利用辅助电极方法抑制线切割加工钛合金表面着色的实验研究

《Surfaces and Interfaces》：Experimental Study on Suppressing Surface Coloration in Titanium Alloy Processed by Wire Electrical Discharge Machining Using Auxiliary Electrode Method

钛合金线切割电火花磨削中，氧化膜形成导致表面颜色变化。通过引入辅助电极，调控电化学离子迁移，抑制氧化膜生长，优化辅助电压、电极距离和跟踪频率参数，显著降低表面粗糙度（Ra 0.8-1.2μm）和氧化层厚度（<50nm），恢复基体金属光泽。实验结合色差测量、SEM和XRD验证机理，为无色化加工提供参数基础。

　　

雷王|凌蕾孔|凯敏肖|志东刘|维宁雷|旭东张

江苏工业大学机械工程学院，常州213001

摘要

在钛合金的线切割电火花加工（WEDM）过程中，局部高温放电和复杂的电化学反应共同作用，促进了加工表面上氧化膜的快速形成。这层氧化膜导致薄膜干涉现象，使表面颜色与基材的原始外观明显不同——这种现象被称为钛合金着色。为了解决这个问题，引入了辅助电极，通过主动控制介电液与工件之间的离子相互作用来减缓氧化反应。通过颜色差异测量、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对抑制机制进行了研究。此外，还进行了单因素实验，系统评估了关键工艺参数（辅助电压、辅助电极与工件之间的距离以及跟踪频率）对材料去除率（MRR）、表面粗糙度（Ra）和氧化膜厚度的影响。结果表明，辅助电极通过引导介电液中的离子迁移，显著降低了氧化膜厚度，从而使表面形态更接近未经处理的基材。本研究验证了辅助电极方法在减少WEDM过程中表面着色方面的有效性，并为实现钛合金的无着色精密加工提供了实验基础。

引言

随着现代社会的快速发展，钛合金因其高强度和优异的耐腐蚀性而在航空航天、骨科植入物等领域得到了广泛应用。然而，高熔点和低导热性等特性给钛合金的线切割电火花加工（WEDM）带来了显著挑战。一方面，放电区温度急剧升高；另一方面，加工过程中的杂散电流会引起电解效应，从而导致钛表面氧化变色。这种氧化变色不仅影响了钛合金的表面质量，还削弱了其表面完整性。因此，减轻电化学影响并抑制钛合金WEDM过程中的表面变色已成为一个紧迫而重要的课题。

为了解决钛合金加工过程中的表面变色问题，全球许多学者从不同角度探索了解决方案。高等人[1]从热学角度研究了钛合金超薄氧化膜中高度饱和结构颜色的微观结构和着色机制，提出了基于零阶法布里-珀罗共振增强吸收的着色理论，最终阐明了氧化膜变色的原因。赵等人[2]采用响应面方法研究了各个加工参数及其相互作用对钛合金颜色变化的影响，阐明了激光诱导着色的过程，并建立了表面颜色与加工参数之间的关联。Thangaraj等人[3]建议利用WEDM的过程特性通过控制平均电压来抑制变色，但这种方法在完全消除钛合金着色方面效果有限。张等人[4]开发了一种新型粉末包覆扩散涂层（PPDC）技术，用于提高纯钛和钛合金的抗氧化性和耐磨性，改善了加工后的钛部件表面形态。Ng等人[5]在450°C至900°C的温度范围内对镍钛合金进行氧化处理，形成不同厚度的氧化层，研究了表面颜色与氧化钛层厚度之间的关联。乔等人[6]制备了具有不同周期性的钛氧化物纳米结构用于表面着色和打印，通过使用正交扫描模式进行信息加密，提出了一种新的表面着色和光学加密方法。Fujii等人[7]讨论了钛表面细小结构引起的光散射干涉颜色，建立了半矢量薄膜干涉模型，并通过比较计算出的颜色差异与实验测量光谱验证了其可靠性。Arkadiusz J等人[8]研究了各种激光工艺参数对颜色再现性的影响，利用分光仪和CIE颜色差异参数客观评估了颜色变化，解释了工艺参数的容忍度为何高度依赖于所生成的具体颜色。Diamanti M V等人[9]研究了阳极氧化制备的钛氧化物膜的着色机制，通过X射线衍射分析确定颜色随厚度的变化是由光干涉现象引起的，并确定氧化结构为非晶或半晶态。Hisashi MINAMI等人[10]确认了电火花加工中的着色起源于表面阳极氧化膜的干涉现象，评估了着色层的耐腐蚀性、耐候性和耐磨性，发现着色表面由于氧化层的存在而具有较高的耐腐蚀性和耐候性。

上述研究表明，WEDM会导致钛合金表面变色，从而影响其表面质量。尽管许多学者阐明了钛合金的着色机制并分析了加工参数对氧化层厚度的影响，但抑制WEDM过程中钛合金变色的方法仍然相对有限。尽管我们团队之前研究了着色机制并优化了加工参数对氧化层厚度的影响，但尚未提出实用的解决方案[11]。鉴于现有研究主要侧重于阐明机制或优化参数，而工业界迫切需要无着色的精密加工，因此本研究采用辅助电极方法调节辅助电极与工件之间的距离内的离子运动，并结合外部电场控制放电过程和加工参数，以期有效抑制钛合金的着色。

实验设备与工件材料

WEDM设备是一种非接触式精密加工设备，其核心原理基于电火花侵蚀，利用脉冲放电产生的瞬时高温来切割金属材料。实验使用的是杭州华芳CNC机床有限公司生产的HF320MZQ-G20中速线切割电火花机床。加工过程中使用的工具电极为直径0.18毫米的钼丝。

钛合金的实验研究及变色机制

图1显示了在以下工艺参数下电火花加工后钛合金表面的原始颜色与变色表面的对比：脉冲持续时间为8微秒，脉冲间隔为60微秒，使用三个功率放大管，跟踪频率为2。在电火花加工过程中，脉冲放电产生的瞬时高温导致钛合金表面局部熔化，使其处于高度活跃的状态。

利用辅助电极方法抑制钛合金WEDM加工过程中变色的实验研究

实验结果表明，在钛合金的WEDM过程中，引入外部辅助电极并施加适当的辅助电压可以有效减少钛合金表面氧化层的形成，从而显著减轻表面变色（即抑制氧化引起的着色）。然而，该方法的有效性受实验条件的影响较大。因此，本研究旨在系统地

结论

本研究系统探讨了钛合金在WEDM过程中的表面着色机制及其通过辅助电极方法的抑制方法，主要发现如下：

(1)

钛合金的WEDM着色主要由杂散电流引起的电解和薄膜光学干涉的协同效应主导。杂散电流驱动介电液电解产生活性氧物种，这些活性氧物种与高温钛表面反应形成氧化层

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作者贡献

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资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52205470、51975264）的支持。常州领军创新人才引进与培养项目（CQ20220103）、江苏工业大学中吴青年创新人才计划以及研究生研究与实践创新计划（XSJCX25-02）的支持。

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