鈦合金疏水表面微坑陣列的掩膜電解加工仿真與分析

張宏偉, 孟建兵, 周海安, 曲凌輝, 董小娟, 李麗, 關(guān)慶義, 王帥柯

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東淄博 255000)

隨著鈦合金高端功能產(chǎn)品向高效率、高強(qiáng)度、長壽命要求的不斷提升,對(duì)鈦合金零部件的性能要求也越來越苛刻。現(xiàn)代摩擦學(xué)[1-4],空氣動(dòng)力學(xué)[5-6]和仿生學(xué)[7-8]證實(shí),在摩擦副、傳熱領(lǐng)域、密封結(jié)構(gòu)的表面上加工出一定尺寸和形狀的非光滑單元體,可大幅提高產(chǎn)品性能,如改變疏水性、減小摩擦磨損、減小阻力、提高承載力、降低油耗、避免表面粘附和咬死等。

Pratap等[9]為了提高Ti6Al4V的潤濕性,采用高速球頭微銑削工藝制備了平行微凹、交錯(cuò)微凹和微網(wǎng)格等不同結(jié)構(gòu)的微織構(gòu)表面,并研究了不同結(jié)構(gòu)、幾何變化(螺距、深度和直徑)和加工區(qū)重疊對(duì)平衡接觸角的影響。Zhou等[10]采用電火花線切割技術(shù)制備了具有規(guī)則可控微溝槽結(jié)構(gòu)的Ti3SiC2近超疏水表面,從靜態(tài)接觸角、各向異性潤濕性和接觸角隨時(shí)間的變化等方面探討了微槽Ti3SiC2表面的潤濕機(jī)理。Patel等[11]采用1 064 nm波長的Nd:YAG激光器在鈦合金上制作了不同形貌的微柱陣列,研究了紋理面積密度、縱橫比和形狀等幾何參數(shù)對(duì)其疏水性的影響。

然而,這類微結(jié)構(gòu)尺寸較小,形狀各式各樣,多為陣列群結(jié)構(gòu),給加工制造帶來一定的困難。此外,鈦合金由于本身具有粘、韌、彈以及高化學(xué)活性等特點(diǎn),是一種典型的難加工材料[12-15]。由于導(dǎo)熱系數(shù)小,鈦合金機(jī)械加工產(chǎn)生的熱量很難通過工件釋放;由于比熱小,鈦合金加工時(shí)局部溫度上升快,加快刀具磨損、降低表面加工質(zhì)量;由于彈性模量低,已加工鈦合金表面容易回彈,特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴(yán)重;由于化學(xué)活性強(qiáng),高溫下鈦合金極易與氧、氫、氮發(fā)生作用,生成硬化層,降低塑性,增大硬度。因此,發(fā)展適應(yīng)于鈦合金材料特點(diǎn)的表面織構(gòu)加工技術(shù),有效構(gòu)建凹坑、凸起、條紋等各類非光滑單元體,對(duì)改善鈦合金的加工性能、提高鈦合金零件使用性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

研究發(fā)現(xiàn),與微細(xì)切削、電火花、激光等表面織構(gòu)方法相比,電解微織構(gòu)是基于電化學(xué)反應(yīng)和陽極溶解原理的一種加工方式[16-18],具有無熱應(yīng)力、無切削力、無工具電極損耗等優(yōu)點(diǎn)[19-23]。然而,單電極電解加工和電射流電解加工通常采用逐點(diǎn)加工方式,加工效率較低;電解轉(zhuǎn)印加工對(duì)加工間隙的要求比較嚴(yán)格,表面織構(gòu)的質(zhì)量較差;活動(dòng)模板掩膜電解加工由于活動(dòng)模板的通孔尺寸受微細(xì)切削的限制,難以加工出尺寸較小的非光滑單元體。

