本發(fā)明屬于鈍化性金屬材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，其具體涉及一種不銹鋼表面多孔結(jié)構(gòu)的非均勻電化學(xué)加工方法。

背景技術(shù)：

不銹鋼具有良好的物理性能、工藝性能和耐腐蝕性能等，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用廣泛。近年來，隨著研究尺度的減小，其在微機械領(lǐng)域如微流體傳輸、生物醫(yī)療等方面的應(yīng)用價值越發(fā)凸顯。潤濕及粘附性能是固體材料重要的表面性能，在微機械研究領(lǐng)域不可忽視，其直接影響機械的使用性能，如微機械的潤滑、微流體的減阻、植入性醫(yī)療器械的載藥、替代性醫(yī)療器械的生物相容性等。

微觀結(jié)構(gòu)是影響材料表面性能的重要因素，而多孔結(jié)構(gòu)是表面微結(jié)構(gòu)中最具代表性的一種，現(xiàn)有的一些方法由于加工原理的限制并不適用于不銹鋼材料，如脫合金法，陽極氧化法等，而少數(shù)能夠用于不銹鋼材料的方法(如電化學(xué)加工法等)由于工藝復(fù)雜、成本高、無法適用于復(fù)雜形狀表面等原因使其應(yīng)用受到限制。不銹鋼是典型的鈍化性金屬，其表面容易發(fā)生小孔腐蝕(即點蝕)而形成孔洞，這是一種典型的電化學(xué)局部腐蝕形式，通常認(rèn)為小孔腐蝕形成數(shù)量少，破壞性強，因此有關(guān)不銹鋼表面小孔腐蝕的研究主要集中于如何避免腐蝕的發(fā)生。本發(fā)明采用非均勻電化學(xué)加工方法在其表面加工數(shù)十微米的多孔結(jié)構(gòu)，以期改善其表面性能，使其得到更好的利用，該方法亦可以推廣至其他鈍化性金屬材料。

擠壓法是在外力作用下，使基體材料表面發(fā)生塑性變形而在表面構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)的方法。華南理工大學(xué)湯勇等人在銅管的內(nèi)壁加工出微溝槽結(jié)構(gòu)，用于改善其傳熱性能。該方法所需設(shè)備復(fù)雜，且只適用于部分較軟的材料，如鋁、銅等。

粉末燒結(jié)法是一種較為成熟的表面多孔結(jié)構(gòu)制造方法，它是在金屬基體表面涂上粘結(jié)劑溶液后，把金屬粉末均勻鋪開使其粘在基體上，待粘結(jié)劑溶液風(fēng)干后將其燒結(jié)，在氧氣保護(hù)下加熱至金屬粉末表面熔化，恒溫約20min，使粘結(jié)劑分解揮發(fā)，粉末與基體連成一體，形成多孔金屬表面。美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家采用該方法來提高熱管的傳熱，國內(nèi)的華南理工大學(xué)、華東理工大學(xué)等也對此方法開展了大量研究。該方法的工藝簡單、成本低，但表面的孔隙率不高，并且連接強度較低。

電化學(xué)加工的影響因素很多，其中最主要的是電源和電解液，本發(fā)明通過試驗研究電源和電解液參數(shù)對非均勻電化學(xué)加工過程及表面孔洞形貌的影響規(guī)律，為實際加工提供理論指導(dǎo)。

擠壓法是在外力作用下，使基體材料表面發(fā)生塑性變形而在表面構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)的方法。華南理工大學(xué)湯勇等人在銅管的內(nèi)壁加工出微溝槽結(jié)構(gòu)，用于改善其傳熱性能。該方法所需設(shè)備復(fù)雜，且只適用于部分較軟的材料，如鋁、銅等。

粉末燒結(jié)法是一種較為成熟的表面多孔結(jié)構(gòu)制造方法，它是在金屬基體表面涂上粘結(jié)劑溶液后，把金屬粉末均勻鋪開使其粘在基體上，待粘結(jié)劑溶液風(fēng)干后將其燒結(jié)，在氧氣保護(hù)下加熱至金屬粉末表面熔化，恒溫約20min，使粘結(jié)劑分解揮發(fā)，粉末與基體連成一體，形成多孔金屬表面。美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家采用該方法來提高熱管的傳熱，國內(nèi)的華南理工大學(xué)、華東理工大學(xué)等也對此方法開展了大量研究。該方法的工藝簡單、成本低，但表面的孔隙率不高，并且連接強度較低。

本發(fā)明的目的是：1、針對擠壓法只適用于部分較軟的材料，采用非均勻電化學(xué)加工方法可以在不銹鋼表面加工數(shù)十微米的多孔結(jié)構(gòu)，以改善其表面性能，使其得到更好的利用，該方法亦可以推廣至其他鈍化性金屬材料；2、針對粉末燒結(jié)法表面的孔隙率不高，并且連接強度較低采用非均勻電化學(xué)加工方法在不銹鋼表面加工數(shù)十微米的多孔結(jié)構(gòu)，以改善其表面性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種不銹鋼表面多孔結(jié)構(gòu)的非均勻電化學(xué)加工方法，所述方法包括樣品制備、電解液濃度選取、及脈沖電源參數(shù)和電解液濃度的組合確定。

進(jìn)一步的，其中的樣品制備具體包括：取amm厚304不銹鋼板，采用線切割或激光切割制備尺寸為xmm×ymm×zmm樣品，除加工表面外其余表面均采用環(huán)氧樹脂絕緣封裝，用砂紙對加工表面進(jìn)行拋光，然后分別在丙酮及純水中超聲清洗去除油污及雜質(zhì)，再進(jìn)行冷風(fēng)干燥，使被加工表面具有一致的表面狀態(tài)。

進(jìn)一步的，其中的電解液為nano3溶液，所述電解液濃度選取濃度為大于等于20％。

進(jìn)一步的，其中的脈沖電源參數(shù)和電解液濃度的組合確定為，選取電解液濃度為20％，并且選取脈沖電源參數(shù)為脈沖幅值為5v、頻率13k、占空比80％。

附圖說明

圖1是不同濃度nano3溶液中表面形貌圖

圖2是各加工表面局部形貌圖

具體實施方式

為解決上述問題，本發(fā)明提出一種不銹鋼表面多孔結(jié)構(gòu)的非均勻電化學(xué)加工方法。包括樣品制備、制備裝置、nano3溶液濃度選取、及脈沖電源參數(shù)和電解液濃度的組合確定：

(1)樣品制備：取2mm厚304不銹鋼板，采用線切割或激光切割制備尺寸為5mm×5mm×2mm樣品，除加工表面外其余表面均采用環(huán)氧樹脂絕緣封裝。分別采用320#、800#、2000#、5000#砂紙對加工表面進(jìn)行拋光，然后分別在丙酮及純水中超聲清洗去除油污及雜質(zhì)，再進(jìn)行冷風(fēng)干燥，使被加工表面具有一致的表面狀態(tài)。

(2)制備裝置：采用脈沖電源，電解液為nano3溶液。

(3)電解液濃度選取：

為了對比不同濃度nano3溶液中孔洞生長及分布特征，設(shè)計如下試驗：采用nano3溶液濃度分別為5％、10％、15％、20％，試驗參數(shù)為恒定電壓5v(陽極過電壓約2.2v)，由于加工表面的形貌是隨時間不斷變化的，到加工后期，表面孔洞大量產(chǎn)生，大部分孔洞彼此連接難于區(qū)分，為了便于研究電解液濃度對孔洞生長特性的影響，選擇加工時間為2min，使孔洞生長還處于早期階段。加工后，在激光共聚焦顯微鏡下觀察各樣片表面局部二維形貌，結(jié)果如圖1所示，可知，孔洞的溶解速度隨電解液濃度的增大而增大，nano3溶液的濃度越高，其溶液中離子越多，電導(dǎo)率越大，電阻越小，因而陽極表面的電流密度更大，材料的溶解速度也更快，故應(yīng)選取濃度高的nano3溶液。，

(4)脈沖電源參數(shù)和電解液濃度的組合確定

脈沖電源有三個可調(diào)參數(shù)，即幅值參數(shù)v，頻率參數(shù)f，占空比d，電解液濃度也是影響電化學(xué)加工材料溶解過程的重要因素，因此選取這四個因素，每個因素取三個水平，具體參數(shù)值見表1

表1正交試驗因素水平表

考查指標(biāo)為孔洞分布密度、孔洞生長速度和表面孔洞覆蓋率。每個試驗重復(fù)兩次，各加工表面局部形貌如圖2所示。

對各加工表面圖像進(jìn)行處理，統(tǒng)計各指標(biāo)結(jié)果見表2

表2正交試驗安排與實驗結(jié)果

采用正交試驗方法，以脈沖幅值、頻率、占空比及電解液濃度為影響因素，以孔洞生長速度、孔密度和表面孔洞覆蓋率為評價指標(biāo)，研究加工參數(shù)對各指標(biāo)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，脈沖幅值為5v、頻率13k、占空比80％及電解液濃度為20％制備效果最好。