刘吉宇，张帆，陈阳，金洙吉，刘新

大连理工大学 机械工程学院，大连 116024

近年来，随着航空航天、电子、机械及核工业的快速发展，镍基高温合金、轴承钢、钛合金、硬质合金等高强度合金材料及复合材料由于具有机械性能高、高温强度高、耐高温、高压、可适应各种特殊工作环境等特性，在航空发动机、燃气轮机、飞机起落架、核主泵及多种特种装备的零部件的制造上得到广泛应用[1-5]。然而，这些材料的强度和硬度高，且成分复杂，含有多种金属化合物和不均匀分布的硬质点，可切削加工性很差，而特殊的使役要求对这些高强度合金的加工精度、表面完整性和疲劳寿命要求越来越高。如何实现上述材料的高效精密低损伤加工，是精密与非传统加工领域亟待解决的问题。

等离子体中富含高能活性粒子，作用于材料表面时，可有效提高表面亲水性、降低材料强度、硬度及变形抗力、改善材料切削加工性能。将等离子体引入切削区域时，等离子体对材料特性的调控效果可有效促进冷却介质浸润切削区域及材料去除，对实现难加工材料的高效精密低损伤加工具有重要意义。与高温等离子体相比，低温等离子体较易获得和维持；近年来，国内外学者已将低温等离子体引入多种难加工材料的加工过程中，并取得了丰富的研究成果。在介绍等离子体基本特性的基础上，阐述了低温等离子体辅助加工的作用机理，简述了低温等离子体在难加工材料辅助加工过程中的应用，并对低温等离子体辅助加工的发展前景提出展望。

1 等离子体基本特性及分类

等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系，被认为是固态、液态、气态之后的物质第四态[6]。等离子体广泛存在于自然界中，宇宙中超过99%的物质处于等离子体态，极光、太阳、闪电等均为典型的天然等离子体；日常生活中所用的臭氧发生器、霓虹灯、等离子体显示屏，及国防科工领域应用中的托卡马克、氢弹、高功率微波器等也均为等离子体。

根据等离子体中电子温度的不同，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体，如表1[7-8]所示。高温等离子体中电子温度(Te)可达108K，等离子体完全电离，粒子密度很大，如自然界中的太阳核心、实验室中的托卡马克装置所产生的等离子体。低温等离子体中电子温度一般低于105K，等离子体部分电离，实验室中一般由气体放电产生。根据低温等离子体热力学平衡状态的不同，又可将其分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体中电子温度和离子温度(Ti)均较高且近似相等(Te≈Ti≈ 104～105K)，处于局部热力学平衡状态，宏观温度最高可达105K，等离子体弧、碘钨灯等均为此类等离子体；冷等离子体中电子温度远高于离子温度(Te≈ 104～105K，Ti≈ 103K)，一般处于非局部热力学平衡状态，宏观温度较低甚至接近室温，生活中常见的冷等离子体有极光、日光灯等。

热等离子体温度较高，可熔化绝大部分金属材料；而冷等离子体虽宏观温度较低，但富含高能活性粒子，如电子(能量为1～10 eV)、激发态原子或分子(能量为0～20 eV)、光子(能量为3～40 eV)等。因此，低温等离子体处理表面时，等离子体可通过一系列物理化学反应，改变材料特性，以改善材料切削加工性能；主要包括：改变材料状态的熔化效应、改变材料硬度强度的热软化效应、改变材料润湿性的亲水性改性、改变材料变形抗力的Rehbinder效应等。

表1 等离子体分类[7-8]Table 1 Classification of plasma[7-8]

1) 熔化效应

热等离子体的宏观温度较高，作用于金属材料表面时，其高温可将各种难熔融材料熔化。等离子体喷涂技术利用热等离子体为热源，将金属或陶瓷等难熔融材料加热至熔化或半熔化状态，高速喷射而沉积至工件表面上；将此技术和快速原型制造技术相结合，研究人员提出了等离子体熔射成形技术，如图1(a)所示，使熔融状态材料在原模表面集结成形，经被衬、脱模、强化等处理，制备出特定形状的零件及型腔。

