低溫等離子體輔助加工綜述

劉吉宇，張帆，陳陽(yáng)，金洙吉，劉新

大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024

近年來(lái)，隨著航空航天、電子、機(jī)械及核工業(yè)的快速發(fā)展，鎳基高溫合金、軸承鋼、鈦合金、硬質(zhì)合金等高強(qiáng)度合金材料及復(fù)合材料由于具有機(jī)械性能高、高溫強(qiáng)度高、耐高溫、高壓、可適應(yīng)各種特殊工作環(huán)境等特性，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、飛機(jī)起落架、核主泵及多種特種裝備的零部件的制造上得到廣泛應(yīng)用[1-5]。然而，這些材料的強(qiáng)度和硬度高，且成分復(fù)雜，含有多種金屬化合物和不均勻分布的硬質(zhì)點(diǎn)，可切削加工性很差，而特殊的使役要求對(duì)這些高強(qiáng)度合金的加工精度、表面完整性和疲勞壽命要求越來(lái)越高。如何實(shí)現(xiàn)上述材料的高效精密低損傷加工，是精密與非傳統(tǒng)加工領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

等離子體中富含高能活性粒子，作用于材料表面時(shí)，可有效提高表面親水性、降低材料強(qiáng)度、硬度及變形抗力、改善材料切削加工性能。將等離子體引入切削區(qū)域時(shí)，等離子體對(duì)材料特性的調(diào)控效果可有效促進(jìn)冷卻介質(zhì)浸潤(rùn)切削區(qū)域及材料去除，對(duì)實(shí)現(xiàn)難加工材料的高效精密低損傷加工具有重要意義。與高溫等離子體相比，低溫等離子體較易獲得和維持；近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已將低溫等離子體引入多種難加工材料的加工過(guò)程中，并取得了豐富的研究成果。在介紹等離子體基本特性的基礎(chǔ)上，闡述了低溫等離子體輔助加工的作用機(jī)理，簡(jiǎn)述了低溫等離子體在難加工材料輔助加工過(guò)程中的應(yīng)用，并對(duì)低溫等離子體輔助加工的發(fā)展前景提出展望。

1 等離子體基本特性及分類(lèi)

等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀體系，被認(rèn)為是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)第四態(tài)[6]。等離子體廣泛存在于自然界中，宇宙中超過(guò)99%的物質(zhì)處于等離子體態(tài)，極光、太陽(yáng)、閃電等均為典型的天然等離子體；日常生活中所用的臭氧發(fā)生器、霓虹燈、等離子體顯示屏，及國(guó)防科工領(lǐng)域應(yīng)用中的托卡馬克、氫彈、高功率微波器等也均為等離子體。

根據(jù)等離子體中電子溫度的不同，可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體，如表1[7-8]所示。高溫等離子體中電子溫度(Te)可達(dá)108K，等離子體完全電離，粒子密度很大，如自然界中的太陽(yáng)核心、實(shí)驗(yàn)室中的托卡馬克裝置所產(chǎn)生的等離子體。低溫等離子體中電子溫度一般低于105K，等離子體部分電離，實(shí)驗(yàn)室中一般由氣體放電產(chǎn)生。根據(jù)低溫等離子體熱力學(xué)平衡狀態(tài)的不同，又可將其分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體中電子溫度和離子溫度(Ti)均較高且近似相等(Te≈Ti≈ 104～105K)，處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)，宏觀溫度最高可達(dá)105K，等離子體弧、碘鎢燈等均為此類(lèi)等離子體；冷等離子體中電子溫度遠(yuǎn)高于離子溫度(Te≈ 104～105K，Ti≈ 103K)，一般處于非局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)，宏觀溫度較低甚至接近室溫，生活中常見(jiàn)的冷等離子體有極光、日光燈等。

熱等離子體溫度較高，可熔化絕大部分金屬材料；而冷等離子體雖宏觀溫度較低，但富含高能活性粒子，如電子(能量為1～10 eV)、激發(fā)態(tài)原子或分子(能量為0～20 eV)、光子(能量為3～40 eV)等。因此，低溫等離子體處理表面時(shí)，等離子體可通過(guò)一系列物理化學(xué)反應(yīng)，改變材料特性，以改善材料切削加工性能；主要包括：改變材料狀態(tài)的熔化效應(yīng)、改變材料硬度強(qiáng)度的熱軟化效應(yīng)、改變材料潤(rùn)濕性的親水性改性、改變材料變形抗力的Rehbinder效應(yīng)等。

