江 一,汪 煒,劉正塤,何鐵軍,彭 昀

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

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,大量形狀各異的微小尺寸結(jié)構(gòu)和高精度零件的加工需求不斷增加。微細(xì)群孔作為一種典型的微細(xì)結(jié)構(gòu),在航空航天、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于鈦合金具有密度小、比強(qiáng)大、良好的耐蝕性及生物相容性等特點(diǎn)[1],因此,近年來(lái)鈦及鈦合金的微細(xì)群孔加工成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

目前鈦及鈦合金的微細(xì)群孔加工方法主要包括沖壓、銑削、鉆孔、激光打孔、電火花加工及光化學(xué)、光刻電解等加工方法[2]。由于光刻技術(shù)能快速實(shí)現(xiàn)微細(xì)圖形轉(zhuǎn)移,電解加工又能高效地進(jìn)行多孔同時(shí)加工,而光刻電解加工結(jié)合了光刻技術(shù)和電解加工兩者的優(yōu)點(diǎn),因此相對(duì)于其他加工方法,光刻電解加工具有更多優(yōu)勢(shì),如無(wú)殘余應(yīng)力、無(wú)加工毛刺、成本低廉等。然而,電解反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量和氣泡,導(dǎo)致腐蝕不均勻,且由于電解產(chǎn)物難以排出,加大電解側(cè)蝕量,影響加工精度及表面粗糙度。為解決這個(gè)問(wèn)題,常采用流動(dòng)電解液、間歇式加工以及低溫和氧化層掩膜技術(shù)等,缺點(diǎn)是操作復(fù)雜,加工效率低,加工質(zhì)量也難以控制[3]。由于激波特有的擾動(dòng)作用,可促進(jìn)新鮮電解液的輸送和電解產(chǎn)物的排出,對(duì)提高電解加工效率和精度十分有利。本文通過(guò)激波輔助光刻電解的方法進(jìn)行微細(xì)群孔的加工試驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加工效率、穩(wěn)定性以及表面質(zhì)量都有明顯提高。

1 試驗(yàn)方法

光刻電解加工是實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的處理技術(shù),首先根據(jù)待加工圖形加工出掩膜母板,然后通過(guò)曝光、顯影等工序?qū)⒀谀つ赴迳系膸缀螆D形轉(zhuǎn)移到試件表面光刻膠上,在試件上形成具有一定圖案的裸露表面,然后再進(jìn)行電解加工[4～6]。光刻電解工藝流程如圖1所示。

圖1 激波輔助光刻電解工藝流程

清洗:為使光刻膠與試件(厚100μm的純鈦薄板)粘結(jié)牢固,分別用酸和堿對(duì)試件進(jìn)行超聲清洗,清洗后在烘箱中150℃烘30min,以去除試件表面水分,然后冷卻備用。

勻膠:光刻膠的厚度對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果影響較大。本試驗(yàn)使用負(fù)性光刻膠(DET466,荷蘭HTP公司生產(chǎn)),勻膠速度為3000 r/min,得到膠層厚度約為10μm。

曝光:曝光工藝對(duì)掩膜圖形和電解精度有很大影響。若曝光時(shí)間過(guò)短,則光刻膠掩膜圖形易變形,若曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則會(huì)導(dǎo)致電解時(shí)側(cè)蝕嚴(yán)重。本試驗(yàn)根據(jù)光刻膠特性和膠厚,使用JKG—2A型光刻機(jī),曝光時(shí)間為40 s。

顯影:曝光后光刻膠中形成了潛影,通過(guò)顯影才形成可靠的圖形影像。顯影工藝主要是液體顯影,用溶劑除去光刻膠中未曝光部分,裸露出待腐蝕的圖形區(qū)域。本試驗(yàn)使用專用顯影液,顯影時(shí)間為30 s。

電解:將工件安裝在自制夾具上,選擇適當(dāng)電極間距及電參數(shù),采用激波輔助電解加工。完畢后去膠,即可得到所需零件結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)純鈦微細(xì)群孔加工,選擇合適的電解液非常重要。針對(duì)純鈦微細(xì)結(jié)構(gòu)加工特性,本試驗(yàn)選用文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)效果較好的3 mol/L的H2SO4/Methanol溶液作為電解液[7],開(kāi)展電解試驗(yàn)研究。為盡量提高加工效率,也為減小雜散腐蝕的影響,必須選擇合適的極間距離,試驗(yàn)采用的極間距離為20mm。由于激波能有效促進(jìn)電解液的輸送和電解產(chǎn)物的排出,試驗(yàn)選用激波輔助方法進(jìn)行純鈦微細(xì)群孔光刻電解試驗(yàn)研究(圖2)。

圖2 激波輔助電解系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中采用自研的激波輔助電解系統(tǒng),原理如圖2a所示。通過(guò)對(duì)壓電換能器施加電脈沖激勵(lì),壓電換能器會(huì)產(chǎn)生脈沖超聲波(頻率為1 MHz),由在液體介質(zhì)傳輸過(guò)程中的非線性效應(yīng),產(chǎn)生激波[8～10]。圖2a中左上方是兆赫超聲在液體中傳播時(shí)在焦點(diǎn)處產(chǎn)生的激波波形,該壓力信號(hào)波形持續(xù)時(shí)間極短,上升沿極陡,正向壓力 p+=40～100MPa,負(fù)向壓力 p-=4～10MPa,對(duì)極間產(chǎn)生瞬時(shí)定向壓力擾動(dòng),促進(jìn)電解產(chǎn)物的排出和電解液的循環(huán)。為了解不同電解產(chǎn)物排出方式對(duì)加工效率的影響,本文采用磁力攪拌(轉(zhuǎn)速為1000 r/min),普通超聲(頻率為40 kHz)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