2) 热软化效应

在热等离子体的高温作用下，金属材料的强度、硬度因热软化效应明显降低；如将热等离子体应用于轴承钢、镍基高温合金等高硬度材料的车削、铣削等加工过程中，作用于工件表面，如图1(b)所示，则可通过降低工件材料强度硬度，降低切削力，改善材料切削加工性能。

图1 低温等离子体辅助加工示意图Fig.1 Schematic diagram of low temperature plasma assisted machining

3) 亲水性改性

润湿性是固体表面的重要特征之一，主要由水在表面的接触角θ衡量；当接触角θ<10°时，液体可于固体表面较好铺展，固体表面为超亲水表面。低温等离子体中高能电子及重离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)等典型化学键键能。因此，采用低温等离子体处理材料表面时，等离子体中高能电子或重离子可将材料表层分子链的化学键打断。材料表层分子链上的化学键被打断后，将于打断位置出现悬空键，形成表面自由基，低温等离子体中的O、-OH等自由基可与材料表面自由基相结合，形成C-O、C=O等亲水性含氧官能团，从而提高表面亲水性。在航空航天材料的加工过程中，冷却介质难有效浸润加工区域，导致切削温度较高。由于低温等离子体可有效提高表面亲水性，且宏观温度较低；如将低温等离子体及冷却介质同时引入切削区域，如图1(c)所示，可促进冷却介质浸润加工区域，改善切削区域冷却润滑环境。

4) Rehbinder效应

苏联科学家Ребиндер开展晶体划痕试验研究发现，极性分子积聚于晶体表面缺陷处时，可显著降低划痕硬度，由此提出Rehbinder假说[9-10]。该假说认为，活性粒子吸附于材料微观裂纹处，可促进裂纹的扩展，降低材料屈服应力，进而促进材料发生断裂。实际金属表面总存在微裂纹等缺陷，而等离子体中富含活性粒子；等离子体作用于金属表面时，金属表面会吸附活性粒子，促进裂纹和晶格间隙的扩张，降低材料的变形抗力。由于特殊使役性能需求，大部分航空航天材料的强度、硬度较高，导致加工过程中切削力大，刀具磨损严重，表面质量较差。低温等离子体通过Rehbinder效应可有效降低材料加工过程中的变形抗力，促进材料断裂，从而有效降低切削力，抑制刀具磨损，改善所得表面质量。

综上所述，低温等离子体作用于材料表面时，可提高表面亲水性、促进材料断裂；另外，热等离子体的较高宏观温度还可对材料产生热软化效应，降低材料强度硬度。低温等离子体对材料特性的调控效果为其在辅助加工中的应用提供了基础。低温等离子体包括热等离子体和冷等离子体；两者宏观温度、活性粒子浓度等特性相差较大，应用于加工过程中时，其作用机理、适用范围也有所不同，下文分别对热等离子体和冷等离子体在辅助加工中的应用进行阐述。

2 热等离子体辅助加工

热等离子体具有较高宏观温度(中心区域温度最高可达20 000 K)且能量较为集中，作用于材料表面时，可将材料快速熔化或软化，从而实现高效加工。目前，热等离子体在辅助加工中的应用主要包括等离子体熔射成形和等离子体加热辅助加工。