文中采用光刻膠掩膜電解加工的方法在鈦合金表面織構(gòu)出無需氟化處理、直接滿足疏水性能要求的凹坑非光滑單元體。此外,針對(duì)電解加工受電場(chǎng)、流場(chǎng)、尺寸間隔等眾多因素影響的特點(diǎn)以及掩膜電解加工中光刻膠不能重復(fù)使用的問題,采用多物理場(chǎng)耦合仿真與潤濕理論分析相結(jié)合的方法,開展鈦合金疏水表面微坑陣列掩膜電解加工的研究。首先,建立電場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行掩膜電解加工的多物理場(chǎng)耦合仿真,得到凹坑非光滑單元體的輪廓曲線和幾何尺寸;其次,基于現(xiàn)有潤濕理論和凹坑非光滑單元體的幾何尺寸,計(jì)算得到微坑陣列的固-液接觸面積比(直接決定表面接觸角的大小),并結(jié)合仿真結(jié)果,預(yù)測(cè)掩膜電解加工各工藝參數(shù)組合下的固-液接觸面積比;最后通過正交試驗(yàn)的極差分析,優(yōu)化工藝參數(shù)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 掩膜電解加工原理

鈦合金表面微坑陣列的掩膜電解加工原理如圖1所示。首先,在鈦合金表面旋涂一層感光材料,并借助加熱或加壓等手段使之緊密貼合于鈦合金表面;然后,經(jīng)過顯影處理,把掩膜上的圖案轉(zhuǎn)移至感光材料并紫外曝光出遮擋層;最后在工件陽極和銅陰極之間導(dǎo)入電解液,使工件上未被遮擋保護(hù)的區(qū)域發(fā)生電化學(xué)陽極反應(yīng),從而氧化蝕刻出微坑陣列結(jié)構(gòu)。

圖1 掩膜電解加工原理圖

2 掩膜電解加工仿真

鑒于鈦合金表面微坑陣列的掩膜電解加工是電場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合作用的過程,擬借助COMSOL Multiphysics軟件,通過幾何模型的建立、邊界約束條件的添加、材料屬性的定義和求解設(shè)置,可實(shí)現(xiàn)該掩膜電解加工過程的有限元仿真,并得到凹坑非光滑單元體結(jié)構(gòu)變化與場(chǎng)強(qiáng)分布的相互影響規(guī)律,從而揭示微坑陣列幾何形貌隨電解電壓、電解液濃度和掩膜尺寸變化規(guī)律。

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)法拉第定律、歐姆定律、傳熱及流體動(dòng)力學(xué)理論,建立微坑陣列掩膜電解加工過程中的電場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等相關(guān)數(shù)學(xué)模型,即：

(1)

(2)

(3)

(5)

式中:φ為電極電勢(shì);J為電流密度；σ為電導(dǎo)率；ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；Je為交換電流密度;ρ為電解液密度；Cp為電解液比熱容；s為電解液傳熱系數(shù)；T為溫度；Q為電流焦耳熱；u為電解液流速；Q內(nèi)為內(nèi)熱源項(xiàng);k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；e為自然常數(shù)；t為時(shí)間；μ為電解液動(dòng)力密度；μT為湍流黏性系數(shù);σk、σε為與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，σk=1.0,σε=1.3;C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C1ε=1.44,C2ε=1.92;Pk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)。

2.2 幾何模型

根據(jù)上述加工原理,建立如圖2所示的微坑陣列掩膜電解加工過程的幾何模型。其中,紫銅陰極和掩膜板之間為加工間隙和電解液作用區(qū)域;并在電極變形表面插入邊界探針。

圖2 掩膜電解加工幾何模型

對(duì)該幾何模型進(jìn)行如下網(wǎng)格劃分處理:整體模型采用三角單元的變形幾何網(wǎng)格;加工間隙處為電解液流通區(qū)域,單元位移及形狀變化不明顯,采用稀疏網(wǎng)格劃分處理,陰極同理;鈦合金陽極處網(wǎng)格單元存在較大變形及位移,采用加密網(wǎng)格劃分處理。此外,為了提高仿真精度,在計(jì)算過程中選擇重新自動(dòng)劃分網(wǎng)格類型,對(duì)加工變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)化;為避免陽極邊緣網(wǎng)格提前不收斂,對(duì)邊緣進(jìn)行圓角處理。

