孟嶺超 ，曾永彬 ，2，房曉龍 ，2，朱 荻 ，2

（1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016；2.江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室，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以下時，未通過結(jié)晶方式而直接被“冷凍”形成的固體[1,2]。該類材料呈現(xiàn)出長程無序、短程有序的原子結(jié)構(gòu)，無晶態(tài)材料的晶界、位錯等缺陷。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，但在加工過冷液相區(qū)較窄的金屬玻璃材料時，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]。微細切削加工時，刀具磨損嚴重、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)等問題[8-9]。金屬玻璃微細電解打孔和銑削工藝由于存在材料成分復雜、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，微細電解線切割具有工具無損耗、加工表面無應力、無變質(zhì)層、與材料硬度無關(guān)等特點，同時加工金屬玻璃無晶界，不會產(chǎn)生晶間腐蝕，相對于加工晶態(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]。微細電解線切割的加工質(zhì)量通常會受到工件材料、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)和復雜的材料成分會產(chǎn)生新的電化學溶解特性，給微細電解線切割加工帶來新的挑戰(zhàn)[15-16]。本文將以鎳基金屬玻璃為對象，進行相關(guān)的電化學特性和線切割實驗研究。

1 實驗原理和系統(tǒng)

如圖1所示，微細電解線切割是利用微細金屬絲作為工具，結(jié)合高精度的多軸數(shù)控運動，基于電化學陽極溶解原理對金屬材料進行加工的一種微細電化學加工方法。實驗采用線電極軸向運絲和工件微幅振動的方式來加快狹小加工間隙內(nèi)的傳質(zhì)效率，以滿足復雜結(jié)構(gòu)的高效加工。

圖1 微細電解線切割原理示意圖

實驗系統(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極，工件作為陽極連接電源正極。線電極張緊后，通過線電極夾具與三自由度運動工作平臺的Z軸相連。工件通過夾具固定在電解槽內(nèi)，壓電控制器控制壓電按預定參數(shù)進行振動。加工過程中，運動工作臺的X-Y軸帶動線電極夾具實現(xiàn)線電極和工件按預設(shè)二維軌跡的相對運動，同時通過控制Z軸運動的速度和位置，實現(xiàn)線電極沿自身軸線方向往復運動。工件和電解槽在壓電的帶動下一起沿線電極軸向振動。

圖2 微細電解線切割試驗系統(tǒng)示意圖

加工過程中，通過示波器實時監(jiān)測電源的輸出電壓和電化學反應的電流信號，以判斷加工過程的穩(wěn)定性，并借助視覺輔助系統(tǒng)實時觀察氣泡的生成情況，可對加工狀態(tài)進行輔助判斷。

2 實驗方法與材料

實驗采用厚度為 50 μm的鎳基金屬玻璃Ni72Cr19Si7B2作為研究對象，并在試驗前對其拋光打磨，再用蒸餾水和酒精分別進行超聲清洗。采用電化學工作站對工件進行動電位極化曲線測定，將甘汞電極和鉑電極分別作為參比電極和對電極，極化測試的電壓范圍為±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的鎢絲作為微細電解線切割加工實驗的工具線電極。加工過程中，線電極沿軸向往復振動幅值為 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，線電極進給速率范圍為0.05～1.0 μm/s，壓電陶瓷帶動工件沿線電極軸向微幅振動幅值為5 μm、頻率為100 Hz。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 鎳基金屬玻璃的電化學特性

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數(shù)量級，說明其在硝酸鈉溶液中反應緩慢，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。

圖3 金屬玻璃Ni72Cr19Si7B2在不同溶液中的極化特性

3.2 微細電解線切割加工實驗

3.2.1 不同電解液中線切割實驗對比

取脈沖電源輸出脈寬為80 ns、周期為3 μs、線電極軸向往復振動幅值為100 μm、頻率為2 Hz，研究不同電解液對金屬玻璃微細電解線切割加工質(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，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，工件在三種溶液中的加工后的微縫整體形貌圖。可見,不同溶液中微縫的平均縫寬及其標準差依次分別為：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。這是因為在稀硫酸溶液中，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)點蝕，雖提升了材料溶解速率，但加工表面會出現(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 實驗參數(shù)對加工質(zhì)量的影響規(guī)律

利用超短脈沖對金屬玻璃進行微細電解線切割加工時，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幅值和頻率。圖6是在濃度為0.1 mol/L的H2SO4溶液中，當脈沖電源輸出的加工電壓為7 V、加工進給速率為0.25 μm/s時，加工參數(shù)對加工質(zhì)量的影響規(guī)律。

圖6 稀硫酸中微細電解線切割加工參數(shù)對加工質(zhì)量的影響

圖6a是當電源輸出的脈沖周期一定時，脈沖寬度對加工質(zhì)量的影響?？梢姡?0～140 ns范圍內(nèi)，加工縫寬和標準差均隨著脈寬增加而增大；當脈寬為60 ns時，由于單位時間內(nèi)電化學反應的電量減少，偶爾發(fā)生短路，加工質(zhì)量下降。

圖6b是當電源輸出的脈沖寬度一定時，脈沖周期對加工質(zhì)量的影響?？梢姡斨芷跒?～4 μs時，加工質(zhì)量較好；當周期較小時，單位時間內(nèi)脈沖數(shù)量增加，材料去除量增加，產(chǎn)物增多，而脈沖間隔時間相應減少，產(chǎn)物難以及時排出加工間隙，影響加工穩(wěn)定性；當周期較大時，單位時間內(nèi)電化學反應的電量減少，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分別是當電源輸出的電參數(shù)恒定時，線電極軸向往復振動幅值和振動頻率對加工質(zhì)量的影響。可見，線電極軸向往復振動可顯著改善加工質(zhì)量，當線電極振動幅值為40～100 μm、振動頻率為2～4 Hz時，加工質(zhì)量較好；當線電極振動幅值和振動頻率較大時，加工質(zhì)量有一定量的降低，這可能是由于線電極發(fā)生輕微的徑向抖動造成的。實驗還發(fā)現(xiàn)，在傳質(zhì)效率較低的情況下，金屬玻璃微細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、進給速率為 0.25 μm/s、線電極往復振動幅值為100 μm、頻率為2 Hz等優(yōu)化后的加工參數(shù)，實現(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，標準差約為 0.20 μm，側(cè)面加工間隙約為 3.5 μm。

圖7 微細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）線電極軸向往復微幅振動可有效加快電解線切割微小加工間隙內(nèi)的傳質(zhì)速率，提高金屬玻璃微細電解線切割加工的精度、效率和穩(wěn)定性。

（4）在質(zhì)量分數(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、進給速率0.25 μm/s、線電極往復振動幅值 100 μm、頻率2 Hz），實現(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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