2.1 等离子体熔射成形

在航空、航天等尖端科技领域，设备的使役环境较为恶劣且对设备性能的要求较高，工程陶瓷、高熔点金属合金及新型复合材料应运而生，并具有良好的应用前景。但上述材料的硬度、熔点相对较高，导致相应产品的设计和高效制造存在较大困难。等离子体熔射成形技术利用等离子体弧的较高温度和能量，将材料快速熔化，制造效率较高，材料适用性好，已被广泛应用于Ni-Cr合金、WC、Mo等多种高熔点金属材料和工程陶瓷的零件高效制造。等离子体熔射成形技术的工艺流程如图2(a)[11]所示，先利用等离子体弧的较高温度将材料快速熔化，并通过热等离子体中的高速气流冲击将熔化的材料雾化成熔滴，熔滴高速撞击原模表面，并沉积形成模具型腔内表面，再经背衬材料加固、脱模、后处理、去除背衬等一系列工艺，最终得到零件。Sampath等[12-15]采用等离子体熔射成形技术，制备了多种形状的氧化物陶瓷、多层及功能梯度材料零件；对熔滴生长特性开展研究发现，熔滴的完好扁平可有效改善涂层表面质量和机械性能[12]。Cheng等[16]采用热等离子体将AlCoCrFeNi高熵合金粉末熔化，通过调节电流及氩气流量，成功制备了孔隙、组分及硬度均可调的AlCoCrFeNi高熵合金涂层。曾好平[11]、徐文骥[17]和方建成[18]等结合理论和试验分析，研究了铝、不锈钢等熔滴生长特性、扁平过程、涂层形成机理、冷却过程温度场分布等关键问题，发现增大熔滴直径和温度可同时增大熔滴的扁平时间和扁平率；提高氢气流量可提高涂层显微硬度，减小孔隙率，有效改善所得表面质量。

在熔射成形工艺过程中，除了熔射工艺参数，合理调整后处理工艺及添加微纳尺度材料也可显著提高所得零件质量[19-23]。熊翔等[20]研究等离子体熔射成形技术制备钼表面的工艺过程发现，对成形件进行热等静压处理可显著提高材料力学性能；显微硬度及拉伸强度相比处理前均可提高1倍以上。Laha等[21-22]利用等离子体熔射成形技术制备碳纳米管加固的铝-硅合金，发现等离子体可于反应界面形成约5 nm厚的β-SiC反应层，提高了表面的亲水性；拉伸试验表明，成形过程中加入碳纳米管后，复合材料的弹性模量可增加78%。

另外，由于等离子体熔射成形技术能可控地将材料喷涂于特定形状的腔体中，该技术还可实现薄壁件的近终形制造[24-27]。熊翔等[24]结合等离子体熔射成形和真空液相烧结技术，制备了如图2(b)所示的高密度钨合金薄壁件(直径≤100 mm，长度≤150 mm，厚度≤5 mm)。王月明等[26]采用等离子体熔射成形和热等静压处理，制备了如图2(c)所示的W-Re合金药型罩；经机械抛光后，其厚度为1.7±0.05 mm，且不含碳或碳化物等杂质。

图2 等离子体熔射成形Fig.2 Plasma spray forming

由于等离子体熔射成形可精确复制原模形状，该技术除了能实现高熔点零件的快速制造，还可低成本、高效制备多种材料的模具[28-31]。邓琦林等[29]试验研究发现，等离子体熔射成形技术可精密复制母模的表面形貌，提出该技术可实现陶瓷、金属及复合材料的薄壁零件和简易模具的高效制备。方建成等[30]采用等离子体熔射成形技术，实现了梯度功能材料WC-12%Co/NiCrAl模具的低成本、快速制造。张博等[31]采用热等离子体熔化stellite6及SiC粉末，在塑料模具表面制备了显微硬度超过1 000 HV的强化层，有效提高了模具的使用寿命。

等离子体熔射成形技术可实现复杂形状零件及模具的高效、低成本制备，材料适应性广泛，所得材料表面强度较高且较为纯净，在航空航天、原子能等技术领域具有良好的应用前景。但熔射成形过程中的较高温度可能导致材料表面微观结构的烧损，影响零件和模具的制造精度，产生残余热应力；对于等离子体熔射成形过程，目前的理论研究主要集中于熔滴扁平过程、熔射参数对涂层特性影响机制等，关于熔射参数、机械性能及表面结构间的耦合作用仍有待深入研究，难实现对熔射涂层生长过程中温度场、热应力及所得表面质量的精确预测。另外，热等静压烧结、电火花烧结、表面氧化、抛光等后处理工序对不同材料表面质量的影响规律及机理仍有待进一步研究。

