综述：金属微孔加工及其复合加工技术：现状与进展

《Metals》：Review on Metal Micro-Hole Machining and Its Composite Machining Technologies: Current Status and Progress

　　

金属微孔的先进制造在航空航天、汽车、电子和医疗等工业生产的各个领域具有重要意义。新技术不断涌现，包括各种多能场制造技术，知识体系复杂而精细。本文总结了金属微孔制造技术的最新进展，并与现有的激光加工（LP）和电化学加工（EP）技术进行了比较。本系统综述旨在提供最新方法的全面概述。本综述论文特别重要，因为它不仅涵盖了基本原理和创新工艺方法，还涵盖了最新的研究进展和当前问题。此外，还提供了先进可持续微孔制造技术的发展轨迹概要。

1. 引言

金属微孔在航空航天工程、模具工业、电子电气工程、生物医学和化学工程等多个领域具有重要应用价值。例如，飞机发动机叶片表面分布大量微小孔洞，通过薄膜冷却技术（FCHs）引入冷却气体形成低温保护气膜，从而降低高温环境的热传递，其中FCHs的孔径通常小于1 mm。镍基高温合金因其优异的耐腐蚀性、蠕变性能和高温强度被广泛用于航空发动机高温部件，但由于其高强度和高硬度，传统机械加工方法（如微钻削）面临刀具磨损、加工颤振和冷却排屑困难等问题，无法满足高效高精度加工需求。非传统制造技术利用电、热、声、光等特殊能量形式进行加工，相比传统机械加工具有独特优势，成为微孔加工领域的研究重点。常见的微孔加工技术包括激光钻孔（LD）、电火花加工（EDM）、电化学加工（ECM）和机械钻孔（MD），但这些技术各有局限：EDM存在热损伤和工具磨损问题；ECM面临杂散腐蚀和传质困难；激光钻孔虽然具有高灵活性和高效率，但存在微裂纹、重铸层和热影响区等热缺陷，且制备的微孔锥度较大。水辅助激光加工技术利用水介质的冷却效应减少激光热缺陷，但加工过程中气泡和加工产物的积累会影响激光与液体的相互作用，导致加工质量下降。机械钻孔技术广泛应用于工业生产，但存在深小孔和薄壁件加工困难、加工产物排出困难等问题。为解决这些问题，复合加工技术应运而生，通过集成两种或多种不同加工工艺，发挥互补优势，克服单一加工技术的局限性，同时可显著提高加工效率，缩短加工周期并降低劳动力成本。

2. 激光加工技术

激光加工是一种利用高能量密度激光束照射样品表面，通过热作用使材料熔化和气化并去除的精密加工技术，具有高灵活性、高加工效率和高精度等优点，在高端制造领域应用广泛。根据激光脉冲宽度不同，激光钻孔技术可分为长脉冲激光钻孔、短脉冲激光钻孔和超短脉冲激光钻孔。纳秒级短脉冲激光和更大脉宽的长脉冲激光平均功率较高，材料去除依赖热烧蚀机制，效率高但制备的微孔存在显著热缺陷。皮秒和飞秒激光属于超快激光，具有极高的峰值能量密度，理论上可在极短时间内直接气化样品材料，实现“冷加工”，制备高质量微孔结构，但飞秒激光加工效率较低，设备成本较高，限制了其在工业生产中的应用。皮秒激光则在加工质量与效率之间取得最佳平衡，更适合大规模工业应用，但仍存在重铸层、微裂纹和热影响区等缺陷，难以满足FCHs的严格加工要求。目前，激光加工仍是微孔加工的主流技术，国内外学者通过参数优化、超快激光应用和加工环境调控等方式进行改进。参数优化方面，如Liao等研究了纳秒激光脉宽和扫描次数对金刚石薄膜微孔阵列加工的影响，发现随脉宽和扫描次数增加，入口尺寸无显著变化，出口直径增大且锥度减小；Pramanik等利用教学优化算法（TLBO）优化纳秒激光钻孔参数，获得最优参数组合，显著减少了微孔内壁缺陷。超快激光方面，Wang等探索了线/圆偏振飞秒激光对带热障涂层高温合金钻孔的影响，发现线偏振导致孔中部极化去除，加工质量下降；Li等提出两步飞秒激光螺旋钻孔工艺，先用高功率参数快速钻通孔，再用高质量参数进行二次修整，兼顾效率与质量；Sun等利用飞秒激光束与样品间的相对姿态控制实现了微孔锥度在正锥度和负锥度之间的可控调节，并发现高强冲击波导致孔壁相邻微结构间产生位错。加工环境调控方面，Wang等通过数值模拟和实验研究了不同压力环境下带热障涂层气膜冷却孔的加工结果，发现常压下等离子体散焦效应使微孔在厚度方向有效准直，低压下等离子体密度低，自聚焦效应导致孔径变小；Ren等分别采用水下激光钻孔（UWLD）、背侧水辅助激光钻孔（BWALD）和空气环境激光钻孔（LD）对Si₃N₄进行飞秒激光钻孔，BWALD工艺制备的微孔锥度比LD降低75%，UWLD降低72.7%；在较低激光频率下，BWALD对Al₂O₃陶瓷的加工效率和质量显著优于空气环境，但高频下等离子体保护作用削弱了水辅助的优势。