表1 等離子體分類(lèi)[7-8]Table 1 Classification of plasma[7-8]

1) 熔化效應(yīng)

熱等離子體的宏觀溫度較高，作用于金屬材料表面時(shí)，其高溫可將各種難熔融材料熔化。等離子體噴涂技術(shù)利用熱等離子體為熱源，將金屬或陶瓷等難熔融材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，高速?lài)娚涠练e至工件表面上；將此技術(shù)和快速原型制造技術(shù)相結(jié)合，研究人員提出了等離子體熔射成形技術(shù)，如圖1(a)所示，使熔融狀態(tài)材料在原模表面集結(jié)成形，經(jīng)被襯、脫模、強(qiáng)化等處理，制備出特定形狀的零件及型腔。

2) 熱軟化效應(yīng)

在熱等離子體的高溫作用下，金屬材料的強(qiáng)度、硬度因熱軟化效應(yīng)明顯降低；如將熱等離子體應(yīng)用于軸承鋼、鎳基高溫合金等高硬度材料的車(chē)削、銑削等加工過(guò)程中，作用于工件表面，如圖1(b)所示，則可通過(guò)降低工件材料強(qiáng)度硬度，降低切削力，改善材料切削加工性能。

圖1 低溫等離子體輔助加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of low temperature plasma assisted machining

3) 親水性改性

潤(rùn)濕性是固體表面的重要特征之一，主要由水在表面的接觸角θ衡量；當(dāng)接觸角θ<10°時(shí)，液體可于固體表面較好鋪展，固體表面為超親水表面。低溫等離子體中高能電子及重離子能量大多高于材料表面C-C(3.45 eV)、C-H(4.3 eV)、C-H(4.3 eV)、H-CH3(4.48 eV)、C-O(3.48 eV)、C-F(4.69 eV)等典型化學(xué)鍵鍵能。因此，采用低溫等離子體處理材料表面時(shí)，等離子體中高能電子或重離子可將材料表層分子鏈的化學(xué)鍵打斷。材料表層分子鏈上的化學(xué)鍵被打斷后，將于打斷位置出現(xiàn)懸空鍵，形成表面自由基，低溫等離子體中的O、-OH等自由基可與材料表面自由基相結(jié)合，形成C-O、C=O等親水性含氧官能團(tuán)，從而提高表面親水性。在航空航天材料的加工過(guò)程中，冷卻介質(zhì)難有效浸潤(rùn)加工區(qū)域，導(dǎo)致切削溫度較高。由于低溫等離子體可有效提高表面親水性，且宏觀溫度較低；如將低溫等離子體及冷卻介質(zhì)同時(shí)引入切削區(qū)域，如圖1(c)所示，可促進(jìn)冷卻介質(zhì)浸潤(rùn)加工區(qū)域，改善切削區(qū)域冷卻潤(rùn)滑環(huán)境。

4) Rehbinder效應(yīng)

蘇聯(lián)科學(xué)家Ребиндер開(kāi)展晶體劃痕試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，極性分子積聚于晶體表面缺陷處時(shí)，可顯著降低劃痕硬度，由此提出Rehbinder假說(shuō)[9-10]。該假說(shuō)認(rèn)為，活性粒子吸附于材料微觀裂紋處，可促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，降低材料屈服應(yīng)力，進(jìn)而促進(jìn)材料發(fā)生斷裂。實(shí)際金屬表面總存在微裂紋等缺陷，而等離子體中富含活性粒子；等離子體作用于金屬表面時(shí)，金屬表面會(huì)吸附活性粒子，促進(jìn)裂紋和晶格間隙的擴(kuò)張，降低材料的變形抗力。由于特殊使役性能需求，大部分航空航天材料的強(qiáng)度、硬度較高，導(dǎo)致加工過(guò)程中切削力大，刀具磨損嚴(yán)重，表面質(zhì)量較差。低溫等離子體通過(guò)Rehbinder效應(yīng)可有效降低材料加工過(guò)程中的變形抗力，促進(jìn)材料斷裂，從而有效降低切削力，抑制刀具磨損，改善所得表面質(zhì)量。