2.3 邊界條件

由于微坑陣列掩膜電解加工的仿真涉及到電、流、熱等物理場(chǎng)的耦合作用,需要在幾何模型上提取仿真區(qū)域并添加與流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)有關(guān)的邊界約束條件。

流場(chǎng)和溫度場(chǎng)邊界條件:采用湍流流體標(biāo)準(zhǔn)模型,在電解液幾何模型的邊界面上分別設(shè)置進(jìn)口壓力和出口壓力,其中出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;此外,設(shè)置初始溫度為室溫(25 ℃)。

電場(chǎng)邊界條件:電極表面作為等勢(shì)面,鈦合金陽極和銅陰極分別施加恒定電勢(shì)和零電位(電接地),在模型其它邊界上,電勢(shì)為0,掩膜設(shè)置為絕緣;在陽極的上表面,設(shè)置初始電壓、溶解-沉積物質(zhì)屬性和平均電流密度;加工間隙內(nèi)電位梯度的負(fù)值作為該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度;由于工件材料為鈦合金,則參與電化學(xué)反應(yīng)的電子數(shù)為4;此外,陽極上表面的溶解速度應(yīng)滿足

v=ηωJ

(6)

式中:η、ω分別為電流效率和體積電化學(xué)當(dāng)量。

2.4 仿真結(jié)果

基于前期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),采用如表1所示的相關(guān)參數(shù),忽略NaNO3電解質(zhì)對(duì)離子水溶液流動(dòng)特性的影響,選擇瞬態(tài)求解器作為COMSOL軟件仿真的模擬器,設(shè)置恰當(dāng)?shù)慕K止條件,對(duì)鈦合金表面微坑陣列的掩膜電解加工進(jìn)行仿真,并分析電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電解電壓、掩膜板尺寸等工藝參數(shù)對(duì)微坑陣列幾何形貌的影響規(guī)律。

表1 仿真模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)定表

2.4.1 電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

當(dāng)其它工藝參數(shù)固定不變,即電解電壓、掩膜尺寸(直徑 & 單元間距)分別為15 V、200 & 70 μm時(shí),在不同電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)作用下,掩膜電解加工微坑陣列的形貌如圖3所示。當(dāng)電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%依次增加到15%、30%時(shí),單個(gè)凹坑的平均直徑Φ也從225 μm快速增大至230 μm、245 μm。從圖3中還可以發(fā)現(xiàn):隨著電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,微坑陣列凹坑間的平均距離L從48 μm快速下降至37 μm、26 μm;此外,微坑陣列單個(gè)凹坑的平均深度h受掩膜尺寸的影響,從36.9 μm增至37.2 μm、39.2 μm。

圖3 電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)微坑陣列形貌的影響

2.4.2 電解電壓的影響

當(dāng)其它工藝參數(shù)固定不變,即電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、掩膜尺寸(直徑&單元間距)分別為15%、200 μm & 70 μm時(shí),在不同電解電壓作用下,掩膜電解加工微坑陣列的形貌如圖4所示。當(dāng)電解電壓從10 V依次增加到15 V、20 V時(shí),單個(gè)凹坑的平均直徑Φ從229 μm逐漸升至230 μm、233 μm。從圖4中還可以看出:隨著電解電壓的升高,微坑陣列凹坑間的平均距離L從38 μm逐漸減少到37 μm、35 μm;此外,微坑陣列單個(gè)凹坑的平均深度h受掩膜尺寸的影響,從36.6 μm增至37.2 μm、37.6 μm。

