孟嶺超 ，曾永彬 ，2，房曉龍 ，2，朱 荻 ，2

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016）

金屬玻璃也稱非晶態(tài)合金，是一種以金屬元素為主要成分的合金熔體在從高溫快速冷卻到熔點(diǎn)以下時(shí)，未通過(guò)結(jié)晶方式而直接被“冷凍”形成的固體[1,2]。該類材料呈現(xiàn)出長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的原子結(jié)構(gòu)，無(wú)晶態(tài)材料的晶界、位錯(cuò)等缺陷。相比于傳統(tǒng)用于微成形的金屬和硅材料，金屬玻璃的結(jié)構(gòu)尺寸擺脫了晶粒大小的限制，在小尺度下可克服宏觀脆性等缺點(diǎn)而更能充分展現(xiàn)其優(yōu)越的材料性能，更適合于高精度成形加工，為高新技術(shù)產(chǎn)品的微小型化、精密提供了性能優(yōu)良的材料[3-4]。

目前，關(guān)注較多的熱塑性成形工藝雖已具備一定的金屬玻璃微結(jié)構(gòu)成形能力，但在加工過(guò)冷液相區(qū)較窄的金屬玻璃材料時(shí)，成形溫度和冷卻速率控制難度大，材料易晶化，且該工藝也難以加工高深寬比結(jié)構(gòu)[5]。微細(xì)切削加工時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重、加工毛刺多，材料易氧化和晶化，加工成本較高[6]。超聲加工的加工區(qū)域易產(chǎn)生毛刺，加工效率較低[7]。微細(xì)電火花和激光加工需解決材料晶化、重鑄層和熱影響區(qū)等問(wèn)題[8-9]。金屬玻璃微細(xì)電解打孔和銑削工藝由于存在材料成分復(fù)雜、易鈍化、加工產(chǎn)物多且不易排除等難題，其加工精度、質(zhì)量、效率等都有待提高[10-12]。與上述加工技術(shù)相比，微細(xì)電解線切割具有工具無(wú)損耗、加工表面無(wú)應(yīng)力、無(wú)變質(zhì)層、與材料硬度無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，同時(shí)加工金屬玻璃無(wú)晶界，不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕，相對(duì)于加工晶態(tài)材料更易控制加工參數(shù)，因此該加工方法是制造金屬玻璃微型零件的一種理想技術(shù)手段[13-14]。微細(xì)電解線切割的加工質(zhì)量通常會(huì)受到工件材料、溶液成分、加工參數(shù)、傳質(zhì)效率等多種因素影響，而金屬玻璃特殊的組織結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的材料成分會(huì)產(chǎn)生新的電化學(xué)溶解特性，給微細(xì)電解線切割加工帶來(lái)新的挑戰(zhàn)[15-16]。本文將以鎳基金屬玻璃為對(duì)象，進(jìn)行相關(guān)的電化學(xué)特性和線切割實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)原理和系統(tǒng)

如圖1所示，微細(xì)電解線切割是利用微細(xì)金屬絲作為工具，結(jié)合高精度的多軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)，基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理對(duì)金屬材料進(jìn)行加工的一種微細(xì)電化學(xué)加工方法。實(shí)驗(yàn)采用線電極軸向運(yùn)絲和工件微幅振動(dòng)的方式來(lái)加快狹小加工間隙內(nèi)的傳質(zhì)效率，以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效加工。

圖1 微細(xì)電解線切割原理示意圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體布局見圖2。線電極作為陰極連接超短脈沖電源的負(fù)極，工件作為陽(yáng)極連接電源正極。線電極張緊后，通過(guò)線電極夾具與三自由度運(yùn)動(dòng)工作平臺(tái)的Z軸相連。工件通過(guò)夾具固定在電解槽內(nèi)，壓電控制器控制壓電按預(yù)定參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)。加工過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的X-Y軸帶動(dòng)線電極夾具實(shí)現(xiàn)線電極和工件按預(yù)設(shè)二維軌跡的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)控制Z軸運(yùn)動(dòng)的速度和位置，實(shí)現(xiàn)線電極沿自身軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工件和電解槽在壓電的帶動(dòng)下一起沿線電極軸向振動(dòng)。

圖2 微細(xì)電解線切割試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

加工過(guò)程中，通過(guò)示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源的輸出電壓和電化學(xué)反應(yīng)的電流信號(hào)，以判斷加工過(guò)程的穩(wěn)定性，并借助視覺(jué)輔助系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察氣泡的生成情況，可對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行輔助判斷。

