基于聚合氯化铝电解液的锆合金阵列微孔掩模射流电解加工试验研究.pdf

制造技术/工艺装备现代制造工程()年第 期基于聚合氯化铝电解液的锆合金阵列微孔掩模射流电解加工试验研究何俊峰王赞王俊杰梁华卓周莉(广东技术师范大学机电学院广州 广州番禺职业技术学院建筑工程学院广州)摘要:锆具有优异的综合性能在航空航天、医药和化工等领域具有广阔的应用前景 然而用现有的加工方法对其进行微细加工时具有刀具磨损严重、加工效率低、加工质量差等缺点 微细电化学加工在金属微结构制造方面具有独特的优势 提出一种新型聚氯化铝溶液()作为电解液利用掩模射流电解加工在锆合金()表面进行阵列微孔加工 研究了 在不同质量分数聚氯化铝溶液中的溶解特性 通过试验研究了电解液压强、射流扫描速度和脉冲电压等主要加工参数对加工性能的影响并通过正交试验进行参数优化加工出了平均直径为.平均深度为.深径比为.侧蚀系数为.形貌精度较好的阵列微孔关键词:锆合金掩模射流微细电解加工 电解液阵列微孔中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.():.()()./.:引言锆()元素在元素周期表中属于第 族第二过渡系元素属于钝化性金属在常温下表面易生成一层致密的氧化膜该氧化膜的存在让锆及锆合金可以耐大多数强酸、强碱、高温水、液态金属的腐蚀只与、浓、浓、溴水、温氯或氧化性氯化物(如、溶液)发生腐蚀反应 相比广东省基础与应用基础研究项目()广州市基础与应用基础研究项目()广东技术师范大学人才启动项目()何俊峰等:基于聚合氯化铝电解液的锆合金阵列微孔掩模射流电解加工试验研究 年第 期于其他金属锆的热中子吸收截面很小加上良好的抗高温腐蚀性能所以被广泛应用于核工程产业中锆也被称作原子时代的第一金属适合于制造容器、换热器等化工设备或者仪器仪表等精密工业器件 锆金属材料也被广泛应用在航空航天、电子信息、生物医疗、冶金、军工、化工等领域锆合金传统机械加工技术主要有车削、磨削、铣削和钻削 陈波采取直径 硬质合金麻花钻头进行新型 型钛锆铌合金小孔钻削加工试验研究了钻削参数和冷却方式等因素对轴向钻削力、小孔质量以及振动情况的影响发现这种锆合金的高强度和高硬度导致了较大的塑性变形抗力和严重的冷硬化因此造成了轴向钻削力大以及严重的工具黏附 等人对 合金进行了高速铣削试验发现在铣削过程中不仅产生了大量的热量而且被加工表面的残余应力也很大影响表面加工质量因此虽然锆合金传统机械加工原理简单、成本低廉但存在切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、表面质量差以及加工效率较低等缺点对于难以加工的金属材料微细电火花加工是一种更适合的微细加工方法它不受金属硬度和强度的限制能更好地保证形状和尺寸精度 然而采用电火花加工技术加工锆合金微结构也存在一些不足 等人对.合金的电火花加工进行了研究发现.合金的加工表面容易发生氢浸润 等人采用放电线切割技术以黄铜丝为电极蒸馏水为介质加工 合金结果表明在加工表面出现了重铸层铜在加工表面的扩散厚度达到 这些现象影响了微结构的表面质量此外电极损耗相对较高掩模射流电解加工技术()是微细电解加工技术()的一种是基于金属氧化还原反应对工件进行溶解去除最终达到加工目的的一种加工方法其中电解介质起着参与电化学反应、溶解材料、维持加工稳定性和去除加工产物等重要作用 由于锆金属的强耐腐蚀特性锆合金材料电化学性能研究较少 本文基于掩模射流电解加工原理以 材料为研究对象提出一种新型聚氯化铝()电解液通过研究其对 材料的电化学特性解释其电化学溶解过程探究 材料微孔的掩模射流微细电解加工参数影响为锆合金材料提供了一种微细电解加工方法对促进锆合金材料的广泛应用具有重要意义 试验方案及材料选择.