳定导致的加工效率与表面完整性矛盾，研究人员开展超声-电弧复合加工(UEAM)研究。通过多物理场动态调制，实现放电频率提升150%、重铸层厚度降低74.8%，显著抑制Cr2O3等脆性相形成，为高温合金高精度低损伤加工提供通用解决方案。

　　

在先进装备制造领域，镍基高温合金Inconel 718因其优异的高温力学性能成为关键材料，广泛应用于航空发动机叶片、核反应堆组件等关键部件。然而，这种合金在切削加工中表现出显著的加工挑战：强烈的热机械应力和复杂温度场的耦合作用导致刀具快速退化，材料的高韧性和应变硬化倾向使加工表面产生明显的加工硬化现象。这些特性在飞机发动机复杂型面的精密加工中尤为不利，显著加速刀具磨损并影响形状精度。

传统加工方法在处理此类材料时面临根本性限制：切削过程中高机械应力和热载荷的协同作用不仅诱发刀具颤振，还可能通过断裂机制导致灾难性刀具失效。这一固有挑战源于材料低导热性和优异抗变形能力的不利协同，在动态加工过程中形成自加剧循环——加工硬化增加切削力，从而产生额外热量进一步加速刀具磨损。因此，突破当前技术壁垒实现镍基高温合金的高效精密加工已成为先进制造学科亟待解决的关键难题。

非传统加工技术在此类材料加工中展现出固有优势并取得显著进展，包括电火花加工(EDM)、超声振动辅助加工(UVAM)、激光束加工(LBM)和磁场辅助加工(MFAM)等。然而，单一能量场辅助加工方法越来越难以应对先进难加工材料和严格工业要求带来的挑战。未来技术发展必须优先考虑两个协同目标：增强新型表面工程材料的加工效率，实现复合加工过程中混合能量场的有效耦合。

电弧加工(EAM)作为电火花加工的重要分支，具有高能量特性并保留电加工的无应力切削优势，适用于粗加工阶段的快速材料去除。特别是由于其不考虑材料硬度，EAM特别适用于超硬导电材料的加工。尽管电弧加工显著提高了加工效率，但与传统EDM加工一样，EAM产生的表面缺陷不可避免，并且在高效加工下更加明显。电火花加工基于材料的热去除，工件表面通常保留二次凝固产物、重铸层和热影响区。这些缺陷具有与基体不同的晶体结构，在重铸层中表现出显著的拉伸应力，导致裂纹和孔洞等材料失效条件。

在电火花加工领域，同时实现高效率和高质量一直是高效电弧放电的核心问题。一些学者探索了各种复合方法来解决这个问题，将两个或多个加工过程结合，以利用多能量场的协同优势来减少单一作用方法下的缺陷。近年来，多能量场加工已成为特种加工领域研究最集中的领域之一。超声振动与放电加工技术的结合目前主要集中于效率相对较低的传统电蚀加工，对具有更高能量密度和加工效率的电弧加工方法的研究尚未进行。

针对这一技术空白，研究人员提出了超声-电弧复合加工(UEAM)新技术，该技术采用振动调制重构能量场的分布特征，在保持电弧加工高效率优势的同时，引入动态间隙控制机制主动优化加工精度。研究聚焦三个核心方面：首先使用高速成像同步采集系统分析单次放电过程中等离子体通道动态行为与熔池坑形态尺寸的关联性；其次通过传统EAM与UEAM的对比连续铣削实验，系统表征表面形貌的演变规律和再结晶层组分的梯度分布特征；进一步通过单次放电实验和连续铣削动态实验对比分析相变区再结晶层，量化振动参数对放电能量分布梯度和热影响层厚度的作用规律。

为开展此项研究，研究人员建立了集成的UEAM系统实验平台，在自主开发的五轴数控UEAM加工中心上进行实验。核心系统包括精密运动模块、高频脉冲电源、超声振动单元、多级介质循环系统和高精度信号采集装置，各子系统通过中央数控系统协同控制。运动平台采用X/Y/Z三轴线性工作台结合A/C双旋转轴，主轴系统通过流体动力学设计优化高速加工需求，在高达20,000 rpm转速下实现动态密封和稳定导电传输。

