潮湿颗粒电解质电化学机械抛光铜工件的接触特性研究.pdf

论坛FORUM引文格式：董志刚，程吉瑞，高尚，等.潮湿颗粒电解质电化学机械抛光铜工件的接触特性研究 .航空制造技术,2 0 2 3,6 6(13):38 45,7 2.DONG Zhigang,CHENG Jirui,GAO Shang,et al.Study on contact characteristics of moist particle electrolyte electrochemicalmechanical polishing of copper workpieceJJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(13):38-45,72.潮湿颗粒电解质电化学机械抛光铜工件的接触特性研究*董志刚，程吉瑞，高尚，康仁科（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，大连116 0 2 4）摘要潮湿颗粒电解质电化学机械抛光（Moist particleelectrolyteelectrochemicalmechanical polishing，M PE-ECMP）作为新兴技术，仍存在难以获得高表面质量的问题。为解决该问题，深入研究电解质颗粒与工件的接触特性，采用离散元仿真软件AltairEDEM探究了工件倾斜角、转速对接触数量、接触力的影响规律，并进行MPE-ECMP工艺试验。研究结果表明，倾斜角为30 时，单位时间内电解质颗粒与工件的接触数量最多，且切向力最大，为3.38mN；在9 0 时，切向力最小，为1.2 1mN。随着工件转速增大，单位时间内电解质颗粒与工件的接触数量变少，电解质颗粒与工件接触的法向力、切向力呈增大趋势。当抛光电位（vs.Hg/Hg2SO4）为0.8 V，工件倾斜角为30，抛光1h，表面粗糙度从S.433.51nm降低到S.22.43nm，降低了9 4.8%。结果证明了工件倾斜角、转速的调整可有效提高MPE-ECMP的抛光精度，表面粗糙度的降低是由接触数量及接触力共同决定的，EDEM可有效模拟电解质颗粒运动的流态特性，为MPE-ECMP的进一步研究奠定了基础。关键词：潮湿颗粒电解质电化学机械抛光（MPE-ECMP）；离散元法；流场轨迹；接触特性；表面质量D0I:10.16080/j.issn1671-833x.2023.13.038铜及铜合金因具备高热导率、高延展性、高电导率等优异特性-4,被广泛应用于航空航天精密零件 5-8 、表面技术 9 、集成电路 10-13 等领域。为了满足服役性能,对纯铜的表面质量提出了更高的要求。为了使纯铜达到超精密表面，常需对其进行抛光加工。传统的抛光方法有机械抛光、化学抛光及电化学抛光。机械抛光是采用高速旋转的抛光轮黏附抛光膏消除工件表面粗糙峰而达到表面光洁的抛光方董志刚法。该方法通常采用大型设备或者教授，主要从事航空难加工材料高人工抛光，加工费用昂贵，易对工件效加工技术、精密超精密加工技术研究工作。38航空制造技术2023年第6 6 卷第13期表面形成机械划擦，产生应力变形的现象 4。化学抛光使用具有腐蚀性的抛光液对工件表面的粗糙峰腐蚀溶解，该方法抛光液配比复杂，工件表面易形成过腐蚀 15。电化学抛光是通过施加极化电位使阳极工件表面粗糙峰溶解的光整加工方法，电化学抛光具有抛光效率高、设备简单等优点。如Huang等 16 研究了电化学抛光中不同电解液配比对纯铜表面质量的影响，试验表明，纯磷酸电解抛光50 s后，铜表面粗糙度由R.6.92nm明显降低到R.0.82nm。但电化学抛光使用的电解液多数使用有害*基金项目：国家自然科学基金面上项目（519 7 50 9 5）；大连市高层次人才创新支持计划（2 0 2 0 R D 0 2）；辽宁省“兴辽英才计划”杰出人才项目（XLYC2001004）。Multi-EnergyField Composite Manufacturing成分制备，会对环境造成一定的破数40%磷酸电解液的方式，研究了坏 1。基于上述现状，潮湿颗粒电MPE-ECMP对H65黄铜的表面质量解质电化学机械抛光（Moistparticle的改善情况，结果表明，在抛光电压electrolyte electrochemical mechanical1.5V时，随着抛光时间的延长,表面polishing，M PE-EC M P）作为一种新粗糙度由 S.764nm降低到S,218nm;型环保的表面抛光技术逐渐被研究。