超声波-电脉冲协同研磨技术用于Ti/TiC复合材料的表面完整性改善

《Journal of Materials Research and Technology》：Ultrasonic–Electrical Pulse Synergistic Milling Technology for Surface Integrity of Ti/TiC Composites

　　传和|陈广军|梁宇航|王文琪|吕英新
天津工业大学高性能制造技术与装备重点实验室，天津，300222，中国

**摘要**
基于钛的碳化钛（Ti/TiC）复合材料展现出优异的性能，在苛刻的工作条件下具有广泛的应用前景。然而，硬质TiC陶瓷颗粒的引入显著降低了材料的可加工性，通常在传统铣削过程中导致严重的表面损伤。尽管传统技术和辅助技术可以加工这些材料，但不稳定的切削行为和高表面损伤仍然是一个突出的问题。为了解决这个问题，采用了超声波-电脉冲协同铣削（UECM）方法。通过对比实验（包括CM、UAM、EPAM和UECM），系统地评估了表面形态、粗糙度、缺陷、硬度以及改变层的变化。结果表明，与CM相比，UECM将表面粗糙度降低了40%以上。它通过将材料去除方式从脆性断裂转变为以基体为主的粘塑性剪切，有效抑制了颗粒拔出和基体撕裂。此外，表面完整性对脉冲电流密度表现出非单调响应，反映了电塑性软化和焦耳加热之间的平衡。适度的电流可以提高质量并减轻亚表面损伤，而过高的电流则会恶化这种情况。值得注意的是，优化参数为5.293 A/mm2和400 Hz时，缺陷最少且粗糙度最低。这些发现揭示了表面完整性演变的内在机制，为加工复杂金属基复合材料提供了宝贵的见解。

**1. 引言**
碳化钛增强钛基复合材料（Ti/TiC）是一种高性能金属基复合材料，结合了钛的延展性和TiC陶瓷增强材料的高硬度和耐磨性。由于其高比强度、出色的耐磨性和优异的热稳定性，Ti/TiC复合材料在航空航天、国防和其他苛刻应用中受到越来越多的关注。为了进一步提高其性能，研究人员探索了先进的制造技术，包括熔铸、反应热压、自扩散高温合成、机械合金化和激光熔覆。这些方法旨在实现细小均匀的TiC分布和坚固的基体-颗粒界面结合。这样的方法有效解决了界面不稳定性和性能波动的问题，从而推动了高性能钛基复合材料在苛刻工作条件下的可靠应用[1]、[2]、[3]。

尽管Ti/TiC复合材料在理论上有优越的性能，但其独特的结构特性在机械加工过程中带来了严峻挑战。微观结构中，刚性脆性的TiC陶瓷颗粒与延展性的钛基体之间的变形行为存在严重不匹配。在传统铣削过程中，这种不匹配经常在颗粒-基体界面处引起严重的应力集中，导致严重的表面损伤，如颗粒拔出、局部脆性断裂和广泛的基体撕裂。因此，控制Ti/TiC结构的表面完整性仍然是一个突出的瓶颈。超声波振动已被广泛用作提高加工性能的有效辅助技术。通过引入周期性间歇性切削，超声波振动辅助加工显著降低了切削力和温度，减少了刀具-工件摩擦和刀具磨损，并提高了表面完整性，从而实现了更稳定和高质量的精密加工[4]、[5]。为了解决高体积分数SiCp/Al复合材料（45%和68%）的可加工性问题，已广泛研究了超声波振动辅助铣削。运动学分析、三维多颗粒微切削模型和基于ABAQUS的仿真被用来分析刀具磨损和表面质量的变化。结合单因素实验和响应面方法，确定了优化工艺参数，从而降低了切削力，延长了刀具寿命，降低了表面粗糙度，并有效抑制了表面缺陷[6]、[7]。Xu等人[8]提出了一种激光辅助超声波振动铣削（LA-UVM）方法，用于加工60体积%的SiCp/Al复合材料。通过将激光诱导的氧化与超声波振动相结合，并进行正交实验来评估进给率和切削深度的影响，实现了最大37.7%的表面粗糙度降低，同时显著减少了残余应力，并显著改善了表面和亚表面形态。此外，纵向-扭转超声波振动辅助铣削已被用于加工70体积%的SiCp/Al复合材料和钛合金。通过分析纵向和扭转振幅、振动频率和相位差的影响，并在ABAQUS和Python中建立随机分布的颗粒有限元模型，使用单因素和正交实验设计确定了最佳工艺参数。结果表明，该技术有效抑制了表面缺陷（如凹坑和裂纹），减少了最大裂纹深度，并显著提高了加工表面的整体质量[9]、[10]。此外，超声波振动辅助铣削还被应用于不同振动幅度的碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料。与传统铣削的比较研究表明，适当的超声波幅度可以降低切削力，显著降低表面粗糙度，并有效减轻亚表面损伤，从而显著提高了表面完整性[11]、[12]、[13]。

