电解放电复合加工技术现状与展望

赵永华，刘为东，刘江文，卢家俊，邹治湘

（1. 南方科技大学机械与能源工程系，广东深圳 518055；2. 中国民航大学航空工程学院，天津 300300；3. 广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广东广州 510006）

随着科技的不断发展，航空航天、能源电力、半导体制造、医疗器械等领域对设备性能的要求越来越高，这体现在如超级合金/复合材料等新型难加工材料、极端结构尺寸、极端完整性表面和更高附加价值等方面日益严苛和极端的制造要求。 从制造角度来看，将材料转化成最终产品所需的工艺技术变得越来越有挑战性，这些技术需求可以归结于极端制造或高性能制造。 很多情况下，现有的制造技术和理论不再适用或趋于瓶颈，难以满足尖端制造需求。 在工业需求和节能低碳等社会因素的推动下，新型复合制造技术的开发愈发重要。

以电解放电复合加工技术（ECM/EDM）为代表的特种能场制造技术是应对未来制造挑战的重要技术途径之一。 ECM/EDM 复合加工技术将电解和放电两个不同物理过程（或称能场）同时作用于同一加工区域，以增强单一技术的优点并最小化其潜在缺点，最终实现“1+1=3”的加工效果[1]。 研究ECM/EDM 复合加工技术具有重要意义，一方面该技术利用工具电极通过电解和放电作用实现材料的非接触式去除，延续了电加工技术的优势，可弥补传统机械加工或激光加工等方法的不足； 另一方面，该技术对于突破传统电加工技术瓶颈、创新发展电加工技术、开发新的应用领域起关键作用。 例如，传统电火花加工难以实现无损伤高完整性表面加工，电解加工难以实现锐角等高几何精度加工，电解或放电加工绝缘材料面临巨大挑战，面向极端结构和极端表面性能时的电加工效率低下。 ECM/EDM 复合加工技术通过协同耦合电解和放电过程，为解决上述难题提供了有效的技术途径， 并为可加工材料、性能提供了新的可能，而这些材料或形状可能在单一方法中难以实现制造。 典型案例如电解辅助电火花加工微小孔技术，该技术融合了电火花加工的高效、 高几何精度和电解加工的高表面质量等优势，在航空发动机叶片气膜冷却孔制造领域展示了优异应用前景[2]。

近年来， 有关ECM/EDM 复合加工技术的研究论文数量不断增加， 并取得了一些重要进展和创新。 本文着重介绍ECM/EDM 复合加工技术的基本原理及其分类，综述近十年来该技术领域的关键研究进展及新发展起来的新型电解放电复合加工概念与方法。

1 电解放电复合加工的原理与分类

多场复合或外场辅助是实现精密电加工技术突破的有效途径。 典型的外加能场有激光（热/化学能）、超声、机械运动等。 外部能场的引入提供了额外的能量来改变材料表面属性或加工间隙状态，从而显著提升或强化电加工过程。 然而在多数情况下，多场复合或外场辅助加工的实现需要额外的设备，不仅增加了加工的复杂性，还增加了成本。 与之相对，ECM/EDM 复合加工技术无需附加装置或系统，仅需调节过程中的工艺参数（如工作液类型、电导率等）就可实现电解和放电两个能场在同一加工区域的高效耦合，具有操作简易、加工成本低等优点；相比于其他复合技术，可实现复合能场的原位耦合且耦合效率较高，避免如激光辅助电解加工方法存在的激光能量传递损失等难题， 是一种绿色、高效的复合能场加工方法。

经过多年发展，ECM/EDM 复合加工技术衍生了多种方法和原理。 为准确理解和描述各工艺方法，本文进行了分类。 根据目标工件材料的导电性，ECM/EDM 复合加工技术可划分为两大类（图1）：面向导电金属材料的放电-电解复合加工技术； 面向惰性金属/半导体/绝缘材料的电化学放电加工技术。 其中，放电-电解复合加工技术根据决定材料去除的主要过程，可进一步划分为电解辅助电火花加工技术（ECM-assisted EDM）、电火花辅助电解加工技术（EDM-assisted ECM)和等离子体辅助电解加工技术（plasma-assisted ECM，PA-ECM）三类。 电化学放电加工技术根据工艺方法及工具电极与工件是否接触，可进一步划分为不受材料类型限制的射流电化学放电加工技术（jet electrochemical discharge machining，Jet-ECDM）[3-5]、面向半导体材料的电解等离子体化学刻蚀技术（electrolytic plasma-assisted chemical etching，EPACE）[6]和面向绝缘材料的火花辅助化学雕刻技术 （spark -assisted chemical engraving，SACE）三类。此处命名为“电解等离子体”的目的在于强调其低能量放电特征和行为，以及与高能量火花放电相区别。

图1 基于工件材料导电性的电解放电复合加工分类

根据工作液类型，ECM/EDM 复合加工技术的分类可更加简明（图2）。通常，低浓度盐溶液中以火花放电为主要过程特征，而高浓度盐溶液中以电解为主要过程特征或是电解与电化学放电过程共同作用的深度耦合。 由此可见， 工作液是影响ECM/EDM 复合加工技术性能的关键要素。而工作液设计主要围绕工作液的电学（电导率）、化学以及力学性质展开（图3）。