加工电源采用全桥逆变拓扑，通过三级整流、滤波和高频降压将380V三相输入转换为脉动率小于5%的直流输出，提供0-36V电压范围和2000A峰值电流。介质循环系统采用恒压变频泵驱动，通过三路比例阀实现双通道流量的精确分配：主通道流量通过内部通道冷却电极，辅助通道通过外部喷嘴注入水-气混合介质以动态控制电弧和去除切屑。独家闭环过滤设计确保介质回用率超过95%。

超声振动单元创新性地集成了20kHz压电换能器与阶梯形变幅杆，实现最大输出功率2600W和振幅20μm。阻抗分析仪实时监测谐振频率偏移(±0.5kHz)，确保系统始终处于最佳能量传递状态。加工过程的电参数由DEWESoft SIRIUSi多通道系统实时采集，配备HS-4xHV高压模块(带宽80MHz)和PWR-MCTS2功率分析模块，使用HIE-C40-2000P5O15电流传感器(量程±2000A，精度0.3%)实现同步采样。

实验采用标准镍基高温合金Inconel 718作为工件，镍含量52.5%，具有优异的抗电弧热-机械耦合相变能力。石墨电极作为连续铣削测试电极，锥形钨铜电极用于单电弧放电姿态观察。加工前，水性介质的电导率在恒温(20±1℃)下使用Koreda CCT-3320V电导率仪(量程：0.50-2000μS/cm；分辨率：0.01μS/cm)进行校准，三次重复测量确认数据稳定性(CV<0.8%)，参考电导率为1600μS/cm。

3.1. Ultrasonic modulation in EAM: Discharge behavior and plasma dynamics

通过高速摄像技术捕获单脉冲放电过程发现，UEAM与EAM在电弧动态行为和能量传递机制上存在本质差异。在低能量输入下，超声振动引入的横向高频扰动对放电间隙电场产生周期性动态调节，使电极尖端与工件间电场强度瞬时增强，有效促进电子电离和电弧击穿过程。击穿延迟从812.5μs缩短至125μs，减少84.6%。在高能量输入下，超声振动通过横向高频机械扰动显著增强放电间隙电场强度，在62.5μs内促进电弧斑点快速形成，比EAM的启弧响应速度提高近5倍。

3.2. Effect of single pulse discharge on crater morphology

对比UEAM与EAM加工条件下的表面形貌特征发现，EAM条件下凹坑形态呈现明显的凸缘特征，熔融金属液滴在电弧爆炸力作用下随机喷射凝固形成复杂凸起形状和多重重铸层，火山坑深度达390.15μm。UEAM条件下凹坑形态规则性显著增强，主要呈现圆形或椭圆形，凸缘现象明显减少，凹坑深度为325.43μm，比EAM减少64.72μm。

3.3. Dimensions of pits

表面形貌分析表明，EAM条件下凹坑直径约2000.54μm，截面轮廓呈现"先增后减"趋势，最深处曲线变化最陡峭，峰值差161.74μm。表面粗糙度参数包括平均粗糙度Ra为33.58μm，十点高度差Rz为142.57μm。UEAM条件下凹坑直径约1814.53μm，比EAM条件减少约186.01μm，截面轮廓呈现"边缘高、中间低"趋势，峰值差126.13μm，比EAM减少22.02%。表面粗糙度参数显著改善，Ra=20.57μm，Rz=96.73μm。

4.1. Macro-morphological quality analysis

不同超声功率水平下宏观表面形貌变化显示，超声振动对UEAM表面形貌产生显著影响。0%超声功率条件下表面呈现典型的鳞片状外观；随着超声功率从25%逐渐增加到100%，表面鳞片状特征逐渐减弱，变得更平坦和不规则。表面粗糙度显著降低，超声功率达到100%时，Ra值降至17.39μm，Rz值降至79.61μm。

4.2. Voltage and current waveform analysis

连续放电铣削波形统计分析发现，随着超声振动功率从0%逐渐增加到100%，有效放电概率显著提高，短路频率逐渐降低。0%超声功率条件下1秒内仅产生13-16个明显电流波峰；超声功率增加到25%时，短路现象显著减少，电流波峰数量升至约20个；功率增加到100%时，等效放电频率(波峰数量)持续上升，达到36-40个左右。