在抛光电压2.0 V时，表面粗糙度由MPE-ECMP加工原理如图1所示（其S.764 nm降低到 S,252 nm。但是对中wiws为角速度；ViVs为线速度)。于机械旋转过程中电解质与工件的该技术通过采用潮湿电解质颗粒代接触特性，研究相对较少，且主要定替传统的液体电解液，结合机械旋转性表征电解质颗粒的机械作用。如控制游离的电解质颗粒与工件进行Bai等 18 的研究表明，电解质颗粒在随机接触。在外加电场的作用下，固MPE-ECMP抛光过程中，会去除工体电解质导通阳极工件与阴极，并对件表面形成的氧化膜，使工件露出新阳极工件的粗糙峰进行选择性去除。的表面，其抛光机理是原始表面生成MPE-ECMP技术是一项新型抛氧化膜被去除的过程光方法，且MPE-ECMP是耦合电化MPE-ECMP的电解质颗粒与工学作用与机械作用的抛光方法，期望件的接触特性主要影响因素为接触被用于航空航天领域的涡轮叶片、薄数量 2 1 及接触力 2 。这两个因素壁板筋等结构的表面光整工艺。目与工件表面质量息息相关。接触数前,研究学者对MPE-ECMP的研究量增多提高了工件表面氧化膜被去进展主要集中在电化学作用的电解除的部位数量，工件新表面露出面积质配置及电压参数选择等方面。如增加，提高了工件的表面质量。接触Bai等 18 研究了MPE-ECMP抛光力影响着电解质对纯铜接触时的接电压、抛光时间对316 L不锈钢的表触状态，法向力及切向力的分布关系面粗糙度的影响规律，探究使用质量着表面氧化膜的去除方式。然而，在分数1%硫酸的树脂作为电解质,将试验过程中，电解质颗粒与工件之间316L不锈钢表面粗糙度从R.12100的接触数量每时每刻都在变化，想要nm 降低到 R,800 nm。Ch e n g 等 19 将测量记录十分困难。同时，由于电解硫酸-甲醇一氟化铵电解液加人树质颗粒的尺寸限制，测量电解质颗粒脂作为电解质，利用MPE-ECMP抛与工件之间的接触力同样也是一件光了钛合金Ti-6A1-4V,探究抛光电困难的事情。因此,本文采用EDEM压、时间对钛合金表面形貌及电化仿真软件进行离散元法仿真，实现了学性能的影响,抛光1h表面粗糙度对工件与电解质颗粒接触数量的监由 S316 nm降低到 S198 nm。M i n测及电解质颗粒流场轨迹和速度的等 2 0 通过向树脂颗粒中添加体积分分析。探究了不同工件倾斜角、工件直流电源阳极工件、十转速Wa反应池一阴极一电解质，颗粒多能场复合制造转速对接触数量、接触力的影响规律，并结合MPE-ECMP试验，探究了接触数量及接触力对表面粗糙度的影响规律，最终获得了较高的表面质量，为MPE-ECMP的高质量表面加工提供了应用指导。1试验及方法1.1仿真模型设计试验装置采用直立斜叶浆式搅拌器，筒体直径为10 0 mm，工件采用纯铜片,尺寸为10 mm20mm1mm,纯铜片安装在夹具上。为了减少仿真时计算机的计算量，对搅拌器的电机、筒体的底座及工件的夹具等不会对试验结果产生影响的结构采取了省略设计且采用单个纯铜叶片搅拌模型。使用Solidworks三维建模软件对试验设备建模，并通过AnsysWorkbench仿真软件细化了网格的划分，如图2 所示。$100$96反应池20（a）So l i d w o r k s 建模及尺寸（mm）网格尺寸0.1 mmW24W3.W4W54W1V34ViV2阳极工件图11MPE-ECMP加工原理Fig.1Principle of MPE-ECMP20工件网格尺寸5.0 mmZV50（b）A n s y s Wo r k b e n c h 网格划分离子扩散图2 MPE-ECMP试验装置三维建模及网格划分Fig.23Dmodeling and meshing ofMPE-ECMPexperimentaldevice2023年第6 6 卷第13期航空制造技术392550mmX论坛FORUM1.2仿真参数设置采用离散单元法数值模拟软件EDEM对潮湿电解质颗粒及纯铜的参数进行合理的设置。潮湿电解质颗粒与纯铜接触模型采用Hertz-Mindlin（n o s l i p）接触模型（图3）。其中,法向接触力采用Hertz理论模型,切向接触力采用Mindlin接触理论模型 2 。Hertz-Mindlin 接触模型表示了法向力、切向力的作用情况。其中，根据经典的Hertz公式计算法向力F为F413H111R*RR,1(1-vi)+(1-v)EE,式中，E为等效杨氏模量；R为等效半径；.