TA1純鈦毛細(xì)管化學(xué)輔助磁性復(fù)合流體拋光實(shí)驗(yàn)研究

薛玉峰　張文韜　武韓強(qiáng)　孫旭　鄭旸軻　吳勇波

關(guān)鍵詞 化學(xué)輔助磁性復(fù)合流體拋光；TA1 純鈦毛細(xì)管；內(nèi)表面；粗糙度

中圖分類號(hào) TG58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2023）06-0657-11

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0213

收稿日期 2023-10-08 修回日期 2023-11-23

金屬毛細(xì)管在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。金屬毛細(xì)管制成的加樣針等醫(yī)用針管部件是生化分析設(shè)備、血?dú)怆娊赓|(zhì)分析儀等體外診斷設(shè)備的關(guān)鍵零部件。在樣本吸取和試劑處理過程中，針管的內(nèi)表面直接與含有多種離子（如鈉離子、鉀離子和氯離子等）的待測(cè)樣本和試劑接觸[1]。在清洗過程中，甚至可能接觸到強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的清洗液。這些情況將導(dǎo)致針管內(nèi)表面發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，從而將毛細(xì)管自身的元素混入檢測(cè)樣本，嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。TA1 純鈦因其既具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，又不含影響待測(cè)樣本生物活性的金屬元素，是制備醫(yī)用毛細(xì)管的優(yōu)選材料之一[3]。目前，小口徑純鈦毛細(xì)管通常是通過對(duì)純鈦粗管進(jìn)行拉拔、旋壓制造而成。然而，鈦及其合金具有低熱導(dǎo)率、小彈性模量和高化學(xué)活性等特點(diǎn)，是典型的難加工材料。在拉拔、旋壓加工過程中，管材發(fā)生晶粒粗化，加工硬化速率迅速升高，導(dǎo)致其內(nèi)表面出現(xiàn)大量微裂紋，大大增加了管內(nèi)表面粗糙度[4]。粗糙的內(nèi)表面不僅影響毛細(xì)管的移液精度，還會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)樣本殘留，從而影響后續(xù)的檢測(cè)結(jié)果。因此，必須對(duì)TA1 毛細(xì)管內(nèi)表面進(jìn)行拋光，以提高體外診斷設(shè)備檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

金屬毛細(xì)管的內(nèi)表面拋光方法主要分為基于化學(xué)腐蝕作用的化學(xué)拋光（chemical polishing）和基于機(jī)械去除原理的磨粒流拋光（ abrasive flow machining，AFM） 、磁性磨粒拋光（ magnetic abrasive finishing，MAF）、磁性復(fù)合流體（magnetic compound fluid，MCF）拋光等。馬海生[5] 分別使用鹽酸、硫酸和磷酸作為腐蝕劑的化學(xué)拋光液對(duì)內(nèi)徑為1.1 mm 的鎳毛細(xì)管進(jìn)行了化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用磷酸系拋光液可將內(nèi)表面粗糙度降低至R_a0.56 μm 以下。WANG 等[6] 提出了一種新型化學(xué)拋光方法，通過研究拋光液比例、流速、溫度和拋光時(shí)間的影響，使用最優(yōu)實(shí)驗(yàn)參數(shù)將不銹鋼毛細(xì)管的內(nèi)表面粗糙度降至R_a0.31 μm。KUROBE 等[7]使用含有粒徑為20 μm 的氧化鋁磨粒對(duì)內(nèi)徑為0.28 mm的不銹鋼316L 毛細(xì)管內(nèi)表面進(jìn)行磨粒流拋光，最終將其內(nèi)表面粗糙度從R_a0.7 μm 降至R_a0.2 μm。鄧乾發(fā)等[8]提出了一種基于自激振蕩脈沖特性的AFM 新方法，拋光12 h 后，將內(nèi)徑為6 mm 的不銹鋼細(xì)管內(nèi)表面粗糙度從R_a0.48 μm 降至R_a0.05 μm，表面無明顯的單向性紋理，較好地解決了傳統(tǒng)AFM 中拋光表面存在明顯的流動(dòng)方向紋路的問題。LIU 等[9] 先后使用大粒徑磨粒和小粒徑磨粒進(jìn)行AFM 加工，將不銹鋼毛細(xì)管的內(nèi)表面粗糙度降低至R_a0.310 μm。YAMAGUCHI 等使用MAF 對(duì)管內(nèi)表面拋光進(jìn)行了一系列的研究。首先提出使用混合型磁性磨粒來對(duì)非鐵磁性管內(nèi)部進(jìn)行拋光的精加工方案，將表面粗糙度從R_max 7 μm 降低至R_max0.2 μm[10]。然后，將該方法應(yīng)用于非鐵磁性不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)表面拋光中，將內(nèi)徑為0.4 mm 的不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)表面粗糙度從R_a0.26 μm 降低至R_a0.02 μm[11]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)毛細(xì)管內(nèi)表面的長(zhǎng)距離拋光，在毛細(xì)管內(nèi)放置用于控制磁性磨粒的輔助磁極，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離連續(xù)拋光的目標(biāo)[12-14]。潘明詩等[15] 使用80°仿形磁極頭，對(duì)304不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)表面進(jìn)行MAF 加工，使其內(nèi)表面粗糙度由R_a3.06 μm 降低至R_a0.23 μm， 有效提高了304 不銹鋼管內(nèi)表面質(zhì)量。

