發布日期：2026-3-12 20:21:54
鈦合金材料憑借輕質、高強度、優異的耐腐蝕性、耐熱性和生物相容性，在醫療器械、航空航天與船舶等領域得到廣泛應用[1-2]。其中，在航空航天領域的關鍵部件中，如航空發動機葉片、機身承力框等對鈦合金的依賴尤為突出。隨著科技的進步，提升鈦合金的加工效率與質量已成為高端制造領域的迫切需求[3-4]。然而，鈦合金具有極低的熱導率，采用傳統的銑削方法加工時，難以將銑削過程中的切削熱快速導出，導致刀-屑界面溫度迅速升高，刀具磨損與破損加劇，其加工成本顯著增加[5]。因此，亟需開發高效、低損耗的鈦合金加工新方法以滿足高端裝備制造的迫切需求。
ECM作為一種非接觸式加工技術，具備無殘余應力、無刀具磨損及不受材料硬度限制等技術優勢，因而廣泛應用于鈦合金等難加工材料的加工[6]。鑒于鈦合金材料的表面易鈍化特性和電解加工的獨特優勢，國內外學者對電解加工鈦合金開展了廣泛研究。李寒松等[7]利用10%NaNO3電解液對Ti-6Al-4V(TC4所屬牌號系列)進行掩膜電化學加工(through-mask electrochemical machining,TMECM)實驗研究，發現當電壓為35V、脈沖頻率為400Hz、占空比為20%時，可加工出孔徑范圍為2.52~2.57mm、最大圓度為9μm的微孔陣列。陳曉磊等[8]也采用掩膜微細電解加工(through-mask electroche-mical micromachining,TMEMM)技術在鈦合金表面進行了微凹坑陣列試驗。實驗發現，在電壓24V、脈沖占空比10%、頻率100Hz及20℃電解液條件下，可獲得直徑約110μm、深度約20μm且無雜散腐蝕的規則微坑陣列。徐正揚等[9]則采用正交試驗法對Ti60高溫鈦合金進行電解加工工藝優化。選用13wt%NaCl電解液，在加工電壓20V、脈沖頻率0.4kHz、占空比0.3、溫度23℃及陽極進給速率0.5mm/min的工藝參數組合下，成功實現了整體葉盤葉片的高質量加工。付斐等[10]使用短電弧加工(short electric arc machining, SEAM)TC4鈦合金，提高小孔SEAD的材料去除率，降低電極磨損，得到了較好的小孔直徑與錐度。胡國玉等[11]基于短電弧-電化學復合加工方法，在直流與脈沖兩種常用電源類型下對鈦合金TC4進行單次放電實驗，探究了不同方式對凹坑的影響。
在提升電解加工(ECM)難加工材料(尤其鈍性材料)的加工效率方面，電解液溫度場對加工的影響是國內外學者的研究重點，并在此方面取得了一系列的重要成果[10-13]。THANIGAIVELAN R等[12]研究了紅外光加熱電解液對ECM加工表面形貌的影響，其研究發現，常溫電解液與加熱后電解液條件下的加工表面結構存在顯著差異。DIKUSAR A I等[13]的研究強調了電解液溫度分布的均勻性對提高CrNi鋼電解加工精度的關鍵作用。LIU W D等[14]針對TB6鈦合金的實驗發現，電解液溫度顯著影響其加工精度。CHEN X L等[15]在Ti-6Al-4V合金微坑電解加工研究中證實，電解液溫度是控制微坑底切量及整體加工精度的重要參數。鈦合金材料對電解加工過程中的流場與電場變化高度敏感[16]。以上研究表明，提高電解液溫度能顯著增強其反應活性[17]，這為通過優化溫度場提升鈦合金電解加工效率提供了理論基礎。