綜上所述，低溫等離子體作用于材料表面時(shí)，可提高表面親水性、促進(jìn)材料斷裂；另外，熱等離子體的較高宏觀溫度還可對(duì)材料產(chǎn)生熱軟化效應(yīng)，降低材料強(qiáng)度硬度。低溫等離子體對(duì)材料特性的調(diào)控效果為其在輔助加工中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。低溫等離子體包括熱等離子體和冷等離子體；兩者宏觀溫度、活性粒子濃度等特性相差較大，應(yīng)用于加工過(guò)程中時(shí)，其作用機(jī)理、適用范圍也有所不同，下文分別對(duì)熱等離子體和冷等離子體在輔助加工中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2 熱等離子體輔助加工

熱等離子體具有較高宏觀溫度(中心區(qū)域溫度最高可達(dá)20 000 K)且能量較為集中，作用于材料表面時(shí)，可將材料快速熔化或軟化，從而實(shí)現(xiàn)高效加工。目前，熱等離子體在輔助加工中的應(yīng)用主要包括等離子體熔射成形和等離子體加熱輔助加工。

2.1 等離子體熔射成形

在航空、航天等尖端科技領(lǐng)域，設(shè)備的使役環(huán)境較為惡劣且對(duì)設(shè)備性能的要求較高，工程陶瓷、高熔點(diǎn)金屬合金及新型復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，并具有良好的應(yīng)用前景。但上述材料的硬度、熔點(diǎn)相對(duì)較高，導(dǎo)致相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和高效制造存在較大困難。等離子體熔射成形技術(shù)利用等離子體弧的較高溫度和能量，將材料快速熔化，制造效率較高，材料適用性好，已被廣泛應(yīng)用于Ni-Cr合金、WC、Mo等多種高熔點(diǎn)金屬材料和工程陶瓷的零件高效制造。等離子體熔射成形技術(shù)的工藝流程如圖2(a)[11]所示，先利用等離子體弧的較高溫度將材料快速熔化，并通過(guò)熱等離子體中的高速氣流沖擊將熔化的材料霧化成熔滴，熔滴高速撞擊原模表面，并沉積形成模具型腔內(nèi)表面，再經(jīng)背襯材料加固、脫模、后處理、去除背襯等一系列工藝，最終得到零件。Sampath等[12-15]采用等離子體熔射成形技術(shù)，制備了多種形狀的氧化物陶瓷、多層及功能梯度材料零件；對(duì)熔滴生長(zhǎng)特性開(kāi)展研究發(fā)現(xiàn)，熔滴的完好扁平可有效改善涂層表面質(zhì)量和機(jī)械性能[12]。Cheng等[16]采用熱等離子體將AlCoCrFeNi高熵合金粉末熔化，通過(guò)調(diào)節(jié)電流及氬氣流量，成功制備了孔隙、組分及硬度均可調(diào)的AlCoCrFeNi高熵合金涂層。曾好平[11]、徐文驥[17]和方建成[18]等結(jié)合理論和試驗(yàn)分析，研究了鋁、不銹鋼等熔滴生長(zhǎng)特性、扁平過(guò)程、涂層形成機(jī)理、冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)分布等關(guān)鍵問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)增大熔滴直徑和溫度可同時(shí)增大熔滴的扁平時(shí)間和扁平率；提高氫氣流量可提高涂層顯微硬度，減小孔隙率，有效改善所得表面質(zhì)量。

在熔射成形工藝過(guò)程中，除了熔射工藝參數(shù)，合理調(diào)整后處理工藝及添加微納尺度材料也可顯著提高所得零件質(zhì)量[19-23]。熊翔等[20]研究等離子體熔射成形技術(shù)制備鉬表面的工藝過(guò)程發(fā)現(xiàn)，對(duì)成形件進(jìn)行熱等靜壓處理可顯著提高材料力學(xué)性能；顯微硬度及拉伸強(qiáng)度相比處理前均可提高1倍以上。Laha等[21-22]利用等離子體熔射成形技術(shù)制備碳納米管加固的鋁-硅合金，發(fā)現(xiàn)等離子體可于反應(yīng)界面形成約5 nm厚的β-SiC反應(yīng)層，提高了表面的親水性；拉伸試驗(yàn)表明，成形過(guò)程中加入碳納米管后，復(fù)合材料的彈性模量可增加78%。