4.3. Recast layer observations

超声振动对短电弧加工再结晶层的调控规律定量分析表明，当施加20kHz水平振动且功率为25%时，再结晶层最大厚度从103μm减少至70μm(减少32.0%)；功率从25%增加至100%时，再结晶层最大厚度从传统加工的103μm逐渐减少至26μm(减少74.8%)。

4.4. Cross-section morphology and microstructural composition

不同超声功率水平对短电弧加工界面形貌的调控效应显示，传统EAM工艺在再结晶层与基体之间形成清晰的冶金结合界面，呈现明显的层状结构。凝固熔体显示粗大柱状晶，生长方向垂直于基体表面。引入25%超声功率后，柱状晶生长轨迹出现明显偏转；功率增加到75%时，微观结构发生显著相变：原始粗大柱状晶被细化的等轴晶取代；全功率超声辅助下，再结晶层厚度进一步压缩，柱状晶结构完全消除。

4.5. Elemental linear distribution

传统EAM和UEAM方法加工样品元素特征的EDS识别显示，再结晶层横截面由三个主要区域组成：再结晶层、过渡区和基体。EAM条件下，从基体到再结晶层顶面元素含量发生显著变化；UEAM条件下，C和O含量没有显著变化。随着超声振动功率增强，Ni含量也趋于稳定，再结晶层的元素组成基本接近基体区域。

4.6. Cross-section element map analysis

元素分布面扫描分析表明，传统EAM加工形成的重铸层特征为碳(C)在27.17%处显著富集，氧(O)在12.01%处富集，镍(Ni)含量明显低于基体为30.81%。UEAM加工下，C和O含量分别降低至18.65%和3.52%，分别减少31.36%和70.73%，而Ni含量增加至40.89%，增加32.68%，Fe和Cr也有轻微上升。

4.7. XRD (phase analysis)

X射线衍射(XRD)物相分析表明，传统EAM加工Inconel 718的重铸层主要由Cr₂O₃、CrO₂、Cr₂Fe₁₄C、NiFe₂O₄和NiO等化合物组成。在UEAM加工中，随着超声功率增加，XRD峰强度系统性降低，化合物含量显著减少。超声振动通过优化熔池传质动力学和凝固行为，有效调控重铸层的相组成。

研究结论表明，超声振动通过动态调制等离子体行为和熔体传递过程，解决了传统EAM中能量局部化和相变不稳定的固有矛盾。其耦合效应不仅结合了超声场动态调制等离子体(击穿延迟缩短84.6%)和电弧场高效蚀刻的优势，而且通过空化微射流和熔体微湍流的协同作用，将重铸层厚度减少74.8%(从103μm到26μm)，表面粗糙度Ra优化65.7%(从50.70μm到17.39μm)，同时保持高材料去除率，突破了传统放电加工中效率与表面质量的强关联约束。

超声高频振动(20kHz)诱导的三阶物理效应——动态电场增益、熔体粘度降低和扩散增强——驱动Ni/Fe/Cr原子的反向迁移，将重铸层中的Ni含量从30.81%恢复到40.89%，C/O元素富集分别减少31.36%和70.73%。XRD分析证实脆性相(Cr₂O₃/NiFe₂O₄)的生成受到抑制，界面处的化学成分趋于基体合金。

UEAM通过周期性筛分效应抑制电弧能量集中，将放电频率提高150%(从16到40峰值/秒)，减少异常电极磨损。与传统EAM相比，其动态控制能力解决了单一超声场难以抑制的熔体喷射和单一电弧场无法克服的热损伤积累缺陷问题。

跨尺度表征表明，超声振动加速熔体凝固和应变均匀化效应，将重铸层从粗大柱状晶转变为等轴细晶结构。与传统EAM以单向热传导为主的模式不同，UEAM的声-热-机械耦合作用在抑制晶粒粗化的同时，保留了超细晶的强化特性，为极端服役环境下的部件制造提供了结构完整性保证。

本研究建立的"等离子体分散-熔体传递-凝固控制"协同理论框架揭示了多物理场参数与界面反应的定量关联，为高温合金等难加工材料的高精度低损伤制造提供了新范式，推动了极端热耦合条件下制造技术从经验驱动向物理机制驱动的转变。该研究成果发表于《Ultrasonics Sonochemistry》期刊，为航空航天领域复杂构件的高效精密制造提供了潜在加工方法，以满足日益严格的质量要求。