2.2 等离子体加热辅助切削

高温合金等材料由于具有良好的机械性能、高温强度较高，在航空领域具有重要应用；但其较高硬度导致切削过程中切削力较大、刀具磨损严重，制约了加工效率和表面质量。等离子体加热辅助切削利用热等离子体的高温将材料软化，从而降低材料屈服强度和切削力，改善材料的切削加工性能[32-34]。与激光加热辅助切削相比，等离子体加热辅助切削的效率相对较高、成本较低[35-37]，具有一定的独特优势。

Moon和Lee[35]采用等离子体加热辅助铣削AISI1045钢发现，相比普通铣削，切削力可降低61%，表面粗糙度值可降低79%；辅助铣削Inconel718镍基高温合金时，切削力及表面粗糙度值相比普通铣削也可分别降低57%和82%；另外，等离子体加热辅助铣削可有效减轻刀具磨损，效果与激光加热辅助铣削相近，但成本明显更低。Rao[36]搭建了等离子体加热辅助车削试验装置(图3)，于不同温度下车削AISI4340合金钢；发现当加热温度为200 ℃及400 ℃时，刀具主要磨损机制为沟槽磨损，而当加热温度为600 ℃时，主要磨损机制转变为扩散磨损。

图3 等离子体加热辅助车削装置[36]Fig.3 Plasma heating assisted turning device[36]

等离子体加热辅助切削过程中的较高温度在软化工件材料的同时，也会导致刀具切削刃温度过高，对刀具寿命带来不利影响[37]。为降低刀具温度、抑制沟槽磨损，研究人员提出了结合等离子体加热和液氮冷却的复合加工方法[37-39]：采用热等离子体加热工件，同时利用液氮对刀具进行冷却[37]，如图4(a)所示。Razfar等[37]结合等离子体加热和液氮冷却技术复合辅助车削17-4PH不锈钢，发现相比干式车削切削力可降低48%，后刀面磨损明显减轻(图4(b)和图4(c))，刀具寿命可提升117%。Feyzi和Safavi[38]采用等离子体加热、液氮冷却及超声振动复合车削Inconel718镍基高温合金，发现在相同切削参数下，刀具寿命相比干式车削可提高4～8倍，表面轮廓算术平均偏差可由2.5 μm改善至0.2 μm。

图4 复合辅助(等离子体加热及液氮冷却)车削[37]Fig.4 Hybrid (plasma heating and liquid nitrogen cooling) assisted turning[37]

上述试验结果表明，等离子体加热辅助切削可有效改善难加工材料的可加工性，加工效果相比传统切削可有明显提升。研究人员还对等离子体加热辅助切削过程进行了理论建模和分析，结合理论分析与试验结果，研究了等离子体加热辅助切削过程的作用机理及各因素的影响机制[40-43]。Shin等[40]建立了等离子体加热辅助车削Inconel镍基高温合金的理论模型，对加工过程进行仿真分析，准确预测了等离子体加热导致工件表面的温升；通过车削试验对仿真结果进行验证，发现与传统车削相比，等离子体加热辅助车削可使切削力降低30%，刀具寿命增加40%，表面粗糙度降低2倍。Lee Y.H.和Lee C.M.[41]采用有限元方法对等离子体加热辅助铣削Ti-6Al-4V过程的温度场进行仿真分析，并搭建试验装置(图5)开展正交试验；理论分析及试验结果表明，进给速度对切削力及表面粗糙度的影响较为显著，当进给速度为50 mm/min，主轴转速为12 000 r/min， 铣削深度为0.2 mm时，等离子体加热辅助铣削的作用效果较好，切削力及表面粗糙度值相比普通铣削可分别降低约60.2%和70.47%。