Jiang等人[14]和Lv等人[15]将电塑性效应引入了各种难加工材料的加工中，包括拉拔、轧制、车削、焊接和弯曲。通过施加脉冲电流密度或外部电场，实现了加工力的显著降低，同时提高了材料的塑性和加工效率，改善了表面质量，并增强了接头强度。Liu等人[16]设计了一种正交实验方案，用于W93NiFe钨合金的电塑性辅助切割。通过范围分析，系统研究了脉冲电压、脉冲频率、切削速度和进给率对切削力的影响。使用多元线性回归建立了切削力预测模型，并通过实验验证，结果表明进给率是控制切削力的主导因素，为钨合金的高质量电塑性辅助切割提供了理论基础。Shao等人[17]通过对TC4钛合金进行电脉冲辅助铣削研究，结合实验测量和有限元仿真，阐明了脉冲电流和切削参数对切削力和切削温度的影响，从而降低了切削力并改善了表面质量，并指导了工艺参数的优化。Jiang等人[18]采用单因素控制变量方法对TC11钛合金进行了电脉冲辅助铣削实验。通过优化切削参数和脉冲电流参数，他们利用电脉冲效应提高了材料的可加工性。这种方法显著降低了表面粗糙度和显微硬度，同时显著提高了表面半径误差的加工精度。Hao等人[19]将分子动力学仿真与实验研究相结合，将焦耳加热、表皮效应和电子风效应纳入镍基超合金的电辅助切割模型中。他们的结果表明，增加电流密度可使最大峰值应力降低16%，峰值位错密度降低30%，并显著提高了材料的塑性。此外，Sun等人[20]对ZGCr61硬化轴承钢进行了电脉冲辅助硬车削实验。通过调节占空比和电流密度等参数来激活电塑性效应，显著降低了表面粗糙度、加工硬化率和摩擦系数以及划痕深度。相比之下，表面改性层的厚度增加了91.4%。

Wang等人[21]研究了使用轴向超声波振动与电脉冲辅助铣削协同加工TC4钛合金的效果。通过单因素实验，系统研究了峰值电流、脉冲宽度和超声波振幅的影响。通过调节电极之间的能量分布，有效减小了电蚀坑的大小，从而使表面粗糙度降低了5.5%至18.9%，表面光洁度显著改善。Wang[22]和Zhang等人[23]将超声波振动与电脉冲处理应用于304奥氏体不锈钢。通过引入超声波应力和电脉冲来降低形成缺陷所需的临界剪切应力，实现了表面裂纹的修复，并降低了表面粗糙度。此外，这种协同方法能够灵活控制表面硬化程度，从而提高了表面硬度和强化层的深度。Ye[24]和Sun[25]、[26]对Ti-6Al-4V合金进行了电脉冲辅助超声波纳米晶表面改性。通过协同调节峰值电流，显著提高了材料的塑性，从而显著增加了硬化层厚度和表面硬度，同时提高了拉伸强度和伸长率。此外，这种处理产生了更均匀的微观结构和更深的残余应力层。Cui[27]将超声波振动和电脉冲协同应用于工程材料的电火花铣削。通过建立实验平台，结合正交和单因素实验，并进行电场仿真，优化了放电和超声波参数，以促进侵蚀产物的去除。他们的结果表明，加工效率得到提高，电极磨损减少，表面粗糙度得到改善，并阐明了不同工件材料的材料去除机制。Liao[28]引入了一种电塑性-超声波振动耦合策略，用于辅助TC4钛合金的车削。通过结合单因素实验和田口方法优化放电电压、频率和超声波电源电压，实现了三轴切削力的最大降低54%，以及表面粗糙度的显著降低。最佳参数组合为放电电压100 V、频率200 Hz和超声波电源电压输出30%。此外，Zhang等人[29]采用超声波-电脉冲复合铣削（UECM）加工W-Mo钨合金。通过协同结合超声波诱导的周期性分离和电脉冲引起的粘塑性和焦耳加热软化效应，有效优化了材料去除机制。这种方法使表面粗糙度最大降低了38.12%，切削力峰值降低了30%以上，同时将主要的去除机制从脆性断裂转变为塑性剪切，从而显著提高了表面质量和材料的塑性。

尽管超声波辅助加工（UAM）和电脉冲辅助加工（EPAM）在提高难加工材料的可加工性方面显示出显著优势，但对于超声波-电脉冲协同铣削（UECM）下颗粒增强金属基复合材料的材料变形行为和去除机制的系统理解仍然不足。现有研究主要集中在改善宏观性能指标，如切削力和表面粗糙度。同时，UECM条件下硬质陶瓷颗粒与金属基体之间变形机制的协同演变仍不明确。对于颗粒增强型钛基复合材料，尚不清楚UECM技术是否可以诱导切削机制的转变——从颗粒控制的脆性断裂去除转变为以基体为主的粘塑性剪切去除——以及与此转变相对应的特定加工条件。在脉冲电流应用过程中，电塑性软化和焦耳加热同时发生。这些效应之间的相对主导性和竞争性转变范围仍不明确，阻碍了对UECM加工条件下表面完整性形成和演变的全面理解。

为了解决这些挑战，本研究选择了碳化钛颗粒增强钛基复合材料作为代表性系统。本工作的具体技术目标是：
(1) 阐明UECM下的表面完整性演变和多场耦合机制（与CM、UAM和EPAM相比），特别关注从颗粒控制的脆性断裂向以基体为主的粘塑性剪切的转变。
(2) 系统研究电塑性软化和焦耳加热之间的竞争关系，从而确定实现最小表面缺陷和最佳表面质量的最佳脉冲电流密度和频率。

