TC4合金高深径比微孔的空间解耦激光-电化学混合加工：多物理场协同机制与微形貌演化

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Spatially decoupled laser-electrochemical hybrid machining of high-aspect-ratio small holes in TC4 alloy: Multi-physics synergistic mechanisms and micro-morphological evolution

　　

- 空间解耦构型最小化了电极间多物理场干扰。
- 多脉冲作用下的时空多物理场被有效解析。
- 解耦将激光约束于中心区域，电场则集中于外围。
- 随着功率的变化，中心去除机制由激光-电化学加工向协同去除及电化学蚀刻消融演变。
- 成功制造了具有高深宽比约33.9、锥度约0.004的高质量通孔阵列。

**引言**

钛合金凭借卓越的强度重量比、优异的耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、生物医学工程和精密仪器等高端制造领域得到了广泛应用[1]。在这些关键领域中，对高深宽比孔的需求日益增长，此类孔洞作为流体传输通道、结构减重单元和信号传输载体至关重要[2]。然而，TC4合金由于其低导热系数和高化学反应活性，表现出典型的难加工特性。传统的接触式加工工艺，如机械钻孔，在制备深孔时面临严重刀具磨损、排屑困难和明显出口毛刺等挑战。这些局限性使其难以同时实现高尺寸精度和优良的表面完整性[3]。为克服这些固有约束，非传统加工技术得到了广泛探索。作为典型的非接触加工方法，激光钻孔利用高能量密度光束实现快速材料去除。然而，其以热为主导的去除机制和光学特性不可避免地引入了重铸层、微裂纹和几何锥度等热缺陷。这些缺陷容易演变为应力集中源，从而严重损害零件的使用性能和结构可靠性[4]。电化学加工（ECM）能够以非接触、无应力状态实现材料去除，具有优异的表面质量。然而，ECM在高深宽比孔加工中仍存在定位性差和加工效率低的固有局限[5]。

为充分利用两种工艺互补的优势，激光-电化学混合加工作为一种前景广阔的技术应运而生。通过将高能量激光束耦合入电化学溶解区，利用局部热效应显著降低表面反应的活化能，同时依靠流动电解液清除气泡和产物，从而实现高度局部化和高效的材料去除[6], [7]。尽管当前研究主要集中在两种能量场的耦合模式及槽形的去除机制上，但针对高深宽比孔的工艺特性与去除机制的系统性研究仍处于探索阶段。例如，Pajak等人[8]提出了激光辅助射流电化学加工方法，证实激光诱导热效应能显著加速照射区内的局部阳极溶解，提高ECM的定位性，并抑制非加工区域的杂散电流分布。然而，由于工具电极无法深入工件，且激光传输距离有限，该技术难以制造高深宽比孔。为应对这一挑战，Saxena等人[9]和Wang等人[10]引入了集成了激光导引介质的管状电极，作为激光、电流和电解液的输送通道，展现了其在深孔加工方面的巨大潜力。此外，基于该耦合构型，Wang等人[11]研究了不同激光功率下宏观轮廓演变和电流变化，有效揭示了中心激光主导去除与周围激光增强电化学溶解之间的动态竞争关系。然而，在此类耦合构型中，激光传输和流体输送本质上共享同一中心通道。这种缺乏空间隔离的设计不仅使聚合物-金属界面在高激光功率下易受热降解，还会加剧流体力学不稳定性以及激光束与动态流体之间的相互干扰。这种预间隙干扰使得不同功能区的稳定调控变得复杂，从而限制了多物理场协同效应的潜力。因此，这种高度受限的耦合刀具在加工高深宽比孔时，不可避免地面临传质和能量传输损失方面的重大挑战[12]。为补偿能量耗散并克服加工深度限制，最直接的方法是增加激光功率。然而，这通常会导致间隙中的电解液沸腾，并加剧孔壁热缺陷（如重铸层和微裂纹）的敏感性，从而损害ECM固有的无应力特性。因此，大多数研究主要局限于低能量密度区域。中等及较高激光能量密度下的多物理场耦合机制和材料去除演变仍有待充分阐明。

