基于硅模具的Zr基非晶合金微零件吸鑄制備

朱志靖　易傳云　史鐵林　文　馳　廖廣蘭

華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室,武漢,430074

基于硅模具的Zr基非晶合金微零件吸鑄制備

朱志靖易傳云史鐵林文馳廖廣蘭

華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室,武漢,430074

基于硅模具提出了一種吸鑄成形Zr基非晶合金微零件的方法。采用真空氬弧熔化吸鑄爐進行了非晶合金微零件吸鑄成形實驗,用紅外熱像儀測量了合金熔液溫度，發(fā)現(xiàn)合金熔液在1116℃下能夠完全復制寬3 μm、深3 μm的硅方形微槽結構且具有較好的表面形貌。隨后分別采用帶有多型腔和雙層型腔的硅模具進行了吸鑄成形實驗，成功制備了模數(shù)為50 μm的非晶合金微齒輪零件，微零件的硬度及彈性模量分別為6.49 GPa和94.9 GPa。實驗結果表明,基于硅模具吸鑄成形Zr基非晶合金是一種制備高精度、高表面質量、高性能微零件的有效方法。

非晶合金；吸鑄；硅模具；微零件

0　引言

微零件制備方法及工藝研究一直是學者們關注的焦點。目前開發(fā)出的微結構及零件制備工藝有超精密機械加工[1]、飛秒激光[2]、LIGA技術[3]、微細電火花加工[4]、硅工藝[5-6]、微塑性成形技術[7]及微細精密鑄造技術[8]等。超精密機械加工和微細電火花加工的微加工能力有限，其可加工最小尺寸為10 μm，加工精度為1 μm；飛秒激光的加工效率較低，無法滿足微零件的大批量制備；LIGA技術的設備非常昂貴，加工金屬微零件的成本較高；硅工藝加工的硅微零件在使用過程中可靠性較差，無法滿足微機械系統(tǒng)的需求；微塑性成形技術及精密鑄造技術都是凈成形加工技術，其加工效率較高，可大批量制備具有較好機械性能的金屬微零件，是理想的微零件制備工藝。對于常規(guī)的晶態(tài)合金，晶粒大小限制了其凈成形的最小結構尺寸和表面精度，非晶態(tài)合金的發(fā)現(xiàn)則從理論上解決了晶粒的限制問題，它可成形納米尺度的微結構[9]。

非晶合金凈成形工藝分為微塑性成形技術和精密鑄造技術[10]。微塑性成形技術是將非晶態(tài)的合金加熱形成亞穩(wěn)態(tài)的過冷流體,并用較小的壓力壓入微模具中成形微零件;精密鑄造技術是將成分均勻的合金錠熔化為合金熔液，然后將合金熔液壓入或是吸入型腔，并通過快速冷卻使其凝固為非晶態(tài)結構。微塑性成形技術需要先采用帶有快速冷卻的鑄造方法制備非晶態(tài)的合金坯料,再進行微零件塑性成形,相比之下精密鑄造技術則可將非晶態(tài)合金的形成及微零件的成形在一步內(nèi)同時完成,具有更高的效率[11]。微凈成形工藝中,微模具的制備是一個難題。采用硅工藝制備帶有微型腔的硅模具已經(jīng)廣泛應用于非晶合金微塑性成形技術中，并取得了很好的研究成果[12],但其在非晶合金精密鑄造技術中尚未得到應用,有關非晶合金熔液對微結構的復制能力的研究也未見報道。

本文以Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金為對象,研究了Zr基非晶合金熔液在吸鑄過程中對硅模具的微復制能力，采用帶有多型腔和雙層型腔的硅模具吸鑄成形了非晶合金微零件,開發(fā)了一種基于硅模具的非晶合金微零件吸鑄成形方法，并對成形的非晶合金微零件進行了機械性能檢測。