**2. 加工方法**
**2.1. 提出加工方法**
目前，颗粒增强碳化钛（Ti/TiC）复合材料的加工主要包括车削[30]、铣削[31]、磨削[32]、激光辅助加工[33]和超声波辅助加工[34]。其中，超声波辅助加工已成为颗粒增强TiC复合材料的一种高效方法，可以实现优化的加工参数、改善的表面质量和提高的整体加工性能[35]。然而，碳化钛增强钛基复合材料的高硬度、高强度和强界面结合给传统机械加工带来了多重挑战。这些挑战包括高切削力、表面粗糙度增加、易发生脆性断裂和微裂纹形成以及难以保持表面完整性。这些限制严重限制了碳化钛增强钛基复合材料的制造精度和实际应用性[36]。研究表明，脉冲电流辅助加工技术可以通过产生瞬态焦耳加热来降低材料中的流动应力。它还通过高密度电子流对位错施加“电子风”，从而显著提高材料的机械性能和塑性变形能力[37]。这一过程在加工过程中通过电热和电塑性效应的耦合诱导了局部材料软化，从而降低了切削力，改善了切屑变形行为，并提高了表面完整性。因此，像基于钛的复合材料这样的难加工材料可以更稳定和高效地加工。基于这些优势，本研究提出了一种超声波-电脉冲协同铣削方法，该方法结合了超声波诱导的间歇性切削和电脉冲辅助的电塑性软化，以解决钛基碳化钛复合材料的固有脆性、高硬度和表面损伤敏感性问题。提出的方法旨在实现加工稳定性、表面质量和材料去除行为的协同改进，为高质量、高效制造Ti/TiC复合材料提供了一条有前景的途径。2.2. 加工原理超声波-电脉冲协同铣削的实验装置如图1(a)所示。在该系统中，铣刀安装在一个连接到超声换能器的超声工具夹头上，该换能器在加工过程中向工具施加高频轴向振动。通过连接到电塑性电源的专用夹具向工件施加脉冲电流。相比之下，工具-夹头接口和工件与虎钳之间的绝缘结构确保了电流路径的控制和操作安全。在铣削过程中，超声振动引起周期性间歇性切割，减少了工具-工件接触时间、界面摩擦和粘附。同时，注入的脉冲电流产生瞬态焦耳热和电子风，促进位错运动和钛基体的电塑性软化。由于超声振动和电脉冲的协同作用，切削力变得更加稳定，切削区温度得到调节，积屑形成得到抑制，材料去除逐渐转变为更稳定的塑性剪切主导模式，从而提高了表面质量并降低了工具负载。下载：下载高分辨率图像（759KB）下载：下载全尺寸图像图1. (a) 超声波-电脉冲辅助铣削的示意图。(b) 局部超声-电脉冲加工的示意图。图1(b)示意性地展示了局部超声-电脉冲加工的机制。在超声激励下，工具发生高频轴向微振动，而脉冲电流在工件内部形成局部载流区。由于局部变形行为、切削速度和接触条件的不同，工具-切屑界面可以分为滑动区和粘附区。滑动区主要分布在前刀面上，其特征是强烈的剪切变形和塑性滑移；而在高接触压力下形成的粘附区中，软化的材料局部粘附在工具上，促进金属结合和积屑形成。超声诱导的周期性分离和电脉冲辅助软化的共同作用改变了这些区域的范围和稳定性，从而在铣削过程中产生不同的摩擦状态和改善的界面条件。图2展示了在含有10%体积分数Ti/TiC颗粒的钛基复合材料加工过程中，传统铣削与超声-电脉冲协同铣削之间内部变形机制和界面接触状态的显著差异。图2(a)描述了传统铣削，其中TiC颗粒的高硬度和有限的塑性导致工具-工件界面处严重的摩擦和应力集中，这会导致工具-切屑粘附、基体撕裂、表面凹陷以及切屑在切削刃附近堆积，最终降低表面质量。图2(b)显示了超声-电脉冲协同铣削。基于电流诱导的基体软化和位错激活，超声振动在工具-工件界面引入周期性分离，将连续粘附转变为交替的滑动-粘附接触。这促进了软化基体中TiC颗粒的更均匀断裂或脱粘，有效降低了摩擦和切屑粘附，减少了切削力，并提高了表面完整性。这些结果突出了超声振动和电塑性软化在颗粒增强复合材料加工过程中的显著协同效应。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图2. 加工过程的示意图。(a) 传统铣削 (b) 超声波-电脉冲辅助铣削 (c) 高能脉冲电流在材料内部诱导位错滑移图2(c)示意性地展示了加工过程中的电塑性微观机制。在脉冲电流作用下，高速漂移的电子与位错相互作用产生电子风，促进位错沿活跃滑移系统的运动，并释放由TiC颗粒引起的位错钉扎。同时，瞬态电热软化降低了基体强度和临界剪切应力，有利于位错的重排和跨晶界的迁移。结果，基体塑性得到增强，加工硬化得到抑制，从而形成了更易变形的状态，有利于材料去除。3. 实验装置3.1. 实验材料和切削工具本研究中使用的实验材料是一种添加了10%体积分数碳化钛颗粒的碳化钛复合材料。加工区域尺寸为40毫米×36毫米×11毫米。