加工装置及材料掩模射流电解加工试验装置如图 所示 该试验装置系统主要包括三坐标微细运动平台主体机床、夹具、工业计算机、电解槽、电解液循环系统及脉冲电源 个部分喷嘴使用扁长喷嘴黄铜材质喷嘴尺寸为 图 掩模射流电解加工试验装置加工材料为 样件表 所示为 化学成分表 工件基材为 .的 金属薄板使用 光刻胶材料制造掩模板掩模厚度为 掩模上有 个微通孔掩模孔径为 加工后对工件进行检测为了减少统计量和考虑数据的可靠性只检测对角线上的 个微孔的数据采样位置分布如图 所示 对同一组试验参数处理后的微孔阵列表征数据取这 个数据的平均值 检测装置为共聚焦激光扫描显微镜()、扫描电子显微镜(日立 ()等表 化学成分表.尺寸精度可通过微孔阵列的平均直径 和平均深度 进行评估如式()和式()所示 年第 期现代制造工程()图 采样位置分布 ()()式中:为第 个微孔直径 为检测到的微孔数为第 个微孔深度阵列微孔结构示意图如图 所示 微孔直径为深度为 掩模孔径为 图 阵列微孔结构示意图形状精度主要用深度、深径比 和侧蚀系数 来表示这反映了微孔阵列的横向腐蚀程度 越大微孔阵列的横向侵蚀越小表明定位效果较好此外在实际应用中 值越大的微孔阵列效果越好()()微孔阵列结构的一致性评价用标准差(、)和变异系数 衡量 标准差 和变异系数 越小表明微孔阵列结构一致性越好 ()()()()()式中:为微孔直径的标准差 或深度的标准差 为微孔直径或深度的平均值.电解液聚合氯化铝是一种无机高分子聚合物化学通式为()其中 代表聚合程度表示 的中性程度 的 为具有 结构的高电荷聚合环链体 分子之间通过数量不等的羟基交联聚合 本文选用 离子度的 电解质配制电解液用去离子水作为溶剂得到的溶液是介于 和()之间的水解产物对溶液中的悬浮物有很强的吸附作用由 的化学通式可推测 水溶液中理论所含离子有、通过分析可知溶液中的参与了水解反应反应生成的大量 先中和了所有的 然后剩余 使得溶液最终为酸性溶液 具体水解反应化学方程式如下:()()在该水解反应中生成的()是胶体状态所以无沉淀产生 根据文献的研究和大量检测佐证用 电解液电解加工锆金属材料阳极和阴极的主要电化学反应方程式如下阳极:()()()阴极:()()()在阳极反应中锆单质大部分氧化成 进入电解液中反应如式()所示少部分 紧接着参与了水解反应最终生成难溶于水的黑色 沉淀反应如式()、式()所示 阴极和大多数金属电解反应一样还原为 反应如式()、式()所示.试验方案.极化曲线测试极化曲线表示电化学腐蚀时电流密度和电极电势之间的关系能很好地反映金属腐蚀特性和电极反应过程 极化曲线测试时为了减小误差每组参数测试 次极化曲线的试验参数如表 所示.电流效率测定对阳极极化曲线特性进行分析解释 在低电流密度下的电化学反应过程 本文用质量分数为的电解液加工电流效率的计算方法何俊峰等:基于聚合氯化铝电解液的锆合金阵列微孔掩模射流电解加工试验研究 年第 期表 极化曲线的试验参数参数名称数值电解液种类质量分数/见式()试验参数见表 表 电解效率 测试试验参数项目数值电解液成分和质量分数 电解液温度/电解液流量/()加工间隙/加工面积/.