图5 等离子体加热辅助铣削装置[41]Fig.5 Plasma heating assisted milling device[41]

等离子体加热辅助加工利用热等离子体较高的宏观温度对材料的热软化效应，降低材料强度硬度，从而减小难加工材料加工过程的切削力，缓解刀具磨损，降低表面粗糙度，改善表面质量。但由于等离子体加热辅助加工的加热区域温度梯度较大、可控性相对较差，加工过程切削热相对较高，易导致加工表面出现热损伤、变质层等。因此，等离子体加热辅助加工目前更适合应用于可控性、表面完整性要求不高的高强度、高硬度材料的粗加工及半精加工过程。

3 冷等离子体辅助切削

与热等离子体相比，冷等离子体具有较低的宏观温度，且富含活性粒子；能有效冷却切削区域，同时可调控材料力学性能，并快速将材料表面改性至超亲水。相比普通表面，水可于超亲水表面更快铺展和渗透[8]；另外，超亲水表面可在气泡下形成更大的液体膜，其临界热流密度和换热系数更高，表面不易出现膜状沸腾[44-45]；即超亲水表面在切削加工中具有更佳的传热效率，且更易被冷却介质浸润。因此，将冷等离子体引入切削区域，可有效提高切削界面冷却润滑介质的传热效率和润滑能力，改善切削区域的冷却润滑环境，从而提高难加工材料的可加工性。目前，冷等离子体已被应用于多种难加工材料的辅助加工过程中；由于冷等离子体的作用深度有限，故主要应用于精密加工过程中，主要加工形式包括冷等离子体射流辅助抛光、冷等离子体射流辅助车削、冷等离子体射流辅助微铣削等。

3.1 冷等离子体射流辅助抛光

冷等离子体射流辅助抛光技术利用冷等离子体射流中活性粒子与表面间的化学反应，降低材料硬度，以提高抛光过程的材料去除率和表面质量。Yamamura等采用大气压射频冷等离子体射流，在氦气或氩气中混入水蒸气或四氟化碳(CF4)作为工作气体，对碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)陶瓷、单晶金刚石等多种材料开展了一系列辅助抛光试验[46-53]，发现引入冷等离子体射流可有效提高材料去除率。采用氦气混水蒸气冷等离子体射流辅助抛光4H-SiC(图6[46])发现，冷等离子体射流作用于表面后，表面硬度由37.4 GPa降至4.5 GPa[47]；分析认为是由于SiC被等离子体中羟基(-OH)氧化生成二氧化硅(SiO2)[48]；辅助抛光所得表面轮廓偏离平均线的均方根值(Root-Mean-Square, RMS)可达0.1 nm级[46]。采用氩气混水蒸气冷等离子体射流辅助抛光单晶金刚石，抛光速度可达2.1 μm/h，相比普通抛光可提高20倍，表面根均方高度可达0.13 nm[51]。对AlN陶瓷进行冷等离子体射流辅助抛光发现，材料去除率显著提高至500 nm/h，表面算术平均高度可达3 nm[52]。Chandra等[54]于单晶蓝宝石抛光过程中引入氦气混水蒸气射频冷等离子体射流，发现射流可明显降低蓝宝石材料硬度，提升材料去除率，且可获得较佳的表面质量。

图6 冷等离子体射流辅助抛光[46]Fig.6 Cold plasma jet assisted polishing[46]

冷等离子体射流辅助抛光技术通过冷等离子体射流与材料表面间的化学反应，生成表面硬度相对较低的新成分，从而降低材料硬度，显著提高材料去除率，改善表面质量；但目前，该技术的应用主要集中于SiC、蓝宝石等非金属材料；利用冷等离子体射流辅助抛光技术，实现航空航天金属材料的高效高精度抛光，对于拓展冷等离子体射流辅助抛光技术的应用具有重要意义。

