答辩博士：杭雨森
指导教师：曾永彬 教授
论文题目：非晶合金微细电解线切割加工技术研究
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：康 敏 教授/博导 南京农业大学
李 亮 教授/博导 开云Kaiyun
朱 荻 教授/博导 开云Kaiyun
曲宁松 教授/博导 开云Kaiyun
朱增伟 教授/博导 开云Kaiyun
曾永彬 教授/博导 开云Kaiyun
秘书：王登勇 教授/博导 开云Kaiyun
时间：2022年09月13日09:30
地点：南航明故宫校区4号楼4218会议室
学位论文简介：
非晶态金属材料原子长程无序排列，独特的内部结构使其具有优异的物理化学性能，成为良好的微结构加工材料，在航空航天、国防、医疗、通信等领域有广泛的应用前景。但是非晶合金微结构加工技术还不够成熟，一定程度上限制了其在微结构器件中的应用。非晶合金微结构的加工难点不仅在于材料强度、硬度大，微结构加工精度要求高，而且要防止其在受力受热的情况下发生晶化。微细电解线切割技术基于电化学阳极溶解原理，以离子形式去除材料，无加工应力，加工温度低，在加工原理和技术特性上尤为适合高精度非晶合金微结构的加工，可以有效避免材料由非晶态向晶态转变的问题。目前，针对薄片（厚度≤50 μm）镍基非晶合金微细电解线切割加工的研究已取得一定的成果，然而已获得的工艺不能完全适用于不同种类大厚度（厚度＞500 μm）非晶合金的微结构加工。为了解决多种大厚度非晶合金（镍基、锆基、锆铜基）微细电解加工中遇到的难题，本文针对微纳尺度下间隙分布规律和产物吸附及消除机制等机理开展理论和试验研究。
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
（1）研究了镍基非晶合金的微细电解线切割加工
以镍基非晶合金为研究基体，揭示了镍基非晶合金的电化学溶解特性，发现镍基非晶合金在盐溶液中的耐蚀性大于在酸性溶液中的耐蚀性。合金中Ni和Cr是影响镍基非晶合金溶解特性的主要金属元素，Fe的加入提高了非晶合金Ni82Cr7Si5Fe3B3的溶解速度。基于镍基非晶合金的溶解特性展开了详细的微细电解线切割加工试验，优选了电解液并优化了加工参数。
（2）针对微细电解线切割加工间隙的在线测量难题，提出了加工间隙的原位电沉积离线测量方法。探明了镍基非晶合金微细电解线切割端面及侧面加工间隙分布规律，不同参数下的间隙测量结果表明端面间隙与脉冲宽度、电压、电导率以及线电极进给速度之间的关系均随参数变化而单调变化。试验结果验证了微细电解线切割加工间隙分布规律与经典电解理论不同，微细电解线切割侧面间隙仅比端面间隙略大，通过试验结果修正得到了端面间隙与侧面间隙的计算公式。以间隙计算公式规划加工轨迹，成功制备出了精确尺寸的微齿轮、微曲悬臂梁结构和微尖角等结构，验证了微细电解线切割加工间隙分布规律对加工的重要意义。
（3）针对大厚度锆基非晶合金产物多且传质不畅的问题，提出了高氯酸溶液下阳极大幅振动锆基非晶合金微细电解加工技术。揭示了锆基非晶合金在HCl和HClO4溶液中腐蚀机理，ClO4−的四面体环氧结构与Cl−相比，减缓了溶液对金属的快速腐蚀, 提高了微细电解线切割加工的定域性，减少了杂散腐蚀，选择高氯酸溶液作为电解液。阳极大幅振动的正弦模式下，工件的变速振动使流体以波动状态快速流出间隙。在阶跃模式下，当工件改变方向时，流体以非常高的速度移动，而在其他时刻，流体在惯性力的作用下以较低的速度流动。与阶跃振动模式相比，正弦模式的传质效果更好，加工出的微缝边缘光滑、无损伤。采用优化后的参数组合，实现了厚度为1 mm的锆基非晶合金的微细电解线切割高质量加工。
（4）针对锆铜基非金合金阴极产物吸附沉积问题，提出了非水基溶液锆铜基非晶合金加工工艺方案。分析了锆铜基非晶合金在水基溶液中的电化学腐蚀特性，发现在加工过程中大量不溶性氢氧化物和铜吸附沉积在阴极表面。探明了锆铜基非晶合金在盐酸水溶液和乙二醇溶液中的极化过程，分别是电荷迁移控制过程和电荷迁移和扩散的混合控制过程，并建立了对应的腐蚀模型。在乙二醇溶液中，阳离子向阴极表面的缓慢移动有效地增强了双极性脉冲反向抑制产物吸附沉积的效果，实现了550 μm厚锆铜基非晶合金的微细电解线切割加工。
主要创新点如下：
（1）阐明了非晶合金微细电解线切割间隙分布理论。不同于经典电解理论，微细电解线切割侧面间隙和端面间隙之间的关系并非侧面间隙远大于端面间隙，两者之间的数值相近，而侧面间隙略大于端面间隙。同时明晰了间隙分布规律对加工的指导意义，实现了加工间隙的精确计算。
（2）发现了ClO4−的四面体环氧结构可有效提高锆基非晶合金微细电解线切割加工的定域性，并减少杂散腐蚀，针对采用盐酸作为电解液的微细电解加工中，高氯酸可有效替代盐酸作为电解液，提升了锆基非晶合金的加工质量，实现了1 mm厚锆基非晶合金的高质量微结构加工。
（3）提出了非水基溶液锆铜基非晶合金微细电解线切割加工技术。乙二醇溶剂下电荷迁移和扩散的混合控制过程使得阳离子向阴极表面的移动减缓，有效地增强了双极性脉冲的反向抑制产物吸附沉积作用，实现了550 μm厚锆铜基非晶合金的微细电解加工，对于含铜等易沉积类金属成分材料以及易生成大量产物金属的微细电解加工有重要借鉴意义。