針對TC4鈦合金電解加工的效率瓶頸，本文創新性地將高強度聚焦超聲(HIFU)技術引入電解加工工藝中(即HIFU輔助電解加工)。該方法旨在利用聚焦超聲在焦域產生的聲熱效應，對加工區域實現精準升溫，通過聲熱效應僅提高加工區域電化學反應效率，避免因鈍化膜的存在導致加工困難。本研究通過系統化的工藝對比實驗，定量探究HIFU輔助電解加工對TC4鈦合金加工效率的實際提升效果。
1、加工原理
ECM是一種基于電化學陽極溶解原理的特種加工技術。工件作為陽極連接電源正極，工具作為陰極連接電源負極，兩者均浸入電解液中構成導電回路。在外加電場作用下，陽極表面發生氧化反應，陰極表面則發生還原反應。由于反應僅限于電解液中的極微小間隙內,工具與工件無宏觀接觸,因此工具無損耗，僅工件材料發生可控溶解，實現材料去除。與傳統切削相比，ECM具有無宏觀應力、與材料硬度無關、效率高和表面完整性好等優勢。為進一步提升ECM加工性能，本研究引入HIFU作為輔助手段，如圖1所示。其聲熱效應通過液體中的黏滯吸收、熱傳導及分子馳豫等機制,將超聲能量轉化為熱能。當聚焦超聲在電解液中傳播并匯聚時，能量在焦域被吸收，引起局部顯著溫升。該溫度場分布可采用源于生物傳熱研究的 Pennes方程進行描述,適用于模擬電解液中由超聲引發的瞬態熱效應。通過將聲熱效應與電解加工相結合,可實現局部區域的材料溶解增強,從而提高加工效率與精度。
式中:Qperf作為傳遞項代表血液灌注的對流冷卻值,生物組織的密度、熱容量以及導熱系數分別為 ρ、 Cp 、k; ρb 為血液密度, Cp,b 為血液熱容量, Tb 為血液液溫度; ωb 為血液灌注率; Qe為熱源; αABS 為吸聲系數; I為聲強大小; p為聲壓; v為聲質點速度矢量; Qment 為代謝熱源; T為初始溫度; ∇T是溫度梯度(矢量);t為時間。
2、實驗裝置與方法
本實驗將HIFU聚焦換能器(HIFUtransducer)置于工具電極(陰極)與工件電極(陽極)的正下方，具體裝置示意圖與實際安裝圖分別如圖2a和圖 2 b所示。整個實驗系統主要由聚焦超聲模塊、電解加工模塊以及檢測系統 3部分組成。其中,聚焦超聲模塊由函數發生器產生驅動信號,經功率放大器放大后驅動 HIFU聚焦換能器;電解加工模塊包括自主研制的可編程電源、控制計算機、工具電極(陰極)和工件電極(陽極);檢測系統包括示波器、電流探頭以及CCD顯微鏡等。
在本研究中,HIFU聚焦換能器所產生的聲場精確重合于加工區域是實驗成功的關鍵。本研究采用聲噴泉效應來定位焦點位置。聲噴泉效應 [18]是指聲波(通常從聲阻抗較高的波密介質)傳播至聲阻抗較低的波疏介質(如液體-氣體界面)時,在界面處因聲輻射壓力差而形成的一種物理現象,如圖 3為聲噴泉效應實物圖與示意圖。通過觀測該效應在液面產生的最大形變點,即可定位聲波能量最集中的焦點。
在本研究實驗過程中,使用高精度三軸光學運動平臺實現工件的精確定位。工件(陽極)與下方安裝的 HIFU聚焦換能器共同固定在運動平臺的工作臺上,并通過計算機上位機軟件控制其在 X、 Y方向聯動運動。工件通過專用夾具安裝于運動平臺的Z軸末端。工具電極采用外徑1mm的中空銅管作為電極絲，其裝夾基體以外的裸露部分均使用耐水絕緣膠帶嚴密包裹進行絕緣處理。工件(陽極)通過導線連接至脈沖電源正極。為對比不同工藝的加工效果，分別進行了ECM與高強度聚焦超聲輔助電解加工(HIFU-ECM)實驗。所有加工實驗完成后，將加工工件依次置于無水乙醇中進行超聲清洗，隨后充分干燥，以備后續的材料性能表征。