图2 基于工作液的电解放电复合加工方法分类

图3 工作液设计

上述复合加工技术均产生了放电和电解这两个物理过程。 然而，由于放电产生方法、放电类型、放电和电解在时空中的耦合方式以及加工环境的差异， 不同加工技术具有完全不同的机制和机理。特别是放电行为在电介质工作液和电解质工作液中均可发生，但因其产生机理及特性不同才产生了多种电解放电复合加工技术。 如图4 所示，除常见的发生于两电极之间的火花放电（电火花加工）外，在高压电化学加工过程中还会产生发生于电极和相邻电解液之间的电化学放电现象[7]。 该现象源于电解过程中电极表面附近析出的氧化物和气体等介电性产物在高压时的绝缘破坏。 电化学放电行为在阴极或阳极均可发生，相比于火花放电的典型特征是能量较低，常被用于氧化、抛光等表面处理。 明确以上放电基本类型特征及产生机理，对于准确理解和控制ECM/EDM 复合加工过程至关重要。

图4 电解放电复合加工系统中的放电行为分类[7]

2 电解辅助电火花加工技术

2.1 电解辅助电火花加工技术工艺特征

电解辅助电火花加工技术 （ECM-assisted EDM）的典型工艺特征是使用了低导电性的电介质溶液（图5a）。 通常，电介质溶液为兼具导电性和介电性（绝缘性）的低浓度盐溶液（＜10 mS/cm），可在保证火花放电的同时强化加工过程中的电解作用。电解辅助电火花加工的基本过程与传统电火花加工类同， 其材料去除过程主要由电火花热去除主导，强化电解过程的目的在于去除电火花加工产生的表面重铸层，提升加工表面的完整性。 因此，电解辅助电火花加工方法的优势在于同时获得高精度和高表面质量， 其主要应用对象为导电性金属材料；但另一方面，其缺点在于电解的引入会影响火花放电产生，导致加工效率降低（相比传统单一电火花加工）。 与之相对， 电火花辅助电解加工方法（EDM-assisted ECM）以电解加工为主导过程，即材料去除主要依靠电解，因此其典型工艺特征为使用具有高电导率的高浓度盐溶液（图5b）。 同时，放电通过击穿工作区域内电解析出的气泡而产生，放电的引入主要用于去除表面氧化层、强化极间传热传质、提高电解加工性能，特别是在面向传质困难的大深径比结构加工时。

图5 面向导电材料的电火花-电解复合加工方法对比

作为典型的电加工过程，放电和电解发生的电场阈值有很大不同。 电解辅助电火花加工的基本原理正是基于此机理：即电火花烧蚀在间距较小的正面间隙发生，而电化学溶解在间隙较大的已加工表面发生；火花烧蚀可以保证高效率和高精度，而电化学溶解用于保证加工表面完整性。 通过合适的工艺过程控制， 可实现放电与电解过程的高效协同，同时实现两者的优势。 目前该技术在铣削、制孔和线切割等方面展现出较大应用前景。

2.2 典型的电解辅助电火花加工技术

2.2.1 电解辅助电火花铣削

Nguyen 等[8]以低阻抗率（0.5 MΩ·cm）的去离子水作为工作液实现电解辅助电火花微铣削加工，该工作液的特殊之处在于具有电介质性质的同时具有轻微导电性（0.002 mS/cm）。 如图6 所示，首先电源施加脉冲电压，随着工具电极进给，当极间场强达到击穿阈值时产生火花放电并去除材料；进一步由于材料去除，间隙宽度扩大并不再放电。 此时由于去离子水具有弱导电性，电压脉冲引起微弱的电解反应，实现对已加工表面的放电凹坑和亚表面损伤层的去除。 基于放电和电解并行加工的模式，该团队在不锈钢上实现了表面粗糙度为Ra22 nm 的高垂直度三维型腔加工，得到的侧面加工间隙约为6.5 μm，相较于单纯电火花加工扩大约1.5 μm。 该团队还基于双电层理论，使用超短脉冲提高电化学溶解区域的定域性，很好地保持了电火花加工的形状精度，即电化学溶解被限制在微米层厚度内。 进一步，Nguyen 等[9]基于双电层理论、Butler-Volmer 方程和法拉第电解定律对电解辅助电火花加工过程中的材料电化学溶解过程及其导致的侧面间隙进行了定量化的解析建模，模拟结果与实验结果具有较高一致性。 吉帅等[10]在低电导率的NaNO3溶液中（浓度10 mg/L、电导率0.15 mS/cm）使用RC 电源，通过电极逐层往复式铣削加工微小方孔的电解辅助电火花加工技术，得到了侧壁表面无重铸层的微小方孔，并且工具电极相对损耗率仅为0.05%。同时该研究指出，电解液浓度和加工电压对方孔的加工质量影响较大，而电容对此的影响较小；随着浓度提高，电解反应增强，导致方孔的加工间隙和拐角半径增大。

2.2.2 电解辅助电火花制孔

（1）工艺与机理。 面向航空发动机叶片气膜冷却孔高品质制造需求，Zhang 等[11]利用低浓度NaNO3盐溶液（0.1～10 mS/cm）作为工作液提出了基于管电极的电解辅助电火花高速加工技术，指出进给过程中的材料去除机理在端面间隙和侧面间隙有很大不同：端面间隙的材料去除主要依靠EDM 过程，因此可保证高效率， 而侧面间隙处的材料去除是由EDM 向ECM 过渡， 进而去除重铸层来实现高表面质量（图7）；还有，提高电解液电导率会增加电弧和短路发生概率，导致加工稳定性和速率降低；此外，高电导率会增强电解作用，恶化侧面间隙并进一步导致杂散腐蚀现象。为此， Zhang 等[12]提出了低浓度盐溶液内部喷射和去离子水外部喷射的流场设计方法，通过外部喷射的去离子水降低了工件表面的电解液电导率，实现了杂散电流的抑制和加工定域性的提高。 特别是，Kang 等[13]使用6 mol/L 的NaOH溶液在陶瓷涂层镍基合金上实现电解电火花复合制孔， 并指出加工不同层材料时的放电类型不同：在加工涂层时，仅存在电化学放电；在加工基底合金材料的过程中， 电化学放电和电火花放电共存：当合金暴露于气膜中且间隙较小时，放电类型会从电化学放电转变为电火花放电；发生于两电极之间的电火花放电是实现材料去除的主要因素，而电化学放电会造成很小的二次材料去除。 相比于纯电火花加工，复合加工实现的基底材料表面呈现出更小的粗糙度和更薄的重铸层。