3.2 冷等离子体射流辅助车削

为实现难加工金属材料的高效、低损伤车削加工，刘新等提出了大气压冷等离子体射流辅助切削方法，对TC4钛合金、304不锈钢、淬硬轴承钢GCr15等材料开展了理论及试验研究[7,55-57]。首先研制了温度接近甚至低于室温、空间电位较低的大气压氮气冷等离子体射流(Nitrogen Plasma Jet, NPJ)，与金属材料相接触时不会发生击穿，适合用于金属材料的辅助加工过程中；搭建冷等离子体射流辅助车削试验装置并开展试验(图7[7])发现，冷等离子体射流可有效降低切削力，延长刀具寿命，提高表面质量。

图7 冷等离子体射流辅助车削[7]Fig.7 Cold plasma jet assisted turning[7]

黄帅等[58-60]在此基础上开展了冷等离子体射流辅助金刚石车削黑色金属试验研究，并结合超声振动，提出了冷等离子体射流辅助超声振动车削方法[58](装置如图8(a)所示)，超声振动使得工件与刀具间断续接触，可促进冷等离子体射流进入切削区域。试验发现，冷等离子体射流可明显降低刀-工界面的化学亲和性，进而抑制切削黑色金属过程中金刚石刀具的磨损(如图8(b)～图8(c) 所示)；与普通车削相比，冷等离子体射流辅助超声振动车削镜面模具钢NAK80的有效切削距离可提高10倍， 工件表面质量也有明显改善[58]。

图8 冷等离子体射流辅助超声振动车削[58]Fig.8 Cold plasma jet assisted ultrasonic vibration turning[58]

冷等离子体射流辅助车削技术利用温度接近室温的冷等离子体射流，基于Rehbinder效应，降低刀具-工件间摩擦系数及工件材料强度硬度，从而改善材料切削加工性能。切削过程对环境几乎无污染，是一种具有广阔应用前景的难加工材料冷却润滑方式；但由于辅助车削过程中缺少冷却液等润滑介质，等离子体射流的亲水性改性作用未被有效利用；另外，冷等离子体射流辅助超声振动车削过程中，超声能场与等离子体场间的复合作用机理仍有待深入研究。

3.3 冷等离子体射流辅助微切削

Katahira等[61]采用大气压冷等离子体射流辅助微铣削SiC发现，冷等离子体射流可抑制金刚石刀具的磨损，且可有效降低表面轮廓算术平均偏差，如图9[61]所示。

图9 冷等离子体射流辅助微铣削[61]Fig.9 Cold plasma jet assisted micro-milling[61]

刘硕提出结合冷等离子体射流和微量润滑冷却(Minimum Quantity Lubrication, MQL)的复合辅助微切削方法[62]，利用冷等离子体射流的亲水性改性效果和MQL冷却介质的相变传热特性，改善难加工材料的冷却润滑环境和加工表面质量。对TC4钛合金[62]、镍基高温合金Inconel718[63]、淬硬轴承钢GCr15[64]等材料开展辅助切削试验发现，与干式微铣削相比，冷等离子体射流MQL辅助微铣削的切削温度、切削力显著降低，所得表面质量有明显改善。以TC4钛合金为例，冷等离子体射流MQL辅助微铣削的各向切削力相比干式微铣削可降低约10%～25%，切削温度可降低约36%，表面刀痕明显减轻(图10[62,64])，表面轮廓算术平均偏差可降低约50%[62]。为研究冷等离子体射流辅助切削的作用机理，于不同气氛下开展拉伸试验，发现冷等离子体射流可降低材料的拉伸强度，促进材料断裂[62-64]，如图11[62]所示。

图10 冷等离子体射流MQL复合辅助微铣削Fig.10 Cold plasma jet MQL assisted micro-milling

图11 冷等离子体射流作用下拉伸试验[62]Fig.11 Tensile experiment in plasma jet atmosphere[62]

