《Ultrasonics Sonochemistry》：Ultrasonic-assisted chemical milling: surface roughness characterization and material removal enhancement of Al 6061
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本文针对传统化学铣削（CHM）材料去除率低、表面质量差的问题，提出了一种新型的直接超声辅助化学铣削（UACM）方法。研究系统探讨了超声功率、蚀刻剂类型与浓度对Al 6061合金加工性能的影响。结果表明，UACM能显著提升材料去除率（MRR），在10% HCl、250 W条件下MRR提升高达591%，同时有效改善表面粗糙度（Sa降低15-30%），并大幅减少化学品消耗（最高可达85.5%）。该研究为高精度、绿色制造提供了创新解决方案。
在现代制造业中，尤其是在航空航天、生物医学和微电子领域，对具有复杂几何形状的薄壁、轻质、高精度零件的需求日益增长。传统的机械加工方法，如车削、铣削和钻孔，虽然能实现高尺寸精度，但在加工这类复杂构件时，其机械和经济局限性日益凸显。化学铣削（Chemical Milling, CHM）作为一种非传统加工技术，因其能够在无机械应力、无需专用刀具的情况下通过可控的化学反应去除材料而备受关注。然而，传统的CHM过程存在固有的局限性：材料去除率（Material Removal Rate, MRR）通常较低（约0.0024至0.01 mm/m/s），导致加工时间长，限制了其工业可扩展性。此外，其各向同性特性会导致侧向腐蚀，影响尺寸保真度，并且对强腐蚀性化学蚀刻剂的依赖带来了环境和可持续性方面的挑战。
为了克服这些挑战，研究人员探索了各种工艺改进方法。本研究引入了一种新颖的方法——直接超声辅助化学铣削（Ultrasonic-Assisted Chemical Milling, UACM），将超声波能量直接引入蚀刻剂中，旨在同时提高Al 6061合金在酸性（HCl）和碱性（NaOH）环境中的MRR和表面质量。这项研究通过全因子实验设计，系统考察了超声功率（50, 150, 250 W）和蚀刻剂浓度对加工性能的影响，并对MRR和粗糙度参数（Ra, Rz, Sa）进行了实验量化和建模，同时利用扫描电子显微镜/能谱分析（SEM/EDS）阐明了表面形貌的演变。
本研究论文发表在《Ultrasonics Sonochemistry》期刊上。
为开展研究，作者搭建了直接UACM实验装置，核心是将超声换能器集成于不锈钢蚀刻槽底部，由ULPS2000超声波发生器提供50W、150W和250W的可控功率。实验采用商业Al 6061-T6合金片，经抛光并切割成标准试样。研究采用全因子实验设计，变量包括蚀刻剂类型（HCl、NaOH）、浓度（HCl: 10%, 15%, 20%；NaOH: 10%, 30%, 50%）和超声功率（0W即CHM, 50W, 150W, 250W）。通过称重法计算MRR，使用触针式粗糙度仪和激光轮廓仪分别测量2D（Ra, Rz）和3D（Sa）粗糙度参数，并利用SEM/EDS进行表面形貌和元素成分分析。所有实验均重复三次以确保数据可靠性。
3.1. 材料去除率
通过ANOVA（方差分析）建立的回归模型对MRR的预测精度很高（HCl的R2= 95.95%，NaOH的R2= 99.91%）。结果表明，UACM能显著提高MRR。在10% HCl和250W超声功率下，MRR达到0.76 mm/m/s，相较于传统CHM（0.11 mm/m/s）提升了591%。在碱性环境中，50% NaOH和250W功率下，MRR从0.08 mm/m/s（CHM）提升至0.23 mm/m/s，提升了约187.5%。这种提升主要归因于超声波空化效应增强了蚀刻剂的搅拌作用，并加速了反应物的更新。研究还发现，在相同的MRR下，UACM处理后的表面三维粗糙度Sa比CHM低15-30%，表明表面质量得到改善。最佳酸性条件为15% HCl和250W超声功率，此时MRR从0.70 mm/m/s提升至1.30 mm/m/s，并获得清洁、无裂纹、均匀的表面。最佳碱性条件为50% NaOH和250W，MRR从0.08 mm/m/s提升至0.23 mm/m/s（时间减少约65.2%），并且超声波破坏了氢气泡屏蔽层，产生了均匀稳定的表面形貌。
3.2. 表面粗糙度