图7 针对航空叶片气膜孔的电火花-电解复合研究[2]

（2）EDM 与ECM 的平衡。通过添加盐来增加去离子水电介质的电导率，可有效实现放电与电解的共存。但要实现精密加工，需精确匹配EDM/ECM 能场，以实现二者平衡。 徐正扬等[2]统计分析了在低电导率NaNO3电解液中进行电火花-电解复合加工过程的电流波形，指出非火花放电的时间约占整个加工周期的72%，电化学溶解作用仅占复合加工材料去除总量的6.6%；材料去除主要通过电火花高速穿孔完成，而电解加工主要作用于重铸层去除；复合加工的工具电极损耗相比于纯电火花加工大幅度降低。 Zhang 等[14]提出变幅值脉冲方法来调节电火花-电解复合加工中的化学溶解效应强弱。 Ahmed等[15]提出了电解性电介质的概念 （electrolyticdielectrics），通过波形分析揭示了电火花-电解复合加工过程中的火花放电、半电弧、延迟、电化学四种脉冲类型，指出了电化学脉冲产生的因素以及通过调控放电与电解的脉冲比来平衡电解与放电过程的重要性；该研究基于电化学理论和加工过程的电脉冲数据，提出了描述整个过程的数学模型并可通过该模型预测重铸层的去除过程，同时该模型忽略了电解和放电过程的相互作用，认为电火花仅用于制孔而电解仅用于去除重铸层。

（3）传质与过程稳定性。 在电解辅助电火花制孔过程中，工具电极弯曲变形和加工屑在间隙中堆积易引起加工过程不稳定， 影响重铸层的有效消除。 Zhang 等[16]指出，对工件施加不同频率和振幅的振动是改善前述问题的有效途径。 丁飞等[17]通过液氮制冷方式在工件底部制备冰层，使孔贯穿时冲击到冰层的电解液能形成反向冲液，改善了孔贯穿时缺液导致的孔出口处重铸层消除不彻底的现象。 朱永伟等[18]开发了同步超声振动调制微细放电-电解加工技术，明确了同步超声振动、小间隙脉冲电解、微细放电多效应协同作用的技术优势。

（4）表面完整性与形成机理。 Zhang 等[19]研究指出，电解辅助电火花加工孔的表面无重铸层、无融化碎片、 无电火花加工导致的表面残余拉应力；随着工作液电导率从0.005 mS/cm 增至3.6 mS/cm，孔表面变为压应力状态且显微硬度不再变化，孔壁面粗糙度降至Ra1.69 μm， 孔入口处圆角的曲率半径约为150 μm。Ahmed 等[15]研究了孔侧壁表面形成的机理，指出添加盐可改变其电化学溶解机制，从而产生不同的材料去除过程： 活性去除（aggressive removal）会导致表面出现严重点蚀，氧化物限制的过钝化性去除（oxide limited passive removal）导致表面被ECM 生成的氧化物覆盖， 使重铸层的去除有限，而电解抛光可产生高质量金相级表面。

（5）大深径比小孔加工。 面向航空航天及燃气轮机领域对超大深径比小孔的高品质制造需求，岳晓明等[20]提出了基于管电极外表面结构化绝缘的电解辅助电火花加工超大深径比小孔技术（图8）。 实验发现，管电极外表面结构化绝缘方法在保证孔形精度的同时，利用管电极外表面局部微小暴露区域进行孔壁重铸层的有效去除，可有效调控孔侧壁的电解过程，进而实现大深径比小孔的高精度、高表面质量加工；酸性工作液的加工效率及加工精度均优于NaCl 和NaNO3工作液， 可能原因是酸性工作液促进加工产物排出。 该研究还以低浓度盐酸溶液（1.5 mS/cm） 为工作液、 以Inconel 738 镍基高温合金为工件，基于优化的参数加工出深径比大于50∶1的高品质小孔（孔径＜1 mm、锥度＜0.05°、表面粗糙度＜Ra0.4 μm）。

图8 采用外表面结构化绝缘工具电极加工的孔壁表面形貌图[20]

2.2.3 电解辅助电火花线切割

Han 等[21]基于低电导率工作液（NaCl-乙二醇溶液，3.3 mS/cm），使用直径270 μm 螺旋棒状电极实现对多种金属材料的电解辅助电火花切割。 其中，针对1 mm 薄板的切割速度约为0.6～0.84 mm/min。如图9 所示，其加工机理与前述类似，即：放电主要在切割狭缝的前端间隙发生，电解主要在较大的侧面间隙发生，用于溶解狭缝两侧的基材和电火花生成的重铸层。 进一步，该研究基于EDM 和ECM 的不同特征电流信号，分析了电信号与加工结果之间的定量关系。Kong 等[22]研究了采用直径50 μm 线电极的电解电火花复合切割工艺， 针对厚度1 mm 的9Cr18Mo 材料，实现了0.12 mm/min 的切割速度。同时，通过摄像观测低电导率溶液（NaNO3-乙二醇溶液，0.03 mS/cm）中的放电现象，指出电火花线切割过程中的放电类型与加工间隙中的气泡排列有关，优先发生放电击穿的介质是气泡，但工作液在气泡较少时也可能成为击穿介质。 Kong 等[23]为解决电解线切割大厚度工件时的传质困难问题，提出了一种螺旋形电极设计方法，通过在螺旋电极突点处形成放电，利用放电的动能强化传质效果，采用低电导率NaNO3-乙二醇溶液加工出厚度为30 mm、 无重铸层和热影响区的榫槽结构。 Wu 等[24]在电阻率为1 MΩ·cm 的去离子水中开展了电火花线切割研究，先使用金属丝利用放电作用切割工件，进一步将切割得到的工件移动一定距离至大于放电临界极间距的位置，再将金属丝按照原路径进给，依靠微弱电解作用去除表面重铸层和放电凹坑。