此外，电极间流场状态不仅影响激光传输，还是在加工过程中提高传质效率和维持工艺稳定性的关键因素。目前，许多研究人员围绕纯ECM中的供电调节、电极结构优化和工艺参数探索开展了研究，以解决产物滞留和电极间短路等问题。例如，Bligi等人[13]用脉冲电源替代直流电源，利用脉冲关断时间有效促进电解液更新和产物排出，提高了工艺稳定性；Zhu等人[14]设计了双极管状电极，有效抑制了深孔侧壁的杂散电流，改善了加工精度；Liu等人[15]证实，集成导流结构的复合管状电极改变了孔底的电解液冲洗路径，消除了流动滞止区，显著加速了反应产物和气泡的排出。因此，优化流场结构并调节电间隙和入口流量等流体力学参数，对于维持高效稳定的材料去除至关重要，尤其是引入高能量激光不仅改变了流体流动状态，还显著复杂化了电极间多物理场。此外，正如Skoczypiec等人[16]指出的，未能维持激光热输入与电解液热质传递能力之间的动态平衡，必然导致局部热量过度积累，严重降低加工表面质量。然而，关于如何优化电间隙、入口流量和激光功率等关键参数，以协同缓解深孔内的传质恶化和严重热损伤，系统研究仍然非常匮乏。

基于上述考虑，本文提出了一种空间解耦的激光-电化学混合加工技术。通过系统调控关键流体力学变量（电间隙和入口流量）及能量场参数（激光功率），综合研究了腔体的宏观和微观形貌演变，阐明了工艺参数对加工效率和表面完整性的影响。随后，分析了加工过程中传质与多物理场耦合的动态平衡机制。最终，通过在约45毫米厚的TC4合金上成功制造高深宽比孔阵列，验证了该技术对难加工航空航天材料的可行性。

**章节摘要**

**混合工艺加工机制**

图1a展示了空间解耦激光-电化学加工（SD-LECM）的示意图。该混合工艺的稳定运行依赖于光学传输单元、脉冲电源系统、电解液循环系统、精密运动控制系统和定制化集成加工头之间的协同集成。特别地，该定制化加工头将光学、电学和流体力学集成为单一单元，实现了物理集成。

**实验装置与激光耦合过程**

本研究开发了一种空间解耦的激光与电化学混合加工装置，如图4a所示。为实现激光能量场、电化学场、流场和精密运动之间的协同调控，该装置高度集成了一台纳秒脉冲激光器（Super pulse 532-50，苏州英谷激光技术有限公司）、一台微秒脉冲电源（WT2-100 V，北京精电电子科技有限公司）以及高精度……

**腔体宏观形貌变化**

图6展示了不同电间隙和激光功率下制备的腔体宏观形貌。在纯ECM条件下（0 W，图6a1-c1），材料去除严格遵循法拉第阳极溶解定律。随着加工间隙增大，加工定位性下降，特征表现为侧壁和边缘出现明显的不均匀溶解区。这一现象主要源于扩大间隙内的严重电场发散，不可避免地导致……

**结论**

本研究系统阐明了TC4合金在空间解耦激光-电化学混合加工过程中的多物理场协同机制和微观形貌演变。主要结论如下：

(1) 加工间隙和入口流量从根本上决定了电极间多物理场空间平衡。受限间隙（50 μm）会引发严重的副产物淤积和浓差极化，导致频繁的短路……

**关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明**

在手稿准备过程中，作者使用了AI辅助工具来改善示意图（图1、图14）的视觉呈现。作者已审核并验证了所有AI辅助输出，并对已发表内容的准确性和完整性承担全部责任。

**CRediT作者贡献声明**

Zixiang Yu：调查研究。Wanda Xie：验证。Hao Liu：调查研究。Yongbo Xu：撰写初稿、验证、方法学、调查研究、正式分析、概念化。Wang Shuiwang：撰写—审阅与编辑。Ye Ding：撰写—审阅与编辑。Ke Chen：验证。Yanan Liu：撰写—审阅与编辑。Liangliang Xu：撰写—审阅与编辑。Lijun Yang：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本报告中所述工作的客观性。

**致谢**

本工作得到国家重点研发计划（批准号：2021YFF0500200）、国家科技重大专项（批准号：2024ZD0706201）、四川省科技重大专项（批准号：2025ZDZX0004）和国家科技重大专项（批准号：2024ZD0706201）的资助。

Yongbo Xu | ShuiWang Wang | Ye Ding | Ke Chen | Zixiang Yu | Wanda Xie | Hao Liu | Yanan Liu | Liangliang Xu | Lijun Yang