CN112410867B - 一种高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法，包括：在高温合金板材(1)上表面均匀涂覆光刻胶；在菲林片上绘制所需蚀刻图案，其中凸台(2)的外径比实际成品的外径大预定尺寸，将图案转录至高温合金板材的光刻胶上；对坚膜后的高温合金板材进行电解蚀刻，蚀刻电压为10～25V，电流为500～1000A，每蚀刻1～3min后，暂停蚀刻，测量凸台(2)的高度变化，直至凸台(2)高度达到目标值；对完成凸台蚀刻后的高温合金板材进行单点的通孔(3)的电解加工；对加工完成的高温合金板材进行退膜，得到高温合金密排孔柱结构板材。本发明实现了难加工高温合金材料的精密成形加工。

Description

一种高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法

技术领域

本发明属于高温合金精密加工技术领域，具体涉及一种高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法。

背景技术

高温合金具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性、断裂韧性、塑性、疲劳性能等综合性能，由于其具有优异的耐高温性和可靠性，在国外也被称为超合金，基于以上优点，高温合金被用于制作航空发动机、航天发动机、工业燃气轮机等的高温部件。随着科技的发展进步，高新技术产品日益趋向于精密化，且向难加工材料、异型面方向发展，其中如图1所示的高温合金密排孔柱阵列结构在航空、航天、仪器和汽车等工业领域中有着广泛的应用，如图所示，这种密排孔柱阵列结构1包括凸台2和通孔3。传统机械加工方法(车削、铣削、磨削、刨削等)己经无法满足该类零件的加工要求，而采用非机械能(电、光、热、声、化学等能量)进行加工的特种加工技术非常适合于这类难加工、复杂结构零件的精密加工。

目前，加工密排孔柱阵列结构的方法主要有精密机械加工、电火花加工、激光加工、光化学加工和LIGA等，但这些方法或多或少均存在一些问题：精密机械加工工件存在变形，且受限于刀具的尺寸，很难加工出微小群孔结构；电火花加工电极损耗严重，加工大面积零件效率低，且难以加工柱形结构；激光加工工件表面存在重铸层，对于表面质量要求高的产品往往不适用；光化学加工工艺十分繁琐，而且所用的设备昂贵，降低了生产效率，增加了成本；LIGA技术工艺过程繁复，准备周期长，不适于单件或小批量产品生产。因此，有必要开发一种无内应力、无工具损耗、无重铸层、工序简单和成本低的高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法，以实现难加工高温合金材料的精密成形加工。

本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：

一种高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法，包括：

待加工的高温合金板材1的上表面均匀涂覆预定厚度的光刻胶，然后在预定温度下保温预定时间进行烘干；

在菲林片上绘制出所需蚀刻的图案，其中凸台的外径比实际成品的外径大预定尺寸，将菲林片上的图案转录至高温合金板材的光刻胶上；显影后去除未经曝光的光刻胶；

将显影后的高温合金板材水平在预定温度下保温预定时间，进行坚膜；

对坚膜后的高温合金板材进行电解蚀刻，其中电解液从蚀刻机电极与高温合金板材间的加工间隙中以7～20m/s的速度流过，蚀刻电压值选取10～25V，电流值为500～1000A，每蚀刻1～3min后，暂停蚀刻，测量凸台2的高度变化，直至凸台2高度达到目标值；

对完成凸台蚀刻后的高温合金板材进行单点的通孔3的电解加工；

对加工完成的高温合金板材进行退膜，经后处理得到尺寸符合要求的高温合金密排孔柱结构板材。

其中所述预定厚度的光刻胶的涂覆包括在高温合金板材1的上表面均匀涂覆光刻胶，然后在预定温度下保温预定时间进行烘干，在烘干后的高温合金板材的已上胶表面再均匀涂覆光刻胶，然后在预定温度下保温预定时间进行烘干；这样通过分步涂覆光刻胶，能保证板材表面各个位置光刻胶的均匀性，且有利于控制光刻胶的厚度。

其中退膜时，在质量百分数为3％～5％的NaOH水溶液中进行退膜，溶液温度50℃～70℃，浸泡5～10min。

优选地，所述凸台的外径比实际成品的外径大预定尺寸为凸台的外径比实际成品的外径大0.05～0.5mm，这样可补偿电解加工过程中电极在凸台顶部的过度蚀刻，从而使凸台顶端尺寸与设计尺寸一致。

优选地，高温合金板材1为钴基或镍基高温合金。

优选地，钴基高温合金为GH5188，镍基高温合金为GH230。

优选地，高温合金板材1的厚度为0.2～10mm。

优选地，凸台2的形状可以是圆形、方形或异形。

优选地，凸台2的高度为0.05～5mm。

优选地，通孔3的形状可以是圆形、方形或异形。

本发明选用电解蚀刻加工的方法对高温合金板材进行精密加工，该加工方法无内应力、无工具损耗、无重铸层、成本低，能加工任意尺寸、形状的密排孔柱结构，同时能对耐腐蚀和难加工的高温合金材料进行加工，适用范围广；另外，本发明采用分步成形加工的方式，先采用电解蚀刻的方式对整个板材进行凸台的加工，同时完成整个面上所有凸台的成形，然后采用单点电解加工的方法完成相应位置通孔的加工，这样既能确保凸台的加工深度，又能保证通孔的加工精度。

附图说明

图1为高温合金密排孔柱阵列结构的示意图

图2为本发明的高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法的工艺流程图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图2为本发明的高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法的工艺流程图。如图所示，具体实施时，本发明的加工方法包括：

步骤05、对待加工的高温合金板材1进行前处理：(1)根据板材的初始平直状态进行矫形，平直度较差的采用辊式矫直机进行矫正，其他可手工矫正；(2)在板材的四角加工Φ2mm的定位孔；(3)根据板材表面污物的类型选择清洗介质，清洗介质为除油剂水溶液、丙酮或无水乙醇，必要时可采用超声波清洗机清洗，清除板材上的油污、脏物和其它污物；

步骤10、将完成前处理的高温合金板材水平放入上胶机中，在板材的上表面均匀涂上一层光刻胶，对光刻胶涂覆不均匀的位置，采用手工进行修补，然后在步骤15将板材水平放入烘箱中，上胶面朝上进行烘干，烘箱设定温度可为80℃～100℃，到达温度后保温一定时间，比如10min；

步骤20、将烘干后的高温合金板材再次水平放入上胶机中，在高温合金板材已上胶的表面再均匀涂上一层光刻胶，对光刻胶涂覆不均匀的位置，采用手工进行修补，然后在步骤25将二次上胶后板材水平放入烘箱中，上胶面朝上进行烘干，烘箱设定温度可为80℃～100℃，到达温度后保温一定时间，比如10min；

步骤30、在菲林片上绘制出所需蚀刻的图案，其中凸台位置为白色，其他位置为黑色，凸台的外径比实际成品的外径大0.05～0.5mm，将菲林片盖在上胶并烘干后的板材上面，用10倍放大镜观察四角的定位孔，确保菲林片和高温合金板材的定位孔完全重合，并将二者固定，然后将板材和菲林片水平放入曝光机中，用紫外线照射上表面至菲林片透光部位的光刻胶完全固化；

步骤35、将曝光后的高温合金板材放入显影机中，并用显影液浸泡冲洗板材的上表面至未经过曝光的光刻胶溶解、洗掉，对残余的光刻胶采用手工刷洗，至完全显影成所需的图案；

步骤40、将显影后高温合金板材水平放入烘箱中，需加工的表面朝上，烘箱设定温度为100℃，到达温度后保温一定时间，比如20min；

步骤45、将坚膜后的高温合金板材水平置于蚀刻机的槽板上，需加工的表面朝上，板材的四个边用工装夹紧，确保整个板材的平整，调整蚀刻机上电极的位置，使其正对高温合金板材，二者间隙0.5mm，电解液从加工间隙中以7～20m/s的速度流过，蚀刻过程中根据工件尺寸大小电压值选取10～25V，电流值为500～1000A，每蚀刻1～3min后，暂停蚀刻，测量凸台2的高度变化，根据实测值多次进行蚀刻，直至凸台2高度达到目标值；

步骤50、将完成凸台蚀刻后的高温合金板材水平置于电解加工机床的工作台上，需加工的表面朝上，板材的四个边用工装夹紧，确保整个板材的平整，以板材一角的定位孔为原点，移动机床电极头，按图纸要求对高温合金板材进行单点的通孔3加工，要确保定位孔的定位准确；

步骤55、将蚀刻完成的高温合金板材水平放入退膜机中，在3％～5％的NaOH水溶液中进行退膜，溶液温度50℃～70℃，浸泡5～10min；

步骤60、将退膜后的高温合金板材用清水冲洗，确保洁净，无退膜液残留，用丙酮或乙醇擦拭板材表面，之后晾干或吹干，在步骤65经检验得到尺寸符合要求的高温合金密排孔柱结构板材。

实施例一：

一种GH5188密排孔柱阵列结构的加工方法，采用以下工艺步骤进行焊接：

步骤05、对待加工的GH5188板材1进行前处理：(1)根据板材的初始平直状态采用辊式矫直机进行矫正；(2)在板材的四角加工Φ2mm的定位孔；(3)采用除油剂水溶液和无水乙醇清除板材上的油污、脏物和其它污物；

步骤10、将完成前处理的GH5188板材水平放入上胶机中，在板材的上表面均匀涂上一层光刻胶，厚度约10μm，对光刻胶涂覆不均匀的位置，采用手工进行修补，然后在步骤15，将板材水平放入烘箱中，上胶面朝上，烘箱设定温度为80℃，到达温度后保温10min；

步骤20、将烘干后的GH5188板材再次水平放入上胶机中，在GH5188板材已上胶的表面再均匀涂上一层光刻胶，厚度约10μm，对光刻胶涂覆不均匀的位置，采用手工进行修补，随后在步骤25，将二次上胶后板材水平放入烘箱中，上胶面朝上，烘箱设定温度为80℃，到达温度后保温10min；

步骤30、在菲林片上绘制出所需蚀刻的图案，其中凸台位置为白色，其他位置为黑色，凸台的外径比实际成品的外径大0.1mm，将菲林片盖在上胶并烘干后的板材上面，用10倍放大镜观察四角的定位孔，确保菲林片和GH5188板材的定位孔完全重合，并将二者固定，然后将板材和菲林片水平放入曝光机中，用紫外线照射上表面至菲林片透光部位的光刻胶完全固化；

步骤35、将曝光后的GH5188板材放入显影机中，并用显影液浸泡冲洗板材的上表面至未经过曝光的光刻胶溶解、洗掉，对残余的光刻胶采用手工刷洗，至完全显影成所需的图案；

步骤40、将显影后GH5188板材水平放入烘箱中，需加工的表面朝上，烘箱设定温度为100℃，到达温度后保温20min；

步骤45、将坚膜后的GH5188板材水平置于蚀刻机的槽板上，需加工的表面朝上，板材的四个边用工装夹紧，确保整个板材的平整，调整蚀刻机上电极的位置，使其正对GH5188板材，二者间隙0.5mm，电解液从加工间隙中以10m/s的速度流过，蚀刻过程中根据工件尺寸大小电压值选取10V，电流值为1000A，每蚀刻2min后，暂停蚀刻，测量凸台2的高度变化，根据实测值多次进行2min的蚀刻，直至凸台2高度达到目标值；

步骤50、将完成凸台蚀刻后的GH5188板材水平置于电解加工机床的工作台上，需加工的表面朝上，板材的四个边用工装夹紧，确保整个板材的平整，以板材一角的定位孔为原点，移动机床电极头，按图纸要求对高温合金板材进行单点的通孔3加工，要确保定位孔的定位准确；

步骤55、将蚀刻完成的GH5188板材水平放入退膜机中，在3％的NaOH水溶液中进行退膜，溶液温度70℃，浸泡5min；

步骤60、将退膜后的GH5188板材用清水冲洗，确保洁净，无退膜液残留，用乙醇擦拭板材表面，之后吹干，在步骤65经检验得到尺寸符合要求的GH5188密排孔柱结构板材。

实施例二：

一种GH3230密排孔柱阵列结构的加工方法，采用以下工艺步骤进行焊接：

步骤05、对待加工的GH3230板材1进行前处理：(1)根据板材的初始平直状态进行手工矫正；(2)在板材的四角加工Φ2mm的定位孔；(3)采用超声波清洗机清洗，清除板材上的油污、脏物和其它污物；

步骤10、将完成前处理的GH3230板材水平放入上胶机中，在板材的上表面均匀涂上一层光刻胶，厚度约10μm，对光刻胶涂覆不均匀的位置，采用手工进行修补，然后在步骤15，将板材水平放入烘箱中，上胶面朝上，烘箱设定温度为80℃，到达温度后保温10min；

步骤20、将烘干后的GH3230板材再次水平放入上胶机中，在高温合金板材已上胶的表面再均匀涂上一层光刻胶，厚度约10μm，对光刻胶涂覆不均匀的位置，采用手工进行修补，然后在步骤25将二次上胶后板材水平放入烘箱中，上胶面朝上，烘箱设定温度为80℃，到达温度后保温10min；

步骤30、在菲林片上绘制出所需蚀刻的图案，其中凸台位置为白色，其他位置为黑色，凸台的外径比实际成品的外径大0.5mm，将菲林片盖在上胶并烘干后的板材上面，用10倍放大镜观察四角的定位孔，确保菲林片和GH3230板材的定位孔完全重合，并将二者固定，然后将板材和菲林片水平放入曝光机中，用紫外线照射上表面至菲林片透光部位的光刻胶完全固化；

步骤35、将曝光后的GH3230板材放入显影机中，并用显影液浸泡冲洗板材的上表面至未经过曝光的光刻胶溶解、洗掉，对残余的光刻胶采用手工刷洗，至完全显影成所需的图案；

步骤40、将显影后GH3230板材水平放入烘箱中，需加工的表面朝上，烘箱设定温度为100℃，到达温度后保温20min；

步骤45、将坚膜后的高温合金板材水平置于蚀刻机的槽板上，需加工的表面朝上，板材的四个边用工装夹紧，确保整个板材的平整，调整蚀刻机上电极的位置，使其正对高温合金板材，二者间隙0.5mm，电解液从加工间隙中以10m/s的速度流过，蚀刻过程中根据工件尺寸大小电压值选取25V，电流值为500A，每蚀刻2min后，暂停蚀刻，测量凸台2的高度变化，根据实测值多次进行2min的蚀刻，直至凸台2高度达到目标值；

步骤50、将完成凸台蚀刻后的GH3230板材水平置于电解加工机床的工作台上，需加工的表面朝上，板材的四个边用工装夹紧，确保整个板材的平整，以板材一角的定位孔为原点，移动机床电极头，按图纸要求对GH3230板材进行单点的通孔3加工，要确保定位孔的定位准确；

步骤55、将蚀刻完成的GH3230板材水平放入退膜机中，在5％的NaOH水溶液中进行退膜，溶液温度50℃，浸泡10min；

步骤60、将退膜后的GH3230板材用清水冲洗，确保洁净，无退膜液残留，用丙酮或乙醇擦拭板材表面，之后晾干或吹干，在步骤65经检验得到尺寸符合要求的GH3230密排孔柱结构板材。

本发明技术方案的优点及有益的效果在于：

1、本发明选用电解蚀刻加工的方法对高温合金板材进行精密加工，该加工方法无内应力、无工具损耗、无重铸层、成本低，能加工任意尺寸、形状的密排孔柱结构，同时能对耐腐蚀和难加工的高温合金材料进行加工，适用范围广；

2、本发明采用分步成形加工的方式，先采用电解蚀刻的方式对整个板材进行凸台的加工，同时完成整个面上所有凸台的成形，然后采用单点电解加工的方法完成相应位置通孔的加工，这样既能确保凸台的加工深度，又能保证通孔的加工精度；

3、本发明的凸台位置是由激光照排输出的菲林片移印形成，具有高尺寸精度和位置精度，同时菲林片上凸台的外径比实际成品的外径大0.05～0.5mm，这样补偿了电解加工过程中电极在凸台顶部的过度蚀刻，从而使凸台顶端尺寸与设计尺寸一致；

4、本发明的凸台每蚀刻1～3min后，暂停蚀刻，测量凸台的高度变化后根据实测值多次进行1～3min的蚀刻，这样可以防止电解液的聚积，保证各个位置电解液的浓度一致，还能防止凸台根部产生较大的斜坡，提高凸台上下尺寸的一致性。

Claims (8)

1.一种高温合金密排孔柱阵列结构的加工方法，包括：

在待加工的高温合金板材(1)的上表面均匀涂覆预定厚度的光刻胶，然后在预定温度下保温一定时间进行烘干；

在菲林片上绘制所需蚀刻图案，其中凸台(2)的外径比实际成品的外径大预定尺寸，将菲林片上的图案转录至高温合金板材的光刻胶上，显影后去除未经曝光的光刻胶；

将显影后的高温合金板材在预定温度下保温一定时间，进行坚膜；

对坚膜后的高温合金板材进行电解蚀刻，其中电解液以7～20m/s的速度流过蚀刻机电极与高温合金板材间的加工间隙，蚀刻电压为10～25V，电流为500～1000A，每蚀刻1～3min后，暂停蚀刻，测量凸台(2)的高度变化，直至凸台(2)高度达到目标值；

对完成凸台蚀刻后的高温合金板材进行单点的通孔(3)的电解加工；

对加工完成的高温合金板材进行退膜，经后处理得到尺寸符合要求的高温合金密排孔柱结构板材。

2.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定厚度的光刻胶的涂覆包括在高温合金板材(1)的上表面均匀涂覆光刻胶，烘干后再在已上胶表面均匀涂覆光刻胶，然后进行烘干，直到达到所述预定厚度为止。

3.按照权利要求1所述的方法，其中所述退膜包括在质量百分数为3％～5％的NaOH水溶液中进行退膜，溶液温度50℃～70℃，浸泡5～10min。

4.按照权利要求1所述的方法，其中所述凸台的外径比实际成品的外径大预定尺寸为凸台的外径比实际成品的外径大0.05～0.5mm。

5.按照权利要求1所述的方法，其中所述高温合金板材(1)为钴基或镍基高温合金。

6.按照权利要求5所述的方法，其中钴基高温合金为GH5188，镍基高温合金为GH3230。

7.按照权利要求1所述的方法，其中所述高温合金板材(1)的厚度为0.2～10mm。

8.按照权利要求1所述的方法，其中所述凸台(2)的形状为圆形、方形或异形，所述通孔(3)的形状为圆形、方形或异形，所述凸台(2)的高度为0.05～5mm。