图9 电解辅助电火花线切割原理示意图[21]

2.3 电解辅助电火花加工的突破方向

2.3.1 工作液设计

根据ECM/EDM 的原理， 工作液设计是影响复合加工性能的关键技术要素。 电解辅助电火花加工的工作液设计主要围绕工作液的电导率及其性质展开（图3）。 Han 等[21]使用非水基电解液进行了电火花电解复合铣削加工，结果表明：在相同的电导率（3.3 mS/cm）条件下，NaCl 溶于乙二醇中产生的气泡量大于水溶液，因此更易形成更薄、更稳定的气膜，从而降低工作电压、提高加工精度。 同时，使用乙二醇可避免过钝化性膜的产生，进而实现材料的均匀电化学溶解。 Kong 等[22]在电解辅助电火花线切割9Cr18Mo 的研究中探索了不同的电解液组合。研究结果表明：在相同电导率（0.1 mS/cm）条件下，相比于乙二醇基溶液，水基溶液中的钝化现象可能会导致放电异常短路进而降低加工精度； 相比于NaNO3，NaCl 具有更强的侵蚀能力， 会在工件边缘造成杂散腐蚀， 因此NaNO3-乙二醇溶液为优选电解液， 并且电解作用随着NaNO3-乙二醇溶液电导率的升高而增强。孙永兴等[25]探索了以水、油和乳化剂为主，蔗糖、NaNO3和NaCl 为辅的新型复合工作液用于电解电火花复合加工。

2.3.2 电极损耗

由于放电发生于极间，电解辅助电火花加工过程中不可避免地存在电极损耗现象。 电极损耗不仅会提高生产成本，而且还会影响放电稳定性，导致二次放电，进而影响最终加工性能。 例如，管电极前端损耗为锥状，易造成不稳定火花放电并导致加工孔形锥度增大[26-27]。 极间放电受多种因素影响，因此电极损耗率与工艺参数密切相关。 Zhang 等[27]在使用NaNO3工作液加工厚度2 mm 镍基定向凝固高温合金板件的研究中发现，电极相对损耗率随着溶液电导率的提高而降低， 将工作液电导率从0.005 mS/cm 提高至4.0 mS/cm， 电极相对损耗率可降低65.4%； 但加工孔的锥度和平均孔径也随着电导率的提高而增大。 刘宇等[28]也指出工作液质量分数对复合加工性能影响较大，在质量分数为0.2%～0.4%的Na3PO4电解液中，电极相对损耗率随着工作液质量分数的增加而降低， 这有利于提升小孔形状精度，但加工间隙相应增大。 Zhang 等[29]研究了管电极内孔直径对电解辅助电火花制孔性能的影响，发现在管电极外径固定为500 μm 的前提下， 电极损耗率随着内孔直径的增加呈现出先线性增加后降低的趋势。 具体而言，在内径为150～300 μm 范围内，管壁较薄的管电极损耗长度更长；但将内孔直径增至350 μm，可有效提升冲液效果，更好地排出加工产物和热量，从而显著提升材料去除率和增大侧面间隙，降低了电极损耗率。Huang 等[30]发现在高速旋转电火花电解钻孔加工中，工具电极的旋转速度越高，其电极损耗率越小，并认为这可能是由间隙中热量累积减小造成的。

3 电火花辅助电解加工技术

3.1 电火花辅助电解加工的工艺原理

相比于电火花加工，电解加工在要求高表面完整性的加工场合具有独特优势。 但是，面对日益增加的易钝化材料（如钛合金）的高效率、高精度加工要求，电解加工在加工效率和加工精度方面遇到严峻挑战。 近年来，在电化学溶解作用基础上辅以火花放电，形成电火花辅助电解加工方法，逐渐成为突破电解加工性能极限的前沿途径之一，得到国内外学者关注。 从加工原理看，为保证高表面质量，电火花辅助电解加工一般采用高浓度盐溶液，起主导作用的材料去除机制是电化学溶解。 引入火花放电的目的一般是利用电火花去除工件表面钝化层或直接参与材料去除的作用，促进电解反应，提升加工效率。 同时，放电产生的爆炸力和冲击力可强化传质，有助于将加工产物排出加工间隙，提升电解过程的加工精度。 此外，电解作用也可去除放电产生的重铸层，保留电解加工高表面完整性的基本特征。 从工艺条件来看，在高浓度盐溶液条件下产生火花放电，需要相较于常规电解加工更小的加工间隙和更大的加工电压。 强烈电化学反应产生大量氢气泡并占据狭小加工间隙，当极间间隙达到一定距离时，高电压将加工间隙击穿，从而产生火花放电。

3.2 典型的电火花辅助电解加工技术

Yue 等[31]为提高电解铣削加工钛合金的效率，提出了旋转切入式电火花电解复合铣削加工技术。如图10a 所示， 利用大于电解速度的电极进给速度，使进给方向的加工间隙缩小，通过小间隙处的火花放电直接参与材料去除和促进电化学溶解，提升该处的材料去除效率。 同时，电极旋转引起的流场周期性变化可在恒定电压的情况下实现时间离散放电。 此外，其余加工区域的极间间隙大于放电间隙，材料去除为电化学溶解，可有效消除放电引起的重铸层。 放电后，进给方向的加工间隙随之增大，加工状态恢复为电解铣削加工。 如此“电解铣削加工-电火花电解复合铣削加工”交替进行，在提升加工效率的同时，也保留了电解加工的高表面质量特征（图10b），与单纯电解铣削加工相比，电火花电解复合铣削加工的材料去除率提升了742.5%。

