镁合金的化学机械抛光液研究

作     者：赵仕程 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张振宇

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：镁合金 化学机械抛光 抛光液 抛光机理 

摘      要：随着“双碳目标的提出,装备轻量化及轻金属材料的应用成为世界制造业发展的重点。在众多轻量化材料的应用中镁合金展现出了明显的优势和强大的发展潜力。但是镁合金耐腐蚀性差,严重限制镁合金的推广。在镁合金表面形成的表面膜或涂层能有效地提高镁合金的耐腐蚀性,镁合金表面氧化层和镁合金基体表面存在的缺陷会影响镁合金表面膜层或涂层的生成。因此镁合金表面有效的耐腐蚀层制备需要其基体具有超高的表面精度和质量。化学机械抛光作为一种能够实现材料全局或局部平坦化的加工方法,抛光后的镁合金表面精度高,能够完全满足镁合金成膜或涂层的镁合金表面粗糙度要求。对于镁合金化学机械抛光的研究较少,抛光后镁合金表面粗糙度较高为10 nm左右,不能满足镁合金表面成膜的要求。抛光液多为碱性抛光液,材料去除率低,加工效率低。镁合金化学机械抛光工艺参数研究较多为单因素实验,忽略了各个工艺参数之间的相互作用。因此,研究用于镁合金的新型抛光液,探究镁合金化学机械抛光工艺参数,降低抛光后镁合金的表面粗糙度,提高镁合金的材料去除率,仍具有重要的现实意义。本文以镁合金化学机械抛光液为研究方向,通过单因素实验和响应面实验,对镁合金抛光液成分和抛光工艺参数进行优化,具体包括磨料的种类、粒径、浓度,p H调节剂的种类,抛光液p H,缓蚀剂的种类和浓度以及抛光压力、抛光盘转速和抛光液流速等抛光工艺参数。对抛光液成分进行优化,最后确定抛光液最优成分为:粒径为20 nm的AlO磨料,浓度为6 wt.%,以苹果酸作为p H调节剂,抛光液p H为6,以苯甲酸钠作为缓蚀剂,浓度为1wt.%,其余成分为去离子水。在该抛光液中,苹果酸为自然界中存在的,苯甲酸钠是一种食品添加剂,本身具有防腐作用。因此,配制的化学机械抛光液对环境无污染,对操作人员无危害。对抛光工艺参数进行优化,确定最优抛光工艺参数为:抛光压力为33 k Pa,抛光盘转速为104 r/min,抛光液流量为12 m L/min。使用优化后的抛光液和工艺参数进行抛光,抛光后的镁合金表面粗糙度为Ra能够达到3.712 nm,材料去除率能达到6.63μm/min,实现了镁合金高质高效的化学机械抛光。为探究新型抛光液各成分在镁合金化学抛光过程中的作用,使用X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、能谱仪等对镁合金化学机械抛光机理进行研究。根据软硬酸碱理论,苯甲酸根离子属于硬碱,镁离子属于硬酸,硬酸和硬碱之间易生成盐或络合物。在抛光过程中,在缓蚀剂苯甲酸钠的作用下形成一层完整的钝化氧化物覆盖在镁合金表面,把镁合金基体和腐蚀介质隔离开来,防止镁合金进一步被腐蚀。抛光液中的AlO磨料在压力和转速的作用下通过机械作用将镁合金表面的软化层去除。如此往复循环,直至将镁合金表面的氧化层层去除,裸露出光滑表面。