基于层片状共晶合金系制备出连续规则层片状微槽的方法

摘要

本发明涉及一种基于层片状共晶合金系制备出连续规则层片状微槽的方法，采用定向凝固技术和选择性腐蚀技术相结合，以层片状共晶合金系为基础，先通过定向凝固技术制备出层片状共晶合金，然后依据共晶体组成相具有不同的电极电位，在合适的电解液中选择性腐蚀掉其中一相，从而形成连续、规则、层片状单相微槽结构。本发明制备过程相对简单、方便、可控，制备的微槽是连续的，而且形貌更加规则，槽的深度和宽度可依据抽拉速率和腐蚀时间进行调节，槽的尺寸控制准确度更高，而且还可以以此为模板采用模板法制备其他金属单质或合金的微槽结构。采用定向凝固技术和选择性腐蚀技术相结合为微槽的制备提供了一种新的方法和思路。

说明书

技术领域

本发明属于微米级微结构制备技术领域，涉及一种基于层片状共晶合金系制备微 槽模板的工艺方法，具体涉及一种基于层片状共晶合金系制备出连续规则层片状微槽 的方法。

背景技术

一维微/纳米结构金属具有高的表面积比、良好的导电导热性、突出的机械稳定性 等特性，使得微/纳米结构金属广泛应用于热交换器和化学反应器的微型化、催化剂、 传感器、燃料电池、生物过滤和水质净化、气相分离、微流动控制等领域。制备一维 微/纳米结构金属技术也很多，最常用的是模板法，模板法是一类公认的简单、高效、 价廉的方法，并且可以直接在模板表面形成复杂的微纳米结构，但这种方法制备的通 常是多晶纳米材料，制备出规则层片状的单晶微槽是不可行的，所以单靠模板法是无 法制备基体连续的规则层片状的单晶微槽。

在机械加工领域，部分微槽的加工依赖于微加工技术，如反应离子束刻蚀、光刻 等，但是制备成本极高，大大地限制了其应用领域和范围。

Joachim Rosler对不连续微槽制备进行了研究，单晶Ni超高温合金CMSX-4先经 过固溶热处理、析出热处理，随后高温加压处理使沉淀相发生定向粗化，形成筏状组 织形态，再对其进行电化学选择性腐蚀去除单相形成了不连续的微槽。这种槽的制备 过程涉及的工序较多，操作比较复杂，由于涉及到热处理和高温加压等过程对温度控 制要求较严格，使得槽的形貌控制精确度大大降低，而且制备的微槽是不连续的层片 状，层片结构也不是很规则，这些问题限制了此种微槽的大量使用。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于层片状共晶合金系制备出连 续规则层片状微槽的方法，是一种基于层片状共晶合金系制备出具有连续、规则、层 片状形貌的微槽结构工艺方法。

技术方案

一种基于层片状共晶合金系制备出连续规则层片状微槽的方法，其特征在于步骤 如下：

步骤1：选择共晶组织为层片状的合金系，依照所选合金系相图确定合金系的共 晶点和熔点，然后按共晶成分点配比在真空电弧炉中熔配得到共晶母合金铸锭；

步骤2：将共晶母合金铸锭加工成圆柱形棒子，并去除棒子表层氧化皮；

步骤3：将步骤2得到的棒子在高温度梯度定向凝固炉中定向生长制备出规则层 片状两相共晶合金，加热温度高于熔点100℃，在相关合金的定向生长规律抽拉速率 范围内选择抽拉速率；

步骤4：然后将棒子切成圆薄片、镶样、打磨和抛光；

步骤5：再进行化学或电化学腐蚀，去除其中一相，得到不同宽度和深度的单相 微槽结构。

所述共晶组织为层片状的合金系为如Ni-Si系或Al-Cu系。

所述化学腐蚀时根据合金中单相的化学特性和所选腐蚀剂中各个相的极化曲线确 定最佳腐蚀剂。

所述电化学腐蚀过程中腐蚀剂和腐蚀电位的选择依据电位-PH图并结合合金中单 相的极化曲线选择出最佳的腐蚀剂和腐蚀电位。

有益效果

本发明提出的一种基于层片状共晶合金系制备出连续规则层片状微槽的方法，采 用定向凝固技术和选择性腐蚀技术相结合，以层片状共晶合金系为基础，先通过定向 凝固技术制备出层片状共晶合金，然后依据共晶体组成相具有不同的电极电位，在合 适的电解液中选择性腐蚀掉其中一相，从而形成连续、规则、层片状单相微槽结构。

本发明制备过程相对简单、方便、可控，制备的微槽是连续的，而且形貌更加规 则，槽的深度和宽度可依据抽拉速率和腐蚀时间进行调节，槽的尺寸控制准确度更高， 而且还可以以此为模板采用模板法制备其他金属单质或合金的微槽结构。采用定向凝 固技术和选择性腐蚀技术相结合为微槽的制备提供了一种新的方法和思路。

本发明共晶凝固是从液相中同时形成两个或多个不同的固相，当一相在另一相上 可以形核，则形成正常的规则组织。通过调整组成相体系，控制生长条件，可以获得 各种结构形式的具有自组装或自组织特征的共晶体，而共晶体组成相具有不同的电极 电位或溶解度，因此在合适的电解液中可实现选择性的腐蚀或溶解，理论上可以制造 出微/纳结构。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于层片状共晶合金系制备连续规则层片状微槽的工艺 流程图；

图2为基于层片状共晶Ni-Si合金系通过本方法制备的微槽在不同放大倍数下的 SEM形貌。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图1为本发明提供的一种连续规则层片状微槽的制备工艺流程图，其具体步骤如 下：

a.选择共晶组织为层片状的合金系，由于共晶合金中的元素性质不同，熔炼过程 中的成分烧损量也不同，要想使熔配后的合金铸锭成分为共晶点，必须严格控制合金 熔配前的成分配比，随后在真空电弧炉中熔配得到共晶母合金铸锭，至于合金熔炼的 次数取决于合金的纯度。

b.将步骤a中得到的共晶母合金铸锭在线切割机上切成一定尺寸的圆柱棒子，至 于棒子尺寸取决于高温度梯度定向凝固炉的坩埚尺寸，随后用砂纸去除棒子表层氧化 皮，并用乙醇清洗干净。

c.将步骤b中得到的棒子在高温度梯度定向凝固炉中定向生长制备出规则层片状 两相共晶合金，加热的温度与合金的共晶熔点相关，实际加热时应高于共晶熔点 100-200℃，在层片状生长抽拉速率范围内，抽拉速率取决于对微槽尺寸的要求，选择 不同的抽拉速率形成层片间距不同的层片组织。

d.将步骤c中得到棒子切成圆薄片、镶样、砂纸打磨、机械抛光，使试样表面成 镜面。

e.将步骤d中得到的试样进行选择性电化学腐蚀去除其中一相，经过不同的腐蚀 时间，形成不同宽度和深度的单相微槽结构。腐蚀剂的选择取决于两相的电化学性质 的差异性，在电化学腐蚀过程中，恒电位和恒电流腐蚀方法的选择取决于材料在该腐 蚀剂中的腐蚀特性，当采用恒电位方法时，腐蚀电位的选择依据是电位--PH图和两相 各自在腐蚀剂中电位--电流特性；当采用恒电流方法时，腐蚀电流的选择依据是两相 各自在腐蚀剂中电位--电流特性。

实施例.

a.Ni粉(纯度为99.9％)、Si粉(纯度为99.9％)按质量分数为Ni-12％Si的配比 混合均匀，压成自耗电极，在真空自耗电弧炉中反复熔炼4次，得到成分均匀的Ni-Si 共晶母合金铸锭。

b.将得到的共晶母合金铸锭用线切割机切成Ф7.2×100mm的圆柱合金棒，用180 号砂纸对棒子打磨去除氧化皮，并用乙醇清洗干净。

c.对打磨好的棒子放在高温度梯度定向凝固炉的刚玉管内进行感应加热，采用内 径为Φ7的刚玉管，加热温度1300℃，冷却液为液态金属Ga-In-Sn合金，设定抽拉速 率为40μm/s，得到具有规则层片状两相Ni-Ni3Si共晶合金。

d.把定向生长的棒子切成厚度为2mm的圆薄片，随后采用浇注镶嵌法进行含导 线镶样，并对试样用600、800、1200、1500、2000号砂纸打磨、机械抛光至试样表面 成镜面。

e.对抛光的试样进行电化学腐蚀，设备采用电化学工作站，腐蚀液采用 6g(NH₄)₂SO₄+6gC₆H₈O₇+5mlC₃H₈O加蒸馏水稀释成300mL的溶液，电化学腐蚀采用恒电流 的方法，恒电流大小采用1mA，腐蚀时间为12h。

图2为通过本方法在Ni-Si共晶自生复合材料上制备的微槽在不同放大倍数下的 SEM形貌，微槽宽度在35μm左右。