图10 电火花辅助电解加工方法及相关研究[31-34]

Liu 和Ma 等[32-33]针对电解射流加工钛合金时表面氧化层导致加工效率低、精度差的问题，提出了电火花射流电解复合加工技术（图10c～图10d），通过远小于常规射流电解加工的加工间隙以及该间隙条件下相对较大的加工电压，使阴极喷嘴扫描方向一侧的端面与工件之间产生放电。 由于电解液射流域内是大间隙，仅发生了电化学溶解，在扫描加工过程中，工件表面任意一点依次经历放电与电解作用。 电火花能有效去除钛合金表面致密的钝化层，促进后续电化学溶解过程，提升电化学溶解速度，而后续电解作用可消除重铸层，保证表面质量。相比于单纯射流电解加工（4.75 mg/min）和电火花加工（1.86 mg/min），电火花射流电解复合加工的材料去除速度达到了7.63 mg/min。 在加工性能方面，与前文提到的旋转切入式电火花电解复合铣削加工技术相比， 该技术属于非切入的扫描式铣削，管电极作用区域仅为端面， 因此加工效率相对降低，更适合表面结构的制造。

面向微小孔制造，Sharma 等[34]提出了一种电火花电解复合加工技术，其加工原理是“电解去除材料-工件钝化-电火花去钝化”的交替过程（图10e）。在该研究中， 由于采用惰性电解液和较大加工电压，工件表面形成钝化层，阴极附近聚集大量氢气泡，电化学溶解速度降低；进一步阴极进给，加工间隙缩小并达到放电间隙，在阴阳两极间产生火花放电， 而电火花去除工件表面钝化层及部分基体，造成加工间隙变大，加工状态恢复至电解加工，使放电造成的重铸层去除。 由于电火花的去钝化和强化传质作用，该技术在加工效率和加工精度（孔圆度）方面较电解加工分别提升261%和1.23%（图10f）。

Han 等[35-36]基于易钝化金属的表面钝化膜高阻抗特性，通过控制钝化膜的保留和去除，提出了一种微细电化学与微细电火花加工自由切换的复合加工技术。 图11a 所示为电化学加工模式原理示意图，其中的易钝化金属以钨为例、电解液为NaCl 溶液。 在二极管作用下，钨电极只能工作在阴极状态，此时电极表面产生碱性NaOH 去除钝化膜，相应的加工模式处于电化学加工。 图11b 所示为电火花加工模式原理示意图，在二极管作用下，钨电极只能工作在阳极状态，此时电极表面无法产生NaOH，导致钝化膜保留，其高阻抗性促使极间发生火花放电现象，相应的材料去除模式切换至电火花加工。 微细电化学加工可形成较好的表面质量，而微细电火花加工具有更高的材料去除效率。 该微细电化学和电火花复合加工技术在工具电极、电源、电解液等相同加工条件下，实现了微细电化学加工和微细电火花加工的自由切换，可充分利用两种加工技术各自的优点。

图11 基于易钝化金属表面钝化膜的微细电化学和电火花复合加工

4 火花辅助化学雕刻技术

在20 世纪60 年代，日本学者Kurafugi 等[37]针对玻璃材料加工，首次提出了基于电解质溶液的电化学放电方法。 现在，人们多称该方法为火花辅助化学雕刻（SACE），其基本原理如图12 所示。该方法是通过电解反应在工具电极表面产生了大量气泡，并最终形成绝缘气层。 当“工具电极-气层-电解液”之间的电场强度差值达到击穿阈值之后，产生了放电现象。 而放电产生的瞬时高温、高压以及高温下的化学刻蚀等作用于工件表面，并在热能、化学能以及流体动力等的综合作用下对工件材料进行去除[38-39]。

图12 火花辅助化学雕刻加工原理示意图

由上述电化学放电加工原理可知，SACE 不受材料强度、导电性等限制，在玻璃等绝缘硬脆材料的微细加工中具有一定技术优势。 但在实际加工中，该技术一直存在加工效率较低、精度不高（如过切量大）以及加工深度受限等问题，制约自身的进一步应用和发展[38]。 目前普遍认为，外加能场、工具电极结构/表面形貌、电解液特性以及进给控制方法对于提升SACE 的加工性能具有重要作用（图13）。

图13 火花辅助化学雕刻加工中的关键问题

4.1 外场辅助

针对SACE 外场辅助的研究主要集中在机械磨削辅助、超声辅助、磁场辅助等方面。 在电化学放电磨削复合加工中，放电高温软化、侵蚀、刻蚀工件材料的同时，磨粒工具电极的机械刮擦、磨削效应能更有效地去除熔融的工件材料和加工产物，以提高加工效率和可加工深度。 此外，磨削辅助还能有效去除因放电高温效应形成的热致缺陷等，改善加工表面质量[40]。山东大学刘勇团队[41]利用电化学放电-磨削复合加工技术开展了复杂玻璃微流道加工试验研究（图14），发现相比于常规电化学放电加工，表面粗糙度值降低了74.9%。 尽管采用磨削辅助电化学放电加工技术能提高玻璃、陶瓷等绝缘硬脆材料的加工效率和质量等工艺指标，但是有关电化学放电与磨削的正向耦合机制、材料除去模式和机理的研究尚不明确，限制了该技术的进一步突破。