本團(tuán)隊(duì)對(duì)毛細(xì)管內(nèi)表面的MCF 拋光進(jìn)行了一系列研究。首先，使用MCF 拋光液對(duì)4 mm 內(nèi)徑銅管進(jìn)行拋光，將其內(nèi)表面粗糙度由R_a0.3 μm 降低至R_a0.01 μm，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅毛細(xì)管內(nèi)壁的超精拋光[16]。隨后，使用循環(huán)陣列磁場(chǎng)對(duì)316L 不銹鋼毛細(xì)管進(jìn)行MCF 拋光，得到長(zhǎng)距離、無磨粒劃痕的拋光表面，將內(nèi)表面粗糙度降至Ra 4.5 nm[17]。與其他拋光方式相比， MCF 方式獲得了表面粗糙度極低的光滑表面，在毛細(xì)管內(nèi)表面拋光工業(yè)應(yīng)用方面展現(xiàn)出較大的潛力。然而，前期實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，將MCF 拋光方法應(yīng)用于TA1 純鈦毛細(xì)管內(nèi)表面拋光時(shí)的加工效率難以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有的MCF 毛細(xì)管拋光技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以快速去除純鈦毛細(xì)管內(nèi)表面的裂痕，實(shí)現(xiàn)對(duì)純鈦毛細(xì)管內(nèi)表面的高效拋光。

化學(xué)機(jī)械拋光（ chemical mechanical polishing，CMP）是鈦及其合金最常用的拋光方法。ZHANG 等[18]通過綠色CMP 對(duì)Ti-6Al-4V 工件進(jìn)行拋光，獲得了表面粗糙度達(dá)R_a0.68 nm 的超高光滑表面。DENG 等[19]通過在CMP 過程中調(diào)節(jié)pH 值和過氧化氫（H₂O₂）含量，對(duì)純鈦工件進(jìn)行拋光，最終也獲得了表面粗糙度達(dá)R_a0.9 nm 的超高光滑表面。然而，由于毛細(xì)管的深徑比極大，傳統(tǒng)拋光墊無法施加足夠的壓力來推動(dòng)磨粒，因此不能應(yīng)用于毛細(xì)管內(nèi)表面。相比之下， MCF拋光方法中的磁性顆粒能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)拋光墊，在磁場(chǎng)的作用下對(duì)磨粒施加作用于待拋光表面的壓力。

鑒于MCF 拋光在不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)表面的有效性和CMP 在鈦及其合金拋光上的優(yōu)異性能，本研究提出了一種新型化學(xué)輔助磁性復(fù)合流體（chemical-assistedmagnetic compound fluid， CAMCF）拋光方法，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)純鈦毛細(xì)管內(nèi)表面的高效拋光。作為該新技術(shù)開發(fā)過程中的重要一環(huán)，重點(diǎn)研究CAMCF 拋光液組分對(duì)材料去除率、表面粗糙度與形貌、表面材質(zhì)的影響規(guī)律。

1 拋光原理與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 拋光原理

圖1 所示為TA1 毛細(xì)管內(nèi)表面MCF 拋光原理。2個(gè)長(zhǎng)條形磁鐵相互垂直放置，分別為垂直放置在左上方和水平放置在右下方， 相互靠近的兩極極性相反（圖1 中分別為N 極和S 極）。在左上磁鐵下端和右下磁鐵左端各固定一個(gè)由45 號(hào)鋼制成的聚磁頭，用來收束磁感線以增加磁場(chǎng)強(qiáng)度。2 塊磁鐵的尾部通過45號(hào)鋼制成的磁軛連接，毛細(xì)管置于2 個(gè)聚磁頭之間，其上側(cè)表面和右側(cè)表面分別與左上和右下聚磁頭的端面接觸。磁感線從左上磁鐵N 極開始，穿過左上聚磁頭和毛細(xì)管上壁，然后作用于毛細(xì)管中的MCF 拋光液，進(jìn)而穿過毛細(xì)管右壁、右下聚磁頭、右下磁鐵、磁軛回到左上磁鐵的S 極，形成閉合磁路。