冷等离子体射流MQL复合辅助加工技术通过引入MQL冷却介质，结合了等离子体对材料的亲水性改性作用、Rehbinder效应及MQL冷却介质的相变传热效果，通过降低材料变形抗力、促进冷却介质浸润，以有效改善切削区冷却润滑环境，降低切削温度和切削力；但对于磨削等冷却润滑环境更恶劣的加工过程，如何确保射流及MQL冷却介质冲破气障层被有效输送至磨削区域，仍有待进一步深入研究。

4 结论及展望

4.1 结 论

低温等离子体富含高能活性粒子，能有效改善材料的可切削性，越来越多地被应用于难加工材料的辅助切削过程中。本文在介绍等离子体基本特性的基础上，结合国内外低温等离子体辅助加工技术的研究现状，分别阐述了热等离子体辅助加工和冷等离子体辅助加工的作用机理及效果，得出如下结论：

1) 根据热力学平衡状态的不同，可将低温等离子体分为宏观温度高于金属材料熔点的热等离子体和宏观温度接近或低于室温的冷等离子体。热等离子体辅助加工的主要作用机理为较高宏观温度将材料熔化及热软化效应；冷等离子体辅助加工的主要作用机理为等离子体与材料表面发生化学反应所致的亲水性改性作用及Rehbinder效应；从而促进冷却介质浸润切削区域，降低材料硬度及强度，改善材料切削加工性能。

2) 热等离子体能通过热软化效应有效降低材料强度硬度，降低切削力，但热等离子体辅助加工过程的可控性较差，较大的温度梯度易导致表面出现热损伤，产生热应力；因此，热等离子体辅助加工更适用于对所得表面完整性要求相对较低的应用领域，如高强度、高硬度航空航天材料的粗加工及半精加工、难熔融复合材料及模具的快速成形等。

3) 冷等离子体的宏观温度较低，且富含活性粒子，可通过亲水性改性及Rehbinder效应实现对切削区域冷却润滑环境及材料特性的调控，从而降低切削力，提高表面完整性；冷等离子体的作用深度有限，更适合调控难加工材料的精密加工过程，如钛合金、镍基高温合金等航空航天材料的精密、微细加工过程。

4.2 展 望

目前，低温等离子体已被广泛应用于难加工材料的辅助加工过程，在分析低温等离子体辅助加工作用机理及研究现状的基础上，对其发展趋势做出如下展望：

1) 热等离子体辅助加工过程中的较高温度易导致材料表面出现热损伤，产生热应力；在保证加工效率的前提下，实现低损伤的热等离子体辅助加工具有重要研究意义。另外，对于等离子体熔射成形技术，建立熔射参数、机械性能及表面结构间的耦合作用体系，实现对熔射涂层生长过程中温度场、热应力及所得表面质量的精确预测也具有重要研究价值。

2) 冷等离子体射流辅助抛光技术目前已被广泛应用于碳化硅、蓝宝石等非金属材料，可有效提高材料去除率、改善抛光质量；但针对难加工金属材料的等离子体辅助抛光技术尚未见报道。借助低电位、不易与金属发生击穿的冷等离子体射流，实现难加工金属材料的高效高表面完整性光整加工，将成为冷等离子体射流辅助抛光领域的研究重点之一。

3) 目前，冷等离子体射流辅助切削过程中所使用的射流活性较高，同时电位、宏观温度均较低，对切削温度及其他加工设备的影响较小，适用于多能场耦合加工。在冷等离子体射流辅助切削过程中同时引入超声能场、微量润滑冷却介质，在深入分析各能场对材料特性影响规律及耦合作用机理的基础上，利用超声振动产生的空化作用，促进冷等离子体射流及微量润滑冷却介质进入刀具-工件接触界面，可望显著改善冷却介质在切削界面的渗透性，提高表面完整性，具有重要的研究意义和应用价值。