另外，由于等離子體熔射成形技術(shù)能可控地將材料噴涂于特定形狀的腔體中，該技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)薄壁件的近終形制造[24-27]。熊翔等[24]結(jié)合等離子體熔射成形和真空液相燒結(jié)技術(shù)，制備了如圖2(b)所示的高密度鎢合金薄壁件(直徑≤100 mm，長(zhǎng)度≤150 mm，厚度≤5 mm)。王月明等[26]采用等離子體熔射成形和熱等靜壓處理，制備了如圖2(c)所示的W-Re合金藥型罩；經(jīng)機(jī)械拋光后，其厚度為1.7±0.05 mm，且不含碳或碳化物等雜質(zhì)。

圖2 等離子體熔射成形Fig.2 Plasma spray forming

由于等離子體熔射成形可精確復(fù)制原模形狀，該技術(shù)除了能實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)零件的快速制造，還可低成本、高效制備多種材料的模具[28-31]。鄧琦林等[29]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，等離子體熔射成形技術(shù)可精密復(fù)制母模的表面形貌，提出該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)陶瓷、金屬及復(fù)合材料的薄壁零件和簡(jiǎn)易模具的高效制備。方建成等[30]采用等離子體熔射成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了梯度功能材料WC-12%Co/NiCrAl模具的低成本、快速制造。張博等[31]采用熱等離子體熔化stellite6及SiC粉末，在塑料模具表面制備了顯微硬度超過(guò)1 000 HV的強(qiáng)化層，有效提高了模具的使用壽命。

等離子體熔射成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件及模具的高效、低成本制備，材料適應(yīng)性廣泛，所得材料表面強(qiáng)度較高且較為純凈，在航空航天、原子能等技術(shù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但熔射成形過(guò)程中的較高溫度可能導(dǎo)致材料表面微觀結(jié)構(gòu)的燒損，影響零件和模具的制造精度，產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力；對(duì)于等離子體熔射成形過(guò)程，目前的理論研究主要集中于熔滴扁平過(guò)程、熔射參數(shù)對(duì)涂層特性影響機(jī)制等，關(guān)于熔射參數(shù)、機(jī)械性能及表面結(jié)構(gòu)間的耦合作用仍有待深入研究，難實(shí)現(xiàn)對(duì)熔射涂層生長(zhǎng)過(guò)程中溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力及所得表面質(zhì)量的精確預(yù)測(cè)。另外，熱等靜壓燒結(jié)、電火花燒結(jié)、表面氧化、拋光等后處理工序?qū)Σ煌牧媳砻尜|(zhì)量的影響規(guī)律及機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。

2.2 等離子體加熱輔助切削

高溫合金等材料由于具有良好的機(jī)械性能、高溫強(qiáng)度較高，在航空領(lǐng)域具有重要應(yīng)用；但其較高硬度導(dǎo)致切削過(guò)程中切削力較大、刀具磨損嚴(yán)重，制約了加工效率和表面質(zhì)量。等離子體加熱輔助切削利用熱等離子體的高溫將材料軟化，從而降低材料屈服強(qiáng)度和切削力，改善材料的切削加工性能[32-34]。與激光加熱輔助切削相比，等離子體加熱輔助切削的效率相對(duì)較高、成本較低[35-37]，具有一定的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

Moon和Lee[35]采用等離子體加熱輔助銑削AISI1045鋼發(fā)現(xiàn)，相比普通銑削，切削力可降低61%，表面粗糙度值可降低79%；輔助銑削Inconel718鎳基高溫合金時(shí)，切削力及表面粗糙度值相比普通銑削也可分別降低57%和82%；另外，等離子體加熱輔助銑削可有效減輕刀具磨損，效果與激光加熱輔助銑削相近，但成本明顯更低。Rao[36]搭建了等離子體加熱輔助車(chē)削試驗(yàn)裝置(圖3)，于不同溫度下車(chē)削AISI4340合金鋼；發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱溫度為200 ℃及400 ℃時(shí)，刀具主要磨損機(jī)制為溝槽磨損，而當(dāng)加熱溫度為600 ℃時(shí)，主要磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散磨損。

圖3 等離子體加熱輔助車(chē)削裝置[36]Fig.3 Plasma heating assisted turning device[36]

