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作者与研究机构及发表信息
本文由耿天宇（Tianyu Geng）和徐正阳（Zhengyang Xu）等主要作者完成，他们隶属于南京航空航天大学机电学院。该研究发表于《International Journal of Machine Tools & Manufacture》，文章编号为104126，出版时间为2024年2月3日。
学术背景
本研究属于机械制造与材料加工领域，聚焦于高能效、高质量的气膜冷却孔加工技术。航空发动机追求更高的推重比，而提高涡轮进口温度是实现这一目标的关键之一。未来第五代航空发动机的涡轮进口温度预计超过2000°C，这对涡轮叶片材料提出了极高的要求。镍基单晶材料因其高温强度和抗蠕变性能被广泛应用于涡轮叶片制造中，但其熔点仍低于涡轮进口温度。为此，薄膜冷却技术被引入以降低叶片表面温度约400°C。然而，单个叶片需要数百个气膜冷却孔，整个高压涡轮腔室则需要数万个孔，因此高效、高质量的加工方法成为研究重点。当前常用的加工方法包括电火花钻孔（EDD）、激光加工和电化学钻孔（ECD）。这些方法各有优劣，例如EDD效率高但会产生重铸层，激光加工适合小孔但效率随孔径增大而下降，ECD虽能避免重铸层但效率较低。为了克服单一方法的局限性，近年来发展了一种新型混合加工方法——高速电化学放电钻孔（High-Speed Electrochemical Discharge Drilling, ECDD），结合了EDD的高效性和ECD的无重铸层特性。然而，ECDD缺乏直观的模拟模型，限制了其进一步应用。本研究旨在通过深入分析加工机制，首次开发出一种可视化的ECDD模拟模型，为实际工程提供理论指导。
研究流程
本研究分为以下几个主要步骤：
实验设计与材料选择
研究对象为镍基单晶材料，其名义化学成分列于表1。实验采用直径0.5 mm、内径0.3 mm的黄铜管电极进行加工。实验溶液的电导率分别设置为600、1200、2400、3600、6000和8400 μs/cm。实验设备包括高速摄像机（V2512, Phantom）、波形记录仪（8861-50, Hioki）以及光学显微镜（VHX 6000, Keyence）。实验平台如图4所示，包含观察装置和正常钻孔装置。
加工现象观察
通过高速摄影技术首次直接观察ECDD在微秒级的放电现象。实验设置了四种不同电导率（2、1200、3600和8400 μs/cm）的溶液环境，拍摄速率为99,000帧/秒。实验结果展示了放电位置、频率及其形态变化。此外，通过波形分析研究了放电与电化学溶解之间的交替关系。
材料去除机制研究
实验对加工后的孔壁形貌进行了详细分析，包括扫描电子显微镜（SEM）观察和能量色散光谱（EDS）分析。研究发现，放电产生的重铸层具有不均匀的元素分布，导致其电化学溶解行为与基体显著不同。此外，通过恒流法测量了基体和重铸层的电流效率，并建立了相应的拟合公式。
可视化模拟模型开发
基于上述实验结果，研究开发了一种新的ECDD可视化模拟模型。模型采用二维矩阵表示几何结构，通过显式差分法计算电场分布，并结合Faraday定律预测材料去除量。放电部分采用“死亡网格法”模拟，而电化学溶解部分则基于有限元差分法进行迭代计算。模型还考虑了基体与重铸层的电流效率差异，从而提高了预测精度。
主要结果
1. 波形分析结果
波形分析表明，随着溶液电导率的增加，放电频率降低，而电化学溶解时间延长。放电电压与电流呈指数关系，且放电与电化学溶解在微观尺度上交替发生。
高速摄影结果
高速摄影显示，在低电导率溶液中，ECDD的放电形式类似于纯EDD而非气体膜放电。统计分析表明，高电导率下放电集中于前端区域，显著减少了电极侧壁磨损。
材料去除机制结果
放电后形成的重铸层导致元素重新分布，其中γ′相消失，仅剩γ相。电化学溶解优先发生在放电坑中，而熔滴由于高氧化物含量难以溶解。基体与重铸层的电流效率差异显著，基体的电流效率远高于重铸层。
模拟模型结果
模拟模型能够准确预测重铸层分布和孔径大小。最大过切误差仅为8.9%，底部维持阶段的时间预测误差不超过0.8秒。此外，模拟结果表明高电导率可能导致锥度过大，需在实际加工中选择合适的参数。
结论与意义
本研究首次系统地揭示了高速ECDD的加工机制，并开发了一种可视化的模拟模型。研究表明，高速ECDD可实现零重铸层加工，其效率优于传统EDD，同时显著降低了电极磨损。模拟模型能够精确预测重铸层分布和孔径大小，为实际工程提供了重要参考。
研究亮点
1. 首次通过高速摄影直接观察ECDD的放电现象，揭示了其与纯EDD的相似性。
2. 发现基体与重铸层的电流效率差异显著，为优化加工参数提供了理论依据。
3. 开发了一种结合离散放电与连续电化学溶解的可视化模拟模型，填补了该领域的空白。
其他有价值内容
本研究不仅为气膜冷却孔加工提供了新方法，还为其他混合加工技术（如激光-电化学加工）的模拟提供了借鉴。未来可通过结合商业软件（如COMSOL）进一步提升模型的灵活性。