表面粗糙度是评估化铣零件质量的关键参数。研究采用了Ra（算术平均粗糙度）、Rz（最大峰谷高度）和Sa（表面算术平均高度）多个参数进行综合评价。
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3.2.1. Ra: ANOVA表明浓度和功率对Ra有显著影响。超声辅助普遍增加了Ra值，在NaOH中效果更为明显（例如10%浓度下Ra从1.40μm增至2.78μm，提升98.5%）。在HCl中，增加浓度会降低Ra（使表面更光滑），而增加超声功率则会增加Ra（使表面更粗糙），这反映了从化学主导的溶解向空化驱动的表面扰动转变。
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3.2.2. Rz: Rz的变化趋势与Ra类似，UACM条件下Rz值均高于CHM。在HCl中，Rz从7.83μm（CHM, 10%）增至12.06μm（UACM, 250W）；在NaOH中，从10.13μm增至16.23μm。浓度增加会降低Rz，而超声功率增加会显著提高Rz，在NaOH中尤其敏感（从50W到250W，Rz增加61%）。
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3.2.3. Sa: 作为三维面积粗糙度参数，Sa能更全面地反映表面纹理。UACM在所有条件下均提高了Sa值，但增幅相对于Ra和Rz更为温和。Sa强烈依赖于蚀刻剂浓度，在HCl中，浓度从10%增至20%时，Sa从6.4μm增至15.4μm（+141%）。超声功率对Sa的影响相对温和，表明化学活性是空间粗糙度的主要贡献者，超声波起辅助增强作用。
3.4. 表面织构与元素分析
SEM和EDS分析揭示了UACM对表面形貌和化学成分的影响机制。
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HCl环境: 在传统CHM下，表面可见原始工件纹理的平行线，伴有浅坑和微裂纹，表明酸液渗透有限且腐蚀相对温和，存在氧化铝（Al2O3）屏障层。施加超声波后，表面形貌发生显著变化。空化效应增强了酸液向表面微裂纹的渗透并产生局部机械冲击，导致更深的蚀刻和更明显的微观结构破坏。在150W功率下，EDS显示表面仍有较高的氧含量（8.95 wt%），表明存在未完全去除的氧化膜。当功率增至250W时，表面变得明显更清洁、均匀，铝含量从76.02 wt%增至81.08 wt%，氧含量降至5.02 wt%，反映了更彻底的氧化物去除。
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NaOH环境: CHM条件下表面相对光滑，有分散的浅坑，表明氢气泡屏蔽效应限制了蚀刻剂-基体相互作用。施加50W超声波后，空化开始破坏屏蔽层，产生不均匀的粗糙化。在150W时，表面出现严重降解，有局部剥落和材料喷射现象。在250W时，表面转变为均匀粗糙的纹理，具有最小的氧化物残留，实现了最高的MRR和最稳定的形貌，表明达到了氧化物去除和表面调节的平衡状态。
3.5. 环境影响与可持续性视角
UACM通过显著提高MRR，大幅缩短了达到特定材料去除量所需的加工时间，从而直接减少了蚀刻剂消耗。例如，在10% HCl中，加工时间减少了约85.5%；在50% NaOH中减少了65.2%。此外，超声搅拌促进了更均匀的氧化物去除，减少残留物积累，降低了对二次操作的需求。UACM在较低蚀刻剂浓度下也能有效运行，减少了危险化学品的流通量和相关风险。
4. 结论
本研究证实，直接UACM是一种高效、可持续的CHM替代方案。它通过空化效应显著增强了材料去除率，并改善了表面质量。最佳工艺条件（如15% HCl, 250W）能在高MRR下获得清洁、均匀的表面。UACM在减少化学品消耗、废物产生和加工时间方面具有显著优势，符合绿色制造的目标。
5. 局限性与未来工作
当前研究通过SEM/EDS揭示了表面演化，但未能深入阐明其原子尺度的机理。未来工作可结合X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表面分析技术以及原子模拟（密度泛函理论DFT/分子动力学MD），以阐明氧化物状态转变、反应路径和空化-表面相互作用。此外，需要对空化强度进行定量诊断，并评估加工后表面的长期性能（如耐腐蚀性）。将UACM从实验室规模推向工业应用还需要解决反应器设计、多样品加载策略以及大规模槽体中声能分布等问题。