等離子體加熱輔助切削過(guò)程中的較高溫度在軟化工件材料的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致刀具切削刃溫度過(guò)高，對(duì)刀具壽命帶來(lái)不利影響[37]。為降低刀具溫度、抑制溝槽磨損，研究人員提出了結(jié)合等離子體加熱和液氮冷卻的復(fù)合加工方法[37-39]：采用熱等離子體加熱工件，同時(shí)利用液氮對(duì)刀具進(jìn)行冷卻[37]，如圖4(a)所示。Razfar等[37]結(jié)合等離子體加熱和液氮冷卻技術(shù)復(fù)合輔助車(chē)削17-4PH不銹鋼，發(fā)現(xiàn)相比干式車(chē)削切削力可降低48%，后刀面磨損明顯減輕(圖4(b)和圖4(c))，刀具壽命可提升117%。Feyzi和Safavi[38]采用等離子體加熱、液氮冷卻及超聲振動(dòng)復(fù)合車(chē)削Inconel718鎳基高溫合金，發(fā)現(xiàn)在相同切削參數(shù)下，刀具壽命相比干式車(chē)削可提高4～8倍，表面輪廓算術(shù)平均偏差可由2.5 μm改善至0.2 μm。

圖4 復(fù)合輔助(等離子體加熱及液氮冷卻)車(chē)削[37]Fig.4 Hybrid (plasma heating and liquid nitrogen cooling) assisted turning[37]

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，等離子體加熱輔助切削可有效改善難加工材料的可加工性，加工效果相比傳統(tǒng)切削可有明顯提升。研究人員還對(duì)等離子體加熱輔助切削過(guò)程進(jìn)行了理論建模和分析，結(jié)合理論分析與試驗(yàn)結(jié)果，研究了等離子體加熱輔助切削過(guò)程的作用機(jī)理及各因素的影響機(jī)制[40-43]。Shin等[40]建立了等離子體加熱輔助車(chē)削Inconel鎳基高溫合金的理論模型，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行仿真分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了等離子體加熱導(dǎo)致工件表面的溫升；通過(guò)車(chē)削試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)車(chē)削相比，等離子體加熱輔助車(chē)削可使切削力降低30%，刀具壽命增加40%，表面粗糙度降低2倍。Lee Y.H.和Lee C.M.[41]采用有限元方法對(duì)等離子體加熱輔助銑削Ti-6Al-4V過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并搭建試驗(yàn)裝置(圖5)開(kāi)展正交試驗(yàn)；理論分析及試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)給速度對(duì)切削力及表面粗糙度的影響較為顯著，當(dāng)進(jìn)給速度為50 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min， 銑削深度為0.2 mm時(shí)，等離子體加熱輔助銑削的作用效果較好，切削力及表面粗糙度值相比普通銑削可分別降低約60.2%和70.47%。

圖5 等離子體加熱輔助銑削裝置[41]Fig.5 Plasma heating assisted milling device[41]

等離子體加熱輔助加工利用熱等離子體較高的宏觀溫度對(duì)材料的熱軟化效應(yīng)，降低材料強(qiáng)度硬度，從而減小難加工材料加工過(guò)程的切削力，緩解刀具磨損，降低表面粗糙度，改善表面質(zhì)量。但由于等離子體加熱輔助加工的加熱區(qū)域溫度梯度較大、可控性相對(duì)較差，加工過(guò)程切削熱相對(duì)較高，易導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)熱損傷、變質(zhì)層等。因此，等離子體加熱輔助加工目前更適合應(yīng)用于可控性、表面完整性要求不高的高強(qiáng)度、高硬度材料的粗加工及半精加工過(guò)程。

3 冷等離子體輔助切削

與熱等離子體相比，冷等離子體具有較低的宏觀溫度，且富含活性粒子；能有效冷卻切削區(qū)域，同時(shí)可調(diào)控材料力學(xué)性能，并快速將材料表面改性至超親水。相比普通表面，水可于超親水表面更快鋪展和滲透[8]；另外，超親水表面可在氣泡下形成更大的液體膜，其臨界熱流密度和換熱系數(shù)更高，表面不易出現(xiàn)膜狀沸騰[44-45]；即超親水表面在切削加工中具有更佳的傳熱效率，且更易被冷卻介質(zhì)浸潤(rùn)。因此，將冷等離子體引入切削區(qū)域，可有效提高切削界面冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)的傳熱效率和潤(rùn)滑能力，改善切削區(qū)域的冷卻潤(rùn)滑環(huán)境，從而提高難加工材料的可加工性。目前，冷等離子體已被應(yīng)用于多種難加工材料的輔助加工過(guò)程中；由于冷等離子體的作用深度有限，故主要應(yīng)用于精密加工過(guò)程中，主要加工形式包括冷等離子體射流輔助拋光、冷等離子體射流輔助車(chē)削、冷等離子體射流輔助微銑削等。

