微細(xì)電解加工技術(shù)的概況與展望

謝巖甫,劉 壯,陳 偉

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

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)品功能集成化、結(jié)構(gòu)小型化的要求越來越顯重要,越來越多的微細(xì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中,微細(xì)加工的研究得到了廣泛的重視。近幾年來,由于許多其他領(lǐng)域新技術(shù)新工藝的引入以及對電解加工過程機(jī)理的更深入研究,電解加工一改原來加工精度不高的特點(diǎn),被應(yīng)用于高精度微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工中,在微細(xì)電解技術(shù)方面的研究迅速發(fā)展起來。

1 典型微細(xì)電解加工技術(shù)

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理對材料進(jìn)行腐蝕成形的加工方法。從加工機(jī)理上看,工件陽極上的金屬原子在加工中不斷地失去電子成為離子而從工件上溶解,其材料的減少過程以離子的形式進(jìn)行,這種微離子去除方式使電解加工具有微細(xì)加工能力。又因為電解加工過程中工具電極和工件不接觸,具有加工材料范圍廣泛,不受材料強(qiáng)度、硬度、韌性的影響,工件表面無加工應(yīng)力、無變形以及熱影響區(qū)、無工具電極損耗、加工表面質(zhì)量好等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[1],微細(xì)電解加工技術(shù)是當(dāng)前電化學(xué)加工領(lǐng)域中最活躍也是最熱點(diǎn)的研究方向[2]。近幾年來,微細(xì)電解加工技術(shù)延續(xù)了20世紀(jì)90年代以來的良好發(fā)展勢頭,工藝技術(shù)水平和設(shè)備性能均得到了穩(wěn)步發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展。下面簡要對幾種典型微細(xì)電解加工技術(shù)進(jìn)行介紹和討論。

1.1 掩膜微細(xì)電解加工

掩膜微細(xì)電解加工是結(jié)合了掩膜光刻技術(shù)的電解加工方法。它是在工件的表面(單面或雙面)涂敷一層光刻膠,經(jīng)過光刻顯影后,工件上形成具有一定圖案的裸露表面,然后通過束流電解加工或浸液電解加工,選擇性地溶解未被光刻膠保護(hù)的裸露部分,最終加工出所需形狀工件[3]。由于金屬溶解是各向同性的,金屬在徑向溶解的同時也橫向被溶解,因此研究如何控制溶解形狀、盡量減少橫向溶解等對保證掩膜微細(xì)電解的加工精度非常重要[4-6]。為了提高加工速度和加工精度,可在工件兩面都覆蓋一層圖案完全相同的掩膜,從兩邊相向同時進(jìn)行溶解。圖1是單面和雙面掩膜電解加工的微孔[7],圖2是掩膜微細(xì)電解加工出的微傳感器[8]。

1.2 電液流微細(xì)電解加工

電液流微細(xì)加工是在金屬管電極加工小孔的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微細(xì)電解加工方法,主要用于加工航空工業(yè)中的各種小孔結(jié)構(gòu)[9]。電液流加工時,采用呈收斂形狀的絕緣玻璃管噴嘴抑制電化學(xué)反應(yīng)的雜散腐蝕,高壓電解液由玻璃管中的高壓金屬絲極化后,高速射向工件待加工部位,利用高電壓電場進(jìn)行金屬的電化學(xué)去除加工。

玻璃管電極是電射流加工的主要工具。玻璃管的直徑大小決定了電射流加工的尺度,通常加工孔徑為0.13～1.30mm。據(jù)國外報道,可加工最小孔徑為0.025mm,加工精度為孔徑的±5%或±0.025mm。電射流加工技術(shù)非常適合加工航空發(fā)動機(jī)高溫渦輪葉片的深小孔、孔軸線與表面夾角很小的斜孔和群孔[3-6]等。電液流加工方法不存在切削力,因此可對薄壁零件進(jìn)行切割。由于玻璃管陰極的制造工藝限制了陰極直徑尺寸不可能任意縮小,從而大大限制了電液束加工的能力。采用陰極不進(jìn)給的方式,加工孔徑不受電極直徑尺寸的限制,故可加工出直徑小于0.1 mm的微孔,但加工深度很有限。而采用陰極進(jìn)給方式,加工孔徑至少要大于陰極管的外徑。目前的研究水平表明,對于直徑為0.2 mm以上的微孔,采用陰極進(jìn)給方式加工,可加工出深徑比為100∶1的深小孔[9-11]。

1.3 EFAB技術(shù)

EFAB(Electrochemical Fabrication)制作技術(shù)是由美國南加州大學(xué)信息研究所的Adam Coben等人于1999年提出的。它是基于SFF(Solid Freeform Fabrication)的分層制造原理,用一系列實(shí)時的掩模板選擇性電沉積金屬將微結(jié)構(gòu)層層堆積起來,這些實(shí)時的掩模板是通過將光刻膠涂于金屬襯底上,經(jīng)光刻顯影后形成的。在電沉積時,掩模板的襯底作為電鑄陽極,這與LIGA和準(zhǔn)LIGA技術(shù)中的掩模電鑄是完全不同的[12]。利用EFAB制作三維金屬微結(jié)構(gòu)需循環(huán)進(jìn)行選擇性電沉積、平鋪電沉積和平坦化3個步驟以及最后的選擇性刻蝕,選擇性電沉積和平鋪電沉積的金屬,既可是結(jié)構(gòu)金屬也可是犧牲層金屬,它克服了LIGA和準(zhǔn)LIGA只能加工簡單平面三維的缺點(diǎn),能加工真正的三維圖形,因而具有很好發(fā)展前景。但EFAB也存在著加工過程非常復(fù)雜、步驟繁多的問題,這使制造費(fèi)用極其昂貴。

1.4 約束刻蝕劑層技術(shù)

約束刻蝕劑層技術(shù)(Confined Etchant Layer Technique,簡稱CELT)是1992年由廈門大學(xué)的田昭武院士等人提出的。該技術(shù)將傳統(tǒng)的各向同性的濕法化學(xué)刻蝕變?yōu)榫哂芯嚯x敏感性的化學(xué)刻蝕,能在不同的材料(半導(dǎo)體、金屬和絕緣材料)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維微圖形的復(fù)制加工,已成功地在Si、Cu、GaAs等材料上加工出復(fù)雜三維立體結(jié)構(gòu)。其加工的基本原理是:利用電化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)在三維圖形的模板表面產(chǎn)生刻蝕劑,當(dāng)刻蝕劑向溶液中擴(kuò)散時,與溶液中的捕捉劑迅速發(fā)生反應(yīng),致使刻蝕劑幾乎無法從模板表面往溶液深處擴(kuò)散,從而把刻蝕劑緊緊地約束在模板表面輪廓附近的很小區(qū)域內(nèi)。當(dāng)模板逐步靠近待加工材料的表面時,被約束的刻蝕劑就能和待加工基底的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而加工出與模板互補(bǔ)的三維微圖形。圖3是利用規(guī)整的齒狀結(jié)構(gòu)為模板、在Cu的表面上加工的三維微結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)與齒狀模板互補(bǔ)。

圖3 利用CELT方法在Cu表面加工的三維微結(jié)構(gòu)

該技術(shù)的最大特點(diǎn):一是具有距離敏感性,加工精度能達(dá)到亞微米至納米級;二是可實(shí)現(xiàn)批量復(fù)制;三是加工出的圖形表面具有連續(xù)性,可加工出球面、錐形等復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu);四是不必使用掩膜模板,省去了掩膜的精確定位和對準(zhǔn)等工序。但該加工方法也存在著兩個問題:需采用其他技術(shù)制作加工所需的高精密模板以及選擇合適的刻蝕系統(tǒng),使其達(dá)到納米級精度刻蝕[13]。

1.5 脈沖微細(xì)電解加工技術(shù)

雖然電解加工利用電化學(xué)溶解蝕除的方式加工,理論上可達(dá)到離子級的加工精度,在加工質(zhì)量上又具有很多優(yōu)點(diǎn),但加工中在陽極工件表面不管是加工區(qū)還是非加工區(qū)只要有電流通過,都會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),造成雜散腐蝕。因此,將其應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域,必須解決雜散腐蝕的問題,提高電化學(xué)反應(yīng)的定域蝕除能力。早期研究發(fā)現(xiàn),脈沖電解可提高溶解的定域性和過程穩(wěn)定性,但對脈沖寬度在溶解定域性上起多大作用及其起作用的具體機(jī)理并不清楚。后來研究發(fā)現(xiàn),脈沖電解中采用脈寬為毫秒級和微秒級的脈沖,可使電流效率-電流密度曲線的斜率增大,加工過程的非線性效應(yīng)增強(qiáng),工件溶解的定域性得到提高,有利于提高加工精度[14-16]。

隨著納秒脈沖電源的應(yīng)用,微細(xì)電解加工得以向更細(xì)微化的方向發(fā)展。德國Fritz-Haber研究所的R.Schuster、V.Kirchner等人采用脈沖寬度為納秒級的超短脈沖電流進(jìn)行電化學(xué)微細(xì)加工新技術(shù),成功地加工出了數(shù)微米尺寸的微細(xì)零件,加工精度可達(dá)幾百納米,充分發(fā)揮了脈沖電流微細(xì)電解加工的潛力。該技術(shù)根據(jù)電化學(xué)測試技術(shù),在電解加工系統(tǒng)中又增加了參比電極和輔助電極,用電化學(xué)恒電位儀嚴(yán)格監(jiān)控工具和工件的電極電位(將工具電位控制在被加工金屬的平衡電位,工件電位控制在高于工具電位0.2 V);通過對極間電流波形的高速采樣精密控制加工間隙至1μm,使用超短脈沖(脈寬30 ns、占空比1∶10)小容量電源提供能量,實(shí)現(xiàn)了亞微米級精度的電化學(xué)加工。圖4a是用直徑10μm的鉑絲在銅板上加工出的微結(jié)構(gòu),底部平臺上的棱柱為5μm×10μm×12μm;圖4b是在0.2mol/L的HCl電解液中,用直徑2μm鎢絲電極、3 ns脈寬加工出的微螺旋結(jié)構(gòu),深度為5μm[17]。

圖4 超短脈沖微細(xì)電解加工的微細(xì)結(jié)構(gòu)

1.6 其他有關(guān)微細(xì)電解加工的研究進(jìn)展

基于掃描探針顯微術(shù)的微細(xì)電解加工技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注,其中既有基于掃描電化學(xué)顯微鏡(SECM)的,也有基于掃描隧道顯微鏡(STM)的,不過基本上都是處于實(shí)驗室研究階段。該方法的特點(diǎn)是加工尺度可達(dá)微米級以下,顯示出微細(xì)電解加工技術(shù)在微/納加工領(lǐng)域的潛能。加工中的陰極通常采用電化學(xué)腐蝕得到的探針電極,探針的形狀和尺寸對加工的分辨率和加工質(zhì)量有很大影響,探針針尖尺寸可小至納米級。日本研究人員采用STM進(jìn)行電解腐蝕,加工出深100 nm、寬200～300 nm的微槽[18]。也有人嘗試采用激光與STM聯(lián)用進(jìn)行電解微/納米材料加工的新方法?？紤]到采用STM進(jìn)行微細(xì)電解加工對設(shè)備和加工條件要求苛刻,有人提出相對簡單的基于掃描離子電導(dǎo)顯微術(shù)的電解微細(xì)加工方法:采用內(nèi)部充滿電解液的微滴管作為微探針,微滴管的尖端口徑從0.1μm到數(shù)十微米不等,在微滴管內(nèi)設(shè)置一金屬電極構(gòu)成陰極,通過反饋控制電路保持微滴管與陽極表面的間距恒定,移動微滴管以不同路徑橫向掃描陽極,即可在陽極表面加工出任意形狀的點(diǎn)、線、面結(jié)構(gòu)[19]。

2 微細(xì)電解加工的最新成果

隨著對微細(xì)電解加工機(jī)理研究的深入,結(jié)合微細(xì)電解加工的特點(diǎn),綜合運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)理論、控制檢測設(shè)備以及高效精確的電源設(shè)備,使電解加工在微細(xì)領(lǐng)域的加工能力進(jìn)一步提高,加工效率、加工質(zhì)量以及加工穩(wěn)定性得到全面提升,主要的研究成果和進(jìn)展如下。

2.1 基于納秒級脈沖和高頻群脈沖電源的微細(xì)電解加工試驗研究

基于高頻窄脈沖的微細(xì)電解試驗國外起步較早,取得了一定的成果。而國內(nèi)起步較晚,近幾年來,國內(nèi)一些科研院校和機(jī)構(gòu)也對納秒脈沖電源、高頻窄脈沖電源和高頻群脈沖電源的微細(xì)電解加工技術(shù)進(jìn)行了深入研究,包括加工機(jī)理、試驗分析、加工定域性分析等方面[20-25],并成功地加工出一些微細(xì)結(jié)構(gòu)(圖5和圖6)。其中圖5a為選用質(zhì)量濃度10 g/L的NaNO3溶液,加工電壓為5.5 V、脈寬與脈間都為40μs的脈沖電源,在厚度為300μm不銹鋼(SUS304)上加工出寬約為60μm的曲梁;圖5b是在鎳板上加工出的復(fù)雜幾何輪廓的SEM照片,電極直徑為10μm,電解液濃度為 0.2mol/L的HCl溶液,加工電壓3.8V,脈寬40 ns,頻率2MHz,每個字母的大小為高90μm、寬60μm,字母線條的寬度為20μm左右。圖6為利用高頻群脈沖電源微細(xì)電解加工出微細(xì)工件,其中選用脈沖電壓幅值10 V,主脈沖頻率20 kHz,調(diào)制脈沖頻率1 kHz,所加工的130μm的微細(xì)槽(圖6a),精度為8μm、模數(shù)為0.2mm的齒輪工件(圖6b)的齒型和D形孔的精度為10μm左右。

圖5 高頻脈沖微細(xì)電解加工的微細(xì)結(jié)構(gòu)

2.2 超純水微細(xì)電解加工試驗研究

超純水電解加工是在常規(guī)電解加工原理的基礎(chǔ)上,利用超純水作電解液,并采用強(qiáng)酸性陽離子交換膜來提高超純水中OH-離子濃度,使電流密度達(dá)到足夠去除材料的一種新型電解加工工藝方法[26]。日本學(xué)者率先提出以超純水代替常規(guī)電解液,實(shí)現(xiàn)綠色、微細(xì)電解加工的思想。國內(nèi)學(xué)者近年來也開展了超純水電解加工機(jī)理[26-30]、超純水小孔電解加工[27-28]、超純水電化學(xué)掃描直寫加工[31]、超聲輔助純水微細(xì)電解加工[32]等研究,為超純水電解加工的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。圖7為超純水微細(xì)電解加工出的字母樣本,這說明超純水微細(xì)電解加工能實(shí)現(xiàn)微米級的加工。

2.3 微細(xì)電解復(fù)合加工技術(shù)試驗研究

復(fù)合電解加工是指那些基于電化學(xué)陽極溶解與其他加工作用(如機(jī)械研磨、電火花加工、超聲加工、磁力研磨)相復(fù)合的加工方法。由于兩種或者多種加工作用的復(fù)合,則加工作用相互促進(jìn),取長補(bǔ)短,增強(qiáng)了加工能力、擴(kuò)大了加工范圍,可全面實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本的要求。而最近幾年在微細(xì)制造和加工方面,有關(guān)微細(xì)電解復(fù)合加工方面的研究越來越多,有效地提升了加工的效率和精度。目前主要集中在電解與超聲復(fù)合、電解與電火花復(fù)合、電解與線切割復(fù)合等加工工藝研究上。其中試驗研究證明,微細(xì)復(fù)合電解加工技術(shù)在對某些特殊材料(如硬質(zhì)合金)的加工方面具有比單一超聲加工、單一電解加工工藝更強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢,能獲得較好的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率[33]。利用微細(xì)電火花和微細(xì)電化學(xué)組合加工工藝對加工微細(xì)陣列軸孔的分析和研究,在加工過程中通過適度間歇抬刀、超聲振動、循環(huán)流動工作液等方法,較好地解決了微弧放電、排屑、加工區(qū)溫度過高等加工難題,獲得了質(zhì)量較好的、大小在30～100μm的陣列孔,從而實(shí)現(xiàn)了微細(xì)陣列軸孔的電火花、電化學(xué)組合加工,為大規(guī)模微細(xì)陣列軸孔的加工開辟了高效、可行的新工藝方法[34]。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對微細(xì)電解線切割加工工藝的基礎(chǔ)研究,也取得了較好的效果[35]。

2.4 結(jié)合工業(yè)實(shí)際對微細(xì)部件的電解加工試驗研究

隨著航空、汽車、生物醫(yī)療等工業(yè)的發(fā)展,一些微細(xì)部件如微坑、微細(xì)網(wǎng)孔等被廣泛應(yīng)用。近幾年來,結(jié)合工業(yè)方面的需求,院校和科研機(jī)構(gòu)也加大這方面的研究力度,不再一味地追求微細(xì)電解加工的極限能力,而是有側(cè)重地結(jié)合實(shí)際需要,如何更有效、更經(jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定地加工出微細(xì)部件。主要集中在蜂窩狀微坑、微細(xì)槽、微細(xì)軸、微細(xì)群孔和具有一定結(jié)構(gòu)的微器件上,并取得了一定的成果[36-41]。

2.5 關(guān)于微細(xì)電解加工的基礎(chǔ)理論試驗研究

為了提高微細(xì)電解加工的精度、效率及改善加工過程的穩(wěn)定性,國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)理論研究:使用絕緣掩模屏蔽保護(hù)工件上不需加工的部位,以制作高精度的陣列型孔或復(fù)雜圖形[42];電極側(cè)壁形成絕緣層來降低雜散腐蝕,減小側(cè)壁錐度和孔徑,提高加工的尺寸精度[43];利用高頻窄脈沖或超短脈沖提高微細(xì)電解加工的定域性,進(jìn)行微米/亞微米精度的加工[44];利用工具電極高速旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)電解液攪拌,提高加工穩(wěn)定性和效率[45];使工件作微量偏心搖動以勻化電解液液流,增強(qiáng)加工穩(wěn)定性、提高加工精度等[46];利用工具電極間隙回退和周期性跳躍來移除電解產(chǎn)物,增強(qiáng)電解液更新的方法,提高加工穩(wěn)定性、效率以及加工精度[47-49];分析電解產(chǎn)物對微細(xì)電解加工的影響[50]等。

2.6 有關(guān)微細(xì)電解加工的其他研究進(jìn)展

結(jié)合微細(xì)電解加工發(fā)展的方向,一些科研機(jī)構(gòu)逐步開發(fā)自己的微細(xì)電解加工系統(tǒng):哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了多功能三維微細(xì)電解加工系統(tǒng)[51],南京航空航天大學(xué)研制了電化學(xué)微細(xì)加工監(jiān)控系統(tǒng)[52]和陰極周期往復(fù)運(yùn)動的微細(xì)電解加工系統(tǒng)[53];加大了電解加工間隙的檢測和監(jiān)控方法研究力度:利用循環(huán)迭代間隙控制方案,快速調(diào)整工具進(jìn)給速度,使之近似等于工件去除速度,從而精確地維持恒定的小間隙,并利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建電解加工控制系統(tǒng)[54];利用加工電流和流體作用在陰極上的六維力為研究參數(shù),用最小二乘多變元線性擬合法建立適當(dāng)?shù)年P(guān)系方程式,在15%的誤差范圍內(nèi)可用于在線檢測加工間隙[55-56];特別是針對高頻窄脈沖電化學(xué)加工,對加工間隙進(jìn)行建模分析,提出間隙平均電流檢測法,從而精確地維持恒定的小間隙,實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的加工[57-58]。研究對象除了普通金屬材料外,還涉及硬質(zhì)合金、純鈦和半導(dǎo)體等。

3 未來展望

綜合分析了微細(xì)電解加工的發(fā)展現(xiàn)狀,可看到電解加工在微細(xì)領(lǐng)域的加工能力呈加速發(fā)展趨勢。未來一段時間內(nèi),微細(xì)電解加工的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢主要會集中在以下幾個方面:

(1)進(jìn)一步完善硬件系統(tǒng),如微進(jìn)給系統(tǒng)和微控制工作臺的性能和可靠性的提升,加工過程自動檢測與適應(yīng)控制研發(fā)的深化。

(2)加大微細(xì)電解加工機(jī)理的研究,尤其是在中、高頻脈沖電流條件下,微細(xì)加工電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)動力學(xué)等方面的研究。

(3)重點(diǎn)加強(qiáng)微細(xì)電解在加工三維形狀能力上的研究,使其微細(xì)加工能力更加廣泛和具有競爭力。

(4)脈沖電源的深化研發(fā),微秒級脈沖電源的工程化完善以及推廣應(yīng)用,納秒級脈沖電源、群脈沖電源的性能完善。

(5)微細(xì)電極的研發(fā)制備。加強(qiáng)對微小電極制備工藝的研究,特別是具有一定形狀的微細(xì)電極制備研究。

(6)新型電解液的試驗研究。針對綠色制造,加大對新型無污染電解液的研發(fā)力度。

(7)理論成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。目前大部分的微細(xì)電解理論試驗成果,還沒有轉(zhuǎn)化為實(shí)際的應(yīng)用,應(yīng)盡快由實(shí)驗室向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)移,使之真正成為生產(chǎn)力。

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