所使用的切削工具是直径6毫米的PCD（多晶金刚石）双刃端铣刀。由于其出色的硬度、优异的耐磨性和稳定的刃口锋利度，它能够有效抵抗碳化钛颗粒造成的严重磨料磨损，是加工这种高硬度颗粒增强复合材料的理想工具解决方案。材料的化学成分参数见表1；物理和机械性能见表2。表1. 基于钛的碳化钛复合材料的参数元素TiAlVFeCaSiCON质量得分(%)865.63.80.20.030.120.180.02表2. 基于钛的碳化钛材料的物理和机械性能密度微硬度抗拉强度屈服强度弹性模量热导率比热容弯曲强度4.5 g/cm3>2500 HV (TiC颗粒)1000 Mpa880 Mpa145 GPa8 W/(m·K)0.55 J/(g·K)1400 MPa3.2. 实验设备图3展示了基于钛的碳化钛复合材料超声-电脉冲协同铣削的总体实验装置和配置（图3(i)）。整个实验系统包括主轴系统、超声辅助系统、电脉冲辅助系统、力测量系统和温度测量系统。实验平台使用了Jingyuan Precision Machinery五轴CNC加工中心（图3(a)），其XYZ轴行程范围为400毫米×400毫米×300毫米，最大主轴转速为9000转/分钟，定位精度为0.05毫米。在加工过程中，超声振动装置——包括超声工具夹头（图3(l)）、超声信号接收器（图3(k)）和超声信号发射器（图3(c)）——向工具施加高频振动。这些振动的共振频率范围为0 ± 0.75 kHz，振幅为4–10μm。这使得高频信号可以从发射器传输到接收器，并最终转化为工具振动。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图3. 实验方案和装置下载：下载高分辨率图像（710KB）下载：下载全尺寸图像图4. 峰值电压和电流密度转换电脉冲辅助系统由TJMC-I脉冲电源（图3(m)供电，输出电压为60–120 V，脉冲频率为100–800 Hz。电源的正负极固定在工件的两端，形成闭合导电回路。电流信号通过示波器（图3(e)）实时监控。为了确保电气绝缘，在工具表面和虎钳夹持区域都涂覆了聚四氟乙烯（PTFE）（图3(j)）。切削力信号通过安装在虎钳下方的测力计获取，并传输到处理终端（图3(d, f, h)）。同时，红外热成像仪监控加工区域内的温度场，并将实时数据传输到终端（图3(b, g)）。这些组件共同构成了一个全面的工艺监控系统。本实验中使用的脉冲电流由专用电脉冲发生器提供。根据电源的技术规格，其输出峰值脉冲电流（A）与示波器记录的峰值电压（V）之间的关系如下：(1)[数学处理错误]([数学处理错误]：峰值脉冲电流；[数学处理错误]：峰值电压)流经工件的脉冲电流密度（A/mm2）通过脉冲峰值电流（A）与横截面积（mm2）之间的转换确定，如下：(2)[数学处理错误]([数学处理错误]：有效导电横截面积)在本研究中，有效导电面积定义为垂直于电流流动方向的横截面积，即工件的宽高截面。这一定义基于以下假设：脉冲电流主要流经工件主体，并且在整个加工过程中电流分布大致均匀。由于脉冲频率和持续时间相对较低，且工件尺寸远大于局部工具-工件接触面积，因此从横截面积计算出的平均电流密度合理反映了实验中施加的电脉冲条件。由于超声振动引起的间歇性切割的动态性质，直接测量工具-切屑界面的真实局部瞬态电流密度具有挑战性。因此，本研究中评估的脉冲电流密度代表了一个宏观平均名义值。尽管如此，由于所有实验都在相同的几何和边界条件下进行，这些名义值为比较分析提供了可靠且一致的基础。3.3. 实验方案脉冲电流密度和频率的选择考虑了设备限制、材料响应和工艺稳定性。选择电流密度的下限以确保电塑性效应的激活，而上限则限制了过度的焦耳热产生，从而得到了2.909–6.545 A/mm2的有效实验范围。此外，脉冲频率设置在100至400 Hz之间，以保持与切割过程的稳定同步，有效平衡电塑性软化和热积累。实验系统通过在不同进给率和轴向切割深度下改变脉冲电流密度和频率，同时保持主轴转速为3000转/分钟和固定的超声振动幅度，系统地研究了超声-电脉冲加工过程的协同效应。详细分析了表面形态、表面粗糙度、表面缺陷特征、表面微硬度和受加工影响层厚度的影响。在四种加工条件下进行了比较实验：传统铣削、超声辅助铣削、电脉冲辅助铣削和超声-电脉冲协同铣削。在主轴转速、轴向切割深度和超声幅度保持不变的情况下，系统地评估了进给率对每种加工性能的影响。所有加工条件的相应实验参数总结在表3中。表3. 