3.1 冷等離子體射流輔助拋光

冷等離子體射流輔助拋光技術(shù)利用冷等離子體射流中活性粒子與表面間的化學(xué)反應(yīng)，降低材料硬度，以提高拋光過(guò)程的材料去除率和表面質(zhì)量。Yamamura等采用大氣壓射頻冷等離子體射流，在氦氣或氬氣中混入水蒸氣或四氟化碳(CF4)作為工作氣體，對(duì)碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)陶瓷、單晶金剛石等多種材料開(kāi)展了一系列輔助拋光試驗(yàn)[46-53]，發(fā)現(xiàn)引入冷等離子體射流可有效提高材料去除率。采用氦氣混水蒸氣冷等離子體射流輔助拋光4H-SiC(圖6[46])發(fā)現(xiàn)，冷等離子體射流作用于表面后，表面硬度由37.4 GPa降至4.5 GPa[47]；分析認(rèn)為是由于SiC被等離子體中羥基(-OH)氧化生成二氧化硅(SiO2)[48]；輔助拋光所得表面輪廓偏離平均線(xiàn)的均方根值(Root-Mean-Square, RMS)可達(dá)0.1 nm級(jí)[46]。采用氬氣混水蒸氣冷等離子體射流輔助拋光單晶金剛石，拋光速度可達(dá)2.1 μm/h，相比普通拋光可提高20倍，表面根均方高度可達(dá)0.13 nm[51]。對(duì)AlN陶瓷進(jìn)行冷等離子體射流輔助拋光發(fā)現(xiàn)，材料去除率顯著提高至500 nm/h，表面算術(shù)平均高度可達(dá)3 nm[52]。Chandra等[54]于單晶藍(lán)寶石拋光過(guò)程中引入氦氣混水蒸氣射頻冷等離子體射流，發(fā)現(xiàn)射流可明顯降低藍(lán)寶石材料硬度，提升材料去除率，且可獲得較佳的表面質(zhì)量。

圖6 冷等離子體射流輔助拋光[46]Fig.6 Cold plasma jet assisted polishing[46]

冷等離子體射流輔助拋光技術(shù)通過(guò)冷等離子體射流與材料表面間的化學(xué)反應(yīng)，生成表面硬度相對(duì)較低的新成分，從而降低材料硬度，顯著提高材料去除率，改善表面質(zhì)量；但目前，該技術(shù)的應(yīng)用主要集中于SiC、藍(lán)寶石等非金屬材料；利用冷等離子體射流輔助拋光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空航天金屬材料的高效高精度拋光，對(duì)于拓展冷等離子體射流輔助拋光技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

3.2 冷等離子體射流輔助車(chē)削

為實(shí)現(xiàn)難加工金屬材料的高效、低損傷車(chē)削加工，劉新等提出了大氣壓冷等離子體射流輔助切削方法，對(duì)TC4鈦合金、304不銹鋼、淬硬軸承鋼GCr15等材料開(kāi)展了理論及試驗(yàn)研究[7,55-57]。首先研制了溫度接近甚至低于室溫、空間電位較低的大氣壓氮?dú)饫涞入x子體射流(Nitrogen Plasma Jet, NPJ)，與金屬材料相接觸時(shí)不會(huì)發(fā)生擊穿，適合用于金屬材料的輔助加工過(guò)程中；搭建冷等離子體射流輔助車(chē)削試驗(yàn)裝置并開(kāi)展試驗(yàn)(圖7[7])發(fā)現(xiàn)，冷等離子體射流可有效降低切削力，延長(zhǎng)刀具壽命，提高表面質(zhì)量。

圖7 冷等離子體射流輔助車(chē)削[7]Fig.7 Cold plasma jet assisted turning[7]