为法向重叠量；E,和E、V和V、R,和R,分别为互相接触的两个颗粒介质的弹性模量、泊松比和半径。切向接触力F由Mindlin公式表示为(4)钝化电位为抛光电位，进行MPE-S.2GR1(2 v)(2V)G,G,式中，S为切向刚度；为切向重叠量；G*为等效剪切模量。设置颗粒和工件的物性参数 2 4,以及颗粒与颗粒、颗粒与工件的接触参数,并考虑颗粒的潮湿特性对参数进行校正,相关参数设置如表1和2 所示 2 4。搅拌筒内部填充大约30 0 0 0 个球形聚合物电解质颗粒，颗粒粒径设置为R0.5mm，与试验颗粒粒径保持一致，采用EDEM预设的颗粒工厂生成颗粒。初始阶段颗粒保持静止状态，铜片在0.0 1s开始以恒定转速绕搅拌筒中心轴旋转。由于电解质颗粒运动具有周期性，每个周期内电解质颗粒运动轨迹基本一致，所以仿真时间设置为1s,研究两个旋转周期内电解质颗粒的运动轨迹、运动速度，以及随着工件倾斜角、叶片转速工艺参数的变化，工件与电解质颗粒的接触数量、接触力的变化规律。R*3nE;立HITACHI）观察工件抛光前后表面形貌，使用3D表面光学轮廓仪（Zy g o 9 0 0 0,ZY G O Co r p o r a t i o n）测量工件表面的3点表面粗糙度，采用平均值表示工件表面的整体粗糙度值，采用标准差衡量表面粗糙度的测量误差。2结果与讨论2.1倾斜角对电解质颗粒运动轨迹与运动速度的影响规律设置工件转速为10 0 r/min。设(1)1.3工艺试验及表面形貌观测仿真结束后，保持工件倾斜角、(2)转速与仿真一致,进行相应的MPE-ECMP试验，试验装置如图4所示。（3)设计不同的夹具夹持铜片，使铜片保持倾斜角为0、30 6 0、9 0 12 0 150。电解质颗粒采用离子交换树脂，颗粒平均粒径为0.5mm。辰华CHI660E电化学工作站提供直流电源，不锈钢作阴极，参比电极为Hg/Hg2SO4,测量LSV极化曲线。选取(5)ECMP抛光,抛光时间为1h,并通过(6)电化学工作站记录抛光电流变化。选取倾斜角为30 的工件进行不同转速的MPE-ECMP抛光，抛光时间为1h。通过扫描电镜（SU5000，日表1潮湿电解质颗粒和纯铜的物性参数 2 4Table1 Physical properties ofmoistparticleelectrolytes and pure copper/24剪切模量/项目泊松比(kgm)颗粒0.35铜0.37置工件倾斜角为与工件旋转运动方向分别呈0、30 6 0 9 0、12 0 150，倾斜角示意图如图5所示。观察在不同倾斜角下电解质颗粒的运动轨迹及运动速度。观察仿真开始0.0 5s、0.50 s、1.0 0S时电解质颗粒运动轨迹及运动速度，从图6 可以看出，工件在不同的倾斜角下转动时电解质颗粒的运动轨迹基本呈现U形分布。在仿真0.0 5s时，电解质颗粒运动幅度较小，这是因为运动初期工件对电解质颗粒作用时间较短，使得电解质颗粒具有较少的动能。0.50 s和1.0 0 s电解质电机参比电极导电一夹具滑环一纯铜工件搅拌杆密度/反应池GPa12008.9890046.8图4MPE-ECMP工艺试验装置Fig.4Process test device of MPE-ECMPCCR,kt图3Hertz-Mindlin接触模型Fig.3Hertz-Mindlin contact model40航空制造技术2023年第6 6 卷第13期Mkn表2 潮湿电解质颗粒和纯铜的接触参数 12 41Table 2 Contact parameters between moistparticle electrolytes and pure copper/24动摩擦项目系数系数系数颗粒一颗粒0.45颗粒-铜0.45倾斜角线速度方向恢复静摩擦0.60.050.40.05图5工件倾斜角示意图Fig.5Schematic diagram of workpiece tiltangleMulti-EnergyFieldCompositeManufacturing颗粒运动轨迹基本一致，表明电解质近的电解质颗粒内部形成力链。颗粒在0.50 s后运动轨迹基本趋于从图6 可以看出，与工件表面稳定。在纯铜的全部上表面/全部直接接触的电解质颗粒的运动速度前表面有一个上升的运动轨迹；而最大，且随着电解质颗粒与工件距离在后表面电解质颗粒呈现回落到工的增大速度逐渐减小。这是由于电件表面的运动轨迹。