图14 磨削辅助电化学放电加工的典型玻璃微流道[41]

印度学者Singh 等[42]发现对工具电极施加超声振动有助于形成薄而稳定的气膜，促进高频低强度放电产生；工具底面和工件之间的电解液通过超声空化现象可产生电解液喷射效应，有助于底部产物排出和电解液循环， 从而提高加工性能。 韩国Han等[43]研究发现，超声辅助电化学放电加工中的声压能影响气泡的运动方向并改变气层的几何结构、提高有效放电次数，因而加工深度明显提高（图15a）。山东大学刘勇团队[44]研究发现，超声振动能减小气泡脱离工具电极表面的临界半径，从而减小气层厚度，并且由于工具电极上下振动，气层分布更加均匀。此外，中国台湾Cheng 等[45]发现通过磁场辅助产生的洛伦兹力可驱动电解质的离子运动，形成磁流体对流，利于加工区电解液的循环，使加工效率提升了57.4%、所加工微孔的几何精度提高了23.8%。华中科技大学的徐轶等[46]研究发现，磁场辅助提供的洛伦兹力可改变气泡受力状态，减小气泡脱离直径；同时，磁场引起的磁流体动力效应也会诱发旋涡气泡运动，进而促进电解液循环（图15b）。

图15 外场辅助对SACE 加工的影响

4.2 工具电极

工具电极的表面形貌、 形状和结构对SACE 加工及加工过程中气层的形成、气层的几何结构等也有重要影响。 印度Singh 等[47]研究发现粗糙的工具电极与接触的工件表面之间存在大量的微小间隙，能在加工区域内储存电解液，利于气层的形成。 相比于光滑表面的工具电极， 其加工效率提高了19.27%。 但是，当所制备的工具电极表面粗糙度过大时，形成了较厚的气层（图16），并造成严重的过切量和热影响缺陷[48]。

图16 工具电极不同表面粗糙度对气层的影响[48]

随着微细工具制造水平的提升与改进，各种异形工具电极也逐渐应用于火花辅助化学雕刻。 工具电极的几何形状对SACE 加工过程及结果也有重要影响。 中国台湾Zheng 等[49]采用削边电极促进电解液流入加工区，避免气泡在孔入口处堆积，削弱放电对孔内壁的影响， 使孔的入口直径从570 μm 减少至330 μm。 中国台湾Yang 等[50]采用尖端为球状的电极，使电极接触方式由传统的面接触变为点接触，从而改善了加工区域的电解液循环更新，并避免气泡在微孔入口处堆积，减少了孔入口处的放电集中，使加工的微孔具有较好的形状精度（图17）。清华大学佟浩等[51]发现在特定条件下可将放电约束于工具电极的端面。 该研究采用底部开槽的微工具电极，改变了工具电极端部的电场分布，促进了电极端部对放电的约束，提升了加工效率和精度。 上海交通大学康小明和唐伟东等[52-53]研究采用了侧壁绝缘电极， 避免在电极侧壁形成气层并产生放电，减少加工过切量。 但相比于常规工具电极，侧壁绝缘工具电极的端部面积小、 气层难以在此粘附，影响加工效率。 例如，在相同初始间隙条件的单层铣削加工中，采用常规工具电极（电极直径250 μm）加工的最大深度为38.7 μm，采用侧壁绝缘电极（电极直径258 μm）加工的最大深度仅为17.5 μm[53]。

图17 不同形状工具电极对加工的影响

为在深小孔加工中进一步强化电解液的循环，印度Mehrabi 等[54]采用中空管电极向加工区域喷射高压电解液， 虽然使加工效率和深度略有增加，但是电解液的快速流动会破坏气层的稳定性，导致加工质量和精度不高。 印度Arya 等[55]通过研究发现，中空冲液速度过低时， 加工产物在孔底部堆积，气泡积聚在孔入口处， 使放电集中于微孔入口处，导致加工过切量大。基于此，Arya 等[56]还将空气和电解液混合并由中空管电极注入加工区域，通过注入的气体排出粘附在工具电极附近的气泡，形成较薄的气层，并且能避免气泡堆积在微孔入口处（图18a）；同时，与常规的中空冲液相比，入口过切量和加工深度均得到了改善， 成功地加工出了深度3.5 mm、入口直径874 μm 的微孔（图18b）。

图18 电解液混气对加工的影响

4.3 电解液类型

电解液类型及其物理化学性质对气层建立、气层几何形态及其电化学放电加工过程有直接影响。伊朗Sabahi 等[57]向电解液添加表面活性剂降低其表面张力，形成较薄的气层，改善了微流道的入口过切量和加工表面缺陷等。 此外，在电化学放电加工中，气层的稳定性也是影响加工性能的关键因素之一。 然而，SACE 加工中的放电冲击直接影响气层的稳定性。因此，广东工业大学邹治湘和刘江文等[58]将非牛顿流体电解液（聚丙烯酰胺和氢氧化钾的混合物）应用于电化学放电加工，利用其阻尼效应吸收放电产生的冲击，提高了加工过程中气层的稳定性，并最终成功地加工出平均深度约100 μm、最小间距约30 μm 的玻璃微流道（图19）。

图19 使用非牛顿流体电解液电化学放电加工的玻璃微流道[58]

4.4 工具电极进给方式

在SACE 加工中， 工具电极和工件需直接接触或非常靠近。 这是因为大间隙下火花放电的大部分热量会在电解液中通过对流消散，导致在工件上难以实现材料去除。 因此，工具电极进给方式对SACE加工性能也有显著影响。 目前进给方式主要有恒速进给、重力/压力/阻力进给、自适应进给等[59]。 其中，重力进给方式具有设备简单成本低、操作方便等特点，被广泛用于SACE 加工。清华大学佟浩等[60]基于重力进给方式开发出具有柔性力反馈的伺服控制主轴（图20）。 该装置能稳定加工中的微接触力，避免工具电极在加工中出现碰撞、偏转等情况，改善加工性能。 上海交通大学康小明等[61]研究指出了力反馈控制进给方法的优势和潜力。