加工时间/电流密度/()实际理论()理论()实际加工前加工后()式中:实际为材料加工实际去除质量理论为材料加工理论去除质量加工前为材料在加工前的质量加工后为材料在加工后的质量 为元素质量电化学当量/()为通过阳极和阴极界面的电量为电流强度 为电流作用时间 为体积电化学当量/()为金属密度/.微孔阵列结构加工试验方案研究电解参数对微孔加工的影响电解液选用质量分数为 的 溶液 加工完成后将样件浸入盛有 甲基吡咯烷酮的烧杯中在超声清洗仪中清洗 以去除光刻胶膜和杂质 清洗后取出烘干待检测 单因素试验参数设置如表 所示表 单因素试验参数参数名称数值脉冲频率/占空比/加工间隙/.掩模孔径/电压/扫描速度/()电解液压强/设计正交试验以优化参数 掩模孔径选用 加工间隙设为.加工 次选择电压、频率、占空比、扫描速度及电解液压强(简称压强)个因素设计的()因素 水平试验参数如表 所示表 正交试验因素水平设置水平因素 电压/频率/占空比/扫描速度/()压强/结果及分析.极化曲线与电流效率研究不同电解液质量分数极化曲线特征比较它们的钝化能力与电化学腐蚀能力以筛选最优电解液不同质量分数电解液中 的极化曲线如图 所 示 其 中 参 比 电 极 为 甘 汞 电 极 可 以 看 出 在不同质量分数的 溶液中都呈现了较为显著的钝化区与超钝化区质量分数对溶液的自腐蚀电位无太大影响 对于 溶液随着电位变大阳极溶解在超钝化阶段后溶液质量分数的升高让电流密度也逐渐增大 质量分数的 溶液中 的自腐蚀电位维持在.左右钝化区间基本不随质量分数变化过钝化电位在.左右维钝电流密度随电解液质量分数的增加先减小后增大由./增大到./在质量分数 时最小为./根据以上分析综合考虑经济性、安全性和环保等因素最终选取质量分数 的 电解液作为锆金属材料微孔阵列加工试验的电解液图 不同质量分数电解液中 极化曲线根据极化曲线可知自腐蚀电位(.)、活化电位(.)、稳定钝化电位(.)、超钝化电位(.)探究 电解液中不同电位下 样件的腐蚀情况 电解液中施加不同电位时的表面腐蚀形貌 年第 期现代制造工程()如图 所示在活化电位和稳定钝化电位下 样件表面未发现腐蚀迹象 在超钝化电位下 样件表面开始溶解设置电位为.时 样件表面腐蚀程度加剧腐蚀开始进行图 电解液中施加不同电位时的表面腐蚀形貌图 所示为在质量分数为 的 中电流密度对实际去除量与电流效率的影响 随着电流密度的逐渐增大实际去除量和电流效率也在不断增大当电流密度处于 /时 电解液电流效率也随电流密度的增大而增加在 /区间内电流效率随电流密度的增大呈缓慢增加趋势 当电流密度达到 /时 电解液电流效率为.工件实际去除量随着电流密度的增加不断增加图 在质量分数为 的 中电流密度对实际去除量与电流效率的影响图 所示为 电解液中施加不同电位时 与 元素质量分数的变化趋势从图 中可以看出工件表面 元素的含量逐渐降低 元素含量增加说明工件表面的钝化膜被逐渐破坏此时工件材料被去除实现了加工效果因此 电解液中实现 的电解加工是可行的图 电解液中施加不同电位时的 与 元素质量分数变化趋势.阵列微孔加工试验为验证理论的可靠性使用 电解液对 进行阵列微孔加工试验研究因本文阵列微孔加工对象为盲孔故称为微盲孔.扫描速度对微盲孔结构的影响喷嘴的扫描移动速度影响着电解加工的有效时间因此需要探究扫描速度对微盲孔结构的影响 试验参数设置:扫描速度分别 为、和/电压为 频率为 占空比为 加工 次加工间隙为.