在本實驗中，因聚焦換能器制造受限，最終改由直接采購半球形壓電陶瓷片作為HIFU輻射源。該換能器由函數發生器產生的正弦電信號經功率放大器驅動，以激發高頻振動。在應用前，使用阻抗分析儀確定了該壓電陶瓷換能器的最佳諧振頻率為4.8MHz。實驗參數見表1。
表1實驗參數
| 類別 | 參數 | 數值 |
| PZT-4 | 換能器直徑/mm | 19.8 |
| 曲率半徑 | 19 | |
| 諧振頻率/MHz | 4.8 | |
| 電解電源 | 電壓/V | 8.5、24 |
| 頻率 | 500 Hz、250 kHz | |
| 占空比/(%) | 50 | |
| 加工參數 | 電解液 | 5 wt%NaNO3 |
| 加工間隙/μm | 20 | |
| 溫度/℃ | 20 | |
| 工件材料 | TC4鈦合金 | |
| 工件規格/(mmxmmxmm) | 35102 | |
| 工具電極材料 | 硬質合金(碳化鎢) | |
| 工具電極直徑/μm | 200 | |
| 加工方式 | 靜液加工(無進給) | |
| HIFU電源 | 驅動電源/V | 7 |
| 放大倍數 | 4 | |
| 驅動頻率/MHz | 4.8 |
3、聚焦聲場聲熱效應仿真
為探究聚焦超聲焦域溫度分布及溫升特性，本研究采用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件進行建模分析。選用具有球面聚焦結構的壓電陶瓷片作為聲源，建立二維軸對稱幾何模型，通過耦合壓力聲學與流體傳熱物理場，求解聚焦區域的瞬態溫度場分布，仿真模型如圖4所示，其中r=0處為二位旋轉對稱軸。
仿真結果如圖5所示。由仿真結果可知,聚焦超聲開啟后，焦點區域溫度迅速上升，相對于初始溫度，穩態溫升幅度約為50℃。同時，由溫度場等溫線分布可清晰地觀察到,顯著溫升現象僅局限于焦點附近的極小空間范圍,這充分體現了聲場的強聚焦特性。圖5a所示為不同時刻下溫度場隨時間的演變過程，在起始狀態下，焦點區域溫度與電解液溫度一致，隨著時間的增加，聚焦超聲聲熱作用下能量不斷積累，焦點區域溫度不斷升高，從起始時28.7℃最終在120s后升高到77.7℃。圖5b所示為焦點區域等溫線變化結果圖，從起始溫度分別記錄 30、 60、 120 s后的等溫線分布結果,可以觀察到焦點溫度逐漸升高，與三維溫度場一致，同時可以觀察到,焦點以外區域幾乎不存在溫度變化,說明了聚焦超聲的強聚焦性。
4、實驗與討論
4.1焦點區域溫度測量
為精確表征HIFU焦域溫升特性，本研究采用多源測溫方案，使用HIKMICRO紅外熱像儀進行紅外測溫，直觀觀測焦點區域的溫度分布及溫升現象。同時使用接觸式熱電偶進行測溫，針式熱電偶選用K型針式熱電偶，在無工件干擾條件下直接置于焦域內測量溫度。貼片式熱電偶選用K型貼片式熱電偶，將其牢固粘貼于工件表面，用于模擬實際加工狀態下工件近焦域區域的溫升。