图20 柔性力反馈的伺服控制主轴[60]

综上所述，虽然持续的研究积累使SACE 技术得到较大改善，但是加工效率和精度低，尤其是可加工深度不够，以及可加工深径比远低于电解或电火花技术对金属的加工，极大地限制其实际应用。

SACE 的加工过程复杂且外场辅助的耦合机理尚不明确是造成上述瓶颈问题的关键原因之一。 未来研究应进一步地揭示SACE 加工机理并创新工艺方法，对于攻克上述瓶颈问题具有重要意义。

5 新型电解放电复合电加工概念与方法

5.1 等离子体辅助电解加工技术

等离子体辅助电解（PA-ECM）加工技术的提出是为解决传统电火花电解复合加工中的电极损耗问题。 区别于传统的发生于两电极之间的火花放电（瞬态电弧放电），PA-ECM 加工中的等离子体是电化学辉光放电等离子体， 具有较低的等离子体能量， 能在保留放电能场对电解加工的强化作用同时，有效避免电极损耗。

如图21 所示， 等离子体辅助电解加工通过在阴极工具电极表面诱发辉光等离子体来强化电解加工过程。 具体而言，电解反应产生大量氢气泡，这些氢气泡聚集于阴极附近形成氢气膜，将阴极与电解液隔开，当电场强度达到一定值时击穿气膜而产生阴极辉光等离子体。 PA-ECM 利用辉光放电等离子体的动能、化学能以及热能来强化加工间隙中的传质过程和工件表面的活化过程，进而提高电解效率；利用等离子体的高阻抗特征实现对低电流密度区域的抑制，减小电解加工中的杂散腐蚀，从而提升加工表面质量。 相较于常规的电火花加工，PAECM 的加工间隙较大，能有效地避免火花放电。 同时， 由于等离子体仅在阴极附近的气膜内被激发，并不会作用于工件表面，PA-ECM 在利用放电等离子体作用优势的同时，不会产生重铸层或造成工具损耗。

图21 高低压复合脉冲设计概念与等离子体辅助电解加工原理[62]

南方科技大学赵永华团队[62]提出了高低压组合的双极性或直流脉冲设计方法，有效地实现了等离子体与电解能场的协同。 在常规电化学加工中，通过引入瞬时的超短高压脉冲可激发大量氢气在阴极析出并形成连续气膜，而该气膜进一步被击穿形成瞬时等离子体；而低电压时，加工过程保持为电解加工状态。 研究表明，等离子体不断“激发-湮灭”带来的温升效应、脉动效应，能强化电解产物传输并促进电化学反应；等离子体的化学效应，即等离子体产生的自由基等活性粒子，可去除表面氧化层、活化工具电极，进而提高电解加工的效率。 例如，在等离子体辅助电化学刻蚀微针技术中，通过利用等离子体的脉动传质效应和高阻抗效应，可在实现微针高效刻蚀的同时（刻蚀时间5 s、刻蚀速率可控、直径从200 μm 降至18 μm），显著提升微针的直线度精度。 而在常规电化学加工中，同时实现高效率和高精度刻蚀是比较困难的。 基于前述研究，赵永华团队[63]进一步研究了射流电解加工状态下的阴极等离子体现象、机理及其特性（图22），提出了等离子体辅助射流电解铣削加工方法。 在射流状态下，H2等离子体气膜仅产生于阴极喷嘴端面的内缘处，而射流内部仍保持电解加工状态，由此实现了等离子体与电解两个能场在空间上的协调。 该实验表明， 等离子体的热效应可促进电化学反应，而等离子体气体的冲击效应能压缩射流周围电解液液膜（液膜变得更薄）、减小杂散腐蚀、提高加工表面质量。

图22 阴极等离子体现象及等离子体辅助射流电解加工方法[63]

5.2 射流电化学放电加工技术

常规的电解放电复合加工技术或等离子体辅助电解加工技术均基于工具电极，并且需精确控制工具与工件之间的距离才能实现稳定放电。 同样地，SACE 加工也需工具电极接触工件，并且需对二者的接触力进行精密控制。 此外，放电是通过击穿极间或电极周围的气膜而产生，存在工具电极损耗问题， 尤其是在长时间使用的情况下问题将凸显。为解决上述问题，赵永华团队[3-5]将射流电解加工与电化学放电相结合，提出了射流电化学放电加工方法（Jet-ECDM）。

如图23 所示，Jet-ECDM 技术利用液态电解液射流作为虚拟阴极来替代常规固态工具电极，通过工艺设计使电解液射流-工件接触区域产生了具有明显介电特性的析出气体-氧化膜复合绝缘层；进而在高电压下，加工表面微区（微米尺度）诱发绝缘击穿和表面放电，产生了阳极等离子体[3]。 由于放电仅在阳极表面附近产生，射流电化学放电加工技术能避免传统电解放电复合加工过程中的电极损耗问题。 同时，Jet-ECDM 技术通过微细射流局部耦合电解和放电等离子体的物理化学效应，基于放电辅助电/热化学反应机理[4]，可实现对强钝化型金属、半导体以及绝缘材料的高效精密微细加工。

图23 射流电化学放电加工技术原理与工艺优势[3-5]

