发布日期：2026-3-12 20:21:54
钛合金材料凭借轻质、高强度、优异的耐腐蚀性、耐热性和生物相容性，在医疗器械、航空航天与船舶等领域得到广泛应用[1-2]。其中，在航空航天领域的关键部件中，如航空发动机叶片、机身承力框等对钛合金的依赖尤为突出。随着科技的进步，提升钛合金的加工效率与质量已成为高端制造领域的迫切需求[3-4]。然而，钛合金具有极低的热导率，采用传统的铣削方法加工时，难以将铣削过程中的切削热快速导出，导致刀-屑界面温度迅速升高，刀具磨损与破损加剧，其加工成本显著增加[5]。因此，亟需开发高效、低损耗的钛合金加工新方法以满足高端装备制造的迫切需求。
ECM作为一种非接触式加工技术，具备无残余应力、无刀具磨损及不受材料硬度限制等技术优势，因而广泛应用于钛合金等难加工材料的加工[6]。鉴于钛合金材料的表面易钝化特性和电解加工的独特优势，国内外学者对电解加工钛合金开展了广泛研究。李寒松等[7]利用10%NaNO3电解液对Ti-6Al-4V(TC4所属牌号系列)进行掩膜电化学加工(through-mask electrochemical machining,TMECM)实验研究，发现当电压为35V、脉冲频率为400Hz、占空比为20%时，可加工出孔径范围为2.52~2.57mm、最大圆度为9μm的微孔阵列。陈晓磊等[8]也采用掩膜微细电解加工(through-mask electroche-mical micromachining,TMEMM)技术在钛合金表面进行了微凹坑阵列试验。实验发现，在电压24V、脉冲占空比10%、频率100Hz及20℃电解液条件下，可获得直径约110μm、深度约20μm且无杂散腐蚀的规则微坑阵列。徐正扬等[9]则采用正交试验法对Ti60高温钛合金进行电解加工工艺优化。选用13wt%NaCl电解液，在加工电压20V、脉冲频率0.4kHz、占空比0.3、温度23℃及阳极进给速率0.5mm/min的工艺参数组合下，成功实现了整体叶盘叶片的高质量加工。付斐等[10]使用短电弧加工(short electric arc machining, SEAM)TC4钛合金，提高小孔SEAD的材料去除率，降低电极磨损，得到了较好的小孔直径与锥度。胡国玉等[11]基于短电弧-电化学复合加工方法，在直流与脉冲两种常用电源类型下对钛合金TC4进行单次放电实验，探究了不同方式对凹坑的影响。
在提升电解加工(ECM)难加工材料(尤其钝性材料)的加工效率方面，电解液温度场对加工的影响是国内外学者的研究重点，并在此方面取得了一系列的重要成果[10-13]。THANIGAIVELAN R等[12]研究了红外光加热电解液对ECM加工表面形貌的影响，其研究发现，常温电解液与加热后电解液条件下的加工表面结构存在显著差异。DIKUSAR A I等[13]的研究强调了电解液温度分布的均匀性对提高CrNi钢电解加工精度的关键作用。LIU W D等[14]针对TB6钛合金的实验发现，电解液温度显著影响其加工精度。CHEN X L等[15]在Ti-6Al-4V合金微坑电解加工研究中证实，电解液温度是控制微坑底切量及整体加工精度的重要参数。钛合金材料对电解加工过程中的流场与电场变化高度敏感[16]。以上研究表明，提高电解液温度能显著增强其反应活性[17]，这为通过优化温度场提升钛合金电解加工效率提供了理论基础。
针对TC4钛合金电解加工的效率瓶颈，本文创新性地将高强度聚焦超声(HIFU)技术引入电解加工工艺中(即HIFU辅助电解加工)。该方法旨在利用聚焦超声在焦域产生的声热效应，对加工区域实现精准升温，通过声热效应仅提高加工区域电化学反应效率，避免因钝化膜的存在导致加工困难。本研究通过系统化的工艺对比实验，定量探究HIFU辅助电解加工对TC4钛合金加工效率的实际提升效果。
1、加工原理
