涡轮叶片冷却孔电火花加工管电极的铜电铸层制备及其抗电蚀性

以降低高温镍基合金涡轮叶片冷却孔电火花加工电极损耗率为目标,基于精密电铸工艺,优化了铸液工艺参数,在添加纳米La₂O₃条件下制备了铜管电极的铜电铸层,并将其与未添加La₂O₃所制备的铜电铸层进行了材料性能对比分析。以Inconel 718镍基合金叶片冷却孔为加工对象,利用所制备的带有纯铜电铸层的管电极进行了抗电蚀性能对比研究。试验结果表明：铸液中La₂O₃的添加量为1.2g/L时,铜电铸层晶粒最细,晶粒平均直径为15.9μm,表面粗糙度降至0.140μm,显微硬度可达98.2HV;用其制成的铜管电极损耗率较普通紫铜管电极和未添加纳米La₂O₃的铜管电极损耗率分别降低了13.29%和7.26%。     

基于Over-plating成型的金属微电极阵列制备技术

为了解决MEMS工艺制备金属微电极阵列时,电极与基底结合力小,易脱落等问题,提出了基于Over-plating成型的过电铸法金属微电极阵列制备技术。在常温下,选择190 g/m L的CuSO_4·5H_2O、60 g/L的H_2SO_4、70 mg/L的氯离子以及适量的添加剂配置成的电铸液,并采用酸性镀铜工艺,设置电流密度1.5 A/dm~2,过电铸20 h,经抛光处理后,分别得到了高度200μm、900μm,线宽200μm,中心距300μm的柱金属微电极阵列。所制备的金属微电极阵列,在相邻区域金属沉积过程中相互影响形成了较深的孔缝,这些微孔极大地增加了三维微电极的表面积。可见,过电铸工艺是一种便捷、快速、低成本的微电极制备工艺。     

脉冲电流对稀土电铸铜性能的影响

电铸是一种电沉积金属的工艺,有极高的复制精度和可重复性,适用于制造外观形状精密复杂的金属零件。本文分析了采用脉冲电源、稀土硫酸铜电铸液制备一定厚度的电铸铜时,脉冲电流密度和稀土添加剂对电铸层性能的影响规律,以及对铜金属基体晶粒显著细化作用,并分析了其影响机制。     

电铸工艺对工具电极材料抗电蚀性能的影响研究

提升基于准LIGA工艺制作的微细电火花加工工具电极材料的耐电蚀能力,是准LIGAMicroEDM组合加工高深宽比三维微结构可靠实现的重要研究内容。论述了该组合加工的技术优势及其工艺路线,理论分析了电铸电极材料电蚀性的影响因素,试验研究了电沉积工艺参数和操作条件如添加剂种类及其添加量、电流密度、温度等对电铸铜工具电极电蚀能力的影响。结果表明,组合添加适量明胶和Cl-,在适当的电流密度和温度等工作条件下,电铸出的铜工具电极在微细电火花加工中表现出超强的耐电蚀能力,重量相对损耗为0.3%。     

基于MEMS工艺的高能量密度微电磁驱动器

提出了制作高能量密度电磁驱动器的工艺方法。利用微机械(MEMS)工艺在硅片上得到多匝平面线圈和磁芯的掩模图形,接着沉积种子层铜(Cu),然后对种子层进行整体Cu的电铸;当种子层生长到20 μm左右时,剥离硅片表面的镀层并用光刻胶保护磁芯位置的镀层;再用沿线电铸的方法对线圈进行电铸;最后保护制作好的线圈镀层,电铸NiFe合金材料。在10 mm×10 mm×0.38 mm的硅片上,制作出线圈匝数22×2(铜线截面积60 μm×60 μm、总长度达1 164 mm)、NiFe合金磁芯尺寸为3 mm×3 mm×0.2 mm的高能量密度微型电磁驱动器。把这种微型驱动器应用于无阀微泵做驱动实验:通入0.3 A的正弦电流时,微驱动器产生约50 mN的电磁力。实验结果表明:这种型微电磁驱动器在相同的输入功率下,比同类其他微电磁驱动器具有更高的能量密度,能产生更大的电磁驱动力。     

