近日，南方科技大学机器与能源工程系助理教授邓辉研究团队在机器制造领域顶级期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上揭橥最新研究成果，提出了一种基于电化学各向同性刻蚀轮廓包络事理的金属材料普适性抛光加工技能。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2020.103517
抛光是一种常见的表面加工技能，紧张目的是降落表面粗糙度、去除损伤层，终极得到光滑且无损伤的高质量表面。无论这天常生活中的消费用品还是制造技能高度集成的半导体芯片，抛光加工都是担保表面质量不可或缺的技能手段。近年来，在金属材料超精密加工领域，具有繁芜形状和内腔的金属零件的抛光一贯是工业界所面临的技能难题。传统的诸如化学机器抛光、激光抛光以及磁流变抛光，都存在“刀具干涉”问题。如何在不毁坏金属零件的面形精度的条件下，高效率得到纳米级光滑表面，是目前亟待办理的技能难题。
图1. 各向同性刻蚀轮廓包络抛光事理图
受单点金刚石超精密车削加工的刀尖轨迹包络事理启示，课题组提出了一种基于各向同性刻蚀轮廓包络事理的抛光技能（图1）：在抛光液的钝化浸染下，金属表面天生一层钝化膜；在电场的浸染下，钝化膜的薄弱位置优先发生击穿放电；通过阿伦尼乌斯公式优化干系参数，击穿位点可实现密度可控的各向同性刻蚀反应；随着各向同性刻蚀的进行，刻蚀坑不断扩展并相互领悟完成包络；终极原始粗糙表面被超光滑表面取代。
图2. 抛光过程的建模剖析
根据上述抛光事理，课题组对抛光过程中材料表面的描述变革以及粗糙度变革进行了建模剖析，其结果如图2所示。抛光开始阶段，由于刻蚀坑的形成，表面粗糙度逐渐增加；随着抛光的进行，表面刻蚀位点相互领悟取代了原始粗糙表面，表面粗糙度迅速降落；末了，初始表面被完备取代，转变为超光滑表面。从该模型可知，基于提出的包络抛光事理，理论上可得到亚纳米级超光滑表面。
图3. 钛的刻蚀轮廓包络抛光过程的轮廓与描述演化
以钛（TA2）的超精密抛光为例（图3），课题组通过对电解液和击穿电压等参数的优化，实现了材料表面的各向同性刻蚀。抛光所形成的刻蚀坑呈现规则的半球形，密度可控，表里面具有纳米级粗糙度（Sa=1.13nm）。研究结果表明，此方法对TA2可实现15.1m/min的高效率去除，在抛光3分钟后表面粗糙度Sa从64.1nm迅速降落到1.23nm，高效率得到了纳米级表面。
图4. 各种金属材料的抛光效果图
同时，研究团队也将这一抛光技能运用到了其他范例金属材料，如镍磷合金、镍钛合金、304不锈钢、6063铝合金、Inconel718合金等。如图4所示，抛光后的样品表面都具备了镜面效果，也都得到了纳米级表面粗糙度。这一结果表明：研究团队提出的各向同性刻蚀轮廓包络抛光技能可作为一种普适性抛光加工手段运用于常见金属材料，具有显著的工业运用代价。
邓辉先容，此项研究所提出的刻蚀轮廓包络抛光技能避免了利用传统抛光工艺所不可或缺的刚性工具，因此该技能不存在“刀具干涉”问题，可以加工具有繁芜形状和内腔构造的金属零件，加工效率高且加工后表面无残余应力。此外，由该技能的加工事理可知，这一技能适用于绝大部分的金属材料，具有较强的通用性。未来，这一技能有望在航空航天和汽车零部件等领域投入运用，也可办理3D打印金属零件的后处理难题。
邓辉课题组2019级博士生易蓉为文章第一作者，邓辉为文章通讯作者，南方科技大学为通讯单位。该研究得到了深圳市科技创新委员会国际互助项目和深圳市外洋高层次人才创新创业项目的帮助。
本文来自：南方科技大学新闻网。