四种工艺下的比较实验加工方法主轴转速(r/min)轴向深度(mm)进给率(mm/min)电流密度(A/mm2)脉冲频率(Hz)超声幅度(μm)CM30000.2160,240,320000UAM30000.2160,240,320006EPAM30000.2160,240,3203.9602000UECM30000.2160,240,3203.9602006在主轴转速、轴向切割深度和超声幅度保持不变的情况下，进行了专注于电脉冲参数的比较实验。在受控条件下，系统地研究了脉冲电流密度和脉冲频率对超声-电脉冲加工过程的影响。电脉冲参数下的相应实验参数总结在表4中。表4. 在超声-电脉冲参数下的比较实验主轴转速(r/min)轴向深度(mm)进给率(mm)电流密度(A/mm2)脉冲频率(Hz)超声幅度(μm)30000.21602.909100,200,300,400630000.21603.960100,200,300,400630000.21605.293100,200,300,4006在传统铣削和超声-电脉冲辅助铣削下进行了实验，以研究轴向切割深度对材料响应的影响。在主轴转速和进给率保持不变的情况下，通过调整传统铣削和超声-电脉冲铣削条件下的轴向切割深度，系统地研究了表面维氏硬度和切割诱导影响层厚度的变化。不同轴向切割深度的详细实验参数总结在表5中。表5. 在不同轴向切割深度下的比较实验主轴转速(r/min)轴向深度(mm)进给率(mm/min)电流密度(A/mm2)脉冲频率(Hz)超声幅度(μm)30000.21600, 2.909, 3.960, 5.293, 6.545200630000.31600, 2.909, 3.960, 5.293, 6.545200630000.41600, 2.909, 3.960, 5.293, 6.54520064. 结果与讨论4.1. 表面形貌分析4.1.1. 四种加工方法对表面形貌的影响图5展示了四种加工工艺（CM、UAM、EPAM和UECM）在不同进给率下的表面形貌比较分析。在进给率为160 mm/min时，图5(a1–a4)显示了每种加工方法的表面形貌，图5(b1–b4)显示了相应的放大截面。结果表明，UECM加工的表面完整性优于CM，表面凹坑、TiC颗粒破碎和基体撕裂显著减少。这种改进主要归因于高密度脉冲电流引起的电塑性效应，它促进了基体软化并降低了流动应力，从而实现了更均匀的材料去除。此外，叠加的超声振动引起了周期性的“脱离-接合”循环，这反复促进了软化钛基体中的二次塑性流动，有效地“填充”了由颗粒提取形成的微孔。从机制上看，高密度脉冲电流首先引起明显的电塑性软化，显著降低了钛基体的屈服强度。随后，叠加的超声振动提供的高频冲击能量持续驱动二次塑性流动和软化基体中的局部材料重新分布。这种动态的“软化-冲击-流动”协同循环深刻改变了裂纹尖端的应力状态，有效修复了由TiC颗粒提取产生的微孔，并防止了进一步的微裂纹扩展。当进给率增加到240和320 mm/min时（如图5(c–f)所示），这种协同稳定性表现出类似的模式。这证实了UECM技术在不同进给率下的普遍性和稳定性，为实现Ti/TiC复合材料中致密、连续且无缺陷的表面提供了可靠的技术途径。下载：下载高分辨率图像（3MB）下载：下载全尺寸图像图5. 四种工艺下的表面形貌4.1.2.脉冲参数对表面形貌的影响
该研究详细探讨了在超声-电脉冲协同铣削过程中，碳化钛基复合材料（TiMC）表面形态的协同演变，特别是在不同的脉冲电流密度和脉冲频率条件下的变化，如图6所示。当超声振幅和切削参数保持不变时，表面形态与电脉冲参数之间存在显著的协同关系。当脉冲频率固定在100 Hz时，增加脉冲电流密度会逐渐减少表面缺陷。图6(b)是图6(a)的局部放大图。在低电流密度下，脆性断裂无法完全抑制，仍然可以看到凹坑和颗粒断裂。然而，随着电流密度的增加，高密度脉冲引起了明显的电塑性软化，显著降低了钛基体的屈服强度。这种软化效应结合超声振动引起的局部塑性流动，有效修复了由TiC颗粒拔出造成的微孔。此外，将脉冲频率从100 Hz增加到400 Hz（如图6(c–h)所示）清楚地表明，更高的脉冲频率改善了工件材料的表面质量，凹坑修复效果更加明显。在不同电流密度下表面形态的演变揭示了超声-电脉冲协同铣削（UECM）过程中的一个关键热力学平衡点。在较低电流密度下，电塑性效应不足，无法充分软化基体，导致脆性断裂未被抑制。相反，过高电流密度和频率的同时应用会引发有害的焦耳加热，导致材料的热降解和微观结构不稳定。参数5.293 A/mm2和400 Hz代表了一个最佳能量阈值。在这个特定的平衡点上，电子风和适度的热软化使晶格滑移和位错移动性最大化，同时严格避免了不利的热损伤，从而获得了最高的结构均匀性和最小的表面缺陷。

