徐省三，汪 煒，陸日欽，張 偉

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

隨著航空航天、電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的不斷拓展，對(duì)精密儀器的微細(xì)結(jié)構(gòu)加工要求也越來(lái)越高，對(duì)于金屬及合金的微細(xì)加工要求不斷向精密化和微細(xì)化發(fā)展，如：發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、濾清器過(guò)濾網(wǎng)等。掩膜電解加工是一種利用陽(yáng)極溶解原理去除金屬材料的圖形復(fù)制加工技術(shù)，相比電火花加工和激光加工，具有加工過(guò)程中無(wú)應(yīng)力，無(wú)變形，工具無(wú)損耗，不受材料硬度、韌性、剛度等物理性能的影響，加工形狀多樣，表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，掩膜電解加工過(guò)程中也暴露出了許多問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。如：掩膜層通常采用光刻膠，在電解加工中，工件表面產(chǎn)生大量的熱集中區(qū)以及電解液的高速?zèng)_刷，絕緣掩膜層極易發(fā)生翹邊現(xiàn)象，特別是在加工一些難刻蝕材料時(shí)，甚至?xí)l(fā)生掩膜層的脫落，極大地影響了加工精度，且每個(gè)工件都必須進(jìn)行涂膜、曝光、顯影，加工步驟繁瑣，提高了加工成本[2-3]。本文提出的Al-Al2O3模板的制備方法是通過(guò)摩擦輔助微弧氧化技術(shù)，在模板表面原位生長(zhǎng)出一層硬度較高、耐磨、絕緣性能較好的陶瓷層作為掩膜層，利用此模板可作為工具陰極，應(yīng)用于微細(xì)電解加工中。

1 原理與方法

微弧氧化（micro-arc oxidation，MAO）是將 Al、Mg和Ti等有色金屬或其合金置于堿性水溶液中，施以高電壓，利用電物理和電化學(xué)等復(fù)合工藝方法，使材料表面產(chǎn)生火花放電斑點(diǎn)，在熱化學(xué)、等離子體化學(xué)和電化學(xué)共同作用下，材料表面生成一層具有絕緣特征的金屬氧化膜[4]。陶瓷層生長(zhǎng)過(guò)程與特征見表1，等離子放電區(qū)的瞬間溫度是相當(dāng)高的，在此區(qū)域內(nèi)的金屬及其氧化物發(fā)生熔化，高溫?zé)Y(jié)作用使氧化膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，生成具有晶態(tài)氧化膜陶瓷相結(jié)構(gòu)，且此陶瓷層是從基體表面原位生長(zhǎng)的，與基體結(jié)合緊密，不易脫落[5]。微弧氧化膜層具有結(jié)構(gòu)致密、韌性高、耐磨、耐腐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣性能好等特性[6]。

表1 微弧氧化陶瓷層生長(zhǎng)過(guò)程與特征

微弧氧化處理后形成Al2O3陶瓷層的厚度可達(dá)2～200 μm，甚至更厚，其基本性能和陶瓷（剛玉）類似，此陶瓷膜層由內(nèi)向外可分為過(guò)渡層、致密層和疏松層（圖1）。過(guò)渡層是緊密牢固結(jié)合鋁表面的薄層，厚為 3～5 μm，主要由 α-Al2O3、γ-Al2O3和正長(zhǎng)石K（A1Si2O8）組成[7]；致密層是微弧氧化的主體，厚度可達(dá) 150～250 μm， 其成分主要以剛玉 ɑ-Al2O3為主，也含有少量的γ-Al2O3，空隙率很小，硬度極高；疏松層結(jié)構(gòu)疏松粗糙、脆且硬度低，含有大量的小氣孔、針孔，在含硅酸鹽的溶液中，疏松層含有硅酸鋁 A1Si2O5和 γ-Al2O3。

圖1 鋁微弧氧化陶瓷層生長(zhǎng)示意圖

由于疏松層的這些缺點(diǎn)，在掩膜電解刻蝕過(guò)程中與掩膜層的要求不符，因而在模板和電極之間添加一層不導(dǎo)電的游離粒子，在微弧氧化過(guò)程中利用運(yùn)動(dòng)的刮板帶動(dòng)游離粒子不斷摩擦、擠壓模板疏松層表面，可有效拭除疏松粗糙組織結(jié)構(gòu)，游離粒子還可對(duì)已形成的氣孔等微觀凸起有機(jī)械磨削和拋光作用，從而抑制氣孔繼續(xù)長(zhǎng)大，形成表面較平整、光潔且含少量微氣孔的陶瓷層，其機(jī)械性能也非常優(yōu)異[8]。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)建立

Al-Al2O3模板的制備分為兩個(gè)步驟：首先，將鋁模板裁剪成合適的尺寸，利用光刻電解的方法加工出具有陣列群孔的模板工件，模板的制作必須保證較高的精度，以保證后期圖形轉(zhuǎn)移的精度；然后，利用摩擦輔助微弧氧化工藝方法 （工藝系統(tǒng)見圖2），在模板表面原位生長(zhǎng)出一層硬度高、耐磨性好且絕緣性強(qiáng)的陶瓷層作為掩膜層，摩擦輔助微弧氧化試驗(yàn)條件見表2。

