不銹鋼表面光纖激光掩膜微細電解復合加工

李小海,王淑銘,2,王 冬,佟 晗

(1.佳木斯大學機械工程學院,黑龍江 佳木斯 154002；2.佳木斯大學材料科學與工程學院,黑龍江 佳木斯 154002)

1 引 言

電解加工是以“離子”方式去除金屬,在金屬微細加工領域有廣闊的發展前景。目前,為了克服電解加工的雜散腐蝕,國內外學者對微細電解加工展開廣泛的研究。如M.Kock[1]、于洽等[2]采用納秒級超窄脈沖電流微細電解加工微小金屬零件,取得較好研究成果；鄭丕顯[3]通過疊加磁場進行微細電解加工,有利于提高加工精度、改善表面質量和提高加工效率；鮑懷謙[4]利用純水進行微細電解,采用陽離子交換膜促進超純水解離,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構；張朝陽等[6-7]提出激光電解復合微細加工,選用導電透明的氧化銦錫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生的鈍化薄膜,后繼電解,實現微細加工；PAJAK等[8]采用激光輔助加熱電解液射流復合加工微小件,都取得較好加工效果。

為了抑制雜散腐蝕,實現微細電解加工,本文采用光纖激光表面工程技術,在304不銹鋼表面直寫掃描打標刻蝕圖案,進行表面改性,生成具有耐腐蝕性保護掩膜,結合微細電解加工,生成復雜微細結構。

2 加工機理

2.1 制作掩膜層原理

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

圖1 光纖激光掩膜微細電解加工裝置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聚焦系統形成直徑很小的激光焦點,經過精密三坐標工作臺、振鏡能控制激光焦點在工件掃描路徑,在工件表面加工直寫,實現對工件表面加熱區域的尺寸和形狀嚴格控制,進行激光表面改性處理,可以在工件上生成具有特殊性質的復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、熱作用區很小,生成亞微米級掩膜保護層。

工件進行激光制掩膜時,先規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決定,激光掃描路徑規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,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作用的掩膜圖案。然后采用高頻脈沖電流進行微細電解加工,用片狀金屬電極作微細電解加工陰極,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行反復掃描。由于不銹鋼工件表面有暫時的掩膜保護層,金屬電解腐蝕速度明顯緩慢,而沒有掩膜保護層區域金屬能被快速電解腐蝕,就能實現微細電解定域加工,可得到按一定掩膜圖案保護的二維結構微型腔。一次激光掩膜電解加工型腔很淺,可進行多次激光掩膜微細電解加工,提高型腔加工深度,激光掩膜圖案重復定位精度小于2 μm。如果每次制作的掩膜層圖案不同,可加工具有多層結構的微小型腔。

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

激光掃描加熱也會引起表面金屬發生相變,如果光纖激光能量密度加大,會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,不銹鋼表面金屬會被氧化,表面金屬驟熱驟冷,會在工件表面產生顯微裂紋等缺陷。激光加熱會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密,能夠使工件表面性能得以改善,增強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,調整激光束能量密度,在304不銹鋼工件表面進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的機理。如圖5顯示出隨濺射時間改變在304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激光掩膜測試。金屬表面層的厚度與濺射時間有關,在較長的濺射時間內,在金屬表面上能夠得到的內層的XPS譜圖。試樣分為經激光掩膜處理過的304不銹鋼和未經激光掩膜處理過的基體304不銹鋼兩種。如圖5(a)中,隨著濺射的時間的增加,結合能的主峰從575.8 eV(氧化鉻態)降低到574.0 eV(鉻金屬狀態)。這表明,未經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,雖然濺射時間的增加,結合能主峰固定在577.1 eV左右,呈鉻氧化物態(Cr2O3,CrO3)。這表明經激光掩膜處理的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間變化的Fe的XPS能譜。在未經激光掩膜處理過的基體304不銹鋼表面,隨著濺射時間的增加,結合能主峰從710.1 eV(為氧化鐵態)降低至707.1 eV(為鐵金屬態),如圖6(a)所示,說明未經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,隨著濺射時間增加,結合能主峰固定在710.0 eV,對應于氧化鐵狀態。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 隨濺射時間變化的Fe 2p光譜Fig.6 Fe 2p spectra with change of sputtering time

根據法拉第定律,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為電化學當量。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域間電阻R2,工具電極與掩膜區之間電流密度I1比電極與非掩膜區之間電流密度I2要小很多,所以掩膜區材料溶解去除速度比非掩膜區的去除速度小很多。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作用,能實現定域加工。

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

3 激光掩膜微細電解加工試驗

在光纖激光掩膜微細電解加工裝置上進行加工試驗研究。首先選用合適的激光參數對304不銹鋼工件進行掩膜化處理,如表1所示。將已掩膜化處理過的樣件在電解槽內進行微細電解加工試驗,不銹鋼片狀電極作為陰極工具電極,已經被激光掩膜處理過的不銹鋼工件作為陽極,數控系統使工具電極在不銹鋼工件上方往復掃描進行電解加工,在電解加工過程中嚴格控制極間距離,加工中加工間隙保持不變。微細電解加工參數如表2所示,電解液采用1.8 mol/L 硝酸鈉溶液,利用電解液循環系統中的微型隔膜泵提供動力,從小噴嘴噴射出高速流動的電解液,電解液流量為320 mL/min,快速沖走電解產物,使電解加工順利進行。

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

表2 微細電解加工中所選參數Tab.2 Electrochemical processing parameters

一次掩膜復合電解加工的型腔深度小,可重復多次掩膜電解加工,加工的型腔深度顯著提高。圖8是經三次掩膜微細電解加工的樣件,型腔深度約23 μm,激光制掩膜掃描速度20 mm/s,且可同時加工多個樣件。每一次掩膜后,片狀電極在已掩膜工件表面上方往復走2次掃描電解加工,再進入下一次激光掃描制掩膜圖案。

圖8 典型結構樣件Fig.8 Typical structural sample

圖9是采用光學輪廓儀測量的圖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,所加工的型腔側壁較陡直。微細電解加工的型腔表面光滑,經光學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,且無需制作微細成型電極,所以加工每個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展前景。

圖9 光學輪廓儀測量微結構圖片Fig.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 論

基于激光表面改性,與微細電解加工相結合,研發了激光掩膜微細電解加工平臺,探索了激光掩膜微細電解加工機理。首先利用光纖激光在304不銹鋼表面打標,進行表面改性,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電解加工中做掩膜保護層實現微細加工。加工試驗結果證明激光掩膜微細電解復合加工工藝能快速加工出微細結構,該工藝在微細加工領域具有很好的發展前景。

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