本研究的主要作者包括Shiqi Fang（第一作者及通讯作者，来自美国罗格斯大学新不伦瑞克分校机械与航空航天工程系，同时隶属于德国萨尔大学制造技术研究所）、Alexander Frank、Mareike Schäfer、Y. B. Guo 和 Dirk Bähre。其中，多位作者来自德国萨尔大学制造技术研究所，Mareike Schäfer来自德国凯泽斯劳滕光子学中心。 本研究以题为《Reproduction of Three-Dimensional Microstructures on Inconel 718 Utilizing Laser-Textured PECM Cathodes》的论文形式，发表于ASME旗下的《Journal of Manufacturing Science and Engineering》期刊，发表时间为2025年3月（卷147期）。
本研究隶属于先进制造与精密加工领域，具体聚焦于脉冲电化学加工（Pulse Electrochemical Machining, PECM） 与超短脉冲激光表面织构相结合的复合制造技术。
研究背景： 现代工业对具有微米尺度表面织构的零部件需求持续增长，这类织构能够赋予部件新的生物或机械功能，例如降低涡轮叶片表面摩擦的肋条结构，或增强钛合金医疗植入体生物相容性的微沟槽/半球阵列。然而，对于以Inconel 718为代表的难加工材料（具有高强度、耐腐蚀、耐高温等特性），传统的机械加工方法易导致刀具磨损严重且精度难以保证。PECM作为一种非接触式、基于阳极溶解的材料去除工艺，因其不受工件机械性能影响、无热影响区、无残余应力等优点，被认为是加工此类材料的理想选择。PECM的一个重要特性是能够将阴极（工具）表面的形貌特征“镜像”复制到阳极（工件）表面，因此可用于在难加工材料上复现特定的微观形貌。
此前，已有研究尝试使用光刻、线切割放电加工（Wire-EDM）等方式在PECM阴极上制造微结构，但这些方法各有局限：光刻精度高但成本昂贵且需洁净室环境；Wire-EDM成本较低但会引入热影响。超短脉冲激光（Ultrashort Pulse Laser, USPL）则是一种能够在微米或亚微米尺度实现高几何精度并最大限度减少热副作用（如熔融残留、微裂纹）的加工方法。基于前期使用纳秒激光在PECM阴极上制备结构的研究（发现复制精度受激光副作用限制），本研究旨在深化和拓展这一技术路线。
研究目标： 本研究的核心目标是提出并详细阐述一种结合皮秒激光与PECM的新概念制造工艺，用于在Inconel 718上高精度复现三维微结构（凹槽与凸起半球）。具体目标包括：1) 详细解释该复合制造概念的理论与流程；2) 使用皮秒激光在PECM阴极上制备定义精确的凹槽和半球图案；3) 通过系统化的参数优化，利用工业PECM设备将阴极图案复制到Inconel 718阳极上；4) 通过几何精度测量和表面完整性评估，全面验证该概念的可行性。
本研究主要包含两个核心工作包，并辅以系统性的前期参数优化流程。
（一） PECM工艺参数优化配置 在正式进行图案复制前，研究团队进行了大量初步测试，以确定稳定、高精度的PECM加工参数。这是一个分为三步的系统性工程： 1. 确定常量参数： 首先根据经验设定并固定基础工艺参数，包括加工电压（9 V）、电解液温度（32°C）、电导率（155 mS/cm）、pH值（8）以及电解液类型（NaNO₃溶液）。选择NaNO₃而非NaCl的原因在于其钝化特性，可在低电流密度下形成钝化层抑制过度蚀除，从而在高电流密度的小间隙区域实现选择性、可控的材料去除，有利于复杂几何形状的复制。 2. 确定变量参数（中等值下）： 在预设电流密度为60 A/cm²、初始进给速度为0.20 mm/min的条件下，对四个关键变量参数（脉冲开启时间、脉冲频率、占空比、冲洗压力）进行了优化。方法是固定其他三个参数，逐一在五个不同水平上测试目标参数（每个水平重复三次）。通过测量和比较加工过程中的工作间隙（阴极与阳极之间的距离，越小通常意味着精度潜力越高）和观察加工稳定性（如是否发生短路），确定了能实现最小稳定工作间隙的最佳参数组合：脉冲开启时间5 ms、脉冲频率50 Hz、占空比50%、冲洗压力2 kPa。测试发现，占空比低于50%易导致短路，而过高压力（4-5 kPa）会导致表面粗糙。 3. 优化进给速度： 在以上确定的最佳变量参数组合基础上，进一步测试了10个不同水平的进给速度（0.08 至 0.30 mm/min）。由于进给速度直接影响工作间隙和电流密度，此阶段电流密度是变化的。通过30次测试，最终确定最优进给速度为0.30 mm/min，此时对应电流密度约为90 A/cm²，可实现最小至0.01 mm的稳定工作间隙。这一微小间隙是获得高几何复制精度的关键。
