本研究报告旨在向广大科研工作者介绍一篇发表在 Materials Today Communications 期刊上，于2025年4月发表的原创性研究论文。该论文的标题为 “PECM, ECDM, and SEDCM machining of high-temperature alloys: method classification, mechanism analysis, and process characteristics”，其主要作者为 Xiaokang Chen，Yulong Chen，Ajian Zhang，Qianlong Zhu，Ning Ma，Hai Liu，他们均来自新疆大学机械工程学院，其中Xiaokang Chen也是新疆大学新疆先进制造工程技术研究中心的研究人员。
本研究属于先进制造技术领域，具体聚焦于航空发动机关键部件——涡轮叶片气膜冷却孔的高精度、高质量加工。随着航空发动机工作温度持续攀升（可达2000–2500K），气膜冷却孔的高质量加工对于确保涡轮叶片在极端热环境下的可靠性能至关重要。脉冲电化学加工（Pulse Electrochemical Machining, PECM）、电化学放电加工（Electrochemical Discharge Machining, ECDM）和放电-电化学复合加工（Discharge-Electrochemical Hybrid Machining, SEDCM）等特种加工技术，因其不受材料硬度、强度等机械性能影响的特点，在加工气膜冷却孔方面展现出显著优势，是当前先进制造的研究热点。
然而，在实际研究和应用中，PECM、ECDM和SEDCM之间的界限一直较为模糊，这导致对其加工机制和加工特性的表征与解释存在困难。这种模糊性往往引发表面再铸层、微裂纹等加工缺陷，限制了气膜冷却孔加工质量的进一步提升和这些技术的广泛应用。因此，针对上述研究空白，本研究旨在通过系统的实验设计和分析，明确界定这三种加工方法在不同参数条件下的状态转变动态，深入揭示其材料去除机制，并评估其加工特性。最终目标是提供理论支持和方法学参考，以推动气膜冷却孔高质量、高效率加工技术的发展。
本研究采用了全面且严谨的实验与分析方法，主要包括以下五个关键流程：
第一，系统性的全因子实验设计。 为了全面探究加工参数对加工状态的影响，研究采用全因子实验设计方法，以脉冲电压（10 V， 30 V， 50 V）、脉冲宽度（10 µs， 50 µs， 100 µs）和电解液浓度（NaOH溶液， 5 wt%， 15 wt%， 30 wt%）作为独立变量，构成了一个包含27组实验（3×3×3）的参数矩阵。实验对象为厚度1.8mm的镍基高温合金（GH4169）工件。加工设备为一台定制化的三轴ECDM平台，采用直径1mm的旋转铜棒作为工具电极，转速1300 r/min，脉冲周期110 µs。加工时间统一设定为20秒。通过这种设计，可以考察单一参数及其交互作用对加工模式、表面质量等多方面的影响。
第二，基于电压-电流波形的加工状态分类。 在每一组参数条件下进行加工时，研究团队使用双通道测量系统实时采集并记录加工间隙的电压和电流信号波形。这是本研究判定加工状态的核心依据。通过对这些信号波形的形状、峰值、延迟等特征进行详细分析，并与理想状态下不同加工模式的理论波形（如文中图1所示）进行对比，可以精确区分出当前的加工过程属于PECM、ECDM还是SEDCM。PECM模式下的电流波形平稳光滑；ECDM模式下，电流波形会因气泡破裂产生瞬时尖峰；SEDCM则更为复杂，在同一个或相邻脉冲周期内会观察到放电（火花或电弧）和电解特征波形的交替或混合出现。这一过程不涉及样本量的概念，而是对27种参数组合下的动态信号进行逐一分析判定，从而建立起“参数组合-信号特征-加工状态”的映射关系。
第三，加工表面形貌与切屑形态的多元分析。 加工完成后，对所有试样的加工表面进行全面的形貌和性能表征。研究使用扫描电子显微镜（ZEISS Supra55 VP）观察并记录表面微观形貌；使用超景深三维显微镜（VHX-6000_950F）测量表面粗糙度（Ra）；此外，还收集并观察了不同电解液浓度下产生的加工切屑的形态。同时，为了量化评估各加工参数对表面粗糙度影响的显著性，研究基于一个正交实验子集（9组实验）的数据，使用SPSS软件进行了方差分析（ANOVA）。这一流程旨在将宏观的加工参数、微观的信号特征与最终的加工结果（表面质量和去除机制）关联起来。例如，通过比较不同参数下SEM图像的差异，可以直观看出PECM形成的均匀溶解小孔、ECDM留下的熔融痕迹以及SEDCM相对平整的表面。
第四，机制建模与原理阐释。 在基于实验数据（波形、形貌）明确了不同参数下的加工状态分类后，研究进一步通过原理示意图（图9, 10, 11）详细阐述了三种加工方法的材料去除机制。 * PECM机制：主要包括电场驱动离子传输、阳极溶解和液相物质转移三个阶段。在脉冲通电期间，金属在阳极发生电化学溶解；在脉冲间歇期，电极旋转更新加工间隙的电解液，带走反应产物和热量。 * ECDM机制：在脉冲初期，电场引发电解反应产生气泡；随着气泡积累形成绝缘气膜，电压升高击穿气膜产生瞬时火花放电，利用放电高温使材料局部熔化或汽化去除；间歇期同样更新电解液和排屑。 * SEDCM机制：是PECM和ECDM的结合，但两者并非同时发生。它在一个脉冲周期内或连续的脉冲周期间交替进行电解加工和放电加工。例如，先进行一段时间电解，积累气泡并为放电创造条件，随后发生一次或多次火花/电弧放电，实现快速材料去除。