表2 摩擦輔助微弧氧化試驗(yàn)條件

圖2 模板陰極摩擦輔助微弧氧化系統(tǒng)

高壓脈沖電源是微弧氧化中最關(guān)鍵的設(shè)備，電源的脈沖波形、極性及電流密度等參數(shù)都將影響微弧氧化的成膜效率和膜層性能。微弧氧化過(guò)程中，模板通過(guò)底座夾具中的碳刷進(jìn)電，將不導(dǎo)電的游離粒子（陶瓷珠）覆蓋在模板之上，調(diào)節(jié)電機(jī)到合適的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)刮板帶動(dòng)粒子不斷摩擦擠壓模板表面。由于微弧氧化過(guò)程中，模板工件會(huì)產(chǎn)生高溫，因此利用離心泵使工作液不斷沖刷模板表面，及時(shí)帶走產(chǎn)生的熱量，微弧氧化脈沖電源先調(diào)到低壓300 V左右20 s，等陶瓷層均勻生長(zhǎng)一段時(shí)間后，再將電壓調(diào)到450 V高壓加工特定時(shí)間。取出模板，可發(fā)現(xiàn)模板表面均勻生長(zhǎng)了一層淺黑色、質(zhì)地堅(jiān)硬的陶瓷膜。對(duì)摩擦輔助微弧氧化后的模板工件進(jìn)行表面清洗固膜等處理后，陶瓷層具有較好的耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性，且內(nèi)外均一性較好。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

傳統(tǒng)微弧氧化后，工件表面的陶瓷層粗糙疏松，且有明顯的隆起和凹坑，非常不平整，且通過(guò)表面EDS測(cè)量發(fā)現(xiàn)陶瓷層中含有Na、Si及K等元素化合物雜質(zhì)存在（圖3）。加入不導(dǎo)電游離粒子的摩擦輔助后，微弧氧化陶瓷層表面光潔平整，且具有較高硬度，通過(guò)EDS測(cè)量，可發(fā)現(xiàn)基本只含有Al和O兩種元素，其原子數(shù)量比為3∶2，因而陶瓷層中絕大部分為Al2O3，雜質(zhì)較少（圖4）。

圖3 常規(guī)微弧氧化表面形貌圖及能譜圖

圖4 摩擦輔助微弧氧化形貌圖及能譜圖

圖5分別是鋁模板工件摩擦輔助微弧氧化在60、180、300 s后的膜層形貌圖。通過(guò)電子顯微鏡觀察不同加工時(shí)間下陶瓷膜層的形貌，以研究陶瓷層隨時(shí)間的生長(zhǎng)規(guī)律。分別測(cè)得60、180、300 s時(shí)試驗(yàn)件的膜層厚度為70、150、200 μm。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，陶瓷膜層厚度隨著加工時(shí)間的增長(zhǎng)不斷增加，但當(dāng)加工時(shí)間增長(zhǎng)到300 s時(shí)，膜層厚度達(dá)到最大，之后基本保持不變。

圖5 膜層形貌圖

通過(guò)硬度檢測(cè)儀分別對(duì)基底鋁片和陶瓷層進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)。圖6a是模板陰極基底材料鋁片的維氏硬度壓痕，其硬度為34.5 HV，圖6b是Al–Al2O3模板陶瓷層（掩膜層）的維氏硬度壓痕，其硬度為390.9 HV。因此，通過(guò)摩擦輔助微弧氧化后的陶瓷層具有相當(dāng)高的硬度。

圖6 維氏硬度壓痕圖

利用搖表可測(cè)出Al-Al2O3模板陶瓷層的絕緣電阻，電阻率ρ的表達(dá)式為：

式中：l為材料的厚度；S為橫截面積。通過(guò)計(jì)算可得出此陶瓷層的電阻率可達(dá)108～109Ω·cm。利用表面粗糙度儀可檢測(cè)出陶瓷層的表面粗糙度Ra值為2.37 μm。上述陶瓷掩膜層的各項(xiàng)參數(shù)可滿足微細(xì)雙面電解加工的要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種低成本、高精度Al–Al2O3模板的制備工藝方法，并將其應(yīng)用到微細(xì)電解加工中。鋁-陶瓷模板的制備是利用微弧氧化方法，結(jié)合陶瓷珠的摩擦輔助工藝，在具有陣列群孔的鋁片模板表面原位生長(zhǎng)出一層陶瓷層作為掩膜層。通過(guò)控制和優(yōu)化工藝參數(shù)，在鋁模板表面成功制備出硬度為 390.9 HV，電阻率可達(dá) 108～109Ω·cm，表面粗糙度 Ra值為 2.37 μm， 厚度為 70～200 μm 的陶瓷絕緣層。

綜合比較試驗(yàn)結(jié)果可知，鋁模板微弧氧化過(guò)程中，摩擦輔助方法起到機(jī)械磨削和拋光的作用，可有效提高陶瓷層的成膜質(zhì)量和性能，原位生長(zhǎng)出的陶瓷層與基底結(jié)合牢固，硬度高，耐磨性好，具有良好的絕緣性，可滿足微細(xì)電解加工要求。

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