ECM是一种基于电化学阳极溶解原理的特种加工技术。工件作为阳极连接电源正极，工具作为阴极连接电源负极，两者均浸入电解液中构成导电回路。在外加电场作用下，阳极表面发生氧化反应，阴极表面则发生还原反应。由于反应仅限于电解液中的极微小间隙内,工具与工件无宏观接触,因此工具无损耗，仅工件材料发生可控溶解，实现材料去除。与传统切削相比，ECM具有无宏观应力、与材料硬度无关、效率高和表面完整性好等优势。为进一步提升ECM加工性能，本研究引入HIFU作为辅助手段，如图1所示。其声热效应通过液体中的黏滞吸收、热传导及分子驰豫等机制,将超声能量转化为热能。当聚焦超声在电解液中传播并汇聚时，能量在焦域被吸收，引起局部显著温升。该温度场分布可采用源于生物传热研究的 Pennes方程进行描述,适用于模拟电解液中由超声引发的瞬态热效应。通过将声热效应与电解加工相结合,可实现局部区域的材料溶解增强,从而提高加工效率与精度。
式中:Qperf作为传递项代表血液灌注的对流冷却值,生物组织的密度、热容量以及导热系数分别为 ρ、 Cp 、k; ρb 为血液密度, Cp,b 为血液热容量, Tb 为血液液温度; ωb 为血液灌注率; Qe为热源; αABS 为吸声系数; I为声强大小; p为声压; v为声质点速度矢量; Qment 为代谢热源; T为初始温度; ∇T是温度梯度(矢量);t为时间。
2、实验装置与方法
本实验将HIFU聚焦换能器(HIFUtransducer)置于工具电极(阴极)与工件电极(阳极)的正下方，具体装置示意图与实际安装图分别如图2a和图 2 b所示。整个实验系统主要由聚焦超声模块、电解加工模块以及检测系统 3部分组成。其中,聚焦超声模块由函数发生器产生驱动信号,经功率放大器放大后驱动 HIFU聚焦换能器;电解加工模块包括自主研制的可编程电源、控制计算机、工具电极(阴极)和工件电极(阳极);检测系统包括示波器、电流探头以及CCD显微镜等。
在本研究中,HIFU聚焦换能器所产生的声场精确重合于加工区域是实验成功的关键。本研究采用声喷泉效应来定位焦点位置。声喷泉效应 [18]是指声波(通常从声阻抗较高的波密介质)传播至声阻抗较低的波疏介质(如液体-气体界面)时,在界面处因声辐射压力差而形成的一种物理现象,如图 3为声喷泉效应实物图与示意图。通过观测该效应在液面产生的最大形变点,即可定位声波能量最集中的焦点。
在本研究实验过程中,使用高精度三轴光学运动平台实现工件的精确定位。工件(阳极)与下方安装的 HIFU聚焦换能器共同固定在运动平台的工作台上,并通过计算机上位机软件控制其在 X、 Y方向联动运动。工件通过专用夹具安装于运动平台的Z轴末端。工具电极采用外径1mm的中空铜管作为电极丝，其装夹基体以外的裸露部分均使用耐水绝缘胶带严密包裹进行绝缘处理。工件(阳极)通过导线连接至脉冲电源正极。为对比不同工艺的加工效果，分别进行了ECM与高强度聚焦超声辅助电解加工(HIFU-ECM)实验。所有加工实验完成后，将加工工件依次置于无水乙醇中进行超声清洗，随后充分干燥，以备后续的材料性能表征。
在本实验中，因聚焦换能器制造受限，最终改由直接采购半球形压电陶瓷片作为HIFU辐射源。该换能器由函数发生器产生的正弦电信号经功率放大器驱动，以激发高频振动。在应用前，使用阻抗分析仪确定了该压电陶瓷换能器的最佳谐振频率为4.8MHz。实验参数见表1。
表1实验参数
| 类别 | 参数 | 数值 |
| PZT-4 | 换能器直径/mm | 19.8 |
| 曲率半径 | 19 | |
| 谐振频率/MHz | 4.8 | |
| 电解电源 | 电压/V | 8.5、24 |
| 频率 | 500 Hz、250 kHz | |
| 占空比/(%) | 50 | |
| 加工参数 | 电解液 | 5 wt%NaNO3 |
| 加工间隙/μm | 20 | |
| 温度/℃ | 20 | |
| 工件材料 | TC4钛合金 | |
| 工件规格/(mmxmmxmm) | 35102 | |
| 工具电极材料 | 硬质合金(碳化钨) | |
| 工具电极直径/μm | 200 | |
| 加工方式 | 静液加工(无进给) | |
| HIFU电源 | 驱动电源/V | 7 |
| 放大倍数 | 4 | |
| 驱动频率/MHz | 4.8 |
3、聚焦声场声热效应仿真
