CN109740184B - 二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法，属于机械领域。针对凹坑形微阵列结构单元的机械加工过程进行模拟，即使用维氏压头压入材料表面形成特征尺寸为微米级的凹坑单元，由于材料表面受力的作用会在凹坑周边形成凸起现象并伴随残余应力的存在。为使表面平坦化和降低表面残余应力，使用立方角压针垂直压入特征尺寸为微米级的凹坑单元侧面，形成特征尺寸为纳米级的压痕，释放材料存储的残余应力，以达到使功能表面平坦化的目的。此方法为精密机械加工技术制造的微阵列结构功能表面提供了表面平坦化方法。操作简单，设备功能丰富，可用于大规模的成批机械加工。

Description

二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法

技术领域

本发明涉及机械领域，特别涉及一种二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法。可对凹坑形微阵列机构单元在精密机械加工过程中，因受力的作用而导致的表面凸起现象进行表面平坦化处理。可为仿生工程、航空航天、通信工程等领域涉及的凹坑形微阵列结构单元的表面加工提供平坦化方法。

背景技术

微结构功能表面是指具有规则分布的微观几何拓扑形状的一类表面，其结构尺寸一般在10−100μm。它的微观几何形状通常呈现阵列的形式，故称之为微阵列结构。典型的微阵列结构有凹坑形阵列、微透镜阵列、金字塔阵列结构等，这些表面微结构可以传递材料的物理、化学性能等，如粘附性、摩擦性、润滑性、耐磨损性或者特定的光学性能等。微阵列结构以其优异的性能在仿生工程、航空航天、通信工程等方面有着广泛的应用。微阵列结构是通过超精密机械加工技术、增材制造技术、高能束加工技术、光刻加工技术、纳米压印技术等技术加工制造的。这些加工形成的微阵列结构，其功能表面精度对使用性能的影响与传统的光滑功能表面具有明显的差异，且微阵列结构器件的加工制造工艺，导致微阵列结构表面出现二次突起，内部存在内应力，严重影响着微阵列结构的使用性能和服役可靠性。因此，微阵列结构的表面平坦化问题日益突出。

仪器化压入是一种新兴和重要的微/纳米力学测试技术。其定义为：驱动压头压入试样，自动测量施加的载荷和压入试样的深度，基于压入力学模型识别出材料的硬度和力学参数的过程。尤其是，以纳米压入为代表的仪器化压入技术，既不同于传统的硬度计技术，因为测量尺度的微/纳米化、深度测量原理的应用、测量参数的多元化；也不同于传统的材料试验机技术，因为测量区域的表面化和微区化、试样的微损化。基于ISO14577-1《金属材料硬度和材料参数测量与确认试验-第一部分：试验方法》和GB/T 22458-2008 《仪器化纳米压入试验方法通则规定》的规定，在压入过程中，可基于载荷-深度数据得到的参量包括最大压入载荷、压入总功和卸载功等。其中压入总功可通过计算载荷-深度曲线中加载曲线下方的面积确定，压入卸载功可通过计算载荷-深度曲线中卸载曲线下方的面积确定。在压入过程中，压入总功转化成材料变形的弹性能和塑性能。在卸载过程中，仅有部分弹性能释放出来，由于压痕的存在，剩余的弹性能无法释放，而是以残余应力的形式储存在材料中。而在机械加工中，由于力的作用，材料内部会存在残余应力。

综上，尽管微阵列结构加工技术较为成熟，加工设备功能齐全，但是机械加工诱发材料内部产生残余应力，表面产生的凸起现象，导致微阵列材料表面质量不高，大大降低微阵列结构的加工精度、尺寸稳定性以及使用性能。理解压痕周围边缘凸起现象的产生机理并掌握其测量和消除方法对于避免残余应力带来的危害以及改进加工工艺，延长器件的使用寿命和确保安全生产是十分有意义的。因此，有必要开发一种基于微阵列结构机械加工技术的表面平坦化方法，改善微阵列结构表面质量，优化微阵列结构的使用性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法，克服现有微阵列结构精密机械加工导致材料表面凸起和材料内部存在残余应力的不足，利用二次压入释放材料内部存在的残余应力，使表面能量趋于更加稳定的状态，达到表面平坦化的目的。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法，应用对象为特征尺寸为微米级的微阵列结构单元，对试样在微阵列结构加工过程中，由于受力的作用表面产生的凸起现象进行平坦化处理，并使得材料内部的残余应力得到释放，降低试样功能表面的能量，使试样功能表面趋于更加平稳的状态；其特征在于：包括以下步骤：

第一步：建立二次压入有限元仿真模型并求解；

第二步：处理仿真分析结果；

第三步：一次压入微米级凹坑，模拟精密机械加工产生的凹坑形微阵列结构单元；

第四步：加工带有斜面的底座；

第五步：将试件固定在底座上，对其定位；

第六步：二次压入纳米级压痕，实现表面平坦化。

第一步所述的建立二次压入有限元仿真模型并求解是：由于压头和试样形状以及施加载荷的对称性，为了简化计算，将三维模型简化为二维模型，利用有限元仿真分析软件ABAQUS建立二次压入的二维模型，定义模型的材料属性；设置部件的单元类型，选择分网精度，划分网格；设置二次压入过程的步骤，即创建分析步；定义接触类型，分别建立维氏压头与试样、立方角压针与试样的接触；设置边界条件，施加载荷，即根据各个分析步分别设置施加在试样、维氏压头参考点、立方角压针参考点上的边界条件及载荷；提交作业并查看模拟结果。

第二步所述的处理仿真分析结果是：创建被压试样表面节点路径，提取二次压入前后节点路径的等效应力值，即S,Mises，随节点序列ID变化的数据；导出数据，绘制并对比二次压入前后被压试样表面的应力曲线；

二次压入过程的有限元仿真分析作为实验的前瞻性步骤，其分析结果可为实验参数的设置提供依据。

第三步所述的一次压入微米级凹坑，模拟精密机械加工产生的凹坑形微结构阵列单元是：将已抛光的试样借助于维氏显微硬度计，采用维氏压头，其中心线与棱面夹角为68°，结合有限元仿真分析结果选择合适的试验力，对该试样表面进行直接压入，获得特征尺寸是微米级的凹坑单元；通过奥林巴斯显微镜，对一级凹坑及其附近区域进行深度扫描，获得通过一级凹坑中心点的剖面轮廓曲线。

第四步所述的加工带有斜面的底座是：选择维氏硬度值高于被测试样材料的底座材料，通过粗铣、线切割、粗磨、精磨加工制备底。

第五步所述的将试件固定在底座上，对其定位是：将已用维氏压头压入的试件按照其第一次压入的方向逆时针旋转45°后，将试件固定在底座斜面上，使一级凹坑的一个侧面由于底座斜面的作用变成水平面。

第六步所述的二次压入纳米级压痕，实现表面平坦化是：借助于纳米压痕仪，并在电子显微镜的同步观测下，采用立方角压针，其棱面与中心线夹角为65.3°，对第五步中的水平区域几何中心进行直接压入，得到特征尺寸为纳米级的压痕；同样地，对二次压入后的压痕及其附近区域进行表征，通过奥林巴斯显微镜进行深度扫描，扫描范围是一级凹坑及其附近区域，获得同时通过一级凹坑和二级压痕中心点的剖面轮廓曲线；通过对比二次压入前后扫描得到的剖面轮廓曲线，可看出二次压入对凹坑单元表面平坦化的积极作用，即二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化。

本发明方法可对试件在加工过程中受力的作用下，表面产生的凸起现象进行平坦化处理，并将残余应力进行释放，降低功能表面的能量，使之趋于更加平稳状态。该方法提供了一种利用纳米压痕进行表面平坦化的方法，操作简单，可实现性强，可用于大规模的成批机械加工。

本发明的有益效果在于：本发明通过对微阵列结构单元进行二次纳米级压入，一定程度上解决凹坑形单元因加工受力的作用导致表层出现的凸起现象，与此同时，机械加工诱发的残余应力得到释放。通过上述方法，可以确保微阵列结构单元的二次纳米级压入的可实现性，从而达到微阵列结构单元的功能表面平坦化的目的，降低表面能，提高微阵列结构单元的表面加工质量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明涉及的立方角压头压入前后凹坑表面对比的示意图；

图2为本发明涉及的有限元分析中，二次压入500纳米前后试样表面节点应力对比曲线图（二次压入中心点距试样中心线为4微米，一级凹坑深度为2.18微米）；

图3为本发明涉及的一次压入形成特征尺寸为微米级凹坑示意图；

图4为本发明涉及的特征尺寸为微米级的凹坑形状及旋转示意图；

图5为本发明涉及的特征尺寸为微米级的凹坑边缘产生凸起现象的局部放大图；

图6为本发明涉及的二次压入特征尺寸为微米级的凹坑表面的示意图；

图7为本发明涉及的二次压入特征尺寸为微米级的凹坑表面的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图7所示，本发明的二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法，该方法的应用对象为凹坑形微阵列结构单元，操作简单，设备功能丰富，可用于大规模的成批机械加工。该方法针对凹坑形微阵列结构单元的机械加工过程进行模拟，即使用维氏压头压入材料表面形成特征尺寸为微米级的凹坑单元，由于材料表面受力的作用会在凹坑周边形成凸起现象并伴随残余应力的存在。为使表面平坦化和降低表面残余应力，使用立方角压针垂直压入特征尺寸为微米级的凹坑单元侧面，形成特征尺寸为纳米级的压痕，释放材料存储的残余应力，以达到使功能表面平坦化的目的。此方法为精密机械加工技术制造的微阵列结构功能表面提供了表面平坦化方法。该方法包含以下步骤：

第一步：建立二次压入有限元仿真模型并求解：

详细地说，由于压头和试样形状和施加载荷的对称性，为了简化计算，将三维模型简化为二维模型。利用有限元仿真分析软件ABAQUS建立二次压入的二维模型，几何模型包含维氏压头、立方角压针和试样，其中维氏压头和立方角压针设为解析刚体，根据实际实验材料定义模型的材料属性；选择试样部件的单元类型为CAX8R，即8节点四边形轴对称减缩积分单元，选择分网精度，划分网格，将压痕区域网格细化，以保证结果的精确性，离压痕区较远的区域划分时采用大网格，既节约时间又对测试结果无影响；设置二次压入过程的步骤，即创建分析步，二次压入过程的分析步包含：维氏压头的预压、加载、卸载、远离试样上表面，立方角压针的靠近试样上表面、加载、卸载，共七个分析步；定义接触类型，分别建立维氏压头与试样、立方角压针与试样的接触，接触属性皆为无摩擦接触，分别选择维氏压头、立方角压针的外侧作为接触的主表面，接触从面均为试样的上表面；设置边界条件，施加载荷，即固定试样底边的径向和轴向位移，根据各个分析步设置施加在维氏压头、立方角压针参考点上的边界条件及载荷；提交作业并查看模拟结果。

第二步：处理仿真分析结果：

详细地说，创建被压试样表面节点路径，提取二次压入前后节点路径的等效应力值（即S,Mises）随节点序列ID变化的数据。导出数据，绘制并对比二次压入前后被压试样表面的应力曲线。如附图2所示。由于序列ID自右往左从1排序，故二次压入的位置体现在曲线中靠近纵轴的一侧。

由这组曲线可知，二次压入后，试样表面的应力有明显的降低，即二次压入能释放因一级凹坑存在所导致的残余应力，而且残余应力的释放使得试样表面低能化，进而达到表面平坦化的目的。

有限元仿真分析作为实验的前瞻性步骤，其分析结果可为实验参数的设置提供依据。

第三步：一次压入微米级凹坑，模拟精密机械加工产生的凹坑形微阵列结构单元：

详细地说，将微阵列结构的服役材料通过机械、电解、化学抛光等工艺去除变形层并降低其表面粗糙度，再使用丙酮、酒精试剂清洁材料表面，以此制备试样。借助于维氏显微硬度计，结合有限元仿真分析结果选择合适的试验力，显微维氏硬度计的试验力包含100g(0.098N)、200g（1.961N）、300g（2.942N）、500g（4.903N）、1kg(9.80 N)。根据需要任意输入合适的保载时间0-60s，设定试验力的施加方式是自动加载卸载试验力。在压入之前，以试样的几何中心点作为坐标原点，利用记号笔标记与水平方向成45°、90°线段。采用维氏压头（其中心线与棱面夹角为68°）对该试样表面沿与水平方向成45°的边缘处直接压入，如附图3所示，获得特征尺寸是微米级的凹坑形单元，模拟精密机械加工产生的凹坑形微阵列结构单元。通过奥林巴斯显微镜，对一级凹坑及其附近区域进行深度扫描，获得通过一级凹坑中心点的剖面轮廓曲线。

第四步：加工带有斜面的底座：

详细地说，选择维氏硬度值高于被测试样的材料作为待加工底座材料，通过粗铣、线切割、粗磨、精磨等工艺加工制备带有一定斜面的底座。考虑到第一步产生的一级凹坑的角度（中心线与侧面夹角是68°），因此底座的斜面倾角定为22°。

第五步：将试件固定在底座上，对其定位：

详细地说，将已用维氏压头压入的试件按照其第一次压入的方向逆时针旋转45°，如附图4和附图5所示，之后用502胶水粘接在底座的斜面上，使一级凹坑的一个侧面由于底座斜面的作用变成水平面。如附图6所示。

第六步：二次压入纳米级压痕，实现表面平坦化：

详细地说，借助于纳米压痕仪，并在电子显微镜的同步观测下，采用立方角压针（其棱面与中心线夹角为65.3°）对第五步中的水平区域几何中心进行直接压入，得到特征尺寸为纳米级的压痕。如附图7所示。同样地，对二次压入后的压痕及其附近区域进行表征，通过奥林巴斯显微镜进行深度扫描，扫描范围是一级凹坑及其附近区域，获得同时通过一级凹坑和二级压痕中心点的剖面轮廓曲线。

通过对比二次压入前后扫描得到的剖面轮廓曲线，可定量看出二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化。如附图1所示。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法，应用对象为特征尺寸为微米级的凹坑形微阵列结构单元，对试样在凹坑形微阵列加工过程中，由于受力的作用表面产生的凸起现象进行平坦化处理，并使得材料内部的残余应力得到释放，降低试样功能表面的能量，使试样功能表面趋于更加平稳的状态；其特征在于：包括以下步骤：

第一步：建立二次压入有限元仿真模型并求解：

由于压头和试样形状以及施加载荷的对称性，为了简化计算，将三维模型简化为二维模型，利用有限元仿真分析软件ABAQUS建立二次压入的二维模型，定义模型的材料属性；设置部件的单元类型，选择分网精度，划分网格；设置二次压入过程的步骤，即创建分析步；定义接触类型，分别建立维氏压头与试样、立方角压针与试样的接触；设置边界条件，施加载荷，即根据各个分析步分别设置施加在试样、维氏压头参考点、立方角压针参考点上的边界条件及载荷；提交作业并查看模拟结果；

第二步：处理仿真分析结果：

创建被压试样表面节点路径，提取二次压入前后节点路径的等效应力值随节点序列ID变化的数据；导出数据，绘制并对比二次压入前后被压试样表面的应力曲线；

二次压入过程的有限元仿真分析作为实验的前瞻性步骤，其分析结果为实验参数的设置提供依据；

第三步：一次压入微米级凹坑，模拟精密机械加工产生的凹坑形微阵列结构单元：

将已抛光的试样借助于维氏显微硬度计，采用维氏压头，其中心线与棱面夹角为68°，结合有限元仿真分析结果选择试验力，对该试样表面进行直接压入，获得特征尺寸是微米级的凹坑单元；通过奥林巴斯显微镜，对一级凹坑及其附近区域进行深度扫描，获得通过一级凹坑中心点的剖面轮廓曲线；

第四步：加工带有斜面的底座；

第五步：将试件固定在底座上，对其定位：

将已用维氏压头压入的试件按照其第一次压入的方向逆时针旋转45°后，将试件固定在底座斜面上，使一级凹坑的一个侧面由于底座斜面的作用变成水平面；

第六步：二次压入纳米级压痕，实现表面平坦化：

借助于纳米压痕仪，并在电子显微镜的同步观测下，采用立方角压针，其棱面与中心线夹角为65.3°，对第五步中的水平区域几何中心进行直接压入，得到特征尺寸为纳米级的压痕；同样地，对二次压入后的压痕及其附近区域进行表征，通过奥林巴斯显微镜进行深度扫描，扫描范围是一级凹坑及其附近区域，获得同时通过一级凹坑和二级压痕中心点的剖面轮廓曲线；

通过对比二次压入前后扫描得到的剖面轮廓曲线，确定二次压入对凹坑单元表面平坦化的积极作用，即二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化。

2.根据权利要求1所述的二次压入实现凹坑形微阵列结构单元表面平坦化的方法，其特征在于：第四步所述的加工带有斜面的底座是：选择维氏硬度值高于被测试样材料的底座材料，通过粗铣、线切割、粗磨、精磨加工制备底座。

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