第五，聚焦气膜冷却孔的工艺特性评估。 最后，研究选取了在30 V电压、30 wt% NaOH浓度下，分别代表PECM（10 µs）、SEDCM下的电弧-电化学复合加工（Arc-Electrochemical Hybrid Machining， AEHM， 50 µs）和火花放电-电化学复合加工（Electrical Discharge-Electrochemical Hybrid Machining， ECSM， 100 µs）的参数组合，进行了深入的孔加工工艺特性研究。加工出孔后，对其入口和出口形貌进行SEM观察、元素分析；精确测量孔的锥度；并沿孔深度方向以200 µm间隔测量维氏硬度。这一流程旨在将前序对表面和机制的研究，落实到具体结构（孔）的加工质量上，评估不同复合模式在实际孔加工中的优劣。
1. 加工状态的明确分类与参数影响规律： 通过对27组实验电压-电流波形的系统分析，研究成功绘制了清晰的加工状态图谱。结果显示：在所有电压（10， 30， 50 V）下，当脉冲宽度为10 µs时，加工模式均为PECM。在10 V电压下，脉冲宽度为50 µs或100 µs时，加工模式为ECDM。在30 V和50 V电压下，当脉冲宽度为50 µs或100 µs时，加工模式均为SEDCM，其中30 V、50 µs条件下为AEHM，其余为ECSM。一个关键发现是，在5 wt% 到 30 wt%的浓度范围内，电解液浓度并不改变加工状态的类型，但显著影响加工质量（如表面粗糙度）。加工状态的转换主要由电压和脉冲宽度这两个参数主导。
2. 表面质量与切屑形态随参数的变化： * 粗糙度分析：ANOVA结果表明，脉冲宽度对表面粗糙度的影响最显著，其次是电压，电解液浓度的影响最小。具体而言： * PECM下，在低电压（10 V）和高浓度（30 wt%）时获得了最佳表面形貌和最低粗糙度（2.08 µm）。 * ECDM下，在脉冲宽度50 µs、浓度15 wt%时获得最优表面和最低粗糙度（3.16 µm）。更长脉宽（100 µs）会导致粗糙度显著增加。 * SEDCM下，表面质量总体随电解液浓度增加而改善，在高浓度（30 wt%）下加工表面更平滑，熔融和裂纹痕迹减少。 * 切屑分析：切屑形态随浓度变化。低浓度（5 wt%）时切屑包含球形颗粒（放电特征）和碎屑；随着浓度升高，球形颗粒减少，微细和团聚状碎屑（电解特征）增多。这直观反映了加工机制中放电和电解作用的比例变化。
3. 孔加工工艺特性的对比： 在30 V、30 wt% NaOH条件下加工气膜冷却孔，三种模式表现出不同特性： * 形貌：PECM加工的孔壁相对平直，但有少量再铸层和腐蚀残留；AEHM加工的孔壁再铸层少，呈现更均匀的“片状”结构；ECSM入口部分非常光滑，但出口形貌较差，孔壁可见再铸层痕迹。 * 锥度：PECM产生的锥度最大，达到5.56%；而ECSM的锥度最小，仅为0.33%。这是因为PECM入口处电解作用时间长、面积大，而ECSM以火花放电去除为主，电解仅作为精修，入口电解作用时间大大缩短。 * 硬度分布：PECM从孔入口到出口的硬度下降趋势最缓且最稳定，得益于其均匀的电化学溶解过程。而AEHM和ECSM由于放电产生的高温软化效应，以及孔底部热量和反应集中，硬度下降更为明显。
本研究得出以下核心结论： 1. 明确了加工方法分类：系统界定了脉冲电压和脉冲宽度主导下PECM、ECDM和SEDCM（包括AEHM和ECSM子类）的状态转换边界，澄清了长期存在的模糊认识。 2. 揭示了质量影响规律：阐明了电解液浓度虽不改变加工状态类型，但对各状态下的表面质量有显著影响，并给出了不同模式下获得最佳表面质量的参数组合。 3. 阐明了机制差异：清晰区分了三种方法的材料去除机制：PECM为纯阳极溶解；ECDM为单脉冲内“先电解产生气泡，后放电”；SEDCM则为电解与放电在时间上交替或顺序进行的复合过程。 4. 评估了工艺特性：对比了PECM与SEDCM在孔加工中的表现，指出PECM加工规则性好、硬度分布稳定但锥度大，而SEDCM（尤其是ECSM）锥度小、表面光滑但孔壁规则性受放电随机性影响。
本研究的科学价值在于，首次通过系统的实验信号分析和形貌表征，为PECM/ECDM/SEDCM这一系列关联加工技术提供了一个清晰、量化的分类框架和机制解释模型，弥补了该领域的基础理论空白。其应用价值在于，为航空发动机制造等领域选择高效、高精度加工气膜冷却孔的工艺参数提供了直接的实验依据和理论指导，有助于优化工艺、减少缺陷、提升零部件性能与寿命。
研究还指出了当前技术的一些局限性，例如在SEDCM中，不可控的放电能量会导致孔壁不规则和存在熔融物沉积，这限制了加工精度的进一步提升。这一发现指明了未来研究需要攻克的方向，例如开发更精确的放电能量控制策略或更优化的脉冲序列设计。此外，文中引用的众多参考文献也为了解该领域的研究现状提供了良好的线索。