3. 电化学加工技术

电化学加工（ECM）是一种非接触、无应力加工技术，能获得高表面质量且适用于难切削材料，因此在微孔加工领域具有重要地位。然而，传统浸入式电化学加工存在加工产物排出困难和严重浓差极化等问题，尤其在深孔加工过程中更为突出。喷射电解和掩模电解作为电化学加工的两种工艺变体，在微孔加工中得到广泛应用。喷射电化学加工利用高速电解液流有效去除加工产物、气泡和焦耳热，特别适合微孔加工。Zhan等提出等离子体辅助管电极电化学加工工艺，通过调控电压诱导等离子体产生，模拟电化学喷射加工环境，成功制备了深径比5.1:1的深孔，但入口处存在严重杂散腐蚀。Liu等设计了带有冲洗孔的侧壁气体辅助工具电极，引入同轴辅助气流形成局部气室，防止电解液回流，保证加工稳定性。Cheng等制备了半楔形端的新型管电极，通过控制电极旋转频率，实现加工间隙中脉动流场和电场的时域耦合，提高了喷射电解的工艺性能，在2.22 mm/min高速进给下成功制备直径1.52±0.017 mm的孔，表面粗糙度仅0.331 μm。传统掩模电解技术先在样品表面涂覆光刻胶，通过光刻技术制作加工掩模，暴露目标加工区域并局部去除样品材料，相比传统电化学加工，掩模提高了加工精度，适用于大规模群孔制备。He等使用聚合氯化铝（PAC）电解液对Zr702合金板进行掩模电化学加工，利用多因素交互响应面法探究脉冲电压、电解液压力和喷射扫描速度对加工结果的影响，发现脉冲电压对微孔加工质量影响最大。为解决加工区域电解液缺乏问题，Zhan等提出等离子体辅助管形状电化学加工方法，电流主要通过电解液射流传导，气膜屏蔽管电极端面和侧壁的电场，从而在高加工电压下不降低加工精度，等离子体作为热气体介质可产生类似电化学喷射加工的加工环境，高电压生成致密气膜和等离子体膜，有利于提高加工精度。

4. 复合加工技术

4.1 水流辅助激光加工技术

水辅助激光加工利用水的冷却效应减少激光加工时的热损伤，改善表面质量。水具有比空气更高的比热容和约30倍的热导率，能有效吸收激光热量并快速传递，减少热缺陷。目前水辅助激光钻孔技术主要包括水下激光钻孔（UWLD）、水射流引导激光钻孔（WJGLD）和背侧水辅助激光钻孔（BWALD）。UWLD将样品完全浸没在液体介质中，利用液体冷却效应减轻热缺陷，但样品上方的水膜会导致激光多次反射，造成能量衰减和焦点漂移，影响加工效率和稳定性。WJGLD利用水射流中激光束的全反射原理将激光能量引导至加工区域，无需样品浸没，激光传导完全依赖水射流，其直径和形状直接影响激光能量分布，但微喷嘴制造复杂，水射流直径通常为几百微米，导致激光光斑增大、加工分辨率降低，且外部扰动和瑞利-普拉托不稳定性可能导致水射流断裂，引发全反射失效和加工中断，同时工艺设备较为复杂。BWALD将水面高度保持在样品上表面以下，避免了水膜对激光传输的负面影响，同时有效规避了水射流不稳定性问题，具有加工稳定性好、设备简单等优点，应用前景广阔。Zhu等利用超短皮秒激光对DD6单晶高温合金加工微孔结构，并引入水射流辅助减少热损伤，随后采用电化学加工后处理进一步改善微孔内壁质量，低压力水射流有效消除了附着熔渣和重铸层，加工表面光滑且显微组织无周期性。Liu等通过模拟和实验研究背侧水辅助激光加工方法，发现随激光脉冲数增加，水流冷却效应显著增强，水辅助激光加工技术制备的微孔入口和出口尺寸增大，入口形貌改善，孔壁质量优良，热缺陷显著减少，液体与激光相互作用可对孔壁材料进行二次去除，提高微孔质量，该技术在斜孔、方孔和梯形孔加工中表现出优异特性。