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图6. 电脉冲参数下的表面形貌

4.2 表面粗糙度分析
4.2.1 四种加工工艺对表面粗糙度的影响
图7展示了在不同进给速率下四种不同加工策略下的表面粗糙度变化。在传统铣削（CM）条件下，加工后的表面具有更高的凹坑和缺陷密度，导致表面完整性明显低于三种辅助加工模式。此外，对于CM，表面粗糙度随着进给速率的增加而单调增加。

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图7. 四种工艺下的表面粗糙度

这种趋势可以归因于较高进给速率下切削力和切削温度的同时升高，这加剧了刀具-工件之间的摩擦。因此，刀具痕迹之间的距离增大，塑性变形更加严重，形成积屑边的倾向增强。此外，高速进给时刀具磨损加快，进一步加剧了表面峰谷，从而增加了整体表面粗糙度。在超声辅助加工（UAM）、电脉冲辅助加工（EPAM）和超声-电脉冲混合辅助加工（UECM）中也观察到了类似的进给速率依赖性趋势，表明进给速率对表面粗糙度的影响在不同加工模式下是一致的。值得注意的是，在相同的进给速率下，UECM条件下的表面粗糙度始终最低。这种改进源于超声振动和电脉冲的共同作用。超声振动有效降低了切削力和界面摩擦，同时促进了切屑分离和间歇性切割。相比之下，电脉冲通过电热和电塑性效应引起局部材料软化，从而抑制了切削引起的塑性变形和积屑边的形成。这些机制的协同作用显著改善了切削区域的应力状态和刀具-工件接触条件，使得加工过程更加稳定，表面光洁度更加光滑。

图8中的定量比较进一步证实了这些观察结果。在进给速率为160 mm/min时，UECM下的表面粗糙度相比CM降低了36.19%；在240 mm/min时，降低幅度达到41.95%；在320 mm/min时，降低幅度达到41.61%。这些结果清楚地证明了超声-电脉冲混合辅助在广泛进给速率范围内显著降低表面粗糙度的有效性、可靠性和普遍性。

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图8. 四种不同工艺下的表面粗糙度值

4.2.2 脉冲参数对表面粗糙度的影响
图9展示了在电脉冲辅助加工条件下工件表面粗糙度的变化。结果表明，在恒定脉冲频率下，随着脉冲电流密度从2.909 A/mm2增加到5.293 A/mm2，表面粗糙度逐渐减小，并在5.293 A/mm2时达到最小值。当电流密度进一步增加时，表面粗糙度呈现反向上升趋势。在适度电流密度范围内，施加的脉冲电流引起了明显的电热软化，增强了局部塑性，减少了切削力，降低了塑性变形的阻力。因此，材料去除变得更加稳定和均匀，从而显著改善了表面光洁度。相反，过高的脉冲电流密度会过度强化电热效应，可能导致表层过度软化、局部氧化或粘着磨损。这些不利效应会恶化表面微观结构，从而增加表面粗糙度。

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图9. 电脉冲参数下的表面粗糙度

如图10所示，所有实验组在不同脉冲频率下都观察到了一致的表面粗糙度演变趋势，其特征是初始阶段减少，随后随着脉冲电流密度的增加而增加。进一步分析图10表明，尽管脉冲频率对表面粗糙度的影响相对较小，但在恒定电流密度下，随着脉冲频率的增加，粗糙度仍略有降低。这种行为可以归因于在研究的频率范围内，脉冲频率的变化不会显著改变单位时间的总能量输入或材料的宏观塑性变形行为。然而，较高的脉冲频率缩短了连续脉冲之间的间隔，促进了工件表面更连续和均匀的能量分布。这有利于更均匀的微观尺度塑性变形，从而略微改善了表面光洁度。

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图10. 电脉冲参数下的表面粗糙度值

4.3 表面缺陷分析
4.3.1 四种加工方法对表面缺陷的影响
图11比较了在三种不同进给速率下四种不同策略加工的Ti/TiC复合材料表面缺陷的演变。随着进给速率的增加，所有条件下的表面损伤逐渐加剧，表现为TiC颗粒破碎加剧、基体撕裂以及由颗粒拔出形成的凹坑，导致表面完整性普遍恶化。然而，缺陷演变行为随着所采用的辅助方法的不同而显著变化。在超声辅助铣削中，高频振动引起的周期性应力波动有效抑制了脆性断裂。因此，颗粒破碎减少，微凹坑通过局部材料填充而部分平坦，基体撕裂得到缓解。

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图11. 四种工艺下的表面缺陷

当单独施加电脉冲时，瞬态电热软化促进了局部表面重塑，显著减少了凹坑深度和裂纹严重程度，尽管未能完全抑制脆性剥落。相比之下，超声振动和电脉冲的同时应用产生了明显的协同效应。超声振动降低了瞬态切削阻力，将材料去除方式从脆性断裂转变为塑性变形，而基体-颗粒界面的电塑性软化增强了局部材料流动和凹坑填充。因此，颗粒破碎和基体撕裂得到有效抑制，加工后的表面呈现出更密集和连续的形态。在所有进给速率下，超声-电脉冲协同铣削显示出最稳定的抗表面损伤能力，产生了更浅的凹坑、减少的颗粒破碎和明显的表面修复效果。

4.3.2 脉冲参数对表面缺陷的影响
图12系统分析了在不同脉冲参数下钛基碳化钛复合材料表面缺陷的演变。局部放大的视图（b1–b4）、（d1–d4）、（f1–f4）和（h1–h4）分别对应于（a1–a4）、（c1–c4）、（e1–e4）和（g1–g4）所示区域。总体而言，观察结果表明，在恒定脉冲频率下，增加脉冲电流密度会逐渐使工件表面变平并变得更加致密。表面缺陷——包括凹坑、脱落的碎屑、微裂纹和局部撕裂——显著减少。特别是图像（a4、c4、e4、g4）及其放大图（b4、d4、f4、h4）显示了明显的缺陷修复，微裂纹边缘变得圆润和钝化，断裂表面闭合，表面层上出现了局部塑性流动痕迹。这种改进归因于高脉冲能量输入引起的显著电热软化和电塑性效应，这些效应减轻或部分修复了切削引起的损伤。在相同电流密度下比较不同脉冲频率表明，频率对缺陷演变的影响相对较小。尽管较高频率略微增强了缺陷修复效果，但其效果远不如脉冲电流密度显著。

