【摘 要】
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钛合金由于其比强度高、无磁性以及优良的高温机械性能等优点,其应用已深入到军工电子设备、宇航、医用仪器,以及微电子设备与机器控制系统（MEMS）等多个领域,是极为重要的工程材料。钛合金属于难加工材料,传统加工时易出现钛火、裂纹和刮伤等缺陷,难以满足MEMS设备等高精密仪器的表面质量需求。化学机械抛光是当前流行的超精密加工方式之一,其能够高效率的实现试件表面的超精密平坦化,本文在其基础上,引入超声波精
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“超声波雾化施液技术超精密抛光硬脆晶体”（项目号:50935003）；
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钛合金由于其比强度高、无磁性以及优良的高温机械性能等优点,其应用已深入到军工电子设备、宇航、医用仪器,以及微电子设备与机器控制系统（MEMS）等多个领域,是极为重要的工程材料。钛合金属于难加工材料,传统加工时易出现钛火、裂纹和刮伤等缺陷,难以满足MEMS设备等高精密仪器的表面质量需求。化学机械抛光是当前流行的超精密加工方式之一,其能够高效率的实现试件表面的超精密平坦化,本文在其基础上,引入超声波精细雾化技术,改进抛光液供给方式,对TC4钛合金进行了抛光研究。通过单因素试验和正交试验优化了抛光液组分配比和工艺参数,最终获得了纳米级的光滑钛合金表面,并结合电化学和XPS试验分析了钛合金的CMP机理,具体工作内容如下:（1）通过单因素试验,本文最终确定以50 nm的Si O2作为磨料,H2O2为氧化剂,柠檬酸为络合剂,PEG-400为表面活性剂,KOH和HNO3为p H调节剂。根据试验结果初步确定了各组分浓度的适用范围并分析了其作用机理;（2）采用正交试验方案对抛光液各组分含量配比进行优化,并探究了各组分对钛合金雾化抛光效果的影响程度。试验结果表明,Si O2磨料浓度对钛合金抛光效果影响最大,并确定了抛光液各部分的最佳配制比例为:Si O2磨料质量分数为20 wt%、p H为4、H2O2质量分数为2 wt%、柠檬酸质量分数为0.1 wt%以及PEG-400质量分数为1.0wt%;（3）采用优化后的抛光液配方,先后设计了单因素试验和正交试验研究并优化了抛光压力、抛光盘转速以及雾液流速等影响钛合金雾化抛光效果的主要工艺因素。根据试验结果,最终确认的最佳工艺参数是:雾液流速12.5 m L·min-1、抛光压力4.2 psi以及抛光盘转速70 r·min-1,此时雾化抛光效果最佳,钛合金材料去除率为561.3nm·min-1,表面粗糙度为0.63 nm;（4）设计了传统抛光与超声雾化抛光TC4钛合金的对比试验,两者除抛光液流速存在差异,其余试验条件均保持一致。试验结果表明,雾化抛光能够在抛光液低消耗的条件下实现TC4钛合金表面的纳米级平坦化,材料去除率与传统CMP相当且表面质量更好,具有较好的经济效益;（5）电化学和XPS试验结果支持抛光过程中钛合金氧化形成易去除的氧化层,再通过机械作用去除的抛光去除机理。
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