为探究聚焦超声焦域温度分布及温升特性，本研究采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件进行建模分析。选用具有球面聚焦结构的压电陶瓷片作为声源，建立二维轴对称几何模型，通过耦合压力声学与流体传热物理场，求解聚焦区域的瞬态温度场分布，仿真模型如图4所示，其中r=0处为二位旋转对称轴。
仿真结果如图5所示。由仿真结果可知,聚焦超声开启后，焦点区域温度迅速上升，相对于初始温度，稳态温升幅度约为50℃。同时，由温度场等温线分布可清晰地观察到,显著温升现象仅局限于焦点附近的极小空间范围,这充分体现了声场的强聚焦特性。图5a所示为不同时刻下温度场随时间的演变过程，在起始状态下，焦点区域温度与电解液温度一致，随着时间的增加，聚焦超声声热作用下能量不断积累，焦点区域温度不断升高，从起始时28.7℃最终在120s后升高到77.7℃。图5b所示为焦点区域等温线变化结果图，从起始温度分别记录 30、 60、 120 s后的等温线分布结果,可以观察到焦点温度逐渐升高，与三维温度场一致，同时可以观察到,焦点以外区域几乎不存在温度变化,说明了聚焦超声的强聚焦性。
4、实验与讨论
4.1焦点区域温度测量
为精确表征HIFU焦域温升特性，本研究采用多源测温方案，使用HIKMICRO红外热像仪进行红外测温，直观观测焦点区域的温度分布及温升现象。同时使用接触式热电偶进行测温，针式热电偶选用K型针式热电偶，在无工件干扰条件下直接置于焦域内测量温度。贴片式热电偶选用K型贴片式热电偶，将其牢固粘贴于工件表面，用于模拟实际加工状态下工件近焦域区域的温升。
在信号采集与处理中，所有热电偶采集的模拟电压信号，均通过具备冷端补偿功能的MAX6675热电偶至数字转换芯片转化为数字信号。该数字信号经由SPI通信协议传输至STM32微控制器进行读取、记录与后续分析。
精密扫描与数据采集也是非常重要的环节，利用精密运动控制系统驱动K型针式热电偶或贴片式热电偶沿空间直角坐标系的Z轴向移动;同时驱动HIFU换能器沿X轴向移动，实现焦域的空间定位扫描。依据声学理论估算的焦域尺寸，设定扫描范围为X与Z方向各±2mm。在预设扫描路径上以0.4mm为步距进行匀速扫描。在每个扫描点位上连续测量10次温度数据，以确保统计可靠性。基于采集的10次温度测量值，构建箱线图进行统计分析，用以表征温升的空间分布特征及其波动范围。
如图6所示，图6a为红外热成像仪观测下的焦点温升图，图6b为针式热电偶测量温度原理图，图6c和图6d分别所示为K型针式热电偶沿X轴向与Z轴向扫描测量的温度分布箱线图。图6e为贴片式热电偶测量温度原理图，图6f和图6g分别所示为K型贴片式热电偶沿X轴向与Z轴向扫描测量的温度分布箱线图。
测量结果表明，红外热成像仪可以明显看出聚焦声场作用下呈现高度聚焦特性，无论是使用针状的热电偶还是贴片式热电偶，测量结果趋势一致，焦点区域的温度分布呈现出显著的空间异质性，由于声场呈椭球状聚焦特征，在垂直于声束传播方向的温度梯度极为陡峭，导致温度随偏离焦点位置而呈指数式衰减;而沿声束传播方向的温度变化则相对平缓，表现为梯度递减模式。实测结果表明，焦域中心温升峰值达70℃，与前述有限元仿真预测的50℃温升趋势一致，但存在约40%的绝对数值差异。该偏差主要源于热电偶自身热容效应引发的测量干扰、高频超声声场对传感信号的物理扰动以及仿真模型对实际边界条件与多场耦合效应的简化，共同影响了温度场测试的真实性表征。
4.2不同电解液温度对加工形貌影响
基于前述聚焦区域温度测量结果，本研究通过智能控温装置将电解液精准加热至预设温度(70、80、90℃)，并采用表1所列工艺参数体系进行对比实验。加工过程中同步采用电流探头实时监测动态电流变化。如图7所示，图7a对比展示了70、80、90℃条件下施加8.5V加工电压时对应的电解电压/电流时域波形及微结构形貌特征;图7b系统呈现了相同温度梯度下24V加工电压对应的电压电流波形演化规律及其表面加工形貌差异。