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图12. 电脉冲参数下的表面缺陷

全面比较表明，在脉冲电流密度为5.293 A/mm2和脉冲频率为400 Hz时，可以获得最佳的表面质量，其特征是缺陷和损伤最小。在这些条件下，较高的电流密度增强了热积累和电塑性软化，促进了晶格滑移，缓解了裂纹尖端的应力集中，从而促进了围绕表面凹坑的塑性流动，实现了有效的缺陷消除，使得表面形态更加均匀且损伤更小。

4.4 表面硬度
表6总结了在轴向切割深度为0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm时，不同脉冲电流密度下加工表面的微维氏硬度测量结果。对于每种条件，都在加工表面的三个不同位置确定了硬度值，并计算了相应的平均值以代表整体表面硬度。详细结果如下表所示，为评估不同切割深度下脉冲电流密度对表面机械性能的影响提供了定量依据。

表6. 表面硬度测量结果
# 切割深度（mm）电流密度（A/mm2）硬度值（HV）
# 切割深度（mm）电流密度（A/mm2）硬度值（HV）
# 切割深度（mm）电流密度（A/mm2）硬度值（HV）
10.2 0 63
2.9 60
0.3 68
9.6
10.4 67
6.3
2 2.9 09
9.3
0.3 2.9 09
6 9.9
12 0.4 2.9 09
5 9.3
3 0.2 3.9 60
5 66.7
8 0.3 3.9 60
5 82.9
13 0.4 3.9 60
5 5.9
4 0.2 5.2 93
5 21.5
9 0.3 5.2 93
5 3 2.6 14
0.4 5.2 93
4 97.6
5 0.2 6.5 45
5 50.4
10 0.3 6.5 45
5 41.7
15 0.4 6.5 45
27.4

图13展示了脉冲电流密度对不同轴向切割深度下材料表面维氏硬度的影响，揭示了由机械加工硬化和热电协同效应共同作用下的复杂趋势。具体来说，如图13(b)所示，在没有超声-电脉冲辅助的情况下，表面显微硬度在给定轴向切割深度下保持最高水平。随着切割深度的增加，切削区的实际载荷、塑性变形的程度以及累积的位错密度同时增加，增强了加工硬化作用，导致表面显微硬度持续上升。然而，在0.4 mm的轴向切割深度下，刀具-工件界面处摩擦和切削引起的热量迅速积累，导致表面温度显著升高。这种热软化效应开始抵消主导的加工硬化机制，导致表面显微硬度略有下降。当电脉冲作为辅助工艺施加时，所有切割深度下的表面硬度明显低于无辅助条件下的硬度。这种降低归因于脉冲引起的热电协同效应，它促进了瞬态热软化，缓解了晶格畸变，并加速了位错滑移，从而减轻了由于加工硬化引起的硬度增加。随着脉冲电流密度的增加，焦耳加热加剧，进一步软化材料，导致显微硬度持续下降。结果表明，在脉冲电流密度为5.293 A/mm2时，材料表面在所有三个轴向切割深度下达到最低显微硬度，其中0.4 mm切割深度下的最低值为497.6 HV。这代表了热软化和加工硬化效应之间的稳定平衡。