电火花成型加工工具电极损耗的研究

在电火花成形加工过程中,工具电极的损耗是影响工件几何形状精度的主要因素之一。从工具电极的制作工艺着手,利用电铸制造工具电极,并在铸液中加入不同的添加剂,进行电极放电损耗试验。试验结果表明,在适当温度和电流密度条件下,加入Cl^-和某苯基添加剂电铸形成铜工具电极的耐电蚀能力比不加添加剂的有明显提高。     

UV-LIGA技术制作微型螺旋形加速度开关

微型加速度开关是用于空间飞行体中感受加速度并完成致动的重要惯性器件。本文采用UV-LIGA技术,结合SU-8厚胶工艺、微电铸工艺以及牺牲层技术,制作了微型螺旋形加速度开关。研究了牺牲层工艺、SU-8光刻技术以及螺旋形弹簧形变控制等微细加工的工艺细节;分析了多种牺牲层材料的特性,优选了与工艺相适应的Zn牺牲层体系,解决了微结构易脱落的工艺问题。通过优化微电铸工艺来减小金属膜层的内应力,优化牺牲层释放工艺来避免腐蚀过程对弹簧膜结构的冲击。实验结果表明,通过工艺优化可得到平整的微型螺旋形弹簧—质量块结构,螺旋弹簧厚度为20μm,质量块厚度达200μm,本文的工作可为大批量、低成本地研制微型加速度开关提供工艺基础。     

基于快速成型技术的射流电铸试验研究

介绍了自行研制的射流电铸快速成型设备的系统组成与原理 ,对射流电铸工艺特点进行了实验研究。结果表明 ,在其他工艺参数一定时 ,射流电铸的电流密度和电铸速度随电铸电压增大而增大 ,实验中可用电流密度高达380A/dm2 ,远高于传统电铸电流密度。喷嘴口径一定时 ,喷射距离近、电流密度低 ,射流电铸的定域性好。电流密度对铸层表面形态有较大的影响。用射流电铸快速成型设备制备了一组具有一定形状的金属铜零件。     

微电铸中电流-流体耦合场数值分析及实验

微电铸是LIGA/UV-LIGA的核心技术,在微机电系统和微纳米制造领域有着很好的应用前景。为了探究微电铸的内在规律,需要对影响铸层生长的阴极电流密度和流体流场进行数值仿真研究。以微流控芯片的微模具为研究对象,在建立微电铸的数学模型的基础上,分别给出描述电流密度和流体流场的偏微分方程。运用有限元法对微电铸体系进行三维数值仿真,得到电流密度分布和流体流场分布的数值结果。选择十字铸层上的测量点,由测量点处电流密度和流体流速仿真数据计算出微电铸4小时的铸层生长高度仿真值,与相同工艺条件的微电铸实验铸层生长高度进行对比。结果表明,对应各测量点微电铸生长高度仿真值和实验值的变化趋势接近,绝对偏差小,最大绝对偏差为4.437μm,最小绝对偏差为0.264μm。这种数值仿真方法能够用于微电铸工艺和设计的辅助分析,缩短微电铸工艺的开发周期。     

UV-LIGA制作超高微细阵列电极技术

采用UV-LIGA技术制作了超高金属微细阵列电极,并利用电解置桩的方法辅助去除SU-8胶。通过单次涂胶和提高前烘温度、降低后烘温度的方法制作了厚度达1mm的SU-8胶结构;采取反接电极法在金属基底上电解得到微坑,增强电铸金属电极与金属基底的结合力,保证去胶后电铸金属的完整性。选取优化的工艺参数:单次注射式涂胶,前烘110℃/12h,适量曝光剂量,分步后烘50℃/5min、70℃/10min、90℃/30min,反接电极电解10V/15min等,获得了高900μm、线宽300μm的金属微细阵列电极结构。试验表明,UV-LIGA技术是一种高效、经济的制造超高微细阵列电极的有效手段。     