在拋光過程中，毛細(xì)管以轉(zhuǎn)速n_c高速旋轉(zhuǎn)，磁鐵以速度v_m、行程L_m沿毛細(xì)管軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。期間，毛細(xì)管內(nèi)部的MCF 拋光液里面的鐵粉等磁性顆粒順著磁力線方向形成磁鏈簇，該磁鏈簇受磁鐵形成的磁場(chǎng)控制，而與高速自轉(zhuǎn)的毛細(xì)管內(nèi)表面在圓周方向產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度作用下，MCF 拋光液會(huì)向聚磁頭處聚集，擠壓毛細(xì)管內(nèi)表面，產(chǎn)生研磨壓力。被磁鏈簇裹挾夾帶的磨粒在磁壓力作用下貼緊管內(nèi)壁，并與內(nèi)表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的劃擦、耕犁與微切削作用，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)表面的拋光。

但預(yù)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示MCF 拋光對(duì)TA1 純鈦毛細(xì)管的材料去除率較低，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此，通過引入酸性、氧化性溶液作為基液，加入鐵粉與磨粒開發(fā)了一種新的化學(xué)輔助磁性復(fù)合流體拋光液（之后稱其為CAMCF 拋光液），并應(yīng)用于TA1 毛細(xì)光的拋光加工。圖2 所示為CAMCF 拋光TA1 毛細(xì)管的材料去除過程。在CAMCF 拋光液中，TA1 材料在過氧化氫和蘋果酸的作用下被氧化，在毛細(xì)管內(nèi)表面上形成氧化層。該氧化層疏松多孔、硬度低，在磨粒的劃擦和切削作用下被去除。氧化層去除后，新的基底材料與拋光液繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，不斷產(chǎn)生新的氧化層。化學(xué)反應(yīng)和磨粒的機(jī)械去除作用相結(jié)合，提高了材料去除率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)TA1 毛細(xì)管的高效拋光。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了實(shí)現(xiàn)以上拋光原理，基于三軸移動(dòng)平臺(tái)搭建了拋光裝置，包含了磁鐵模塊，高速電主軸與其他輔助裝置，如圖3 所示。其中，磁鐵模塊被安裝在Z 軸基板上，能夠?qū)崿F(xiàn)沿X 軸與Z 軸的自由移動(dòng)。高速電主軸被安裝在Y 軸底板上，其軸線平行于X 軸的方向，使用ER 夾頭將TA1 毛細(xì)管左端夾持裝夾在電主軸輸出端上，并由支撐座支撐住毛細(xì)管右端進(jìn)行輔助固定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制位移平臺(tái)使磁鐵模塊運(yùn)動(dòng)到針管待拋光位置，同時(shí)可以通過編程控制磁鐵模塊在針管外沿軸向做往復(fù)勻速運(yùn)動(dòng)。

在拋光過程中，毛細(xì)管在主軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)。為防止CAMCF 拋光液在拋光過程中濺出，將毛細(xì)管兩端用硅膠塞密封。Y 軸底板上放置了一個(gè)非磁性支架，以保持毛細(xì)管在加工過程中繞中心軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，避免毛細(xì)管高速旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)平衡不佳導(dǎo)致的劇烈跳動(dòng)。由于聚磁頭和毛細(xì)管在高速旋轉(zhuǎn)過程中接觸，會(huì)造成兩者外表面的磨損，故在毛細(xì)管的外表面涂抹潤(rùn)滑脂，以減少兩者外表面之間的摩擦。為避免干擾磁場(chǎng)，Z 軸基板、Y 軸底板、磁鐵座外殼、毛細(xì)管支撐座均為非磁性材料。

