李小海,王淑銘,2,王 冬,佟 晗

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154002；2.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154002)

1 引 言

電解加工是以“離子”方式去除金屬,在金屬微細(xì)加工領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。目前,為了克服電解加工的雜散腐蝕,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微細(xì)電解加工展開廣泛的研究。如M.Kock[1]、于洽等[2]采用納秒級(jí)超窄脈沖電流微細(xì)電解加工微小金屬零件,取得較好研究成果；鄭丕顯[3]通過疊加磁場進(jìn)行微細(xì)電解加工,有利于提高加工精度、改善表面質(zhì)量和提高加工效率；鮑懷謙[4]利用純水進(jìn)行微細(xì)電解,采用陽離子交換膜促進(jìn)超純水解離,提高電解加工電流密度,在不銹鋼表面加工微孔；琚金星[5]采用光致抗蝕干膜,電解液正沖,在金屬零件表面加工群凹坑結(jié)構(gòu)；張朝陽等[6-7]提出激光電解復(fù)合微細(xì)加工,選用導(dǎo)電透明的氧化銦錫ITO玻璃作為電解陰極,光纖激光掃描加熱去除電解加工中在金屬表面產(chǎn)生的鈍化薄膜,后繼電解,實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工；PAJAK等[8]采用激光輔助加熱電解液射流復(fù)合加工微小件,都取得較好加工效果。

為了抑制雜散腐蝕,實(shí)現(xiàn)微細(xì)電解加工,本文采用光纖激光表面工程技術(shù),在304不銹鋼表面直寫掃描打標(biāo)刻蝕圖案,進(jìn)行表面改性,生成具有耐腐蝕性保護(hù)掩膜,結(jié)合微細(xì)電解加工,生成復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)。

2 加工機(jī)理

2.1 制作掩膜層原理

研發(fā)的光纖激光掩膜微細(xì)電解加工裝置是將光纖激光表面改性模塊與微細(xì)電解加工模塊安裝在同一分辨率為0.4 μm的三軸進(jìn)給滑臺(tái)上,解決激光掩膜電解復(fù)合加工定位問題,如圖1所示。

圖1 光纖激光掩膜微細(xì)電解加工裝置Fig.1 The developed EMM device with fiber laser masking

激光制掩膜模塊采用德國IPG公司脈沖式輸出的光纖激光器,振鏡為德國SCANLAB光學(xué)振鏡。光纖激光器輸出功率范圍0～20 W,最小激光光斑直徑為10 μm,激光輸出頻率范圍0～100 kHz,輸出激光波長1.064 μm。通過精密激光器的光學(xué)聚焦系統(tǒng)形成直徑很小的激光焦點(diǎn),經(jīng)過精密三坐標(biāo)工作臺(tái)、振鏡能控制激光焦點(diǎn)在工件掃描路徑,在工件表面加工直寫,實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面加熱區(qū)域的尺寸和形狀嚴(yán)格控制,進(jìn)行激光表面改性處理,可以在工件上生成具有特殊性質(zhì)的復(fù)雜形狀圖案作為掩膜。由于采用的光纖激光功率小、脈沖性輸出,脈沖寬度只有100 ns,所以激光掃描過的表面熔層很薄、熱作用區(qū)很小,生成亞微米級(jí)掩膜保護(hù)層。

工件進(jìn)行激光制掩膜時(shí),先規(guī)劃激光填充圖案掃描方式和路徑。采用脈沖方式輸出的光纖激光,掃描軌跡由一系列有一定光斑直徑的圓組成,如圖2所示。激光掃描線寬由激光光斑直徑?jīng)Q定,激光掃描路徑規(guī)劃由激光掃描線寬和線間距確定。

圖2 激光填充掃描方式路徑規(guī)劃Fig.2 Laser scanning path planning as laser filling pattern

如圖3所示,首先利用激光表面改性技術(shù),用光纖激光高密度能量束按一定路徑掃描304不銹鋼(06Cr19Ni10)材料表面,在其表面使之生成具有起保護(hù)作用的掩膜圖案。然后采用高頻脈沖電流進(jìn)行微細(xì)電解加工,用片狀金屬電極作微細(xì)電解加工陰極,生成掩膜圖案的不銹鋼為陽極,片狀金屬電極在與工件表面上方間隔一定距離進(jìn)行反復(fù)掃描。由于不銹鋼工件表面有暫時(shí)的掩膜保護(hù)層,金屬電解腐蝕速度明顯緩慢,而沒有掩膜保護(hù)層區(qū)域金屬能被快速電解腐蝕,就能實(shí)現(xiàn)微細(xì)電解定域加工,可得到按一定掩膜圖案保護(hù)的二維結(jié)構(gòu)微型腔。一次激光掩膜電解加工型腔很淺,可進(jìn)行多次激光掩膜微細(xì)電解加工,提高型腔加工深度,激光掩膜圖案重復(fù)定位精度小于2 μm。如果每次制作的掩膜層圖案不同,可加工具有多層結(jié)構(gòu)的微小型腔。