黃帥等[58-60]在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了冷等離子體射流輔助金剛石車(chē)削黑色金屬試驗(yàn)研究，并結(jié)合超聲振動(dòng)，提出了冷等離子體射流輔助超聲振動(dòng)車(chē)削方法[58](裝置如圖8(a)所示)，超聲振動(dòng)使得工件與刀具間斷續(xù)接觸，可促進(jìn)冷等離子體射流進(jìn)入切削區(qū)域。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冷等離子體射流可明顯降低刀-工界面的化學(xué)親和性，進(jìn)而抑制切削黑色金屬過(guò)程中金剛石刀具的磨損(如圖8(b)～圖8(c) 所示)；與普通車(chē)削相比，冷等離子體射流輔助超聲振動(dòng)車(chē)削鏡面模具鋼NAK80的有效切削距離可提高10倍， 工件表面質(zhì)量也有明顯改善[58]。

圖8 冷等離子體射流輔助超聲振動(dòng)車(chē)削[58]Fig.8 Cold plasma jet assisted ultrasonic vibration turning[58]

冷等離子體射流輔助車(chē)削技術(shù)利用溫度接近室溫的冷等離子體射流，基于Rehbinder效應(yīng)，降低刀具-工件間摩擦系數(shù)及工件材料強(qiáng)度硬度，從而改善材料切削加工性能。切削過(guò)程對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)污染，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的難加工材料冷卻潤(rùn)滑方式；但由于輔助車(chē)削過(guò)程中缺少冷卻液等潤(rùn)滑介質(zhì)，等離子體射流的親水性改性作用未被有效利用；另外，冷等離子體射流輔助超聲振動(dòng)車(chē)削過(guò)程中，超聲能場(chǎng)與等離子體場(chǎng)間的復(fù)合作用機(jī)理仍有待深入研究。

3.3 冷等離子體射流輔助微切削

Katahira等[61]采用大氣壓冷等離子體射流輔助微銑削SiC發(fā)現(xiàn)，冷等離子體射流可抑制金剛石刀具的磨損，且可有效降低表面輪廓算術(shù)平均偏差，如圖9[61]所示。

圖9 冷等離子體射流輔助微銑削[61]Fig.9 Cold plasma jet assisted micro-milling[61]

劉碩提出結(jié)合冷等離子體射流和微量潤(rùn)滑冷卻(Minimum Quantity Lubrication, MQL)的復(fù)合輔助微切削方法[62]，利用冷等離子體射流的親水性改性效果和MQL冷卻介質(zhì)的相變傳熱特性，改善難加工材料的冷卻潤(rùn)滑環(huán)境和加工表面質(zhì)量。對(duì)TC4鈦合金[62]、鎳基高溫合金Inconel718[63]、淬硬軸承鋼GCr15[64]等材料開(kāi)展輔助切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與干式微銑削相比，冷等離子體射流MQL輔助微銑削的切削溫度、切削力顯著降低，所得表面質(zhì)量有明顯改善。以TC4鈦合金為例，冷等離子體射流MQL輔助微銑削的各向切削力相比干式微銑削可降低約10%～25%，切削溫度可降低約36%，表面刀痕明顯減輕(圖10[62,64])，表面輪廓算術(shù)平均偏差可降低約50%[62]。為研究冷等離子體射流輔助切削的作用機(jī)理，于不同氣氛下開(kāi)展拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)冷等離子體射流可降低材料的拉伸強(qiáng)度，促進(jìn)材料斷裂[62-64]，如圖11[62]所示。

圖10 冷等離子體射流MQL復(fù)合輔助微銑削Fig.10 Cold plasma jet MQL assisted micro-milling

圖11 冷等離子體射流作用下拉伸試驗(yàn)[62]Fig.11 Tensile experiment in plasma jet atmosphere[62]

冷等離子體射流MQL復(fù)合輔助加工技術(shù)通過(guò)引入MQL冷卻介質(zhì)，結(jié)合了等離子體對(duì)材料的親水性改性作用、Rehbinder效應(yīng)及MQL冷卻介質(zhì)的相變傳熱效果，通過(guò)降低材料變形抗力、促進(jìn)冷卻介質(zhì)浸潤(rùn)，以有效改善切削區(qū)冷卻潤(rùn)滑環(huán)境，降低切削溫度和切削力；但對(duì)于磨削等冷卻潤(rùn)滑環(huán)境更惡劣的加工過(guò)程，如何確保射流及MQL冷卻介質(zhì)沖破氣障層被有效輸送至磨削區(qū)域，仍有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié) 論