（二） 皮秒激光织构PECM阴极 1. 研究对象与准备： 阴极（工具）材料为不锈钢1.4301，制成直径12 mm的棒材。在进行激光加工前，阴极表面被精细抛光至Ra < 0.03 µm, Rz < 0.2 µm，以确保初始表面质量。 2. 图案设计与激光加工： 设计了两种具有明确尺寸的三维微结构图案：凹槽阵列和半球阵列。使用一台皮秒激光系统（Hyper Rapid 25, Coherent Kaiserslautern GmbH） 进行加工。该激光脉冲持续时间约10 ps，通过五轴微加工工作站和高精度振镜扫描系统进行控制。具体激光参数如表1所示：波长1064 nm，脉冲重复频率500 kHz，脉冲能量28 µJ，光斑尺寸约8.2 µm，扫描速度2500 mm/s。该超短脉冲激光的优势在于能极大减少热影响区，从而获得高精度的几何轮廓和良好的表面完整性。 3. 表征方法： 加工完成后，使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）在阴极图案上的五个均匀分布位置测量几何参数（凹槽的深度h、宽度w、间距d；半球的深度h、宽度w、间距d、半径r）。同时，使用扫描电子显微镜（SEM）评估激光加工后图案的表面完整性（如是否存在熔融残留、微孔、裂纹等缺陷）。
（三） 通过PECM进行图案复制 1. 研究对象与系统设置： 阳极（工件）材料为Inconel 718，尺寸为直径10 mm、高50 mm（直径略小于阴极，以防止电极边缘电场线散射）。PECM加工在一台工业级设备（PEMCenter8000, PEMTec）上进行。为保障稳定的电解液流动和碎屑排出，研究团队自主设计并3D打印了一个透明的丙烯酸树脂冲洗腔室，安装在阴阳极之间，确保电解液能均匀流过整个工作间隙。 2. 复制过程： 使用上述优化确定的最佳PECM参数组合（汇总于表3），包括进给速度0.30 mm/min、脉冲开启时间5 ms、频率50 Hz、占空比50%、压力2 kPa、工作间隙~0.01 mm等。在NaNO₃电解液（电导率155 mS/cm, pH=8）中，对Inconel 718阳极进行PECM加工。阴极的机械振荡（50 Hz）叠加在电脉冲上，确保材料仅在阴极到达振荡下死点（间隙最小）时被蚀除，蚀除产物在电流关闭阶段被冲走。 3. 表征与数据分析： 加工后，对阳极上复制的图案进行几何测量和表面完整性评估。考虑到电解液流动方向可能对材料去除均匀性产生影响，几何参数测量特意在沿流动方向的三个位置（入口、中间、出口）进行。使用CLSM测量几何参数，使用SEM观察表面形貌。数据分析主要对比：① 阳极图案实测值与设计目标值之间的偏差；② 阳极图案实测值与阴极上对应激光加工图案实测值之间的偏差。通过计算绝对差和相对百分比差，量化复制精度。
（一） 阴极上激光制备图案的评估结果 1. 凹槽图案： SEM和CLSM图像（图7）显示，皮秒激光实现了令人满意的加工质量。烧蚀集中在加工区域，非加工区域特征清晰，污染少。沟槽中间可见一些孔状结构，可能是由于合金成分的不同去除程度所致。几何测量结果（表4）表明精度很高：所有几何参数（h, w, d）的实测平均值与目标值之间的相对偏差在4.8%至6.5%之间。 2. 半球图案： 表面质量更优，SEM图像（图8）显示表面均匀光滑，未见明显孔隙或热残留缺陷。几何测量结果（表5）显示，各参数实测平均值与目标值的相对偏差在1.2%（间距d）到9.4%（宽度w）之间，半径r的偏差为4.0%。这证实了皮秒激光在制造复杂三维微结构方面具有出色的精度和能力。