圖3 激光多次掩膜加工原理Fig.3 Principle of electrochemical micromachining by laser masking many times

激光掃描加熱也會(huì)引起表面金屬發(fā)生相變,如果光纖激光能量密度加大,會(huì)使工件材料表面層瞬間熔化,然后快速冷卻凝固。如圖4所示,在激光功率5 W,激光掃描速度為20 mm/s,在8 K鏡面304不銹鋼表面上打標(biāo)金屬熔凝生成再鑄層。在激光制掩膜過程中,不銹鋼表面金屬會(huì)被氧化,表面金屬驟熱驟冷,會(huì)在工件表面產(chǎn)生顯微裂紋等缺陷。激光加熱會(huì)在不銹鋼表面生成金屬熔凝薄層,在熔凝層中形成的金相組織晶粒較細(xì)密,能夠使工件表面性能得以改善,增強(qiáng)工件材料表層耐蝕性[9]。

圖4 激光掩膜前后表面SEM圖Fig.4 SEM images of 304 stainless steel treated by laser masking

2.2 激光掩膜層X射線光電子能譜分析

按圖4掩膜制作掩膜的加工條件,調(diào)整激光束能量密度,在304不銹鋼工件表面進(jìn)行激光制作掩膜表面改性。利用XPS(X-ray photoelectron spectroscopy analysis,XPS)研究其表面特性,探索304不銹鋼激光掩膜后抗腐蝕性增強(qiáng)的機(jī)理。如圖5顯示出隨濺射時(shí)間改變?cè)?04不銹鋼表面上鉻Cr成分變化的XPS能譜。采用ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜分析對(duì)激光掩膜測試。金屬表面層的厚度與濺射時(shí)間有關(guān),在較長的濺射時(shí)間內(nèi),在金屬表面上能夠得到的內(nèi)層的XPS譜圖。試樣分為經(jīng)激光掩膜處理過的304不銹鋼和未經(jīng)激光掩膜處理過的基體304不銹鋼兩種。如圖5(a)中,隨著濺射的時(shí)間的增加,結(jié)合能的主峰從575.8 eV(氧化鉻態(tài))降低到574.0 eV(鉻金屬狀態(tài))。這表明,未經(jīng)激光掩膜改性處理的304不銹鋼表面被覆有很薄的氧化鉻層。從圖5(b)所示,雖然濺射時(shí)間的增加,結(jié)合能主峰固定在577.1 eV左右,呈鉻氧化物態(tài)(Cr2O3,CrO3)。這表明經(jīng)激光掩膜處理的304不銹鋼表面覆有一層較厚的金屬鉻氧化物(Cr2O3,CrO3)層。

圖5 隨濺射時(shí)間變化的Cr 2p光譜Fig.5 Cr 2p spectra with change of sputtering time

圖6所示為在304不銹鋼表面上隨濺射時(shí)間變化的Fe的XPS能譜。在未經(jīng)激光掩膜處理過的基體304不銹鋼表面,隨著濺射時(shí)間的增加,結(jié)合能主峰從710.1 eV(為氧化鐵態(tài))降低至707.1 eV(為鐵金屬態(tài)),如圖6(a)所示,說明未經(jīng)激光掩膜改性處理的304不銹鋼表面被覆有一層很薄的氧化鐵層。但從如圖6(b)中可知,隨著濺射時(shí)間增加,結(jié)合能主峰固定在710.0 eV,對(duì)應(yīng)于氧化鐵狀態(tài)。這表明被激光掩膜處理過的304不銹鋼這表明表面覆有一層較厚的鐵氧化物(FeO和Fe2O3)層。

圖6 隨濺射時(shí)間變化的Fe 2p光譜Fig.6 Fe 2p spectra with change of sputtering time

根據(jù)法拉第定律,電解加工速度να為：

να=ηωI

(1)