电解液压强为 掩模孔径为 不同扫描速度下微盲孔三维形貌和截面轮廓如图 所示当扫描速度为/时加工出的微盲孔直径为.深度为.当扫描速度增大到 /时加工出的微盲孔直径仅为.深度为.图 不同扫描速度下微盲孔三维形貌和截面轮廓何俊峰等:基于聚合氯化铝电解液的锆合金阵列微孔掩模射流电解加工试验研究 年第 期不同扫描速度加工微盲孔评价因素变化趋势如图 所示 从图)中扫描速度对微盲孔侧蚀系数和深径比影响趋势可以看出随着扫描速度的增大微盲孔的侧蚀系数逐渐增大即提高扫描速度可以有效减小微盲孔侧蚀提高定域性 深径比随着扫描速度的增大呈先增大后减小的趋势在扫描速度 /时深径比最大值为.从图)中可以看出微盲孔直径和深度的变异系数均随扫描速度的增大而增大即直径和深度的一致性随扫描速度的增大逐渐变差图 不同扫描速度加工微盲孔评价因素变化趋势.电解液压强对微盲孔结构的影响电解液压强影响电解液的流速探究电解液压强对微盲孔结构的影响 试验参数设置:电解液压强分别为、和 电压为 频率为 占空比为 扫描速度为 /加工 次加工间隙为.掩模孔径为 不同电解液压强下微盲孔三维形貌和截面轮廓如图 所示图 不同电解液压强下微盲孔三维形貌和截面轮廓从图)、图)可以看出随着电解液压强的增大微盲孔直径和深度尺寸逐渐增大 压强大时电解液流速比较快可加快微盲孔内电解液的流动与更新提高加工效率所以相同加工时长下材料有效去除量更多 如图)所示电解液压强过大时杂散腐蚀效应明显微盲孔边缘质量较差图 所示为不同电解液压强加工微盲孔评价因素变化趋势从图)可以看出电解液压强的增大对微盲孔的侧蚀系 数 和 深 径 比 影 响 很 小 从 图)可以看出微盲孔直径和深度的变异系数随电解液压强的增大都呈减小趋势即增加电解液压强可提高微盲孔直径和深度上的一致性图 不同电解液压强加工微盲孔评价因素变化趋势.电压对微盲孔结构的影响电压是电解加工的重要影响因素主要影响电流密度和电场分布 探究电压对微盲孔结构的影响试验参数设置:电压分别为、和 频率为 占空比为 扫描速度为 /加工 次加工间隙为.电解液压强为 掩模孔径为 不同电压加工的微盲孔三维形貌和截面轮廓如图 所示从图 中可以看出随着电压的增大微盲孔直径和深度也都逐渐增大 电压越大时电流密度越大根据法拉第第一定律材料的去除量就越多 当电压为 时微盲孔直径最大可达.深度达.图 所示为不同电压加工的微盲孔评价因素变化趋势 从图)可以看出微盲孔深径比随电压的增大逐渐增大从.提高到.侧蚀系数随电 年第 期现代制造工程()压的增大呈减小趋势在 电压下微盲孔侧蚀最小此时侧蚀系数为.定域性最好 从图)可以看出随着电压的不断增大微盲孔直径变异系数先减小后增大即直径一致性先变好再变差电压为 时直径一致性最好 微盲孔深度变异系数随电压的增大不断减小所以提高电压可以增加微盲孔深度的一致性图 不同电压加工的微盲孔三维形貌和截面轮廓图 不同电压加工的微盲孔评价因素变化趋势.正交试验优化在单因素试验的基础上设计正交试验对参数进行优化 掩模孔径选用 加工间隙设为.其他参数如表 所示选择电压、频率、占空比、扫描速度、电解液压强 个因素为优化参数正交试验结果如表 所示 第 组加工的微盲孔深径比最大值为.第 组的侧蚀系数最大值为.