这是因为工件解质颗粒的运动遵循牛顿第二定律，在旋转过程中接触电解质颗粒时，工当工件给电解质颗粒的作用力大时，件对电解质颗粒有一个沿着工件运电解质颗粒运动的加速度及速度也动速度方向的推力。使得在工件附会相应地变大。随着电解质颗粒与速度/(m s-l)0.05 s0.5运动路径0.4无接触区0.30.20.10速度/(m s-)0.50.40.30.20.10速度/(m s-)0.50.40.30.20.10速度/(m s-)0.50.40.30.20.10速度/(m sl)0.50.40.30.20.10速度/(m s)0.50.40.30.20.10多能场复合制造工件距离逐渐增大，力链逐渐衰减，所以电解质颗粒的速度及加速度也会变小。当电解质颗粒回落时，由于电解质颗粒只受到重力作用及相邻颗粒的压力，所以在距离工件表面越近时，电解质颗粒运动时间越长，速度越大。图6 中的0.0 5s时，不同倾斜角下工件与电解质颗粒的接触状态不速度/(m sl)0.50 s10.5U形轨迹0.40.30.2上表面0.110下表面0.05 s后表面前表面0.05 s无接触区后表面前表面0.05 s口前表面后表面0.05 s速度/(m s-l)0.5无接触区0.40.30.2后表面0.10前表面0.05 s前表面无接触区后表面图6 不同工件倾斜角下电解质颗粒的运动轨迹及运动速度仿真Fig.6Simulation of movement track and velocity of electrolyte particles at different workpiece tilt angles速度/(m s-)10.50.40.30.2工件0.10(a)0速度/(m s-)0.50 s0.50.40.30.20.10速度/(m s-)0.50.40.30.20.10速度/(m s-l)0.50.40.30.20.10速度/(m s-)0.50.40.30.20.101.00 s速度/(m s-l)1.00 s0.50.40.30.20.10(b)300.50 s(c)600.50 s(d)900.50 s(e)1200.50s(f)150速度/(m s-l)0.50.40.30.20.10速度/(m s-l)0.50.40.30.20.10速度/(m s-l)0.50.40.30.20.10速度/(ms-l)0.50.40.30.20.102023年第6 6 卷第13期航空制造技术411.00 s1.00 s1.00 s1.00 s论坛FORUM同。可以发现，在工件倾斜角为0 时，工件前后表面与电解质颗粒形成了空隙，空隙中工件与电解质颗粒处于随机接触状态，为便于描述，称该区域为“无接触区”；在工件倾斜角为60120、150 时，工件的后表面同样出现了“无接触区”，这与电解质与工件的相对位移轨迹有关。为了进一步解释“无接触区”现象，在仿真开始速度/(m:s*l)0.01 s17 mm0.50.40.30.20.10速度/(m s-l)0.50.40.30.20.10速度/(m s-l)0.50.40.30.20.10速度/(m sl)0.50.40.30.20.10速度/(m sl)0.50.40.30.20.10速度/(m s-l)0.50.40.30.20.10Fig.7Simulation of relative displacement between electrolyte particles and workpiece at different workpiece tilt angles42航空制造技术2023年第6 6 卷第13期前选取 17 mm 17 mm30 mm 的长方体范围内电解质颗粒，使工件整体被包围在颗粒内，观察0.0 1 0.0 7 s电解质颗粒相对工件表面的位移情况，如图7 所示。