光刻電解加工中,有光刻膠遮蔽的部分受到保護(hù)不發(fā)生反應(yīng),而未受光刻膠保護(hù)的部分即加工區(qū)域受到腐蝕成形[11～12](圖3)。

圖3 光刻電解過(guò)程示意圖

在電解過(guò)程中,基體會(huì)產(chǎn)生側(cè)蝕現(xiàn)象,使加工孔形成一定的錐度,這影響了加工精度和尺寸一致性。因此控制側(cè)蝕量 l以及加工錐度成為電解加工的重要指標(biāo)。由于通過(guò)激波輔助加工,電解產(chǎn)物能及時(shí)排除,新鮮電解液也能迅速得到補(bǔ)充,由圖4a看出,在100μm厚的純鈦試件上加工的 300μm 微細(xì)群孔加工錐度很小,表面質(zhì)量很好。對(duì)加工群孔直徑進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖4b所示,孔的平均直徑為371μm,尺寸一致性很好。

圖4 純鈦試件上加工微細(xì)群孔

2.1 加工過(guò)程中鈍化現(xiàn)象的改善

電解液是影響電解加工效果的重要因素,對(duì)電解加工精度、表面品質(zhì)以及加工效率均有影響。由于鈦是自鈍化性很強(qiáng)的金屬,若采用一般的水基電解液,在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鈍化,導(dǎo)致加工難以進(jìn)行。本試驗(yàn)選用3mol/L的H2SO4/Methanol有機(jī)溶液作為電解液,開(kāi)展激波輔助純鈦微細(xì)群孔光刻電解試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以H2SO4/Methanol有機(jī)溶液作為電解液,蝕除速率和表面粗糙度令人滿意。

對(duì)于H2SO4/Methanol溶液,電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下:

事實(shí)上,使用H2SO4/Methanol溶液作為電解液腐蝕純鈦,反應(yīng)產(chǎn)物及其形成機(jī)理十分復(fù)雜。研究表明,在特定濃度的H2SO4溶液中,Ti4+的產(chǎn)物自陽(yáng)極界面向電解液中的擴(kuò)散速率是有限的,確切地說(shuō),當(dāng)達(dá)到該極限擴(kuò)散速率時(shí),Ti4+的產(chǎn)物將發(fā)生沉淀,因此對(duì)純鈦的進(jìn)一步腐蝕將造成嚴(yán)重影響。此外,當(dāng)含水量超過(guò)一定比例時(shí),還會(huì)發(fā)生鈍化反應(yīng),表面形成 TiO2膜。

2.2 加工效率

為了解不同電解產(chǎn)物排出方式對(duì)加工效率的影響,分別對(duì)3種條件(磁力攪拌、超聲輔助加工、激波輔助加工)下的電解加工平均電流進(jìn)行了記錄,其電流-時(shí)間曲線見(jiàn)圖5。由圖可知,采用磁力攪拌方式時(shí),電流隨加工進(jìn)行明顯變小,這是因?yàn)槠胀〝嚢璺绞胶茈y將反應(yīng)產(chǎn)物及時(shí)排出,新鮮電解液不能及時(shí)補(bǔ)充,造成加工電流變小。

圖5 3種條件下電流—時(shí)間曲線

采用超聲和激波輔助加工時(shí),電解液擾動(dòng)劇烈,加工電流穩(wěn)定,加工效率明顯提高,不同條件下加工效率見(jiàn)表1。

表1 不同條件下材料蝕除速率對(duì)比

2.3 表面質(zhì)量

由表1可知,對(duì)于超聲輔助加工,隨著超聲功率增大,加工效率提高,改善了加工質(zhì)量。但是超聲功率越大,加工過(guò)程中光刻膠損傷也越嚴(yán)重。試驗(yàn)所用的超聲頻率較低,只有40 kHz,從聲學(xué)角度來(lái)看,空化閾值低,易發(fā)生空化。伴隨著空化效應(yīng)的影響,局部高溫和微射流會(huì)對(duì)光刻膠造成一定的破壞,產(chǎn)生鉆蝕現(xiàn)象,導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)缺陷。尤其是使用100 W檔的超聲輔助加工時(shí),鈦表面極易出現(xiàn)缺陷(圖6a)。相比于普通超聲,激波由于具有良好指向性和能量可控性,能有效抑制空化效應(yīng),減少對(duì)光刻膠的破壞,提高了鈦表面質(zhì)量,如圖6b所示,鈦表面未出現(xiàn)由于光刻膠受破壞導(dǎo)致的缺陷。

圖6 超聲(100 W)與激波條件下電解加工表面質(zhì)量

3 結(jié)論

本文介紹了激波輔助純鈦微細(xì)群孔光刻電解試驗(yàn)研究,采用有機(jī)電解液H2SO4/Methanol,避免了純鈦電解過(guò)程中表面鈍化現(xiàn)象的產(chǎn)生,結(jié)合激波產(chǎn)生的定向壓力擾動(dòng),促進(jìn)了電解液的循環(huán)和電解產(chǎn)物的排出,有效提高了加工精度和效率,加工表面光滑,加工群孔尺寸一致性好。此外,由于激波具有良好指向性和能量可控性,能有效抑制空化效應(yīng),減少對(duì)光刻膠的破壞,提高了鈦表面質(zhì)量。

鈦在有機(jī)電解液中的反應(yīng)產(chǎn)物及其形成機(jī)理很復(fù)雜。在后續(xù)的工作中,可進(jìn)一步研究鈦在有機(jī)電解液中的反應(yīng)機(jī)理,以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

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