通过改善表面状态实现精密喷射电化学加工：氧化处理、腐蚀特性及其应用

《Journal of Materials Processing Technology》：Towards precision jet electrochemical machining via manipulating surface condition: oxidation treatment, corrosion characteristics, and application

表面氧化膜特性调控对喷射电化学加工精度的影响研究。采用激光表面改性技术制备三种典型氧化膜（自然氧化膜19.4nm、钝化膜493nm、激光改性膜649nm），通过改变氧化膜结构调控击穿电荷阈值。实验表明激光改性膜具有最高击穿电荷阈值（达自然氧化膜的4.8倍），加工电流最低（仅12.5mA），沟槽侧向溶解抑制率达93%，微结构深度/宽度比提升至12.3:1。提出基于表面氧化膜电化学特性调控的加工新策略，为高比微结构制造提供新方法。

　　

冷志豪|韩宏根|方小龙|钱旺环

南京航空航天大学机械与电气工程学院，中国南京210016

摘要

表面氧化膜的电化学性质显著影响喷射电化学加工（JEM）中的局部溶解行为。本研究选用2219铝合金作为模型材料。通过调节表面氧化状态来控制材料去除所需的电荷消耗，研究了氧化膜击穿特性对溶解行为和微观结构形成的影响，以改善微观结构的纵横比。在三种典型的氧化膜中，钝化膜（约493纳米）结构疏松多孔，电化学稳定性较差，击穿电荷阈值最低；自然氧化膜（约19.4纳米）结构致密均匀，击穿电荷阈值适中；而激光改性膜（约649纳米）具有致密的内层和多孔的外层，击穿电荷阈值最高，耐腐蚀性优异。模拟结果表明，由于表面状态的差异，氧化膜的击穿电荷差异显著影响了加工区域的溶解行为。实验结果进一步证明，激光改性样品所需的电流最小，显著抑制了侧向溶解，并形成了最窄、最浅的沟槽。基于这些发现，提出了一种局部激光改性策略，在同一工件的不同区域创建不同的表面状态，以选择性控制材料溶解并提高微观结构的纵横比。这种策略为制造高纵横比微观结构提供了一种新方法，能够实现对复杂结构中不同区域的精确加工。该方法也可扩展到其他易氧化或钝化的材料，如钛合金。

引言

随着航空航天、电子和先进制造业的快速发展，轻质、高性能的薄壁组件已成为关键的设计趋势。例如卫星散热器上的微通道阵列[1]、航空电子设备外壳中的集成散热板[2]以及相控阵雷达基底中的功能性微结构[3]，这些都需要高纵横比的微特征来实现高效散热和结构集成。这些组件通常由轻质高强度材料（如铝（Al）和钛（Ti）合金制成，具有小型、复杂、高纵横比的结构，对尺寸精度和工艺稳定性提出了严格要求[4]。虽然机械加工能够实现良好的宏观几何控制，但存在毛刺[5]、热量积累[6]和轮廓波动[7]等问题，限制了其在薄壁、低刚性部件中的应用。

喷射电化学加工（JEM）作为一种非接触式加工方法，无需切削力且无热影响区，逐渐成为微结构制造的重要技术。例如，可以在铝合金表面构建功能性纹理以增强摩擦性能[8]，或者制备满足生物医学支架制造要求的特征微尺度几何结构[9]。

然而，对于铝和钛合金等电化学活性材料，传统JEM在加工定位方面存在挑战。尽管电解液喷射提供了部分空间限制[10][11]，但电场和电流密度的径向扩散会导致侧向溶解，使材料去除偏离预期图案，从而产生加宽的特征和不规则的边缘[12][13]。这种效应在高纵横比微结构中尤为明显。随着特征尺寸的减小，对精确定位的需求增加，侧向溶解成为制造高纵横比微结构的关键瓶颈[14]。