微通道结构带状电极电火花加工方法研究

针对大厚度、高深宽比金属微通道结构加工的难题,提出一种带状电极电火花加工方法,利用厚度30～100 μm的带状电极,在金属基体上高效制造微通道结构。研究了带状电极电火花加工机理,建立了带状电极在加工间隙中的运动模型,分析了影响带状电极运动的主要因素,搭建了带状电极电火花加工装置,开展了微通道结构带状电极加工实验研究,获得了带状电极电火花加工基础工艺规律。利用带状电极电火花加工方法成功加工出的具有200条微通道的反应器结构和44×45微换热器阵列结构,表明带状电极电火花加工可以实现窄宽度(100 μm以下)、大厚度(35 mm以上)、高深宽比(10以上)和高精度(缝宽标准差3 μm以内)的大批量微通道结构的高效加工,相关方法和技术有望在微模具、微散热器、微反应器等领域获得推广和应用。     

MEMS硅半球陀螺球面电极成形工艺

由于球面电极是曲面结构,电极各处的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀深度不一致,在加工过程中常发生球面电极还未刻蚀到位而谐振器已被破坏的现象,故本文提出了新的球面电极成形工艺。基于ICP刻蚀固有的lag效应,采用刻蚀窗口宽度由60μm渐变至10μm的V形刻蚀掩模调制电极各处的刻蚀速度,在电极各处获得了基本一致的归一化刻蚀速度(2.3μm/min)。利用台阶结构拟合球面电极的3D曲面结构,并保证通刻阶段的硅厚度基本一致为150μm来消除球面电极加工时最薄处已经刻穿阻挡层并破坏谐振器而最厚处还没有刻蚀到位的现象。结合台阶状的二氧化硅掩模对球面电极各点处的硅ICP刻蚀当量进行了调整,使其基本相等,通过一次ICP刻蚀即完成了对硅球面电极的加工。利用提出的方法成功制备出了具有功能性输出的微机电系统(MEMS)半球陀螺的硅球面电极,其最大半径可达500μm。     

用于微反射镜制作的叠层光刻胶牺牲层工艺及残余应力控制

对应用于微反射镜制作的叠层光刻胶牺牲层工艺及微反射镜表面残余应力控制进行了研究。讨论了光刻胶牺牲层在电镀时的污染问题,提出电镀结束后重新制作光刻胶牺牲层的方法来保证牺牲层表面质量。同时提出蒸发-电镀相结合的工艺解决了上层光刻胶溶剂穿过中间结构层浸入底层光刻胶的问题,并通过控制蒸发与电镀过程中应力状态不同的两层金属薄膜的厚度解决了微反射镜镜面存在残余应力问题。最后成功释放了长620μm、宽500μm、厚2μm、悬空高为12μm的微反射镜结构。     

利用声表面波实现液体的二维驱动(英文)

报道了利用声表面波实现水滴二维驱动的实验.在127.8° Y切X向传播的铌酸锂衬底上制作了4个叉指换能器.每个叉指换能器由10对电极构成,其叉指周期为400 μm,宽度为100 μm,孔径为12 mm,整个器件的尺寸为26 mm×26 mm×0.45 mm.由于铌酸锂晶体的各向异性,叉指换能器沿Y、X方向的谐振频率不同,分别为9.3 MHz 和9.6 MHz.基于铜材料相对于铝材料的优点,选用了铜材料并采用剥离工艺制作了电极,得到了优化的工艺参数.最后,用了超长时间超声波辅助方法彻底去除残胶,实现了对水滴的二维驱动,输入功率为9 W,液滴运动的平均速率为5 mm/s.利用ANSYS软件分析了声表面波在铌酸锂衬底内的传播,内部振动的模拟结果与理论分析一致.实验表明,利用声表面波实现液体的二维驱动是可行的,该液体驱动原型可用于片上系统和μ-TAS.     