在信號采集與處理中，所有熱電偶采集的模擬電壓信號，均通過具備冷端補償功能的MAX6675熱電偶至數字轉換芯片轉化為數字信號。該數字信號經由SPI通信協議傳輸至STM32微控制器進行讀取、記錄與后續分析。
精密掃描與數據采集也是非常重要的環節，利用精密運動控制系統驅動K型針式熱電偶或貼片式熱電偶沿空間直角坐標系的Z軸向移動;同時驅動HIFU換能器沿X軸向移動，實現焦域的空間定位掃描。依據聲學理論估算的焦域尺寸，設定掃描范圍為X與Z方向各±2mm。在預設掃描路徑上以0.4mm為步距進行勻速掃描。在每個掃描點位上連續測量10次溫度數據，以確保統計可靠性。基于采集的10次溫度測量值，構建箱線圖進行統計分析，用以表征溫升的空間分布特征及其波動范圍。
如圖6所示，圖6a為紅外熱成像儀觀測下的焦點溫升圖，圖6b為針式熱電偶測量溫度原理圖，圖6c和圖6d分別所示為K型針式熱電偶沿X軸向與Z軸向掃描測量的溫度分布箱線圖。圖6e為貼片式熱電偶測量溫度原理圖，圖6f和圖6g分別所示為K型貼片式熱電偶沿X軸向與Z軸向掃描測量的溫度分布箱線圖。
測量結果表明，紅外熱成像儀可以明顯看出聚焦聲場作用下呈現高度聚焦特性，無論是使用針狀的熱電偶還是貼片式熱電偶，測量結果趨勢一致，焦點區域的溫度分布呈現出顯著的空間異質性，由于聲場呈橢球狀聚焦特征，在垂直于聲束傳播方向的溫度梯度極為陡峭，導致溫度隨偏離焦點位置而呈指數式衰減;而沿聲束傳播方向的溫度變化則相對平緩，表現為梯度遞減模式。實測結果表明，焦域中心溫升峰值達70℃，與前述有限元仿真預測的50℃溫升趨勢一致，但存在約40%的絕對數值差異。該偏差主要源于熱電偶自身熱容效應引發的測量干擾、高頻超聲聲場對傳感信號的物理擾動以及仿真模型對實際邊界條件與多場耦合效應的簡化，共同影響了溫度場測試的真實性表征。
4.2不同電解液溫度對加工形貌影響
基于前述聚焦區域溫度測量結果，本研究通過智能控溫裝置將電解液精準加熱至預設溫度(70、80、90℃)，并采用表1所列工藝參數體系進行對比實驗。加工過程中同步采用電流探頭實時監測動態電流變化。如圖7所示，圖7a對比展示了70、80、90℃條件下施加8.5V加工電壓時對應的電解電壓/電流時域波形及微結構形貌特征;圖7b系統呈現了相同溫度梯度下24V加工電壓對應的電壓電流波形演化規律及其表面加工形貌差異。
如圖7所示，實驗結果表明，其中電壓電流波形圖中上方脈沖波形為電壓波形，下方波形為電流波形，電解液溫度升高導致體系電流顯著增大，該現象與既有文獻報道的電化學活性隨溫度提升的規律吻合。升溫過程同步誘發了顯著的非加工區雜散電流腐蝕，在8.5V低電壓工況下，雖然TC4鈦合金表面快速形成的鈍化膜可阻斷常規溶解過程，但電解液熱活化效應仍會在材料晶界或表面微缺陷處引發局部點蝕;而在24V高電壓條件下，電流密度急劇增加致使鈍化膜擊穿，且整體電解液溫度都處于活化狀態，最終導致非加工區發生大面積電化學雜散腐蝕。
動態電流演化機制進一步通過示波器信號得以闡明，低電壓加工時，對應圖7a中電流波形，初始電流瞬間增大源于鈍化膜尚未形成的瞬時活性溶解，隨后電流衰減對應鈍化膜生長對電解加工反應的抑制作用，也可以理解為在反應瞬間開始時，電流達到峰值,但由于鈍化膜存在,電流會逐步降低,同時可以觀察到電壓波形的變化，對于電壓波形出現明顯兩個階段，這是因為微小加工間隙、鈍性電解液(硝酸鈉)及TC4鈦合金材料在倒立加工狀態下，氣泡與電解產物積聚導致間隙電阻增大，引起電壓下降;高電壓工況下，電流緩慢上升階段則歸因于電極雙電層電容充電過程，直至達到擊穿閾值后觸發持續的陽極溶解反應。這種電流瞬態響應與加工形貌特征呈現嚴格對應關系。