如图7所示，实验结果表明，其中电压电流波形图中上方脉冲波形为电压波形，下方波形为电流波形，电解液温度升高导致体系电流显著增大，该现象与既有文献报道的电化学活性随温度提升的规律吻合。升温过程同步诱发了显著的非加工区杂散电流腐蚀，在8.5V低电压工况下，虽然TC4钛合金表面快速形成的钝化膜可阻断常规溶解过程，但电解液热活化效应仍会在材料晶界或表面微缺陷处引发局部点蚀;而在24V高电压条件下，电流密度急剧增加致使钝化膜击穿，且整体电解液温度都处于活化状态，最终导致非加工区发生大面积电化学杂散腐蚀。
动态电流演化机制进一步通过示波器信号得以阐明，低电压加工时，对应图7a中电流波形，初始电流瞬间增大源于钝化膜尚未形成的瞬时活性溶解，随后电流衰减对应钝化膜生长对电解加工反应的抑制作用，也可以理解为在反应瞬间开始时，电流达到峰值,但由于钝化膜存在,电流会逐步降低,同时可以观察到电压波形的变化，对于电压波形出现明显两个阶段，这是因为微小加工间隙、钝性电解液(硝酸钠)及TC4钛合金材料在倒立加工状态下，气泡与电解产物积聚导致间隙电阻增大，引起电压下降;高电压工况下，电流缓慢上升阶段则归因于电极双电层电容充电过程，直至达到击穿阈值后触发持续的阳极溶解反应。这种电流瞬态响应与加工形貌特征呈现严格对应关系。
4.3 HIFU-ECM与ECM对比
为对比高强度聚焦超声辅助电解加工(HIFU-ECM)与常规电解加工(ECM)在加工效率与形貌特征方面的差异，本研究采用表1所列参数开展加工实验，并利用电子显微镜和激光共聚焦显微镜对加工后的工件表面进行观测与表征。实验结果表明，在常规ECM工艺下，所得微坑直径约为1000μm，深度约为100μm;而在HIFU辅助电解加工条件下，微坑直径减小至约500μm，深度增加至150μm。结果表明，高强度聚焦超声的引入不仅显著提高了材料去除效率，还明显改善了加工的尺寸精度。
图8的加工形貌及截面轮廓对比表明，相较于常规电解加工(ECM)，高强度聚焦超声辅助电解加工(HIFU-ECM)在空间定域性与材料去除深度上均表现出显著优势。这种增益效应源于聚焦超声的声热耦合机制，其焦域内局部电解液温度骤升，可提升离子迁移率并强化电化学活性;而焦域外区域仍维持近常温状态，由此构建出温度梯度边界。该焦点区域温度场在增强活性区域材料蚀除效率的同时，有效抑制了非加工区的杂散电流腐蚀，使能量集中作用于靶向加工域。
在聚焦超声辅助电解加工过程中，声场，温度场，流场和电场等都对实验进行作用，其中在加工过程中聚焦超声所产生的声场对于气泡与电解产物的去除同样起到增益作用。对于本文探究声热效应对加工的影响，根据声学原理计算出的焦点大小比实验结果所得到的微坑略小，说明在加工区域温升的增益效果并不会影响非加工区域，且非加工区域生成的钝化膜可以很好地抑制杂散腐蚀，而加工区域通过局部温升强化电化学活性，能够有效促进反应进行，从而提高材料去除效率。
5、结语
本文针对TC4钛合金电解加工中的自钝化特性，创新性地引入高强度聚焦超声(HIFU)辅助技术，通过其声热效应提升局部电解液活性。基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真及系统的实验验证，得出以下结论:
(1)数值仿真结果(压力声学-流体传热耦合模型)表明，聚焦超声在焦域可诱导显著温升(△T≈70℃)，且温度场呈高度空间局域化特征。红外热成像与K型热电偶实测数据与仿真预测趋势吻合，验证了声热效应的双重特性，温度场空间约束性与高能量密度特性。
(2)实验数据表明，在8.5V与24V加工电压下，电解液温度升高可提升体系离子电导率。然而，单纯依靠全局电解液升温的策略存在根本性局限，由于TC4钛合金在电化学加工过程中极其敏感的特性，热活化作用破坏钝化膜稳定性，导致非加工区域杂散电流腐蚀面积扩大，证明该方法难以兼顾加工效率与形貌精度控制。
(3)本文为提高加工区域温度提出了一种新的方法，并在加工钝性金属材料中起到了显著作用。使用聚焦超声辅助电解加工TC4钛合金材料，在相同电解加工参数下，HIFU+ECM对比ECM加工精度更高，加工效率更高。
参考文献
[1]张振宇,吴俊,宋克峰,等.钛合金超微细磨削中磨削力和加工表面质量的研究[J].机械工程学报,2022,58(15):75-91.