圖4 電解電壓對(duì)微坑陣列形貌的影響

2.4.3 掩膜板尺寸的影響

當(dāng)其它工藝參數(shù)固定不變,即電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電解電壓分別為15%、15 V時(shí),在不同掩膜尺寸作用下,微坑陣列的形貌如圖5所示。當(dāng)掩膜尺寸(直徑&單元間距)從190 μm & 25 μm依次增加到200 μm & 70 μm、200 μm & 100 μm時(shí),單個(gè)凹坑的平均直徑Φ從179 μm迅速擴(kuò)大到230 μm、252 μm。從圖5中還可以看出:隨著掩膜直徑和間距的增大,微坑陣列凹坑間的平均距離L從32 μm快速增加到37 μm、48 μm;而且,凹坑單元體的平均深度h受掩膜尺寸的影響,從22.1 μm增至37.2 μm、41.2 μm。

圖5 掩膜尺寸對(duì)微坑陣列形貌的影響

3 參數(shù)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 參數(shù)優(yōu)化

由潤濕理論和上述仿真分析可知,鈦合金的潤濕性能主要取決于表面的微觀粗糙結(jié)構(gòu),而微坑陣列的幾何形貌又受掩膜電解加工工藝參數(shù)的影響。為了深入研究微坑陣列掩膜電解加工過程中工藝參數(shù)對(duì)鈦合金表面潤濕性能的影響,考慮各工藝參數(shù)間的交互作用,實(shí)驗(yàn)在固定其他參數(shù)并以表2中的電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電解電壓和掩膜板尺寸作為自變量,以微坑陣列的固-液接觸面積比λ為因變量,設(shè)計(jì)了三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)表。

表2 工藝參數(shù)及水平表

首先,借助上述仿真,得到各工藝參數(shù)組合下的微坑陣列幾何尺寸;其次,基于Cassie-Baxter態(tài)關(guān)于微觀粗糙結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算得到每組工藝參數(shù)作用下的固-液接觸面積比,如表3所示;最后,采用正交實(shí)驗(yàn)極差分析,實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇。

表3 微坑陣列仿真接觸面積比計(jì)算結(jié)果

根據(jù)Cassie-Baxter態(tài)的表面接觸角公式[24-25],在符合約束條件的情況下,其中液體潤濕的固體表面積的分?jǐn)?shù)取得最小值時(shí),接觸角達(dá)到最大值。

對(duì)正交試驗(yàn)表3進(jìn)行極差分析后可知工藝參數(shù)對(duì)微坑陣列固-液接觸面積比的影響程度依次為:A>C>B,即電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)>電解電壓>掩膜尺寸,而掩膜電解加工的最佳工藝參數(shù)組合為A3B2C2,即:電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、電解電壓15 V、掩膜直徑200 μm、單元間距70 μm。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 實(shí)驗(yàn)流程

微坑陣列掩膜電解加工流程如圖6所示。

圖6 掩膜電解加工實(shí)驗(yàn)流程

首先,對(duì)鈦合金試件依次進(jìn)行砂紙打磨、去離子水和無水乙醇超聲清洗,并進(jìn)行干燥處理;其次,將感光膠均勻旋涂在工件表面并烘干;再次,將帶有陣列圖案的菲林膠片覆上并曝光30 s,隨后放入顯影劑中顯影100 s,之后烘干固化;最后,在小型CNC數(shù)控銑床上進(jìn)行微坑陣列的電解加工。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

鈦合金微坑陣列掩膜電解加工裝置如圖7所示。陽極為20 mm×20 mm×4 mm的 TC4鈦合金、陰極為紫銅電極、掩膜為BP212-37S紫外正性光刻膠,其配套試劑為KMP ST600正膠去膜劑和KMP PD238Ⅱ正膠顯影液;采用小型CNC數(shù)控銑床來精確控制加工間隙、利用可調(diào)穩(wěn)壓直流恒流電源控制電解電壓、通過DP-130微型高壓隔膜泵使電解液持續(xù)沖刷陽極加工表面;分別使用KW-4A勻膠機(jī)、395 nm紫外燈進(jìn)行光刻膠的旋涂和曝光固化。