4.3 HIFU-ECM與ECM對比
為對比高強度聚焦超聲輔助電解加工(HIFU-ECM)與常規電解加工(ECM)在加工效率與形貌特征方面的差異，本研究采用表1所列參數開展加工實驗，并利用電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對加工后的工件表面進行觀測與表征。實驗結果表明，在常規ECM工藝下，所得微坑直徑約為1000μm，深度約為100μm;而在HIFU輔助電解加工條件下，微坑直徑減小至約500μm，深度增加至150μm。結果表明，高強度聚焦超聲的引入不僅顯著提高了材料去除效率，還明顯改善了加工的尺寸精度。
圖8的加工形貌及截面輪廓對比表明，相較于常規電解加工(ECM)，高強度聚焦超聲輔助電解加工(HIFU-ECM)在空間定域性與材料去除深度上均表現出顯著優勢。這種增益效應源于聚焦超聲的聲熱耦合機制，其焦域內局部電解液溫度驟升，可提升離子遷移率并強化電化學活性;而焦域外區域仍維持近常溫狀態，由此構建出溫度梯度邊界。該焦點區域溫度場在增強活性區域材料蝕除效率的同時，有效抑制了非加工區的雜散電流腐蝕，使能量集中作用于靶向加工域。
在聚焦超聲輔助電解加工過程中，聲場，溫度場，流場和電場等都對實驗進行作用，其中在加工過程中聚焦超聲所產生的聲場對于氣泡與電解產物的去除同樣起到增益作用。對于本文探究聲熱效應對加工的影響，根據聲學原理計算出的焦點大小比實驗結果所得到的微坑略小，說明在加工區域溫升的增益效果并不會影響非加工區域，且非加工區域生成的鈍化膜可以很好地抑制雜散腐蝕，而加工區域通過局部溫升強化電化學活性，能夠有效促進反應進行，從而提高材料去除效率。
5、結語
本文針對TC4鈦合金電解加工中的自鈍化特性，創新性地引入高強度聚焦超聲(HIFU)輔助技術，通過其聲熱效應提升局部電解液活性。基于COMSOL Multiphysics多物理場耦合仿真及系統的實驗驗證，得出以下結論:
(1)數值仿真結果(壓力聲學-流體傳熱耦合模型)表明，聚焦超聲在焦域可誘導顯著溫升(△T≈70℃)，且溫度場呈高度空間局域化特征。紅外熱成像與K型熱電偶實測數據與仿真預測趨勢吻合，驗證了聲熱效應的雙重特性，溫度場空間約束性與高能量密度特性。
(2)實驗數據表明，在8.5V與24V加工電壓下，電解液溫度升高可提升體系離子電導率。然而，單純依靠全局電解液升溫的策略存在根本性局限，由于TC4鈦合金在電化學加工過程中極其敏感的特性，熱活化作用破壞鈍化膜穩定性，導致非加工區域雜散電流腐蝕面積擴大，證明該方法難以兼顧加工效率與形貌精度控制。
(3)本文為提高加工區域溫度提出了一種新的方法，并在加工鈍性金屬材料中起到了顯著作用。使用聚焦超聲輔助電解加工TC4鈦合金材料，在相同電解加工參數下，HIFU+ECM對比ECM加工精度更高，加工效率更高。
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（注，原文標題：高強度聚焦超聲輔助電解加工TC4鈦合金聲熱效應影響研究_楊慧賢）