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图13. 不同电流密度下不同切割深度下的表面硬度值

超过这个临界阈值后，脉冲电流密度增加到6.545 A/mm2会产生过度的局部焦耳加热，导致表层轻微过热损伤。这种损伤表现为晶粒粗化、微观结构退化和由于过度软化引起的结构不稳定，最终导致表面显微硬度再次上升。因此，热机械响应决定了表面硬度的非线性演变，在接近临界脉冲密度时达到最小值，然后在更高电流下恶化。电流的进一步增加会导致由于局部过热而产生的二次硬度反弹。这些结果清楚地表明，切削力、加工硬化、热软化和焦耳热的综合效应构成了控制表面硬度变化的基本机制。4.5. 切削诱导的改性层 图14显示了在脉冲电流密度为0、2.909、3.960、5.293和6.545 A/mm2时，轴向切削深度为0.2和0.4毫米的金属组织观察结果。沿着晶粒流动方向画了两条参考线以评估塑性变形。在没有脉冲电流的情况下，轴向深度为0.2毫米时（图14(a1)），微观结构显示出不均匀的晶粒形态、强烈的拉伸取向和不连续的变暗的晶界区域，表明存在局部塑性变形和应力集中。在超声-电脉冲协同作用下（图14(b1–e1)，这些晶界特征变得更加连续和明显，反映了局部应力状态的改善。随着脉冲电流密度的进一步增加，晶界逐渐模糊并部分消失。晶粒定义减弱，滑移活动增强，塑性变形从表面向内部传播，导致变形影响区域明显扩大。相比之下，传统切削会在金属组织切片中产生许多与颗粒相关的缺陷，这归因于高幅度剪切应力作用于塑性软化的基体上，而TiC颗粒保持刚性。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像 图14. 不同脉冲电流密度下的切削诱导改性层 基体和颗粒之间的变形不匹配加剧了颗粒-基体界面的脱粘，使得加工后的表层更容易发生颗粒拔出和局部断裂。在轴向切削深度为0.4毫米时也观察到了类似的趋势，证实了在不同切削深度和脉冲电流密度下观察到的微观结构演变的普遍性。图15进一步说明了切削诱导改性层厚度随脉冲电流密度的变化。在轴向切削深度为0.2毫米时，改性层厚度并不随电流增加而单调变化；相反，它呈现出“先减少后增加”的非线性趋势。在中等脉冲电流密度范围内，电塑性效应占主导地位，导致改性层厚度显著减小。这归因于超声振动引起的间歇性切削，有效地降低了切削力并抑制了塑性变形向更深材料层的传播。当脉冲电流密度为2.909 A/mm2时，电塑性效应激活了位错运动，伴随有限的焦耳热，主要表现为表面损伤的抑制。当脉冲电流密度增加到3.960 A/mm2时，电塑性影响变得更加明显，显著降低了切削力。位错滑移和晶界滑移的完全激活使得改性层厚度从传统铣削的16.2μm减少到9.3μm，减少了42.6%。同样，在轴向切削深度为0.4毫米时，改性层厚度从23.9μm减少到11.3μm，减少了52.7%。下载：下载高分辨率图像（807KB）下载：下载全尺寸图像 图15. 不同脉冲电流密度下的再结晶层厚度 然而，如图14(d1, e1)和图14(d2, e2)以及图15所示，当脉冲电流密度进一步增加到5.293A/mm2时，切削诱导的改性层厚度显著增加。这种突然增加归因于过度的焦耳热，它显著提高了局部温度并增强了材料的粘塑性。由此导致的位错运动阻力降低使得塑性变形能够更深地传播到基体中，从而使切削诱导的改性层显著增厚。具体来说，在轴向切削深度为0.2毫米时，改性层厚度从传统铣削的16.2μm增加到24.7μm，约为原始值的1.52倍。在轴向深度为0.4毫米时，它从23.9μm增加到35μm，约为原始厚度的1.46倍。4.6. 实际应用和未来前景 本研究提出的实验结果和优化的UECM参数（5.293 A/mm2和400 Hz）对航空航天和国防工业具有重要的实际应用价值。高性能Ti/TiC复合材料越来越多地用于关键结构部件，如涡轮叶片和承重航空航天配件，这些部件通常需要复杂的轮廓铣削。通过UECM实现的表面完整性显著提高直接减轻了内部损伤和微裂纹，这对于保证这些部件在恶劣服务条件下的疲劳寿命和操作可靠性至关重要。此外，鉴于UECM的复杂、非线性多参数耦合特性，未来的工作可以从数据驱动建模中显著受益。正如最近的高级制造研究所展示的，人工神经网络（ANN）方法在预测接触应力、成形行为和工艺优化方面表现出色[38]、[39]。将当前的实验数据库与ANN算法结合，以实现实时表面完整性预测和UECM的智能参数优化，将是未来研究的一个有前景的方向。4.7. 机制解释的局限性 尽管观察到的表面硬度、粗糙度和改性层厚度的变化为电塑性软化和焦耳热的协同效应提供了强有力的实验证据，但需要注意的是当前机制解释的局限性。本研究中评估的脉冲电流密度代表了一个宏观平均名义值，是基于工件有效截面的面积计算得出的。由于超声振动引起的间歇性切削过程的动态和复杂性，无法直接测量工具和切屑之间微观界面的真实局部和瞬态电流密度。因此，这里提出的机制联系应被视为宏观现象学解释。未来的工作需要结合原位快速界面监测和多物理场有限元建模，以精确量化UECM过程中的瞬态热机械边界条件。5. 结论 本研究系统地研究了在超声-电脉冲协同铣削（UECM）下Ti/TiC复合材料的表面和内部完整性。主要发现总结如下：(1) UECM有效地将材料去除模式从颗粒控制的脆性断裂转变为基体主导的粘塑性剪切，显著抑制了如颗粒拔出和基体撕裂等表面损伤。(2) 超声振动和电脉冲的协同应用显著提高了表面质量，与传统铣削（CM）相比，表面粗糙度降低了40%以上。(3) 材料的热机械响应表明，UECM中的参数优化是一个多目标权衡。脉冲电流密度为5.293 A/mm2（在400 Hz时）提供了最佳的表面形态（最低粗糙度和最小缺陷）。然而，为了最小化切削引起的内部改性层，较低的电流密度3.960 A/mm2更为理想，因为较高的电流（>5 A/mm2）会加剧焦耳热并显著增厚改性层。(4) 研究证实，脉冲电流具有双重调节作用。适度的电流主要激活有益的电塑性软化，从而提高可加工性，而过高的电流则通过主导的热效应恶化了内部完整性。作者贡献声明 Chuan He：撰写-审稿与编辑，撰写-原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Guangjun Chen：监督，项目管理，资金获取，撰写-审稿与编辑，撰写-原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Yuhang Liang：可视化，资源管理。Wenqi Wang：可视化，数据管理。Yingxin Lv：可视化，验证。数据可用性 本研究生成和分析的数据集可应相应作者的要求提供。