试验结果表明，在工件倾斜角为0 时，电解质颗粒在工件运动时与工件的上表面接触，随着工件的转动，电解质颗粒滚磨工件的上表面，工件下表面与电解质颗粒接触较速度/(m:s-l)0.03 s0.5相对位移方向0.4wuI LI0.30.20.100.01 s速度/(m s-l)0.50.40.30.20.100.01 s速度/(m s-)0.50.40.30.20.100.01 s速度/(m sl)0.50.40.30.20.100.01 s速度/(m s-l)0.50.40.30.20.100.01s速度/(m s-l)0.50.40.30.20.10图7 不同工件倾斜角下电解质颗粒与工件相对位移仿真少，且出现了“无接触区”；在工件倾斜角为30 时，可以看到随着工件的旋转，工件的上下全部表面都与电解质颗粒相接触，且随着工件的旋转，工件表面的电解质颗粒都沿着工件表面切向滑移，工件前后表面均没有形成“无接触区”；在工件倾斜角为6 0 时,随着工件的旋转，工件的前表面与电解质颗粒相接触，工件速度/(m s-l)0.05 s10.5无接触区0.40.30.20.10(a)00.03 s速度/(m s)0.50.40.30.20.10(b)300.03.s,速度/(m s-l)无接触区0.50.40.30.20.10(c)600.03 s速度/(m sl)0.5无接触区0.40.30.20.10(d)900.03 s速度/(m s-l)无接触区0.50.40.30.20.10(e)1200.03 s速度/(m sl)0.5无接触区0.40.30.20.10(f)150速度/(m s-l)0.5无接触区0.40.30.20.100.05s速度/(m s-l)10.50.40.30.20.100.05 s速度/(m s-l)无接触区0.50.40.30.20.100.05 s速度/(ms-l)10.5无接触区0.40.30.20.100.05 s速度/(m s-l)0.5无接触区0.4无接触区0.30.20.100.05 s速度/(m s-l)0.5无接触区0.40.30.20.100.07 s0.07 s0.07 s无接触区0.07 s无接触区0.07 s0.07 sMulti-EnergyField Composite Manufacturing后表面与电解质颗粒之间产生“无最小，为4.6 6 mN；在工件倾斜角为接触区”，接触较少；随着工件的旋09 0 时,法向力呈增大趋势,在9 0 转，电解质颗粒在工件的表面分上达到最大值，为12.6 9 mN；在工件倾下两部分滑移到工件后方，当工件斜角为90 150 时，法向力呈减小倾斜角为90 时，电解质颗粒与工的趋势。在工件倾斜角为3 0 时,工件接触情况与工件倾斜角为6 0 时件与电解质颗粒之间的切向力最大，基本一致；当工件倾斜角为12 0 和为3.3 8 mN；在工件倾斜角为90 时，150时，电解质颗粒主要与工件前切向力最小,为1.2 1mN。表面接触，且随着工件的转动，电解2.3车转速对电解质颗粒与工件接触质颗粒沿着工件的表面由下而上滑数量及接触力的影响规律移到工件后方，且在工件的后表面选取工件倾斜角为3 0，探究转形成了“无接触区”。速对电解质颗粒与工件全部表面接2.2倾斜角对电解质颗粒与工件接触触数量及接触力的影响规律，如图9数量及接触力的影响规律所示。由图9（a）中可以看到，当工对仿真过程中每0.0 1s内电解件转速为8 0 r/min时，电解质颗粒与质颗粒与工件全部表面接触数量及工件之间的接触数量最多，且随着工接触力进行统计分析，采用平均值来件转速的增大，电解质颗粒与工件的代表接触数量及接触力的值，采用标接触数量变少。这是因为当工件转准差来衡量接触数量及接触力的稳速增大时，电解质颗粒与工件接触瞬定性，研究工件倾斜角对电解质颗粒间受到的推力增大，减少了再次与工与工件全部表面的接触数量及接触件接触的频率。此外,电解质颗粒的力的影响规律，结果如图8 所示。从离心力增加，电解质颗粒会向反应池图8（a）可以看到,随着工件的倾斜的内壁运动,脱离旋转中心。如图9角的增大，工件与电解质颗粒的接触45数量呈非线性的变化趋势。在工件40383倾斜角为3 0 时，工件与电解质颗粒的接触数量最多，为3 6 颗；在工件倾斜角为90 时，电解质颗粒与工件接触数量最少，为2 7 颗。这是因为工件倾斜角为3 0 时，电解质颗粒可以同时接触到工件的上下表面,增加了接触面积；当工件倾斜角为90 时，电解质颗粒只能接触到工件的前端面,且在90 时,电解质颗粒的运动速度最大，减少了电解质颗粒与工件接触的时间。图8（b）为在不同工件倾斜角下，电解质颗粒与工件全部表面法向及切向接触力的变化规律曲线。可以看到,电解质颗粒在与工件接触过程中，法向力要大于切向力，在工件倾斜角为0 时，法向力与切向力之间的差值最小；在工件倾斜角为90 时，法向力与切向力之间的差值最大。在工件倾斜角为0 时，法向力多能场复合制造（b）所示，当工件转速为8 0 r/min时，电解质颗粒与工件之间的接触数量最少，且随着工件转速的增加，电解质颗粒与工件的法向接触力以及切向接触力基本呈线性增加，且法向力增加的速率大于切向力增加的速率。随着工件转速增加，法向力和切向力值的标准差数值变大，说明工件与电解质颗粒接触力的稳定性变差，不利于工件表面精密抛光。2.4MPE-ECMP试验验证及表面质量表征LSV极化曲线与电流-时间曲线如图10 所示。图10（a）显示了电位在0 2 V变化过程中，阳极纯铜的电流变化情况,可以看到,电位在00.33V时电流呈上升趋势，这一过程为铜电极表面发生了溶解；电位在0.330.8V时电流呈下降趋势，且在0.8V达到了极小值，这一过程为工件表面形成了富含Cu2+的黏性液膜,增加了工件表面的阻抗，电流值变小；电位在0.8 2 V这一过程中,电流值增25-法向力20-切向力Nu/15102051501010图8 工件倾斜角对电解质颗粒接触数量及接触力的影响规律曲线Fig.8 Infuence curves of the workpiece tilt angle on the contact quantity and contact force ofelectrolyteparticles7040+法向力60切向力3050N/4020301020010180图9工件转速对电解质颗粒的接触数量及接触力的影响规律曲线Fig.9Influence curves of workpiece rotation speed on the contact quantity and contact force ofV3060倾斜角/（）(a)接触数量100120140转速/(r min-)(a)接触数量90120150160electrolyte particles2023年第6 6 卷第13 期航空制造技术4 30306090120150倾斜角/（）(b)接触力工工80转速/(rmin-)(b)接触力100120140160论坛FORUM大,是因为在这一过程中，电解质颗粒会吸附Cu2,使工件表面Cu2+浓度变小。在0.8 V时，工件表面Cu2+浓度最高，纯铜表面发生钝化，选取0.8 V为抛光电压。图10（b）为在倾斜角30转速12 0 r/min时，工件表面经0.8V抛光电压抛光1h的电流变化曲线。可以看到,在抛光0 2 7 0 s时,电流呈上升趋势，这是因为工件在抛光过程中,原始表面发生了溶解,表面原始的油脂及氧化物被去除；在2 7 0 s之后，电流整体呈下降趋势，这是因为电化学抛光过程中发生式（7)所示的化学反应。随着电化学反应的进行，潮湿电解质颗粒内部的水分逐渐减少，使得电解质电导率降低，电流逐渐下降。Cu+2H,O+2H=Cu2*+3H,+0,1(7)图11（a）为工件在不同倾斜角下MPE-ECMP抛光1h后的表面粗糙度变化，可以看到，在倾斜角为3 0 和9 0 时,工件表面平均粗糙度明显小于倾斜角为0 6 0、12 0 150 的表面粗糙度。倾斜角为3 0 时工件表面平均粗糙度为S.35.79nm,而在90时工件表面平均粗糙度为S.45.65nm。结合图8 仿真试验数据可以分析得到,在工件倾斜角为3 0 时,电解质颗粒与工件表面接触数量最多，而在90 时，电解质颗粒与工件法向接触力最大，由此可以初步验证，离散元仿真模型是准确的，并且发现工件表面平均粗糙度是由电解质颗粒与工件的接触数量以及接触力两个接触参数共同决定的。选取倾斜角为3 0 的工件探究不同转速下MPE-ECMP抛光后表面粗糙度的变化情况,如图11（b）所示。可以看到,在倾斜角为3 0 时，工件表面平均粗糙度整体偏低，且随工件转速的增加呈振荡趋势，振荡范围为S22.1638.98nm。在转速为12 0 r/min时获得最低表面平均粗糙度,为S.22.16nm;在转速为14 0 r/min时表面平均粗糙度最44航空制造技术2023年第6 6 卷第13 期高，为S.38.98nm。由图9仿真试验数据可知，随着工件转速的增大，电解质颗粒与工件接触数量减少，接触力增大,而工件的表面粗糙度由接触数量与接触力共同决定，导致表面粗糙度呈振荡变化。通过扫描电镜以及Zygo9000观测了抛光前工件的初始表面形貌和1816Vu/审1412100250200wus1501005000Fig.ll Surface roughness at different tilt angles and speeds600600400200800元50um0X:867.280 m（a）抛光前表面形貌（b）抛光前表面粗糙度0200。