为了解决这一问题，许多研究致力于提高JEM的加工定位精度，主要通过优化电解液系统[15][16]、阴极结构设计[17][18]、流场控制[19][20]以及辅助加工策略的实施[21][22]来实现。例如，引入非水基[15]或掺杂电解液[16]可以抑制表面氧化层的形成，从而提高阳极溶解的稳定性和定位精度；调整喷嘴几何形状[18]或改变喷射角度[19]可以优化喷射阻力分布和电流密度分布，减少非加工区域的腐蚀。此外，还采用了空气辅助[21]、超声辅助[22]或磨料辅助[23]等混合方法来抑制侧向腐蚀、改善流动条件并削弱氧化膜。除了上述方法外，掩模辅助JEM还可以通过对工件表面施加空间约束来有效抑制侧向溶解。例如，光刻掩模可以限制反应区域[24]，导电图案掩模可以减弱边缘电场[25]。然而，这些方法通常需要光刻等预处理步骤，导致工作流程复杂，且不适用于曲面或多区域加工。即使通过将掩模集成到喷嘴尖端实现电化学直接书写[26]，其原理仍然依赖于空间屏蔽或氧化膜去除来增强定位精度。总体而言，现有策略主要依赖于外部约束、电解液控制或氧化膜去除，而利用材料表面本身的电化学性质实现局部加工的研究尚未充分展开。

激光表面改性（LSM）是一种高效可控的技术，广泛用于改善易氧化金属的物理化学性质。研究表明，激光照射可以在表面形成厚度可调的致密氧化层，显著提高耐腐蚀性和电化学稳定性[27][28]。这种氧化膜在后续加工中起到有效的屏障作用。在激光-电化学加工（ECM）研究中，激光被用于选择性地去除表面氧化层或钝化层以定义加工区域。例如，首先通过化学[29]或阳极氧化[30]形成致密氧化层，然后通过选择性激光烧蚀留下未改性的区域作为屏障，限制电化学反应并实现微尺度图案化；或者，在ECM后使用激光去除钝化层[31]，以提高后续溶解的均匀性。然而，这些研究主要通过空间屏蔽或氧化膜去除来实现加工选择性。关于激光改性氧化膜本身如何作为功能性表面状态来调节材料去除和增强加工定位的系统性研究仍然有限。

基于此，本研究提出了一种不同于现有研究的加工控制策略。通过利用表面氧化膜本身的电化学性质，而不是去除或破坏它，来调节材料去除所需的电荷消耗，从而缓解微观结构形成过程中的纵横比限制。为了系统阐明这一机制，比较了钝化膜、自然氧化膜和激光改性膜在微观形态、电化学腐蚀行为和击穿电荷方面的差异。模拟结果显示了不同表面状态对微观结构形成的影响，加工实验进一步验证了激光改性在抑制侧向溶解和控制纵横比方面的显著作用。

值得注意的是，本研究中的激光改性不仅作为一种预处理手段，而是直接参与JEM过程，通过局部调节表面氧化状态来改变膜的性质和击穿电荷，从而控制材料去除。在同一工件上创建不同的表面状态，可以实现区域特定的溶解，实现按需的精确加工。这种策略为制造高纵横比微结构提供了新方法，并展示了其在航空航天微通道散热器和复杂功能性微结构中的潜在应用。

实验装置

图1展示了激光-JEM异步复合加工过程，其中图1a和图1b分别表示LSM和JEM过程。该复合过程可以在同一设备上统一坐标系内完成，避免了重复夹紧，确保了高位置精度和加工效率。激光器为FOTIA(ONE)-355-10-50-W（深圳），波长为355纳米，用于LSM（图1a）。

激光扫描线间距的选择

激光扫描线间距是表面改性的关键工艺参数，直接影响改性表面的均匀性、纹理形态和最终表面质量。为了研究扫描线间距对2219铝合金LSM的影响，将其从10微米变化到30微米。依次进行了表面形态观察、元素分布分析和耐腐蚀性评估，以揭示扫描线间距的影响。

结论

本研究提出了一种新的加工控制机制，利用表面氧化膜的电化学性质来调节材料去除过程中的电荷消耗，而不是去除或破坏氧化膜。这种方法能够有效控制微观结构的纵横比，并为制造高纵横比微结构（如散热微通道阵列和功能性微结构）提供了新的可能性，具有重要的工程应用价值。

作者贡献声明

钱旺环：研究工作、数据管理。冷志豪：撰写初稿、方法设计、数据分析、概念构思。韩宏根：方法设计、数据管理。方小龙：撰写修订、监督、资源协调、资金争取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了江苏省自然科学基金（项目编号BK20240079和BK20222010）的支持。