1.3 加工參數(shù)與實(shí)驗(yàn)方法

首先通過預(yù)實(shí)驗(yàn)，以能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管內(nèi)表面的CAMCF 拋光為條件確定了表1 所示的加工參數(shù)。表1中的聚磁頭尺寸與拋光過程中的相對(duì)位置如圖4 所示，2 個(gè)長(zhǎng)條形沿長(zhǎng)度方向充磁的釹鐵硼磁鐵呈90°對(duì)置，用于控制磁感應(yīng)梯度方向集中于管壁一側(cè)；使用鐵磁性聚磁頭將磁極處磁力線匯聚到毛細(xì)管壁面，可以有效提高拋光區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度與梯度；用磁軛連接兩磁鐵尾部形成封閉回路，以避免磁場(chǎng)發(fā)散，提高拋光區(qū)域磁通密度；磁通密度和梯度的增大可以提高作用區(qū)域鐵粉的磁力大小，梯度方向決定了鐵粉受力方向。由于拋光液在拋光過程中將不可避免發(fā)生磨粒磨損、水分蒸發(fā)和材料去除導(dǎo)致的雜質(zhì)增加，導(dǎo)致拋光液性質(zhì)改變，因此實(shí)驗(yàn)過程中每15 min 更換1 次拋光液。同一組加工參數(shù)下的拋光實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行6 次。

聚磁頭沿軸線方向的長(zhǎng)度為5 mm，以4 mm 的行程沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，總共90 min 的拋光時(shí)間內(nèi)毛細(xì)管表面不同拋光區(qū)域的駐留時(shí)間如圖5 所示，呈現(xiàn)等腰梯形分布，底部寬度為9 mm。

CAMCF 拋光液因其磁流變特性，在磁場(chǎng)作用下會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢體性質(zhì)的類固體，靠近磁鐵處的CAMCF拋光液黏度迅速升高，在毛細(xì)管中的流動(dòng)性減弱，因此在實(shí)驗(yàn)過程中要保證操作的先后順序：首先使用注射器對(duì)毛細(xì)管完成拋光液的灌裝，然后將其安裝在主軸電機(jī)上，接著啟動(dòng)三軸平臺(tái)使磁鐵到達(dá)預(yù)定拋光位置，最后啟動(dòng)電主軸。

拋光液中鐵粉的質(zhì)量將影響拋光后的管內(nèi)表面粗糙度[12]：拋光區(qū)域內(nèi)鐵粉質(zhì)量較少會(huì)導(dǎo)致拋光壓力較小，材料去除效率較低；而過多的鐵粉又會(huì)導(dǎo)致鐵粉集中于拋光區(qū)域，引起結(jié)塊堵塞，失去拋光效果。過氧化氫和蘋果酸將與純鈦產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)將影響表面化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致氧化層生成速率的變化，影響拋光效果。CAMCF 拋光液是通過將鐵粉（粒徑為25 μm）、金剛石磨粒（平均粒徑為1 μm）、過氧化氫、蘋果酸等組分均勻混合進(jìn)非磁性水基基液配制而成，各組分的取值如表2 所示。分別單獨(dú)改變拋光區(qū)域鐵粉質(zhì)量m₁、過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω₂和蘋果酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω₃，進(jìn)行單一變量實(shí)驗(yàn)，以探究各參數(shù)對(duì)拋光效果的影響。

1.4 測(cè)量表征方法

拋光區(qū)域在毛細(xì)管內(nèi)表面。由于毛細(xì)管內(nèi)徑過小，目前無法在無損情況下對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行表征，因此使用慢走絲線切割機(jī)（沙迪克AG400L）將毛細(xì)管切開后制樣并進(jìn)行表征。

根據(jù)拋光原理，毛細(xì)管內(nèi)表面拋光區(qū)不同位置的旋轉(zhuǎn)速度均相同，但沿軸向不同位置的磁場(chǎng)條件不同、聚磁頭駐留時(shí)間（即有效拋光時(shí)間）也不同，因此毛細(xì)管內(nèi)部在圓周方向上不同位置的加工效果應(yīng)該相同，而沿軸線方向會(huì)有變化，使得材料去除率在圓周方向保持不變，而沿軸向上不一致。因此，在拋光實(shí)驗(yàn)后，采用圖6 所示的流程進(jìn)行測(cè)量表征：拋光結(jié)束后（Step 1），使用慢走絲線切割機(jī)將毛細(xì)管從中間切開（Step 2），然后使用白光干涉儀（ white light interferometer， WLI，泰勒-霍普森 CCI MP-HS）測(cè)量拋光區(qū)域中部粗糙度、利用激光共聚焦顯微鏡（laser scanning confocal microscope，LSCM，基恩士 VK-X3000）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM，日立 TM4000）對(duì)毛細(xì)管的內(nèi)表面形態(tài)進(jìn)行觀察，通過能譜分析儀（energydispersive spectroscopy， EDS，牛津儀器 Ultra Max）分析毛細(xì)管內(nèi)表面的元素種類與含量（Step 3），最后使用接觸式輪廓儀（ contact profilometer， 東京精密SURFCOM NEX 100）測(cè)量拋光區(qū)域沿毛細(xì)管軸向的材料去除輪廓，獲得材料去除最大深度（Step 4），并通過輪廓曲線沿周向進(jìn)行積分獲得單次拋光中材料去除體積，從而計(jì)算拋光過程中的材料去除率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拋光點(diǎn)鐵粉質(zhì)量對(duì)管內(nèi)表面拋光效果的影響