特别是，Jet-ECDM 技术在无需使用氢氟酸的条件下实现了半导体4H-SiC 材料的微细加工，其加工速度达到射流电解加工常规金属的同等水平，加工精度相比于常规射流电解加工可提升2 倍以上，并且加工表面无裂纹和无亚表面损伤[3-4]。 通过电脉冲波形设计可调控并约束射流电化学放电范围，获得亚射流尺寸加工分辨率，最优时获得特征尺寸为53%射流直径的微孔，而常规射流电解加工金属时的特征尺寸通常为射流直径的1.5 倍以上。

射流电化学放电加工还可实现各向异性加工。例如，使用NaCl 电解液能在4H-SiC 上获得侧壁近乎垂直的加工轮廓[4]。 此外，在射流电化学放电加工惰性金属时，阳极放电作用使加工区域易发生等离子体电解氧化反应（PEO）的并行过程。 由于加工过程无法完全消除PEO，加工表面会残留一层亚微米级的PEO 氧化物并呈现典型的PEO 形貌， 使得表面硬度提高。 由此，射流电化学放电加工技术能一步实现“微细结构+薄氧化层”的复合结构制造[5]。 如图24 所示，结合数控程序，射流电化学放电加工技术能实现各类微细阵列结构和图案等。

图24 射流电化学放电加工在难电解材料上的应用[3-5]

5.3 电解等离子体化学刻蚀半导体技术

为攻克具有极高机械/化学稳定性的单晶碳化硅纳米织构难题，赵永华等[6]揭示了一种绿色、高效率、 大深度、 无掩膜的电解等离子体化学刻蚀（EPACE）方法，并利用该方法在4H-SiC 晶圆表面实现纳米多孔结构的无掩膜选择性高品质制造。 如图25 所示，EPACE 是利用电化学辉光等离子体包裹的微细工具电极靠近目标表面并做一定速度的扫描运动来实现半导体材料的选择性化学刻蚀。EPACE 与火花辅助化学雕刻（SACE）相比，其最大区别点在于具有非接触特征。 通常，由于半导体具有导电特性，不能让工具电极直接接触工件，否则无法形成等离子体；如果加工间隙过小，还易发生异常放电而损坏工件材料，因此必须严格控制加工间隙。

图25 电解等离子体化学刻蚀半导体4H-SiC 的方法与原理[6]

针对EPACE 机理的研究表明， 该技术的材料去除机制是等离子体强化化学刻蚀。 等离子体的存在为常温下无法发生的化学刻蚀反应提供条件，使惰性SiC 半导体在不使用氢氟酸的条件下也可实现高效刻蚀，这对环境和生产安全极为重要；加工间隙中的电解液供给是刻蚀SiC 的必要条件， 工具电极的往复运动可促进电解液更新， 从而提高SiC 纳米多孔刻蚀的效率；通过改变等离子体强度、加工间隙和扫描速度，可精确调控刻蚀形貌。 就此，赵永华团队成功获得由直径约40～130 nm 微孔和直径30 nm 纤维构成的表面纳米多孔层， 最优刻蚀速率达到540 nm/min、最大刻蚀层厚度≥10 μm。该团队进一步将SiC 多孔结构用作光电极， 提升了电化学性能， 展现了EPACE 技术在光电极制作等微纳制造领域的应用潜力。 特别是，该研究的重要意义在于揭示了等离子体热效应和化学刻蚀效应可以解耦， 即等离子体对材料的作用由化学过程主导，而无热作用。 这体现在EPACE 加工后的SiC 材料轮廓未发生任何去除，并且材料表面发生了规律的选择性刻蚀。 这充分表明EPACE 通过化学方式去除材料的特性。此外，该技术也可应用于SiC 晶圆的微细加工， 比如化学微铣削加工和化学微钻加工等。在微孔加工时，微细钻头工具的螺旋槽有利于增强极间电解液更新，保证等离子体在加工过程中的稳定诱导[64]，但要注意避免尖端异常放电的发生。

6 展望

电解放电复合加工技术的形式多样、多能场协同效应明显、新工艺不断涌现，在航空航天、生物医学工程、微流控、电子等具有高品质、高性能要求的先进制造领域逐渐展现出光明的应用前景。 因此，研究多能量场协同集成技术、开发电解放电复合加工装备、 推进电解放电复合加工技术的产业化应用，将是未来该领域科学研究的主导方向。

未来，电解放电复合加工技术将进一步优化加工工艺和控制策略，提高加工精度和效率。 同时，该技术将向着制造过程的智能化和绿色化发展，如何耦合不同能场并使其协同效应最大化已成为电解放电复合制造的重点和挑战。 一方面，研究者需继续深入解析电解放电复合加工过程机理和工艺特性；明确外加能场的引入对相关设备电源系统和伺服控制系统的影响机制；基于电信号等过程参数检测建立面向多能量场精准调控和可控耦合的控制策略；在进一步突破现有技术性能的同时，实现复合加工过程的自动化和智能化控制。 另一方面，在明确过程机理的基础上建立更加可靠、精确的加工结果仿真预测模型，对于开发高效精密加工工艺具有重要意义。 例如，针对电解辅助电火花加工技术建立可预测重铸层去除和表面质量形成的加工过程模型，有助于减少工艺试验、明确工艺参数与加工结果的映射关系、快速选择工艺参数。

此外，不断出现的极端材料和极端性能对电解放电复合加工技术提出更高挑战，亟需进一步强化新原理、新方法和新装备的基础研究，探索电解放电复合加工的新技术方法和新应用领域。 例如，基于液体电极的射流电化学放电加工技术，可将射流电解加工技术的应用范围拓展至钝化性金属、惰性半导体和绝缘材料等领域。 但同时，该技术在加工效率、极限加工深径比和加工过程建模及控制等方面仍面临很大挑战。 深入机理探索，实现源头创新，是解决这些挑战不可或缺的手段。