式中,η為加工電流效率；I為電流密度;ω為電化學(xué)當(dāng)量。如圖7,由于掩膜上覆有Cr、Fe等氧化物,所以工具電極與掩膜間電阻R1大于工具電極與非掩膜區(qū)域間電阻R2,工具電極與掩膜區(qū)之間電流密度I1比電極與非掩膜區(qū)之間電流密度I2要小很多,所以掩膜區(qū)材料溶解去除速度比非掩膜區(qū)的去除速度小很多。因此,激光掩膜所生成的氧化物層在電解加工中起主要保護(hù)作用,能實(shí)現(xiàn)定域加工。

圖7 激光掩膜電解加工定域加工機(jī)理Fig.7 Localized processing mechanism of electrochemical machining with laser masking

3 激光掩膜微細(xì)電解加工試驗(yàn)

在光纖激光掩膜微細(xì)電解加工裝置上進(jìn)行加工試驗(yàn)研究。首先選用合適的激光參數(shù)對(duì)304不銹鋼工件進(jìn)行掩膜化處理,如表1所示。將已掩膜化處理過的樣件在電解槽內(nèi)進(jìn)行微細(xì)電解加工試驗(yàn),不銹鋼片狀電極作為陰極工具電極,已經(jīng)被激光掩膜處理過的不銹鋼工件作為陽極,數(shù)控系統(tǒng)使工具電極在不銹鋼工件上方往復(fù)掃描進(jìn)行電解加工,在電解加工過程中嚴(yán)格控制極間距離,加工中加工間隙保持不變。微細(xì)電解加工參數(shù)如表2所示,電解液采用1.8 mol/L 硝酸鈉溶液,利用電解液循環(huán)系統(tǒng)中的微型隔膜泵提供動(dòng)力,從小噴嘴噴射出高速流動(dòng)的電解液,電解液流量為320 mL/min,快速?zèng)_走電解產(chǎn)物,使電解加工順利進(jìn)行。

表1 激光掩膜所選用的激光加工參數(shù)表Tab.1 Laser processing parameters

表2 微細(xì)電解加工中所選參數(shù)Tab.2 Electrochemical processing parameters

一次掩膜復(fù)合電解加工的型腔深度小,可重復(fù)多次掩膜電解加工,加工的型腔深度顯著提高。圖8是經(jīng)三次掩膜微細(xì)電解加工的樣件,型腔深度約23 μm,激光制掩膜掃描速度20 mm/s,且可同時(shí)加工多個(gè)樣件。每一次掩膜后,片狀電極在已掩膜工件表面上方往復(fù)走2次掃描電解加工,再進(jìn)入下一次激光掃描制掩膜圖案。

圖8 典型結(jié)構(gòu)樣件Fig.8 Typical structural sample

圖9是采用光學(xué)輪廓儀測量的圖8(a)型腔的形貌圖,包括型腔的高度差、粗糙度和截面輪廓等。從圖9可知,所加工的型腔側(cè)壁較陡直。微細(xì)電解加工的型腔表面光滑,經(jīng)光學(xué)輪廓儀測量的加工表面的面粗糙度Sa值為0.263 μm,電解腐蝕后的不銹鋼表面如圖10所示。由于電極掃描速度為200 μm/s,且無需制作微細(xì)成型電極,所以加工每個(gè)型腔樣件效率非常高。該工藝在微流道、微模具型腔制作等方面具有很好發(fā)展前景。

圖9 光學(xué)輪廓儀測量微結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.9 Measurement of microstructure by optical profilometer

圖10 電解加工后的表面形貌Fig.10 Surface morphology after EMM

4 結(jié) 論

基于激光表面改性,與微細(xì)電解加工相結(jié)合,研發(fā)了激光掩膜微細(xì)電解加工平臺(tái),探索了激光掩膜微細(xì)電解加工機(jī)理。首先利用光纖激光在304不銹鋼表面打標(biāo),進(jìn)行表面改性,生成了具有耐腐蝕性Fe、Cr氧化物掩膜層,再利用激光掩膜層在微細(xì)電解加工中做掩膜保護(hù)層實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工。加工試驗(yàn)結(jié)果證明激光掩膜微細(xì)電解復(fù)合加工工藝能快速加工出微細(xì)結(jié)構(gòu),該工藝在微細(xì)加工領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。

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