由于毛細(xì)管內(nèi)徑過小，無法在不破壞毛細(xì)管的情況下對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行表征，因此無法對(duì)拋光前后的內(nèi)表面進(jìn)行原位測(cè)量。經(jīng)預(yù)檢測(cè)，同一規(guī)格的毛細(xì)管之間原始內(nèi)表面的形貌差異很小，因此可以選取某一個(gè)毛細(xì)管的原始表面分析結(jié)果作為拋光前的數(shù)據(jù)，再與拋光后其他毛細(xì)管的內(nèi)表面進(jìn)行對(duì)比，分析各因素對(duì)管內(nèi)表面形貌的影響。

圖7 展示了未拋光的TA1 純鈦毛細(xì)管初始內(nèi)表面與TA1 純鈦毛細(xì)管拋光90 min 后的內(nèi)表面形貌。CAMCF 拋光液的配方為m₁= 2 mg，ω₂= 7.2%，ω₃= 6%；加工參數(shù)如表1 所示。從圖7 中可以看出：初始表面分布有深度和寬度較大的軸向裂紋，以及其他方向上的不規(guī)則裂紋，大部分裂紋的深度和寬度較小（圖7a）；CAMCF 拋光后，毛細(xì)管內(nèi)表面大部分深度和寬度較小的裂痕得到了消除，而深度和寬度較大的軸向裂紋雖然未能完全消除，但其面積大幅度減小，顯示出明顯的拋光效果，內(nèi)表面粗糙度由R_a675 nm 降至R_a75.0 nm，無裂痕平整區(qū)域粗糙度僅有R_a19.5 nm（圖7b）。

為了探究拋光區(qū)域不同質(zhì)量的鐵粉對(duì)拋光效果的影響，將鐵粉質(zhì)量m₁按表2 中的取值進(jìn)行變化，其他參數(shù)固定在ω₁=15%， ω₂=7.2%， ω₃=6%。圖8 所示為R_a值和材料去除率V_MRR隨m₁值變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖8中可以看出：隨著m₁ 值的增大，拋光后的內(nèi)表面粗糙度R_a值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，而對(duì)應(yīng)的材料去除率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。通過觀察粗糙度與材料去除率曲線的變化規(guī)律，可以得出內(nèi)表面粗糙度和材料去除率V_MRR之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)V_MRR值較大時(shí)，R_a值較低。在m₁=2 mg 時(shí)，獲得了最大的材料去除率，其V_MRR=0.004 65 mm³/min，同時(shí)內(nèi)表面粗糙度最低，為R_a75.0 nm。

在表2 所列的鐵粉質(zhì)量變化范圍內(nèi)， TA1 毛細(xì)管內(nèi)表面的材料去除效果均比較明顯。不同鐵粉質(zhì)量加工后拋光區(qū)域軸向截面輪廓如圖9 所示。從圖9 中可以看出：無論m₁ 值如何變化，毛細(xì)管內(nèi)沿軸向測(cè)量獲得的材料去除輪廓均呈現(xiàn)山谷形狀，其寬度為8 mm 左右。寬度方向（即毛細(xì)管軸向）不同位置的深度不同，這與圖5 所示的聚磁塊在毛細(xì)管外表面沿軸線方向的駐留時(shí)間呈現(xiàn)高度對(duì)應(yīng)關(guān)系，即駐留時(shí)間越長(zhǎng)的位置，材料去除越多，去除深度越深。同時(shí)， m₁值對(duì)材料去除深度有顯著影響：當(dāng)m₁=1 mg 時(shí)， 材料去除深度為12.5 μm；當(dāng)m₁= 2 mg 時(shí)，材料去除深度為28 μm，是前者的2 倍左右；m₁值大于2 mg 后材料去除深度快速減小， m₁=4 mg 時(shí)，材料去除深度為12.5 μm。由此可見，鐵粉質(zhì)量過少或過多都會(huì)抑制拋光效果，該實(shí)驗(yàn)參數(shù)下最佳的鐵粉質(zhì)量為2 mg。考慮到鐵粉質(zhì)量較少時(shí)，受磁場(chǎng)控制磁鏈簇質(zhì)量少，被裹挾的磨粒受鐵粉的壓力較小，根據(jù)普林斯頓方程，此時(shí)材料去除率較低，拋光效果不佳；而當(dāng)鐵粉質(zhì)量超過一定量時(shí)，磁鐵模塊在毛細(xì)管內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)無法控制所有磁鏈簇，鐵粉在壁面摩擦力作用下隨管壁轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)壁面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度減小，最終導(dǎo)致拋光效率下降。因此，鐵粉少量時(shí)，材料去除深度與鐵粉質(zhì)量呈正相關(guān)；鐵粉過量后，材料去除深度反而隨鐵粉量增多而下降。

2.2 H₂O₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)管內(nèi)表面拋光效果的影響

采用的過氧化氫H₂O₂氧化劑常被用作皮膚或環(huán)境的消毒劑，可以在空氣中分解為氧氣和水，不含有重金屬離子，在拋光加工過程中不引入金屬雜質(zhì)，是較為環(huán)保的綠色氧化劑。氧化劑在酸性環(huán)境下會(huì)與TA1 表面發(fā)生反應(yīng)，形成多孔表面氧化層，而這種多孔表面氧化層很容易被后續(xù)的磨料去除[19]。采用不加入磨粒和鐵粉的拋光液基液（m₁= 0， ω₁= 0， ω₂ = 7.2%， ω₃= 6%，pH=2.3）對(duì)光滑表面TA1 鈦塊試樣進(jìn)行30 min 的蝕刻實(shí)驗(yàn)，通過掃描電子顯微鏡放大后觀察到試樣表面出現(xiàn)了明顯的疏松多孔的氧化層，如圖10b所示。本節(jié)繼續(xù)研究基液中氧化劑 H₂O₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在酸性環(huán)境下對(duì)TA1 毛細(xì)管拋光性能的影響， H₂O₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)按表2取值，其余參數(shù)不變（m₁= 2 mg，ω₁= 15%，ω₃ = 6%，t =90 min），pH 值為2.3。

圖11 所示為材料去除率和表面粗糙度隨過氧化氫H₂O₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω₂的變化情況。從圖11 可知： H₂O₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0（即ω₂=0）時(shí)，基液為酸性，此時(shí)材料去除率V_MRR較低，為0.002 12 mm³/min；隨著 H₂O₂的加入，VMRR 值迅速升高；超過一定限度后，增幅下降，在ω₂=7.2% 時(shí)達(dá)到V_MRR=0.004 65 mm³/min，是ω₂=0 時(shí)的2.2 倍。ω₂=0 時(shí)拋光后粗糙度R_a值較高，為111 nm；隨著H₂O₂的加入， R_a值迅速降至90 nm 左右，隨后隨ω₂值的增大而緩慢下降，最終降至R_a75 nm。

圖12 所示為沿軸線方向的拋光區(qū)域材料去除輪廓。隨著H₂O₂ 的加入，材料去除深度迅速增大，最深處達(dá)到28 μm 左右；但在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的H₂O₂ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω₂范圍內(nèi)，ω₂值的增加對(duì)材料去除深度增大的貢獻(xiàn)較小，這與材料去除率和粗糙度的變化情況相對(duì)應(yīng)。可見，氧化性的H₂O₂加入基液有助于迅速提高拋光效率，降低表面粗糙度；ω₂ 在2.4%～7.2% 的范圍內(nèi)時(shí)，盡管加工效率隨H₂O₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而升高，但變化率不大。

2.3 蘋果酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)管內(nèi)表面拋光效果的影響

蘋果酸廣泛應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域，是一種二元有機(jī)弱酸，對(duì)人體無害，還可自然分解，因此被選用于調(diào)節(jié)拋光液pH 值，以協(xié)助H₂O₂高效穩(wěn)定地對(duì)純鈦毛細(xì)管內(nèi)表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。在過氧化氫和蘋果酸形成的酸性氧化性環(huán)境中，鈦管內(nèi)表面被氧化，生成疏松多孔的氧化層，其反應(yīng)方程式如下[20]：

以上反應(yīng)產(chǎn)物在拋光過程中被鐵粉和磨粒的機(jī)械作用快速去除，大幅提高拋光效率。

圖13 所示為材料去除率VMRR 和表面粗糙度R_a隨蘋果酸濃度的變化情況。如圖13 所示：蘋果酸濃度ω₃為0 時(shí)，V_MRR值較低，為0.000 63 mm³/min；隨著ω₃值的增大， V_MRR值逐漸升高，當(dāng)ω₃=6% 時(shí)， V_MRR值升高幅度達(dá)7.4 倍。同時(shí)，R_a值隨著ω₃值增大而逐漸降低，與材料去除率相對(duì)應(yīng)，呈現(xiàn)出V_MRR 值越高，R_a 值越低的趨勢(shì)。

圖14 展示了不同ω₃ 時(shí)沿軸線方向的拋光區(qū)域材料去除輪廓。不含蘋果酸（ω₃=0）時(shí)，材料去除深度僅為6.7 μm。隨著ω₃增大，相同加工時(shí)間內(nèi)材料去除深度逐步增大，當(dāng)ω₃=6% 時(shí)，材料去除深度迅速增大至28 μm，是ω₃=0 時(shí)的4 倍。可見，加入蘋果酸有助于提高拋光效率， 降低表面粗糙度。當(dāng)ω₃ 大于4% 時(shí)，V_MRR值提升迅速， R_a 值進(jìn)一步下降。當(dāng)ω₃=6% 時(shí)， R_a值最低，V_MRR值最大，材料去除深度最深。

2.4 CAMCF 拋光對(duì)管內(nèi)表面元素種類與含量的影響

綜上所述，當(dāng)鐵粉質(zhì)量、過氧化氫濃度、蘋果酸濃度分別為m₁= 2 mg、ω₂= 7.2%、ω₃ = 6% 時(shí)，拋光效率最高，材料去除深度達(dá)28 μm，內(nèi)表面表面粗糙度達(dá)到了R_a75 nm。但考慮到TA1 毛細(xì)管應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域時(shí)，拋光后毛細(xì)管內(nèi)表面材質(zhì)是否有變化很重要，為此對(duì)未拋光和利用組分為m1 = 2 mg、ω₁= 15%、ω₂=7.2%、ω₃= 6% 的CAMCF 拋光液拋光90 min 后的TA1毛細(xì)管內(nèi)表面進(jìn)行了能譜分析，對(duì)比了拋光與未拋光的毛細(xì)管內(nèi)表面元素含量變化。

圖15 所示為未拋光和拋光后毛細(xì)管內(nèi)表面能譜圖。從圖15 可以看出，各區(qū)域的能譜沒有發(fā)生明顯區(qū)別。說明CAMCF 拋光表面的元素種類沒有發(fā)生變化，即表面沒有引入雜質(zhì)元素。通過EDS 半定量分析得到兩者的 O、Ti 原子占比如表3 所示。在正常情況下，鈦很容易被空氣中的氧氣氧化，在表面形成一層薄而致密的鈍化膜，從而阻止內(nèi)部材料被氧氣氧化。因此，原始表面的 O 原子占比為 11.6%。CAMCF 拋光后內(nèi)表面的O 原子比為 13.5%。與原始表面相比，CAMCF 拋光表面的 O 原子占比增加了1.9%，表明 CAMCF 拋光液會(huì)輕微氧化TA1 毛細(xì)管的內(nèi)表面。

2.5 CAMCF 拋光對(duì)管內(nèi)表面形貌影響

圖16 所示為未拋光與拋光后毛細(xì)管內(nèi)表面的掃描電子顯微鏡圖像。TA1 毛細(xì)管生產(chǎn)過程中歷經(jīng)旋壓、拉拔處理，表面存在大量軸向裂痕與高頻劃痕，其中裂痕深度大，長(zhǎng)度超過毫米級(jí)別，寬度也有數(shù)十微米，嚴(yán)重影響管內(nèi)表面圓柱形貌（如圖7a）。進(jìn)一步通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，鈦管內(nèi)表面在加工后出現(xiàn)拉拔裂紋，分裂成為大小不一的鈦塊單元，鈦塊單元間存在明顯裂隙，小單元鈦塊表面也存在劃痕和凹痕（圖16a），導(dǎo)致內(nèi)表面質(zhì)量極差。而從圖7b 可以看到： 經(jīng)過CAMCF 拋光處理后， TA1 毛細(xì)管內(nèi)表面有明顯改善，內(nèi)表面原有的中小裂痕和細(xì)微缺陷被基本去除，原有粗壯沿軸線的裂痕寬度明顯縮小，裂痕深度和長(zhǎng)度也有所改善，表明CAMCF 拋光有效實(shí)現(xiàn)表面材料去除，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)表面平整和拋光的作用，但在有限時(shí)間內(nèi)材料去除深度沒有超過原有大裂痕的深度，無法完全去除表面缺陷。進(jìn)一步通過圖16b 的SEM 圖像可以看出，CAMCF 加工過程產(chǎn)生了明顯的沿周向的連續(xù)均勻的磨粒劃痕。說明通過高效率的磨粒切削，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)表面材料的高效去除。

整體而言， CAMCF 拋光技術(shù)通過高效材料去除，對(duì)原始表面整體進(jìn)行自上而下的光整，實(shí)現(xiàn)了最終的高效拋光，但是由于原始表面裂痕過深，短時(shí)間內(nèi)無法將其完全去除，拋光后表面仍然存在細(xì)微的裂隙。這樣的表面形貌變化情況也可以揭示前文所說材料去除率越高，粗糙度越低的變化趨勢(shì)：由于原始表面過于粗糙，更高的材料去除可以更快速地將粗糙的原始表面材料去除，削峰去谷后可獲得更低的表面粗糙度。

考慮到拋光90 min 后原有表面存在的粗壯裂痕并沒有完全被除去，此時(shí)限制內(nèi)表面粗糙度下降的主要因素仍然是原始表面裂痕。為了了解CAMCF 完全平整拋光處理后內(nèi)表面質(zhì)量，以及CAMCF 技術(shù)可以達(dá)到的最低粗糙度，避免原有粗壯裂痕對(duì)粗糙度的影響，使用白光干涉儀對(duì)使用最佳拋光參數(shù)拋光90 min 后TA1 毛細(xì)管內(nèi)表面中部平整部分進(jìn)行測(cè)量，以避開裂痕區(qū)域?qū)Υ植诙鹊挠绊懀@得拋光后平整表面的粗糙度曲線，如圖17 所示。從圖17 可知：未拋光內(nèi)表面凹凸不平，表面輪廓?jiǎng)×移鸱嬖谳喞置鞯牧押叟c凹痕；經(jīng)過拋光后內(nèi)表面平整。粗糙度曲線平緩，但仍然存在高頻小振幅輪廓波動(dòng)，內(nèi)表面平整區(qū)域粗糙度由未拋光的R_a675 nm 下降到拋光后 R_a19.5 nm， 可見CAMCF 加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)純鈦TA1 毛細(xì)管內(nèi)表面平整與十納米級(jí)別的精密拋光。

3 結(jié)論

（1）在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)，隨著拋光液中鐵粉質(zhì)量的增大，材料去除率先增大后減小，而表面粗糙度先減小后增大；最佳鐵粉質(zhì)量為2 mg。隨著過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，材料去除率不斷增大，而表面粗糙度不斷減小。隨著蘋果酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，材料去除率不斷增大，而表面粗糙度不斷減小。

（2）化學(xué)輔助磁性復(fù)合流體拋光過程使TA1 毛細(xì)管內(nèi)表面氧元素含量輕微上升，但表面元素種類沒有變化，亦即沒有引入雜質(zhì)元素。

（3）使用具有最佳配方（m₁= 2 mg、ω₁= 15%、ω₂= 7.2%、ω₃= 6%）的拋光液經(jīng)過每次15 min 共6 次（總時(shí)長(zhǎng)為90 min）的拋光后， TA1 純鈦內(nèi)表面裂痕基本被去除，拋光區(qū)域材料去除深度最大為28 μm，表面粗糙度從R_a675 nm 降至R_a75 nm，平整區(qū)域粗糙度達(dá)R_a19. 5 nm，獲得了光滑平坦的TA1 毛細(xì)管內(nèi)表面。

作者簡(jiǎn)介

薛玉峰，男，1996 年生，博士在讀。主要研究方向：金屬毛細(xì)管磁性復(fù)合流體拋光。E-mail：12131096@mail.sustech.edu.cn

通信作者： 吳勇波，男，1961 年生，博士、講席教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向：超聲輔助精密超精密加工工藝與設(shè)備研發(fā)、基于磁流變效應(yīng)的納米精度研/拋工藝與設(shè)備研發(fā)以及基于生物組織切除機(jī)理的超聲手術(shù)器械研發(fā)。E-mail：wuyb@sustech.edu.cn

（編輯：趙興昊）