4.2 激光-电化学复合加工技术

多能场辅助激光加工可有效改善传统激光加工的固有缺陷。激光-电化学复合加工技术中，电解液首先作为冷却介质，其冷却效应可减轻激光热影响，同时电化学溶解能有效去除激光加工产生的热缺陷；另一方面，高能激光束对电解液产生热效应，促进电化学反应的液相传质过程，抑制浓差极化，加速产物排出，提高电化学加工效率和稳定性。激光-电化学复合加工可分为浸入式、同轴式和背侧式三种工艺形式。同轴激光-电化学复合加工技术最具代表性，可实现激光加工与电化学加工的高效时空耦合，该工艺将电解液代替水介质，使用管电极作为喷射喷嘴，样品和管电极分别连接电源正负极，通过电解液射流建立完整电化学反应路径，确保激光加工与电化学加工同步运行，但该工艺不仅受水射流引导激光加工固有缺陷影响，还需在管电极侧壁涂覆绝缘层以避免过切，进一步增加了管电极制备的复杂性。在激光-电化学组合加工中，先通过激光制备微孔，再进行电化学溶解以提高质量。Bao等通过极化曲线和电化学阻抗谱研究了Inconel 718合金激光加工后的电化学溶解行为，发现激光加工后表面耐腐蚀性低于原始表面，据此选择5~40 A/cm²的加工电流密度以保证高电化学加工速率。Wang等利用电化学后处理技术优化激光钻孔质量，电化学加工20 s后微孔内壁的重铸层和微裂纹完全去除，孔壁粗糙度降低68.16%。Duan等开发了分段电化学加工后处理，在前6秒将电化学加工深度调节至微孔直径的一半，随后以0.5 mm/s速率逐渐降低进给速度直至完成整个孔深加工，实验表明30 s内可完全去除内孔壁重铸层。尽管激光-电化学组合加工能消除激光加工热缺陷，但需依次进行激光加工和电化学加工，导致工具对位误差，且无法实现激光与电化学的同步作用；而激光-电化学复合加工可实现两者同时作用于样品表面，激光热效应促进电化学加工，电化学加工实时去除激光缺陷。Wang等通过激光-电化学组合工艺在厚度3.5 mm的高温合金718材料上加工出直径约500 μm的通孔。Saxena等借鉴水导激光原理开发了激光-电化学同轴加工方法（L-STEM），利用管电极内壁与电解液之间的折射率差使激光束在电解液射流中全反射传输。Wang等使用L-STEM在304不锈钢、7075铝合金和TC4钛合金上成功制备深孔，孔内壁未发现重铸层、微裂纹和热影响区等缺陷，验证了该工艺的材料适用性。Yang等发现L-STEM加工Inconel 718高温合金时，由于杂散电流和产物积累，加工区域易发生点蚀，因此提出气体辅助同轴激光-电化学复合加工工艺以避免点蚀。尽管L-STEM具有优异的激光-电化学耦合效果，但其设备系统复杂、加工稳定性较差；相比之下，背侧激光-电化学复合加工技术在设备复杂性和加工稳定性方面更具优势。Zhang等探索了背侧电化学相互作用的皮秒激光钻孔，结果表明电化学加工使微孔锥度降低31.6%，出口圆度提高14.8%，孔壁氧含量和粗糙度分别降低60.1%和65.4%。Lin等建立了背侧激光-电化学复合加工的数值模型，通过分析温度场、流场和电场演化，验证了激光热效应对电化学加工效率的显著促进作用。