2 實(shí)驗(yàn)方法與材料

實(shí)驗(yàn)采用厚度為 50 μm的鎳基金屬玻璃Ni72Cr19Si7B2作為研究對(duì)象，并在試驗(yàn)前對(duì)其拋光打磨，再用蒸餾水和酒精分別進(jìn)行超聲清洗。采用電化學(xué)工作站對(duì)工件進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)定，將甘汞電極和鉑電極分別作為參比電極和對(duì)電極，極化測(cè)試的電壓范圍為±2 V，掃描速率為1 mV/s，所用溶液分別為 H2SO4、HCl、NaNO3的水溶液，其濃度均為0.1 mol/L。

采用直徑為10 μm的鎢絲作為微細(xì)電解線切割加工實(shí)驗(yàn)的工具線電極。加工過(guò)程中，線電極沿軸向往復(fù)振動(dòng)幅值為 0～100 μm，頻率為 0～5 Hz，脈沖電源輸出的加工電壓范圍為5～10 V，線電極進(jìn)給速率范圍為0.05～1.0 μm/s，壓電陶瓷帶動(dòng)工件沿線電極軸向微幅振動(dòng)幅值為5 μm、頻率為100 Hz。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鎳基金屬玻璃的電化學(xué)特性

圖3是鎳基金屬玻璃在不同溶液中的極化曲線，可見，在三種不同溶液中，工件均呈現(xiàn)出典型的活化、鈍化、超鈍化等極化過(guò)程。在稀硫酸溶液中，腐蝕電位約為-0.18 V，鈍化電位區(qū)間約為0～0.92 V，鈍化電流密度約穩(wěn)定在6.0 μA/cm2；在稀鹽酸溶液中，腐蝕電位約為-0.21 V，不完全鈍化電位區(qū)間約為-0.08～0.89 V，鈍化電流密度約從5.5 μA/cm2增加到30 μA/cm2；在硝酸鈉溶液中，腐蝕電位約為-0.12 V，不完全鈍化電位區(qū)間約為0.05～1.35 V，鈍化電流密度約從 0.2 μA/cm2增加到 5.5 μA/cm2。由此可見，鎳基金屬玻璃在硝酸鈉溶液中的腐蝕電位比在稀硫酸、稀鹽酸中高，且腐蝕電流密度低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明其在硝酸鈉溶液中反應(yīng)緩慢，不易溶解。此外，從鈍化區(qū)間的電流密度變化可看出，鎳基金屬玻璃在稀硫酸中可形成穩(wěn)定完整的鈍化膜，而在稀鹽酸、硝酸鈉溶液中形成的鈍化膜不夠致密，仍發(fā)生緩慢的溶解反應(yīng)。

圖3 金屬玻璃Ni72Cr19Si7B2在不同溶液中的極化特性

3.2 微細(xì)電解線切割加工實(shí)驗(yàn)

3.2.1 不同電解液中線切割實(shí)驗(yàn)對(duì)比

取脈沖電源輸出脈寬為80 ns、周期為3 μs、線電極軸向往復(fù)振動(dòng)幅值為100 μm、頻率為2 Hz，研究不同電解液對(duì)金屬玻璃微細(xì)電解線切割加工質(zhì)量的影響。由圖4可看出，在每一種溶液中，加工速率均隨著加工電壓的增加而增大。在相同電壓條件下，稀鹽酸中的加工速率最大、硝酸鈉中的加工速率最小。微電解線切割的加工速率與工件加工端面的材料溶解速率相當(dāng)，因而在稀鹽酸中溶解最快，在硝酸鈉中溶解最慢，這與圖3所示的極化曲線分析一致。

圖4 不同溶液最大加工速隨著加工電壓變化的曲線

其中，圖4a～圖4c分別是加工電壓為7 V時(shí)，工件在三種溶液中的加工后的微縫整體形貌圖?？梢?不同溶液中微縫的平均縫寬及其標(biāo)準(zhǔn)差依次分別為：17.0/0.18 μm；17.5/0.30 μm；18.2/0.41 μm。

圖5a～圖5c分別是工件在三種電解液中的加工端面形貌圖?？梢?，在稀硫酸中加工的微縫質(zhì)量明顯比稀鹽酸、硝酸鈉溶液中的高。這是因?yàn)樵谙×蛩崛芤褐?，金屬玻璃可產(chǎn)生穩(wěn)定的鈍化區(qū)間，既提高了加工的定域性，又對(duì)加工表面起到了電解拋光效果（圖5a）。在稀鹽酸溶液中，活性較高的氯離子吸附在工件表面上，致使鈍化膜極易破裂而引發(fā)點(diǎn)蝕，雖提升了材料溶解速率，但加工表面會(huì)出現(xiàn)許多微納米坑（圖5b）。在硝酸鈉溶液中，材料溶解速率慢，反應(yīng)生成的固體產(chǎn)物較多且易積聚在加工間隙內(nèi)，影響加工穩(wěn)定性，加工后的表面也極易黏附產(chǎn)物（圖 5c）。