40060050 um800（c）抛光后表面形貌（d）抛光后表面粗糙度图12 纯铜工件表面抛光前后的表面形貌和表面粗糙度Fig.12 Surface morphology and surface roughness of copper surface before and after polishing粗糙度，以及在倾斜角3 0 转速12 0r/min下抛光后的表面形貌及粗糙度。从图12（a）和(b）可以看出，抛光前工件表面存在明显划痕，通过Zygo9000观察到工件原始表面的面粗糙度为 S,433.51 nm。经过1 h的MPE-ECMP抛光后,在图12（c）中可以看到工件表面已无明显划痕，经24极化电位200.8VVu/甲161280.501.00电位（vs.Hg/Hg2SO4）/V(a)LSV极化曲线Fig.10MPE-ECMP polarization curves306090120150倾斜角/()(a)倾斜角图11不同倾斜角及转速下的表面粗糙度2004001.50图10 MPE-ECMP极化曲线80转速/(r min-)(b)转速800800600400200X:868.148 m2.00060012001800240030003600时间/s（b）倾斜角3 0、转速12 0 r/min下电流变化曲线50403020100120-0.3-0.6-0.9-1.126140Sa/m4.5174132-0-1-2-3-4-4.399S./um2.1390.30160Multi-EnergyField Composite Manufacturing过抛光后表面仍残留少量点状坑，整5 MISRAJ P,JAIN N K,JAIN P K.体表面形貌具有明显的改善。ZygoInvestigations on precision finishing of helicalgears by electrochemical honing processJ.9000观测抛光后的工件表面，可以Proceedings of the Institution of Mechanical发现粗糙峰被明显去除，表面粗糙度Engineers,Part B:Journal of Engineering为S.22.43 nm,如图12（d）所示,表Manufacture,2010,224(12):1817-1830.面粗糙度降低了94.8%。6DATHU K P M Y V,HARIHARAN R.Design of wind turbine blade material for higherefficiency.Materials Today:Proceedings,2020,3结论33:565569.（1）工件不同倾斜角下电解质7】张海洲，白洁，马瑞，等.激光选区熔化成形技术在航空航天发动机制造领域的颗粒基本呈U形运动轨迹，与工件距研究与应用现状 .推进技术,2 0 2 3,4 4(3):离越远的电解质颗粒运动速度越慢。6-21.工件倾斜角为3 0 时，电解质颗粒与ZHANG Haizhou,BAI Jie,MA Rui,et al.工件之间的接触数量最多；工件转速Research and application status of laser selectivemelting forming technology in aerospace engine为8 0 r/min时,电解质颗粒与工件之manufacturing fieldJ.Journal of Propulsion间的接触数量最多，接触力最小。Technology,2023,44(3):6-21.（2）在工件表面存在“无接触8侯亚娟，毕凯，董礼，等.大推力氢区”，影响工件表面抛光的稳定性。氧发动机铜合金内壁数控加工技术 .工具技术,2 0 2 1,55(3):7 2-7 5.工件倾斜角为3 0 时，可以有效避免HOU Yajuan,BI Kai,DONG Li,et al.NC“无接触区”的产生。工件转速的增machining technology for copper alloy inner加减少了工件与电解质颗粒的接触wall of high thrust oxy-hydrogen engine3.ToolEngineering,2021,55(3):72-75.数量，增加了法向以及切向接触力。9 KIM S M,HSU A,LEE Y H,et al.