即此试验组合获得的微盲孔侧蚀量最小定域性最好:因此第 组试验组合和第 组试验组合分别对获得最大深径比和最大侧蚀系数的微盲孔有重要参考作用图 所示为各因素对微盲孔深径比和侧蚀系数的影响表 中的 为各对应因素在不同水平的试验指标值之和为对应 与水平数之商为的极差通过的大小可判断因素的优水平和优组合根据表 值和图 的分析可得:电压 、频率、占空比 、扫描速度 /、电解液压强 为最大深径比最优参数组合电压 、频率 、占空比 扫描速度 /电解液压强 为最大侧蚀系数最优参数组合 图 所示为各因素对微盲孔深径比和侧蚀系数归一化贡献率综合表 中 值和图 中各个因素的归一化贡献率可知:影响微盲孔深径比的因素由主到次是电压扫描速度电解液压强占空比频率电压的影响贡献率最大贡献率为.其次是扫描速度贡献率为.频率的贡献率最小贡献率为.影响微盲孔侧蚀系数的因素由主到次是占空比电解液压强扫描速度电压频率占空比的影响贡献率最大贡献率为.其次是电解液压强贡献率为.频率的贡献率最小贡献率为.图 各因素对微盲孔深径比和侧蚀系数的影响何俊峰等:基于聚合氯化铝电解液的锆合金阵列微孔掩模射流电解加工试验研究 年第 期图 各因素对微盲孔深径比和侧蚀系数归一化贡献率 综上电压和扫描速度是影响微盲孔直径、深度和深径比的最主要因素占空比是影响其侧蚀系数的最主要因素为获得深径比大、侧蚀量小、定域性好的微盲孔优化试验参数为:电压 、频率 、占空比 、扫描速度 /、电解液压强 优化试验参数加工的阵列微盲孔形貌和轮廓如图 所示 此时阵列微盲孔的平均直径为.平均深度为.深径比为.侧蚀系数为.图 优化试验参数加工的阵列微盲孔形貌和轮廓表 正交试验结果实验号因素试验结果 电压/频率/占空比/扫描速度/()压强/深径比侧蚀系数.深径比.年第 期现代制造工程()表(续)实验号因素试验结果 电压/频率/占空比/扫描速度/()压强/深径比侧蚀系数侧蚀系数.结语本文基于掩模射流电解加工原理以 材料为研究对象采用 电解液探究 材料的掩模射流微细电解加工影响因素)对于 电解液中的极化曲线存在明显的钝化区间 比较不同质量分数 电解液中 的极化曲线选择质量分数为 的 电解液来进行试验研究 研究了电解液中工件实际去除量与电流密度的关系以及电流效率与电流密度的关系结果表明随着电流密度的逐渐增大去除量和电流效率也在不断增大)通过单因素试验探究了 微盲孔加工规律增大扫描速度、减小电解液压强、减小电压可以减小微盲孔孔径尺寸降低扫描速度、增大电解液压强、增大电压均可以增大微盲孔深度)在优化微盲孔阵列结构加工质量的正交试验中结果表明:电压和扫描速度是微盲孔直径、深度和深径比的最主要影响因素占空比是微盲孔侧蚀系数的最主要影响因素其他因素对侧蚀系数的影响差别不明显 最后优化试验参数组合为:电压 、频率 、占空比、扫描速度/、电解液压强 此参数下加工的微盲孔平均直径为.平均深度为.深径比为.侧蚀系数为.参 考 文 献:陈建伟.锆合金板材加工过程中微观组织及织构演变的定量研究.重庆:重庆大学.:.刘鹏杜忠泽马林生等.核级锆及锆合金腐蚀性能研究现状.热加工工艺():.冯志浩夏超群张新宇等.高强韧锆合金的发展与应用.材料科学与工艺():.石明华刘彩利周军等.锆及锆合金在工业领域的应用.热加工工艺():.:.陈波.新型 型医用钛锆铌合金小孔钻削性能研究.南宁:广西大学.:.:.:.:():.:.吴珍.高分子铝盐优化混凝控制水中腐殖酸特性研究.长沙:湖南大学.(/):.作者简介:何俊峰博士副教授主要研究方向为精密制造与特种加工:.收稿日期: