5083鋁合金綠色化學(xué)機(jī)械拋光液對(duì)表面粗糙度的影響及機(jī)理分析

宋曉明，張振宇,，劉杰，李玉彪，趙仕程，徐光宏

5083鋁合金綠色化學(xué)機(jī)械拋光液對(duì)表面粗糙度的影響及機(jī)理分析

宋曉明1，張振宇1,2，劉杰2，李玉彪2，趙仕程1，徐光宏2

（1.齊魯工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250353；2. 大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

為提高5083鋁合金的表面質(zhì)量，研制一種環(huán)境友好型化學(xué)機(jī)械拋光液，并分析5083鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光液對(duì)表面粗糙度的影響及作用機(jī)理。使用綠色環(huán)保的化學(xué)機(jī)械拋光液對(duì)5083鋁合金進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。采用單因素控制變量法，分析不同的pH調(diào)節(jié)劑類型、pH值以及過(guò)氧化氫（H2O2）濃度對(duì)鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光后表面粗糙度的影響規(guī)律。采用電化學(xué)工作站，分析5083鋁合金在不同拋光液中的靜態(tài)腐蝕特性。運(yùn)用X 射線光電子能譜儀（XPS）分析5083鋁合金在不同拋光液下表面元素化學(xué)組分的變化。綠色環(huán)保拋光液的主要成分為去離子水、4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的二氧化硅磨粒、2.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的H2O2和檸檬酸，并調(diào)節(jié)pH至3.0。5083鋁合金進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光后，在70 μm×50 μm的掃描范圍內(nèi)鋁合金表面粗糙度最低為0.929 nm。電化學(xué)試驗(yàn)和XPS測(cè)試的分析表明，檸檬酸可加快拋光液對(duì)鋁合金的腐蝕，H2O2使鋁合金表面形成氧化層，減緩拋光液對(duì)鋁合金的腐蝕。氧化層的主要成分為Al2O3、AlOOH和Al(OH)3。

5083鋁合金；化學(xué)機(jī)械拋光；綠色環(huán)保；表面粗糙度；機(jī)理分析；電化學(xué)分析

鋁合金因其密度小、導(dǎo)熱性好、電阻率低、耐腐蝕性能和焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在船舶、海洋工程裝備、海洋水下航行器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。近年來(lái)，隨著海洋工程裝備開(kāi)發(fā)不斷朝著深水化和大型化的方向發(fā)展，對(duì)海洋工程裝備高性能鋁合金零件表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高，降低鋁合金表面粗糙度、實(shí)現(xiàn)鋁合金的綠色環(huán)保高質(zhì)高效超精密加工已變得愈加重要。在鋁合金的超精密加工領(lǐng)域，已有大量學(xué)者對(duì)其加工技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，包括機(jī)械拋光、電化學(xué)拋光和化學(xué)拋光等。然而，機(jī)械拋光處理后表面易出現(xiàn)金屬晶格組織損壞等缺陷；電化學(xué)拋光和化學(xué)拋光處理鋁合金工件時(shí)，一般使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性化學(xué)試劑，給操作、儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及拋光液的后處理帶來(lái)了挑戰(zhàn)[5]，不符合綠色環(huán)保的加工理念。

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一種將化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損雙重作用協(xié)同耦合的表面平坦化技術(shù)，通過(guò)化學(xué)試劑的腐蝕和磨粒的擠撞磨削交替作用，實(shí)現(xiàn)待加工表面的全局或局部選擇性精密加工[6-10]。拋光液作為CMP過(guò)程中的重要因素之一，其成分主要由pH調(diào)節(jié)劑、磨粒、緩蝕劑、氧化劑等組成[11-15]。CMP集合了機(jī)械拋光和化學(xué)拋光的優(yōu)點(diǎn)，可以更好地改善鋁合金的表面質(zhì)量。許多學(xué)者將CMP應(yīng)用于鋁合金并對(duì)其拋光液進(jìn)行了研究。例如：為研究鋁合金CMP中表面缺陷的控制，Pan等[16]提出在化學(xué)機(jī)械拋光液中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的硝酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的水解聚馬來(lái)酸酐，拋光后表面橘皮缺陷得到明顯改善，同時(shí)拋光后的鋁合金表面粗糙度降至0.678 nm，然而拋光過(guò)程中使用了硝酸等對(duì)環(huán)境和操作者不友好的化學(xué)試劑，造成潛在的危險(xiǎn)，不符合綠色環(huán)保的加工理念。Li等[17]對(duì)CMP中磨粒進(jìn)行了探究，以層狀磷酸鋯片和氧化鋁（Al2O3）顆粒為混合磨粒，聚乙二醇為分散劑，過(guò)氧化氫（H2O2）為氧化劑，十二烷基硫酸鈉為緩蝕劑，制備了一種環(huán)保高效的鋁合金CMP拋光液，優(yōu)化后CMP的效率得到了提高，但是表面粗糙度只降到13 nm。朱玉廣等[18]探究了殼寡糖（COS）和H2O2對(duì)鋁合金CMP性能的影響，結(jié)果顯示H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，材料去除率隨著COS含量的增大而增大；COS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，材料去除率隨H2O2含量的增加先增大后減小，表面粗糙度最低為2.50 nm。Sun等[19]通過(guò)在拋光液中加入適量的1,2,4-三氮唑和甘氨酸，發(fā)現(xiàn)二者協(xié)同作用可以在鋁表面形成弱鈍化層，在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中既可以減緩化學(xué)腐蝕又可以增加拋光速率，并且CMP后可以在10 μm×10 μm的掃描范圍內(nèi)表面粗糙度達(dá)到0.19 nm。雖然CMP后達(dá)到了非常低的表面粗糙度，但是掃描范圍只有10 μm×10 μm。Zhang等[20-22]摒棄了強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等危險(xiǎn)化學(xué)品，轉(zhuǎn)而采用蘋果酸、殼寡糖等食品添加劑，配制成對(duì)環(huán)境友好的拋光液，并將其應(yīng)用到鈦合金、鎳合金和藍(lán)寶石等材料的化學(xué)機(jī)械拋光，并且達(dá)到了納米級(jí)的拋光精度。由此可知使用弱酸弱堿等環(huán)境友好型的化學(xué)試劑，既可以減少?gòu)?qiáng)酸強(qiáng)堿帶來(lái)的潛在危害，又可以達(dá)到較高的拋光精度。采用CMP技術(shù)來(lái)提高鋁合金表面質(zhì)量，是探尋化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨削作用平衡的過(guò)程，只簡(jiǎn)單地對(duì)拋光過(guò)程中的磨粒進(jìn)行探究，難以達(dá)到化學(xué)機(jī)械的平衡，也很難進(jìn)一步對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行提高，因此對(duì)拋光液進(jìn)行探究可進(jìn)一步提高表面質(zhì)量。

本文以5083鋁合金為研究對(duì)象，采用單因素控制變量法對(duì)其進(jìn)行CMP加工試驗(yàn)，研究不同的pH調(diào)節(jié)劑類型、pH值以及H2O2濃度對(duì)鋁合金CMP后表面粗糙度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研制5083鋁合金綠色環(huán)保化學(xué)機(jī)械拋光液，并通過(guò)電化學(xué)工作站和X射線光電子能譜儀（XPS）對(duì)5083鋁合金CMP機(jī)理進(jìn)行分析，為5083鋁合金的綠色環(huán)保高質(zhì)高效CMP提供理論指導(dǎo)[23-26]。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

研制的CMP拋光液主要由二氧化硅磨粒（SiO2，粒徑50 nm）、檸檬酸（H3Cit，麥克林，中國(guó)上海）、過(guò)氧化氫（H2O2，體積分?jǐn)?shù)30%，國(guó)藥集團(tuán)，中國(guó)上海）和去離子水組成。試驗(yàn)樣品采用5083鋁合金，尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，樣品實(shí)物如圖1所示，主要成分如表1所示[27]。

圖1 試驗(yàn)樣品

表1 5083鋁合金的主要成分

Tab.1 Main components of 5083 aluminum alloy　wt.%

1.2 CMP試驗(yàn)

將3塊鋁合金樣品用石蠟均勻粘在鋁合金圓盤的外圍，并在研磨拋光機(jī)（型號(hào)UNIPOL-1200s，沈陽(yáng)科晶）上對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行粗拋光預(yù)處理，粗拋光過(guò)程中使用聚氨酯拋光墊，拋光液由2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）α-Al2O3磨粒（粒徑5 μm）和去離子水組成。拋光盤的轉(zhuǎn)速為80 r/min，壓強(qiáng)為16.3 kPa，拋光時(shí)間為20 min，拋光液流速為10 mL/min。

然后在研磨拋光機(jī)上對(duì)粗拋光后的樣品進(jìn)行CMP，將聚氨酯拋光墊替換為磨砂革拋光墊。拋光盤的轉(zhuǎn)速為60 r/min，壓強(qiáng)為16.3 kPa，拋光時(shí)間為 30 min，CMP拋光液流速為10 mL/min。在拋光過(guò)程中，使用磁力攪拌器連續(xù)攪拌CMP拋光液，使磨粒均勻分散。拋光后，鋁合金樣品用無(wú)水乙醇超聲清洗5 min，然后用壓縮空氣干燥。使用光學(xué)顯微鏡（型號(hào)MX-40, Olympus）對(duì)鋁合金表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。使用3D白光干涉輪廓儀（型號(hào)New View 9000，Zygo）對(duì)鋁合金樣品進(jìn)行粗糙度測(cè)量，掃描范圍為70 μm× 50 μm。采用五點(diǎn)取樣法對(duì)每個(gè)鋁合金樣品進(jìn)行取樣，以確保表面粗糙度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1.3 電化學(xué)試驗(yàn)和XPS測(cè)試

為探究不同CMP拋光液對(duì)鋁合金樣品的腐蝕快慢，采用電化學(xué)工作站（型號(hào)CHI760E，上海辰華）和三電極體系，使用不同溶液對(duì)鋁合金樣品進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。其中，飽和甘汞電極用作參比電極，鉑絲用作輔助電極，5083鋁合金用作工作電極。試驗(yàn)前依次使用600#、1000#、1200#金相砂紙對(duì)鋁合金樣品進(jìn)行打磨。

為探究拋光前后鋁合金樣品表面元素的化學(xué)組分變化，將鋁合金樣品分別浸泡在含有1.0.%、2.0%、3.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）H2O2的溶液中，浸泡時(shí)間為2 h。然后對(duì)原始表面以及經(jīng)過(guò)處理的3個(gè)鋁合金樣品進(jìn)行XPS測(cè)試。XPS的X射線激發(fā)源為Al Kα射線（=1 486.6 eV），XPS光譜以C 1s結(jié)合能（284.8 eV）為能量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH對(duì)鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光的影響

以SiO2磨粒組成的拋光液為基液，選取草酸、蘋果酸、H3Cit、植酸和磷酸5種酸性pH調(diào)節(jié)劑，每種酸性pH調(diào)節(jié)劑分別將拋光液的pH值調(diào)節(jié)至2.3、3.0、4.0、5.0、6.0，然后對(duì)鋁合金進(jìn)行CMP試驗(yàn)。使用3D白光干涉輪廓儀測(cè)量CMP后的鋁合金樣品表面形貌，如圖2所示。對(duì)5點(diǎn)取樣法得到的表面粗糙度值進(jìn)行計(jì)算，得到樣品的平均表面粗糙度值如表2所示。

由表2可知，5種酸性pH調(diào)節(jié)劑制成的拋光液，對(duì)鋁合金進(jìn)行CMP后，均出現(xiàn)隨著pH的升高，平均表面粗糙度先降低后升高的現(xiàn)象。其中，使用H3Cit將拋光液pH值調(diào)節(jié)至3.0時(shí)可得到最低的平均表面粗糙度。除pH調(diào)節(jié)劑含量不同外，其余工藝條件固定，故對(duì)鋁合金表面的機(jī)械作用不變，此時(shí)酸性拋光液對(duì)鋁合金的化學(xué)腐蝕主要是由拋光液中的氫離子造成的，隨著pH值的升高，拋光液中的氫離子濃度逐漸降低，對(duì)鋁合金的腐蝕性能減弱。當(dāng)pH<3.0時(shí)，化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械磨削作用，鋁合金表面腐蝕程度較大，導(dǎo)致pH<3.0時(shí)的平均表面粗糙度值大于pH=3.0時(shí)的平均表面粗糙度值。當(dāng)pH>3.0時(shí)，機(jī)械磨削作用大于化學(xué)腐蝕作用，使鋁合金表面出現(xiàn)劃痕，導(dǎo)致pH>3.0時(shí)的平均表面粗糙度值大于pH=3.0時(shí)的平均表面粗糙度值。當(dāng)pH=3.0時(shí)，化學(xué)腐蝕作用與機(jī)械磨削作用達(dá)到平衡，得到最低的平均表面粗糙度值。

以SiO2磨粒組成的拋光液為基液，選取碳酸鈉、氫氧化鈉和三乙醇胺3種堿性pH調(diào)節(jié)劑，每種堿性pH調(diào)節(jié)劑分別將拋光液的pH值調(diào)節(jié)至8.0、9.0和10.0，然后對(duì)鋁合金進(jìn)行CMP。使用3D白光干涉輪廓儀測(cè)量CMP后的鋁合金樣品，得到3D表面輪廓如圖3所示。對(duì)五點(diǎn)取樣法得到的表面粗糙度值進(jìn)行計(jì)算，得到樣品的平均表面粗糙度值如表3所示。

圖2 不同酸性pH拋光液CMP后鋁合金的3D表面輪廓

表2 不同酸性pH拋光液CMP后鋁合金的平均表面粗糙度值

Tab.2 Average surface roughness of aluminum alloy after CMP with different acidic pH slurry　nm

由表3可知，3種堿性pH調(diào)節(jié)劑制成的拋光液，對(duì)鋁合金進(jìn)行CMP后，均出現(xiàn)隨著pH的升高，平均表面粗糙度先降低后升高的現(xiàn)象。除pH調(diào)節(jié)劑含量不同外，其余工藝條件固定，故對(duì)鋁合金表面的機(jī)械作用不變，此時(shí)堿性拋光液對(duì)鋁合金的化學(xué)腐蝕主要是由拋光液中的氫氧根離子造成的。隨著pH值的升高，拋光液中氫氧根離子的濃度逐漸升高，對(duì)鋁合金的腐蝕性能增強(qiáng)。當(dāng)pH<9.0時(shí)，化學(xué)腐蝕作用小于機(jī)械磨削作用，使鋁合金表面出現(xiàn)劃痕，導(dǎo)致pH<9.0時(shí)的平均表面粗糙度值大于pH=9.0時(shí)的平均表面粗糙度值。當(dāng)pH>9.0時(shí)，機(jī)械磨削作用小于化學(xué)腐蝕作用，鋁合金表面腐蝕程度較大，導(dǎo)致pH>9.0時(shí)的平均表面粗糙度值大于pH=9.0時(shí)的平均表面粗糙度值。當(dāng)pH=9.0時(shí)，化學(xué)腐蝕作用與機(jī)械磨削作用平衡，得到最低的平均表面粗糙度值。

使用不同pH拋光液對(duì)5083鋁合金進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光后，對(duì)所得到的鋁合金表面粗糙度值進(jìn)行分析，當(dāng)使用H3Cit將拋光液pH調(diào)節(jié)至3.0時(shí)，鋁合金的平均表面粗糙度得到最優(yōu)結(jié)果，為1.998 nm。

2.2 H2O2濃度對(duì)鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光的影響

探究H2O2濃度對(duì)鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光的影響，用H3Cit將拋光液pH值調(diào)至3.0，選取不同H2O2濃度配制成拋光液，如表4所示。使用表4的拋光液，對(duì)鋁合金進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，并運(yùn)用3D白光干涉輪廓儀對(duì)拋光后的鋁合金進(jìn)行表征，如圖4所示。

圖3 不同堿性pH拋光液CMP后鋁合金的3D表面輪廓

表3 不同堿性pH拋光液CMP后鋁合金的平均表面粗糙度值

Tab.3 Average surface roughness of aluminum alloy after CMP with different alkaline pH slurry　nm

表4 拋光液的主要成分

Tab.4 Slurry composition

圖4 表4所對(duì)應(yīng)的拋光液CMP后鋁合金的3D表面輪廓

由圖4可知，隨著拋光液中H2O2濃度的升高，鋁合金的表面粗糙度先降低后升高。當(dāng)H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，表面粗糙度值最低，為0.929 nm。因此，CMP拋光液的最佳成分是去離子水、4%SiO2磨料、2.0% H2O2和H3Cit，并調(diào)節(jié)至pH=3.0。

圖5a和圖5b分別是5083鋁合金粗拋光后的表面形貌和3D表面輪廓。由圖5a和圖5b可知，粗拋光后鋁合金表面有大量劃痕，表面粗糙度值為39.881 nm。使用主要成分為4%SiO2磨料、H3Cit調(diào)節(jié)至pH=3.0的拋光液對(duì)鋁合金進(jìn)行CMP后，鋁合金的表面形貌如圖5c所示。觀察圖5c可知，鋁合金表面劃痕減少，但出現(xiàn)了明顯的腐蝕缺陷。圖5d為使用表4中c組拋光液對(duì)鋁合金進(jìn)行CMP后鋁合金的表面形貌。觀察圖5d可知，鋁合金表面的腐蝕缺陷明顯減少，說(shuō)明加入2.0%H2O2有助于減少腐蝕缺陷。

圖5 粗拋光后的表面形貌（a），粗拋光后的3D表面輪廓（b），pH=3.0不含H2O2 CMP后的表面形貌（c），pH=3.0含2.0% H2O2 CMP后的表面形貌（d）

2.3 機(jī)理分析

為了探究鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中腐蝕速率的變化，制備了3種不同的溶液如表5所示。采用電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，分析靜態(tài)條件下鋁合金的化學(xué)腐蝕特性。使用表5的3種溶液，通過(guò)動(dòng)電位極化曲線法得到Tafel曲線，再由Tafel曲線得到不同溶液對(duì)鋁合金的腐蝕電流密度，根據(jù)腐蝕電流密度越大腐蝕速率越快的規(guī)律，分析不同溶液對(duì)鋁合金樣品的腐蝕程度。電化學(xué)測(cè)試得到的Tafel曲線如圖6所示。鋁合金在不同溶液中的腐蝕電流密度如表6所示。由表6可知，Z0、Z1和Z2溶液所對(duì)應(yīng)的腐蝕電流密度分別為8.143×10?6、8.482×10?5、3.585×10?5A/cm2。隨著Z0溶液中加入H3Cit并調(diào)節(jié)至pH=3.0，腐蝕電流密度增大，說(shuō)明H3Cit可以促進(jìn)鋁合金在拋光液中的腐蝕速率，加快鋁合金的腐蝕。在Z1溶液中加入H2O2，腐蝕電流密度減小，說(shuō)明H2O2可以減緩鋁合金在拋光液中的腐蝕速率，降低鋁合金的腐蝕。造成這種現(xiàn)象的原因是，鋁合金受到H2O2的氧化作用，在鋁合金表面形成一層氧化膜，使鋁合金在酸性溶液中的腐蝕速率降低。

表5 電化學(xué)試驗(yàn)的不同溶液

Tab.5 Different solutions of electrochemical test

圖6 不同溶液中鋁合金的Tafel 曲線

表6 不同溶液中鋁合金的腐蝕電位和腐蝕電流密度

Tab.6 Corrosion potential and corrosion current density of aluminum alloy in different solutions

為說(shuō)明H2O2在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中的作用，先將鋁合金分別在1.0%、2.0%、3.0% H2O2中浸泡2 h，然后對(duì)未處理和3種不同濃度H2O2處理的鋁合金進(jìn)行XPS測(cè)試。使用不同濃度H2O2處理鋁合金，其表面Al的精細(xì)譜如圖7所示。對(duì)于鋁合金中的Al元素，Al3+2p和Al02p的峰分別在75.0 eV和72.3 eV處[28-29]。由圖7a—d可知，Al02p的峰隨著H2O2濃度的升高而降低，相反Al3+2p的峰隨著H2O2濃度的升高而升高，這說(shuō)明鋁合金表面的Al被H2O2氧化為Al3+。

為進(jìn)一步探究Al元素的存在形式，使用不同濃度的H2O2處理鋁合金，其表面O的精細(xì)譜如圖8所示。在圖8a中，O 1s的峰在532.6 eV和532.0 eV處分別代表Al(OH)3和Al2O3[28,30]。在圖8b中，O 1s的峰在532.3 eV和532.0 eV處分別代表AlOOH/Al(OH)3和Al2O3[31-32]。此外，由圖8可知，O 1s的其中一個(gè)峰隨著H2O2濃度的升高從532.6 eV移動(dòng)到532.0 eV。經(jīng)過(guò)3.0% H2O2浸泡后，O 1s由雙峰變?yōu)榱藛畏?，這些現(xiàn)象表明，隨著H2O2濃度的升高，鋁合金表面的氧化程度有所提高，并產(chǎn)生了更多的Al2O3。

圖7 原始表面和不同濃度的H2O2浸泡后Al 2p的XPS能譜

圖8 原始表面和不同濃度的H2O2浸泡后O 1s的XPS能譜

由電化學(xué)試驗(yàn)和XPS測(cè)試可以分析得出，H2O2的加入使鋁合金表面產(chǎn)生氧化層，減緩了H3Cit的腐蝕作用。在CMP過(guò)程中，鋁合金片被H2O2氧化生成Al2O3，Al2O3與H2O發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生AlOOH，AlOOH與H2O生成Al(OH)3[25,33]。因此，在2.0% H2O2中浸泡的鋁合金，其表面產(chǎn)生的氧化層的主要成分是Al2O3、AlOOH和Al(OH)3。化學(xué)反應(yīng)式見(jiàn)式（1）—（3）。然后，通過(guò)腐蝕和磨粒機(jī)械去除氧化層，其中H+來(lái)源于H3Cit電離[34-35]?；瘜W(xué)反應(yīng)式見(jiàn)式（4）—（8）。整個(gè)CMP過(guò)程中，鋁合金先受到H2O2和H+的化學(xué)作用，然后被SiO2磨料去除，周而復(fù)始得到光滑表面。

2al+3h2o2→2al(oh)3→al2o3+3h2o (1)

al2o3+h2o→2alooh (2)

alooh+ h2o→al(oh)3(3)

H3Cit→h++H2Cit?(4)

H2Cit?→h++HCit2?(5)

HCit2?→h++Cit3?(6)

alooh+3h+→al3++2h2o (7)

al(oh)3+3h+→al3++3h2o (8)

3 結(jié)論

1）本文提出了一種針對(duì)5083鋁合金的綠色環(huán)保拋光液。當(dāng)拋光液不含H2O2時(shí)，隨著H3Cit調(diào)節(jié)的pH逐漸增大，表面粗糙度先降低后升高，在pH=3.0時(shí)，平均表面粗糙度最低，為1.998 nm。當(dāng)H3Cit調(diào)節(jié)pH至3.0時(shí)，隨著H2O2含量的增加，表面粗糙度先降低后升高，在H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，表面粗糙度最低，為0.929 nm，并且掃描范圍為70 μm×50 μm。綠色環(huán)保拋光液的主要成分為去離子水、4%的二氧化硅磨粒、2.0%的H2O2和檸檬酸，并調(diào)節(jié)pH至3.0。

2）通過(guò)電化學(xué)試驗(yàn)和XPS測(cè)試，分析pH和H2O2在鋁合金化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中的作用機(jī)理。當(dāng)拋光液中含有H3Cit且不含H2O2時(shí)，鋁合金在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中腐蝕速率快，造成鋁合金表面產(chǎn)生明顯的腐蝕缺陷。當(dāng)拋光液中含有H3Cit和H2O2時(shí)，因H2O2對(duì)鋁合金的氧化，產(chǎn)生了主要成分為Al2O3、AlOOH和Al(OH)3的氧化層，使鋁合金在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中的腐蝕速率減緩，鋁合金表面的腐蝕缺陷消失。

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Effect and Mechanism Analysis of Green Chemical Mechanical Slurry on Surface Roughness of 5083 Aluminum Alloy

1,1,2,2,2,1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Qilu University of Technology, Jinan 250353, China; 2. Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China)

In order to improve the surface quality of 5083 aluminum alloy, an environment-friendly chemical mechanical slurry was developed, and the effect and mechanism of 5083 aluminum alloy chemical mechanical slurry on surface roughness are analyzed.Chemical mechanical polishing of aluminum alloy with green slurry.The effects of different pH regulators, pH value and H2O2concentration on the surface roughness of aluminum alloy after CMP were analyzed. The static corrosion characteristics of 5083 aluminum alloy in different slurry were analyzed by electrochemical workstation.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to analyze the chemical composition changes of surface elements of 5083 aluminum alloy in different slurry.As one of the important factors in the CMP process, the slurry is mainly composed of pH regulator, abrasive particles, corrosion inhibitor and oxidant. A new type of green slurry without hazardous chemicals such as strong acid and alkali was developed.After chemical mechanical polishing, the surface roughness of 5083 aluminum alloy decreased to 0.929 nm in the scanning range of 70 μm×50 μm.The main components of the green slurry are silica abrasive particles, citric acid, hydrogen peroxide and deionized water.When the slurry does not contain H2O2, the surface roughness first decreases and then increases with the increase of pH, and the lowest surface roughness is 1.998 nm when the pH is 3.0.With the increase of H2O2content, the surface roughness first decreases and then increases.When the mass fraction of H2O2is 2.0wt.%, the surface roughness is at least 0.929 nm.Electrochemical test and XPS analysis show that citric acid can accelerate the corrosion of aluminum alloy by slurry, and H2O2can form an oxide layer on the surface of aluminum alloy, thus slowing down the corrosion of aluminum alloy by slurry.The main components of the oxide film are Al2O3, AlOOH and Al(OH)3.

5083 aluminum alloy; chemical mechanical polishing; green; surface roughness; mechanism analysis;electrochemical analysis

TG356.28；TG172

A

1001-3660(2022)05-0345-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.05.035

2022–05–05；

2022–05–12

2022-05-05；

2022-05-12

宋曉明（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

SONG Xiao-ming (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: mechanical engineering.

張振宇（1976—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。

ZHANG Zhen-yu (1976-), Male, Doctor, Professor, Research focus; mechanical manufacturing and automation.

宋曉明, 張振宇, 劉杰, 等. 5083鋁合金綠色化學(xué)機(jī)械拋光液對(duì)表面粗糙度的影響及機(jī)理分析[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(5): 345-353.

SONG Xiao-ming, ZHANG Zhen-yu, LIU Jie, et al. Effect and Mechanism Analysis of Green Chemical Mechanical Slurry on Surface Roughness of 5083 Aluminum Alloy[J]. Surface Technology, 2022, 51(5): 345-353.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清