低溫等離子體富含高能活性粒子，能有效改善材料的可切削性，越來(lái)越多地被應(yīng)用于難加工材料的輔助切削過(guò)程中。本文在介紹等離子體基本特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外低溫等離子體輔助加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分別闡述了熱等離子體輔助加工和冷等離子體輔助加工的作用機(jī)理及效果，得出如下結(jié)論：

1) 根據(jù)熱力學(xué)平衡狀態(tài)的不同，可將低溫等離子體分為宏觀溫度高于金屬材料熔點(diǎn)的熱等離子體和宏觀溫度接近或低于室溫的冷等離子體。熱等離子體輔助加工的主要作用機(jī)理為較高宏觀溫度將材料熔化及熱軟化效應(yīng)；冷等離子體輔助加工的主要作用機(jī)理為等離子體與材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所致的親水性改性作用及Rehbinder效應(yīng)；從而促進(jìn)冷卻介質(zhì)浸潤(rùn)切削區(qū)域，降低材料硬度及強(qiáng)度，改善材料切削加工性能。

2) 熱等離子體能通過(guò)熱軟化效應(yīng)有效降低材料強(qiáng)度硬度，降低切削力，但熱等離子體輔助加工過(guò)程的可控性較差，較大的溫度梯度易導(dǎo)致表面出現(xiàn)熱損傷，產(chǎn)生熱應(yīng)力；因此，熱等離子體輔助加工更適用于對(duì)所得表面完整性要求相對(duì)較低的應(yīng)用領(lǐng)域，如高強(qiáng)度、高硬度航空航天材料的粗加工及半精加工、難熔融復(fù)合材料及模具的快速成形等。

3) 冷等離子體的宏觀溫度較低，且富含活性粒子，可通過(guò)親水性改性及Rehbinder效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)切削區(qū)域冷卻潤(rùn)滑環(huán)境及材料特性的調(diào)控，從而降低切削力，提高表面完整性；冷等離子體的作用深度有限，更適合調(diào)控難加工材料的精密加工過(guò)程，如鈦合金、鎳基高溫合金等航空航天材料的精密、微細(xì)加工過(guò)程。

4.2 展 望

目前，低溫等離子體已被廣泛應(yīng)用于難加工材料的輔助加工過(guò)程，在分析低溫等離子體輔助加工作用機(jī)理及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做出如下展望：

1) 熱等離子體輔助加工過(guò)程中的較高溫度易導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)熱損傷，產(chǎn)生熱應(yīng)力；在保證加工效率的前提下，實(shí)現(xiàn)低損傷的熱等離子體輔助加工具有重要研究意義。另外，對(duì)于等離子體熔射成形技術(shù)，建立熔射參數(shù)、機(jī)械性能及表面結(jié)構(gòu)間的耦合作用體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔射涂層生長(zhǎng)過(guò)程中溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力及所得表面質(zhì)量的精確預(yù)測(cè)也具有重要研究?jī)r(jià)值。

2) 冷等離子體射流輔助拋光技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于碳化硅、藍(lán)寶石等非金屬材料，可有效提高材料去除率、改善拋光質(zhì)量；但針對(duì)難加工金屬材料的等離子體輔助拋光技術(shù)尚未見(jiàn)報(bào)道。借助低電位、不易與金屬發(fā)生擊穿的冷等離子體射流，實(shí)現(xiàn)難加工金屬材料的高效高表面完整性光整加工，將成為冷等離子體射流輔助拋光領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

3) 目前，冷等離子體射流輔助切削過(guò)程中所使用的射流活性較高，同時(shí)電位、宏觀溫度均較低，對(duì)切削溫度及其他加工設(shè)備的影響較小，適用于多能場(chǎng)耦合加工。在冷等離子體射流輔助切削過(guò)程中同時(shí)引入超聲能場(chǎng)、微量潤(rùn)滑冷卻介質(zhì)，在深入分析各能場(chǎng)對(duì)材料特性影響規(guī)律及耦合作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用超聲振動(dòng)產(chǎn)生的空化作用，促進(jìn)冷等離子體射流及微量潤(rùn)滑冷卻介質(zhì)進(jìn)入刀具-工件接觸界面，可望顯著改善冷卻介質(zhì)在切削界面的滲透性，提高表面完整性，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。