圖5 不同溶液中加工后的微縫端面形貌SEM圖

3.2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律

利用超短脈沖對(duì)金屬玻璃進(jìn)行微細(xì)電解線切割加工時(shí)，影響其加工精度、效率和穩(wěn)定性的主要因素有電源輸出的電壓大小、脈沖寬度和周期，以及線電極和工件沿軸向的振動(dòng)幅值和頻率。圖6是在濃度為0.1 mol/L的H2SO4溶液中，當(dāng)脈沖電源輸出的加工電壓為7 V、加工進(jìn)給速率為0.25 μm/s時(shí)，加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律。

圖6 稀硫酸中微細(xì)電解線切割加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響

圖6a是當(dāng)電源輸出的脈沖周期一定時(shí)，脈沖寬度對(duì)加工質(zhì)量的影響?？梢?，在80～140 ns范圍內(nèi)，加工縫寬和標(biāo)準(zhǔn)差均隨著脈寬增加而增大；當(dāng)脈寬為60 ns時(shí)，由于單位時(shí)間內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)的電量減少，偶爾發(fā)生短路，加工質(zhì)量下降。

圖6b是當(dāng)電源輸出的脈沖寬度一定時(shí)，脈沖周期對(duì)加工質(zhì)量的影響。可見，當(dāng)周期為2～4 μs時(shí)，加工質(zhì)量較好；當(dāng)周期較小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)量增加，材料去除量增加，產(chǎn)物增多，而脈沖間隔時(shí)間相應(yīng)減少，產(chǎn)物難以及時(shí)排出加工間隙，影響加工穩(wěn)定性；當(dāng)周期較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)的電量減少，材料去除速率降低，偶爾發(fā)生短路，影響加工質(zhì)量。

圖6c、圖6d分別是當(dāng)電源輸出的電參數(shù)恒定時(shí)，線電極軸向往復(fù)振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率對(duì)加工質(zhì)量的影響?？梢?，線電極軸向往復(fù)振動(dòng)可顯著改善加工質(zhì)量，當(dāng)線電極振動(dòng)幅值為40～100 μm、振動(dòng)頻率為2～4 Hz時(shí)，加工質(zhì)量較好；當(dāng)線電極振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率較大時(shí)，加工質(zhì)量有一定量的降低，這可能是由于線電極發(fā)生輕微的徑向抖動(dòng)造成的。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在傳質(zhì)效率較低的情況下，金屬玻璃微細(xì)電解線切割的加工產(chǎn)物較多且體積較大，極易黏附在線電極和工件表面。

3.2.3 典型微結(jié)構(gòu)加工

在濃度為0.1 mol/L的H2SO4溶液中，取電壓為7 V、脈寬為 80 ns、周期為 3 μs、進(jìn)給速率為 0.25 μm/s、線電極往復(fù)振動(dòng)幅值為100 μm、頻率為2 Hz等優(yōu)化后的加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了典型三維微結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量加工。如圖7所示，花鍵型微結(jié)構(gòu)的平均縫寬約為 17.0 μm，標(biāo)準(zhǔn)差約為 0.20 μm，側(cè)面加工間隙約為 3.5 μm。

圖7 微細(xì)電解線切割加工的金屬玻璃典型微結(jié)構(gòu)SEM圖

4 結(jié)論

（1）鎳基金屬玻璃Ni72Cr19Si7B2在稀硫酸、稀鹽酸、硝酸鈉溶液中都呈現(xiàn)出典型的活化、鈍化、超鈍化的極化特性。在稀硫酸中可形成穩(wěn)定完整的鈍化膜，在稀鹽酸、硝酸鈉溶液中形成的鈍化膜不夠致密。

（2）在相同加工電壓下，稀鹽酸中的加工效率最高，稀硫酸中的加工精度和表面質(zhì)量最好，硝酸鈉中的材料溶解速率慢，反應(yīng)生成的固體產(chǎn)物較多，且易積聚在加工間隙內(nèi)和黏附在加工表面上。

（3）線電極軸向往復(fù)微幅振動(dòng)可有效加快電解線切割微小加工間隙內(nèi)的傳質(zhì)速率，提高金屬玻璃微細(xì)電解線切割加工的精度、效率和穩(wěn)定性。

（4）在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 mol/L的H2SO4溶液中，采用優(yōu)化后的加工參數(shù)（電壓7 V、脈寬80 ns、周期3 μs、進(jìn)給速率0.25 μm/s、線電極往復(fù)振動(dòng)幅值 100 μm、頻率2 Hz），實(shí)現(xiàn)了鎳基金屬玻璃典型微結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量加工。

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