[2]屈盛官,翟荐硕,段晨风,等.TC4钛合金二维超声振动车削性能研究[J].材料导报,2023,37(22):181-189.
[3] KLOCKE F, ZEIS M, KLINK A, et al. Experimental research on the electrochemical machining of modern titanium-and nickel-based alloys for aero engine components[J].Procedia CIRP,2013,6:368-372.
[4] SAXENA K K, QIAN J, REYNAERTS D, et al. A review on process capabilities of electrochemical micromachining and its hybrid variants[J].International journal of machine tools and manufacture,2018,127:28-56.
[5]黄强.航空钛合金加工方法及表面完整性控制技术[J].金属加工(冷加工),2021(7):1-5.
[6] MOUNT A R, ELEY K L, CLIFTON D. Theoretical analysis of chronoamperometric transients in electrochemical machining and characterization of titanium 6/4 and Inconel 718 alloys[J]. Journal of applied electrochemistry,2000,30:447-455.
[7]LIH S, GAO C P, WANG G Q, et al. A study of electrochemical machining of Ti-6Al-4V in NaNO3 solution[J]. Scientific reports, 2016, 6:35013.
[8]CHEN X L,XUH S,HOU Z Y. Electrochemical micromachining of micro-dimple arrays on the surface of Ti-6Al-4V with NaNO3 electrolyte[J].International journal of advanced manufacturing technology,2016,88(1):1-10.
[9]CHEN X Z, XU Z Y, ZHU D, et al. Experimental research on electrochemical machining of titanium alloy Ti60 for a bisk[J]. Chinese journal of aeronautics,2015,29(1):274-282.
[10]付斐,胡国玉,张晟晟,等.TC4钛合金短电弧钻孔工艺性能研究[J].制造技术与机床,2024(6):25-32.
[11]胡国玉，王家豪，周建平，等.电源类型对短电弧-电化学复合加工放电凹坑影响研究[J].制造技术与机床,2024(1):41-47.
[12]THANIGAIVELAN R,ARUNACHALAM R M,KUMAR M,et al.Performance of electrochemical micromachining of copper through infrared heated electrolyte[J]. Materials and manufacturing processes,2018,33(4):383-389.
[13]DIKUSAR A I, LIKRIZON E A, DIKUSAR G K, High-rate pulsed galvanostatic anodic dissolution of chromium-nickel steels in electrolytes for electrochemical machining: the role of surface temperature[J]. Surface engineering,2021,57:10-18.
[14]LIU W D,AO S S, LI Y,et al, Jet electrochemical machining of TB6 titanium alloy[J]. International journal of machine tools and manufac-ture,2017,90:2397-2409.
[15]CHEN X L,QUN S,HOU Z B, Electrochemical micromachining of micro-dimple arrays on the surface of Ti-6Al-4V with NaNO3 electrol-yte[J].Scientific reports,2017,88:565-574.
[16]LIU Y, QU N S. Experimental and numerical investigations of reducing stray corrosion and improving surface smooth in macro electrolyte jet machining titanium alloys[J]. Journal of the electrochemical society,2020,167(8):083502.
[17]PAUL L,KURIAN D G.Effects of preheating electrolyte in micro ECDM process[J].Materials today:proceedings,2018,5(5):11882-11887.
[18]马世赫.高强度聚焦超声辅助电解加工技术研究[D].广州:广东工业大学,2022.
（注，原文标题：高强度聚焦超声辅助电解加工TC4钛合金声热效应影响研究_杨慧贤）