4.3 超声或磁场辅助激光加工

将超声振动或磁场等特殊能场引入激光加工系统进行复合加工，可改善微孔加工质量。超声振动对水辅助激光钻孔的改善效果体现在三个方面：首先，超声振动对液体施加驱动力，产生声流，促进气泡和加工产物的排出，保证激光传输稳定性；其次，液体分子间的相互作用导致液体温度升高、击穿阈值降低，增强等离子体刻蚀强度；最后，超声空化效应进一步促进样品材料、气泡和加工产物的去除，提高背侧水辅助激光钻孔的效率和质量。超声振动的声流、温升和空化效应同样对电化学加工有促进作用，可改善加工间隙中的液相传质过程，加速电解产物排出和氢/氧气泡脱附，空化冲击有利于去除样品表面钝化膜，提高电化学加工效率；超声振动引起的电解液温升可提高电导率，从而增加电流密度；此外，超声振动导致工具电极与样品间周期性运动，改变加工间隙，减小间隙时可提高电化学加工效率。超声振动技术可有效解决气泡去除和产物分离问题，显著提高背侧水辅助激光钻孔的几何精度，结合电化学加工可进一步提高微孔制造精度和质量，为FCHs的精密加工提供了新技术方案。超声振动加载方式主要有样品振动和透镜振动。当超声振动施加于样品时，激光加工产生的熔池在超声激励下移动，使加工碎屑更易排出，提高加工效率和质量。Fan等研究了样品振动方向对激光钻孔的影响，发现垂直超声振动可提高微孔加工效率，水平振动则有助于去除加工碎屑。当超声振动施加于透镜时，激光焦点因透镜往复运动发生周期性位移，改变激光能量分布。Kang等分析了振动透镜激光加工系统下超声振动对微孔加工结果的影响，与无振动辅助激光钻孔相比，透镜振动辅助激光钻孔加工的孔直径减小28.59%。样品或透镜振动虽提高了微孔加工效率和几何精度，但内壁质量改善不显著；基于水介质的超声辅助激光钻孔则通过液体冷却效应显著改善微孔内壁质量。Wang等系统探索了基于水基超声振动辅助毫秒激光钻孔对GH4037高温合金微孔加工的影响，包括通孔和盲孔，发现超声振动显著提高了微孔几何精度和内壁质量，并诱导重铸层和热影响区晶粒细化，促进强化颗粒和相析出，改善了该区域的力学性能，但超声振动对盲孔的提升效果不如通孔显著。Liu等利用超声振幅杆将超声振动传递到水下激光钻孔系统加工区域附近的液体中，快速去除样品表面材料云，显著提高了水下激光钻孔效率。超声振动还可增强电化学加工的效率、精度和稳定性。Li等将超声振动施加于旋转螺旋工具电极，使其在高速旋转的同时垂直振动，通过建立加工过程极间间隙流场仿真模型，发现超声振动引起的电极周期性运动显著增强了空化效应，促进极间流场均匀性。Wang等基于气泡振荡方程建立了ODS高温合金超声辅助掩模电化学加工微孔的空化效应数值模型，模拟分析表明超声频率、声压幅值、电解液入射压力和温度对超声空化效应有显著影响。Zhu等提出超声辅助电化学钻孔磨削技术（UAECDG）实现微孔加工，先用螺旋工具阴极通过电化学加工粗成形微孔，再用带金刚石磨粒的球形工具电极进行超声辅助电化学磨削完成精加工。Liu等使用超声冲击水流辅助皮秒激光钻孔技术，建立超声声流和加工产物传输的数值模型，模拟结果表明加工产物颗粒在声流作用下可快速离开加工区域，避免气泡和产物堆积，实验证实超声场能有效消除气泡和碎屑，大幅提高微孔质量，与传统方法相比，新方法使微孔锥度降低25%。此外，他们提出磁场辅助激光-电化学复合加工技术，该复合加工方法可降低微孔锥度并有助于消除加工缺陷，外部磁场作用于激光诱导等离子体和电化学加工，使微孔平均直径增大，氧含量和表面粗糙度降低，孔圆度显著提高，锥度降低约9%，验证了磁场辅助激光-电化学加工的可行性。在金属基复合材料微孔加工中，超声等复合能场辅助尤为重要，例如超声辅助机械微孔钻孔中，硬增强相导致微钻头严重磨损，易出现颗粒脱落、基体撕裂、孔毛刺和亚表层裂纹等缺陷，提高进给率会显著放大损伤因子和圆度误差，传统钻孔难以平衡低损伤与高效率，未来将聚焦于超声等多能场复合辅助钻孔，以实现复合材料的高效高质量加工。

5. 总结与展望

（1）多能场复合效应可显著提高微孔加工质量。激光热效应显著提高激光照射区域电解液温度，导致电流密度增加，从而加速电化学反应速率；电解液温升引起的非等温流形成微区域，导致电解液搅拌，促进电解液更新和产物去除。（2）超声振动促进产物去除，从而提高加工稳定性和加工表面质量。超声引起的温升和声流影响范围持续扩大，最终达到稳态，加工产物在声流对颗粒施加的拖曳力联合作用下可快速从微孔中移除。（3）需进一步研究激光、超声等能量对加工结果的影响，多能场耦合时促进效应之间具有重要关系。（4）电解液电导率受温度和气体体积分数调控，必须综合考虑激光热效应和电化学析氢现象对电解液电导率的影响。（5）未来研究将聚焦于声、光、电、热流、化学等多能场的集成，同时建立更符合实际加工条件的仿真模型。