（3）MP E-ECMP 试验中工件表The effect of copper pre-cleaning on graphene面粗糙度由接触数量及接触力共同synthesisJ.Nanotechnology,2013,24(36):365602.调控，在倾斜角3 0、转速12 0 r/min10王彩玲.3 0 0 mm硅片化学机械抛光设备及其关键技术研究 D.大连：大连理工下，获得最佳的铜工件的表面粗糙大学,2 0 10.度,表面粗糙度由初始的S.433.51nmWANG Cailing.Research on chemical降低到S.22.43nm,降低了94.8%,验mechanical polishing equipment and its key证了倾斜角和转速的调控对表面粗technologies for 300 mm silicon waferD.Dalian:糙度具有降低效果。Dalian University of Technology,2010.11李亚强，马晓川，张锦秋，等.芯片制程中金属互连工艺及其相关理论研究进展参考文献.表面技术,2 0 2 1,50(7):2 4-4 3,16 4.1CHO Y C,LEE S,AJMAL M,et al.LI Yaqiang,MA Xiaochuan,ZHANGCopper better than silver:Electrical resistivity ofJinqiu,et al.Research progress of metalthe grain-free single-crystal copper wire.Crystalinterconnection technology and related theory inGrowth&Design,2010,10(6):2780-2784.chip fabricationJ.Surface Technology,2021,2 PAK V N,GOLOV O V.Formation and 50(7):2443,164.electrical conductivity of low-dimensional copper12 CIDECIYAN R D,GUSTLIN M,LIstructures in porous glassJ.Russian Journal ofM P,et al.Next generation backplane and copperGeneral Chemistry,2015,85(4):786-789.cable challengesJ.IEEECommunications3YAO G C,MEI Q S,LI J Y,et al.Hard Magazine,2013,51(12):130-136.copper with good electrical conductivity fabricated13 OSBORN T,HUNTER LIGHTSEYby accumulative roll-bonding to ultrahighC,KOHL P A.Low-k compatible all-copper flip-strainsJ.Metals,2016,6(5):115.chip connections.Microelectronic Engineering,4 FATEH A,ALIOFKHAZRAEI2009,86(3):379386.M,REZVANIANAR.Reviewof corrosive14 TURLEYDM,SAMUELS LE.environments for copper and its corrosionThe nature of mechanically polished surfaces ofinhibitorsJ.Arabian Journal of Chemistry,2020,copperJJ.Metallography,1981,14(4):275-294.13(1):481544.15张婕，梁成浩，王鹏，等.铜及其多能场复合制造合金的化学抛光工艺研究 .表面技术，2 0 0 6,35(6):4345.ZHANG Jie,LIANG Chenghao,WANGPeng,et al.Research on chemical polishing ofcopper and its alloy.Su