（二） 阳极上PECM复制图案的评估结果 分析主要集中在冲洗出口附近更稳定的区域。 1. 复制的凹槽图案： SEM和CLSM图像（图9）显示，与阴极上的凹槽对应，在阳极上形成的“山脊”图案的尖锐边缘出现了明显的圆角化和展宽效应，形似“开口”。测量数据（表6，图10）揭示了显著偏差：阳极上“山脊”的高度h和宽度w相对于设计目标值分别减少了22.1%和23.5%；而相对于阴极上对应的激光加工凹槽的实测值，偏差更是达到-26.9%和-27.0%。这明确归因于电场线在尖锐边缘（“山脊”顶部）的集中和散射，导致这些位置的局部材料去除率异常升高。然而，沟槽中心间距d的偏差很小（相对于目标值+0.6%，相对于阴极值-4.4%），说明这种边缘效应并未显著影响结构的整体周期排列。 2. 复制的半球图案： 复制质量明显优于凹槽图案。CLSM图像（图11）显示轮廓清晰整洁。测量结果（表7，图12）显示：半球中心间距d的偏差极小（+0.5%）；高度h相对于阴极值仅有-2.3%的微小变化；但宽度w和半径r出现了正偏差，相对于阴极值分别增加了11.2%和19.6%。尽管也存在一定展宽，但其程度远小于凹槽图案。这强有力地证明，没有尖锐边缘的“圆形”图案（如半球）比带有尖锐边缘的图案（如沟槽）在PECM复制过程中能达到更高的几何精度。 尖锐边缘是导致严重圆角和展宽效应的关键因素。
（三） 结果之间的逻辑关系 1. 首先，参数优化流程为后续的图案复制实验奠定了基础，确定了能够实现极小（0.01 mm）且稳定工作间隙的PECM工艺窗口，这是获得任何复制精度的前提。 2. 激光加工结果证明，皮秒激光有能力为PECM制备出高精度、高质量的“母版”（阴极图案），满足了复制工艺对“模板”精度的要求。 3. 最终的PECM复制结果与激光加工结果形成对比分析，揭示了工艺的可行性与局限性。两种不同几何特征（带尖锐边缘的沟槽 vs. 圆滑的半球）的复制效果差异，不仅验证了概念（成功复制），更重要的是定位了当前工艺精度的主要瓶颈——几何形状引起的电场分布不均，并指明了后续改进的方向（优化电极几何设计或加工参数以平缓电场）。
本研究成功提出并验证了一种结合皮秒激光表面织构与脉冲电化学加工的新概念制造工艺，用于在难加工材料Inconel 718上复现三维微结构。
结论： 1. 概念可行性得到证实： 皮秒激光能够在PECM阴极上高精度地制造出定义的凹槽和半球微结构（特征尺寸与目标值偏差小于9.4%）。随后，这些图案可以通过优化参数后的PECM工艺成功复制到Inconel 718工件上。 2. 几何形状是影响复制精度的关键因素： PECM复制精度受图案几何形状影响显著。对于带有尖锐边缘的凹槽图案，复制过程中产生的边缘圆角和展宽效应导致高度和宽度出现较大偏差（约27%）。而对于无尖锐边缘的半球图案，复制精度显著提高，高度偏差极小（约2.3%），主要偏差体现在宽度和半径的展宽（约11-20%）。 3. 根本原因在于电场分布： 上述精度差异的根本原因在于PECM过程中电场线的行为。在尖锐边缘等几何不规则处，电场线会集中和散射，导致局部电流密度升高，从而引起过度的材料去除（圆角化和展宽）。
价值与意义： * 科学价值： 本研究深化了对PECM复制微观形貌过程中“形状-电场-蚀除”相互作用机制的理解，特别是明确了几何特征（尤其是边缘尖锐度）对最终复制精度的决定性影响，为基于物理场仿真的工艺预测与优化提供了明确的研究靶点。 * 应用价值： 该复合制造工艺为在Inconel 718等高性能难加工材料上直接制造功能性微表面（如用于减阻、增强传热、改善生物相容性）提供了一种具有潜力的解决方案。它避免了直接激光加工这类材料可能遇到的热影响、微裂纹、重铸层等问题，也绕开了传统机械加工导致的刀具磨损难题。 * 工程指导价值： 研究展示了一套完整的、从参数系统优化到结果量化评估的工程化研究流程。对于从事精密电化学加工的研究人员和工程师而言，关于NaNO₃电解液选择、参数优化步骤、冲洗腔设计、以及考虑流动方向影响的测量方法都具有直接的参考价值。
本研究还附带了一些有价值的信息： * 致谢部分提到，该研究得到了亚历山大·冯·洪堡基金会Feodor Lynen研究奖学金的支持，并感谢了西班牙加泰罗尼亚理工大学结构完整性、可靠性与材料微力学中心提供的材料表征设施，体现了国际科研合作。 * 数据可用性声明表明本论文已包含所有研究数据，符合现代科研出版的透明性要求。 * 文中引用了大量相关文献，涵盖了电化学加工原理、激光微加工、表面织构应用、Inconel 718加工挑战等多个方面，为读者提供了深入了解该领域的丰富入口。文中图2对NaCl与NaNO₃电解液效率特性的对比，以及PECM与ECM差异的示意图，都非常有助于理解核心工艺选择。