敞开式离子源和微型气泵集成的微型针-柱放电结构芯片设计与实验分析

采用LIGA(Lithographie,Galvanoformung,Abformung)工艺设计加工了一种微型针-柱放电结构芯片,可实现敞开式离子源和微型气泵的系统集成。此微型放电结构由采用电镀铜加工而成的针电极、上圆柱电极和下圆柱电极组成,针-柱间距有1mm、2mm两种规格。在室温、大气压环境、无外界通入气流的条件下,通过在针-柱电极上加载负直流高压,可产生稳定的气体放电。利用风速计testo 405-V1测量芯片气体放电产生的离子风风速,结果表明针-柱间距为2mm时产生的离子风流速最大,可达0.79m/s。对针-柱间距2mm规格的微型芯片进行乙酸进样电离实验,当针-柱之间产生稳定的电晕放电后,可发现位于芯片出口处已被去离子水润湿的PH试纸变红。此时利用微弱电流检测系统采集电离产生的离子,当放电电压为-3300V时,通过微弱电流采集系统检测到的电流信号可达120pA。采用LTQ XL离子阱质谱仪,对芯片电离丙酮、无水乙醇和乙酸乙酯的离子产物进行检测,所得到的主要物质为质子化单体离子和二聚物离子。放电产生离子风风速以及乙酸的进样和电离实验表明,基于LIGA的微型针-柱结构芯片可实现大气压环境下敞开式离子源和微型气泵的双重功能。     

Experimental study on fabrication and evaluation of a micro-scale shaft grinding tool

This paper presents a micro-grinding experiment on AISI 1020 steel and Ti-6Al-4V to study micro-grinding principle and the change rule of the force and surface with different grinding parameters. A novel micro shaft grinding tool is fabricated by cold sprayed with CBN grains, the manufacturing is carried out on a desktop micro machine developed by NEU. Influences caused by particle size on surface quality has been discussed, it has been tested that low surface roughness could be achieved on 3000 particle size of micro shaft grinding tool, the roughness of AISI 1020 steel accomplished in the experiment is about 0.086 μm. Measured micro-grinding force of Ti-6Al-4V decreases with the increasing spindle speed and the decreasing cutting depth. The surface roughness decreases with the increasing spindle speed and the decreasing feed rate. The minimum surface roughness is 325 nm with the spindle speed of 48000 r/min and the feed rate of 20 μm/s.     

Investigation of complex rapid EDM electrodes for rapid tooling applications

This paper describes a collaborative research programme aimed at investigating the use of quick EDM electrodes obtained via appropriate rapid prototyping techniques in finishing laser-sintered tools. Two methods were employed in obtaining the EDM electrodes: copper coating of stereolithography models and copper coating of direct metal laser sintered (bronze) models.The amount of copper deposited on both electrode models proved problematic as the electroplating process was unable to deposit enough copper in the inner cavities of the electrodes, with very gradual reduction in copper layer thickness from the outer faces/surface to virtually no deposition in the inner walls and bottom face. Consequently, the electrodes were not suitable for the envisaged EDM process.     

微细电解加工用中空电极的制备

为了改进加工间隙内电解产物的排出条件和加速电解液的更新,提出了一种嵌套式微细中空电极的精确可控焊接制备工艺。仿真分析了电极的过流特性,优化了电极长度,并进行了性能测试及加工实验。通过穿丝、黏结、嵌套尺寸及位置调整和焊接工序,制备出加工段内径为65μm、外径为130μm、长3.25mm左右,后段便于装夹和连通的嵌套式中空电极。在供液压力为1.15 MPa时,其出口流速可达10m/s左右。利用制备的中空电极,开展微细孔电解加工实验,在0.5mm厚不锈钢片上加工出最小入口孔径约为157μm,出口孔径约为133μm的微细孔,并将其延伸应用于微结构加工中,铣削出了长554μm、宽160μm、深224μm的微细T型槽。实验结果表明:制备的微细中空电极有效提高了加工间隙内电解液的流动特性,且连/导通可靠、装夹方便,适用于高深宽比微结构的电解加工。