圖7 掩膜電解加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用優(yōu)化后的工藝參數(shù),對(duì)鈦合金微坑陣列掩膜電解加工進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn),并借助金相顯微鏡、三維顯微鏡和接觸角測(cè)量儀對(duì)微坑陣列的孔徑、間距、深度以及表面水滴接觸角進(jìn)行測(cè)量,其結(jié)果分別如圖8與圖9所示。

圖8 掩膜電解加工微坑陣列的實(shí)測(cè)圖

圖9 掩膜電解加工微坑陣列的接觸角測(cè)量圖

其中,仿真得到的微坑陣列凹坑直徑、間距、深度的平均值分別為245 μm、26 μm、39.2 μm;根據(jù)表面潤濕模型和上述微坑陣列幾何尺寸,計(jì)算得到相應(yīng)的固-液接觸面積比,約為0.36。在此基礎(chǔ)上,通過Cassie-Baxter潤濕理論可以得到與0.36接觸面積相對(duì)應(yīng)的水滴接觸角,約為150.7°。

圖8是相同工藝參數(shù)組合下,掩膜電解加工后的微坑陣列結(jié)構(gòu),與仿真中的仿真結(jié)果較為一致,其凹坑直徑、間距、深度和接觸角的多次測(cè)量取平均值分別為251.9 μm、24.3 μm、42.2 μm、140.25°。

對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),凹坑直徑、間距、深度、接觸角的仿真值與實(shí)測(cè)值存在一定的偏差,如表4所示。這是因?yàn)?加工過程中電解液的波動(dòng)會(huì)引起流場(chǎng)分布的不均勻、不能及時(shí)排出的電解產(chǎn)物影響溶液電導(dǎo)率、雜散電流引起的腐蝕、菲林膠片精度以及紫外燈照射時(shí)的散射等隨機(jī)性因素,都會(huì)導(dǎo)致仿真值與實(shí)測(cè)值的不一致,但之間的誤差值均小于8%;盡管接觸角的測(cè)量值沒有達(dá)到超疏水表面所需的150°,然而未經(jīng)任何低表面能材料修飾,仍超過了120°,屬于低潤濕疏水表面。由此可見,文中所采用的COMSOL仿真與理論計(jì)算相結(jié)合的方法,對(duì)鈦合金低潤濕表面微坑陣列的掩膜電解實(shí)際加工具有一定的指導(dǎo)意義。

表4 微坑陣列仿真與實(shí)測(cè)誤差分析

4 結(jié)論

1) 建立了掩膜電解加工的電場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等數(shù)學(xué)模型,使用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)鈦合金表面微坑陣列的掩膜電解加工過程進(jìn)行了多物理場(chǎng)耦合的有限元仿真。

2) 分析了電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電解電壓、掩膜尺寸等主要工藝參數(shù)對(duì)微坑陣列結(jié)構(gòu)尺寸的影響規(guī)律:凹坑直徑隨工藝參數(shù)的增加而增大;凹坑間距隨電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電解電壓的增加而縮小、隨掩膜尺寸的增加而變大;凹坑深度隨工藝參數(shù)的增加而增大,與電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電解電壓相比,掩膜尺寸對(duì)凹坑最終深度的作用最為顯著。

3) 借助表面潤濕理論,通過對(duì)凹坑直徑、間距和深度等非光滑單元體幾何尺寸的測(cè)量與計(jì)算,得到了微坑陣列固-液接觸面積比,在Cassie-Baxter態(tài)的約束條件下,該接觸面積比越小、水滴接觸角越大、表面疏水性越好。

4) 以固-液接觸面積比為評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行了工藝參數(shù)的優(yōu)化和掩膜電解加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,與仿真預(yù)測(cè)值相比,測(cè)量得到的凹坑直徑、間距、深度、微觀陣列的固液接觸面積比、表面接觸角的誤差值分別為2.82%、6.54%、7.65%、3.61%和6.93%,仿真預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合較好,結(jié)果表明了文中所采用方法的有效性。