1　實驗

本實驗使用WK-Ⅱ型真空氬弧熔化吸鑄爐進行。實驗過程如圖1所示，首先將硅模具粘在銅質的墊塊上，再將銅墊塊放入銅模具型腔距吸鑄入口約3 mm處完成硅模具的安裝。墊塊與銅模具之間通過過盈配合固定,兩邊留有抽氣孔。隨后成分均勻的合金錠在氬弧電流作用下熔化為合金熔液，隨著真空閥的開啟,合金熔液被吸入銅模具型腔內(nèi)同時填充硅模具微型腔。合金錠質量為10 g，氬氣氣壓為0.1 MPa,氬弧電流強度為360～400 A，不同電流強度下合金熔液溫度可由紅外熱像儀測得?？焖偎渫瓿珊髮~模具從吸鑄爐中取出并打開，得到圖1所示未脫模的非晶合金鑄件。

圖1　硅模具安裝及非晶合金吸鑄工藝示意圖

吸鑄完成后微零件的脫模過程如圖2所示。先通過機械切割和研磨工藝去除硅模具上方多余的非晶合金,使模具暴露，再使用質量分數(shù)為40%的KOH溶液將硅模具腐蝕掉得到微零件。腐蝕硅模具過程中，需將KOH熔液加熱至80 ℃以加快反應速度。脫模的微零件在無水乙醇超聲清洗過后，用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對其表面形貌進行觀察。

圖2　非晶合金微零件脫模流程圖

非晶合金理論上具有極強的微鑄造復制能力。設計并用ICP工藝制備了硅方形微槽作為目標模具(圖3a),其中槽寬為3 μm,深寬比為1∶1。將此目標模具按圖1所示放入銅模具型腔中以考察不同溫度下非晶合金熔液對微結構的吸鑄復制能力。得到的非晶合金微結構在SEM下進行觀察。圖3b、圖3c分別為采用相同工藝制備的雙層硅模具及多型腔硅模具SEM圖。其中雙層硅模具的第一層是模數(shù)為50 μm、齒數(shù)為60的微齒輪，第二層是直徑1 mm的軸，每層厚度為150 μm；多型腔模具是4個模數(shù)為50 μm、齒數(shù)為20、帶有直徑0.5 mm中心孔的微齒輪,齒輪厚度為200 μm。

(a)硅微槽示意圖(b)雙層硅模具SEM圖

(c)多型腔硅模具SEM圖圖3　硅模具設計

吸鑄成形微零件的機械性能采用納米壓痕方法測定。試驗設備為美國海思創(chuàng)(Hysitron)公司的Ti750 Ubi納米力學測試系統(tǒng)，采用玻氏壓頭進行試驗,加載速度為0.5 mN/s，加載至8 mN保壓5 s,隨后以0.5 mN/s的速度卸載。微零件的硬度和彈性模量基于Oliver等[13]提出的方法計算得到。

2　結果與討論

2.1紅外熱成像測量結果

真空氬弧熔化吸鑄爐采用氬弧電流加熱熔化合金錠，電流強度在360～400A之間，不同電流強度下合金熔液的溫度采用紅外熱像儀透過紅外視窗進行非接觸測量。圖4a為合金熔液的紅外熱像圖，其中點劃線區(qū)域為合金熔液，其溫度由區(qū)域內(nèi)的平均溫度確定。電流強度分別為360 A、380 A、400 A、420 A時,合金熔液溫度分別約為1055 ℃、1116 ℃、1167 ℃和1202 ℃。如圖4b所示,電流值在360～400A之間時,熔液溫度與其基本成線性關系。

(a)氬弧加熱下合金熔液紅外熱成像

(b)不同電流下合金熔液溫度圖4　紅外熱成像測量合金熔液溫度結果

2.2非晶合金吸鑄微結構能力

(a)t=1055 ℃(b)t=1116 ℃

(c)t=1167 ℃(d)t=1116 ℃時的剖面圖圖5　不同溫度下非晶合金吸鑄微成形結果及剖面圖

非晶合金沒有晶粒及晶界的限制,理論上具有優(yōu)異的微納成形能力。圖5所示為不同溫度下非晶合金吸鑄工藝復制硅方形微槽結構的SEM照片。在1055～1167 ℃之間,非晶合金都可以對尺度為3 μm的方形微槽結構進行大面積復制。仔細觀察發(fā)現(xiàn)：在1055 ℃溫度下非晶合金微結構的高度較低，其并沒有完全復制微槽結構；隨著溫度的升高，非晶合金則完全復制了方形微槽結構(1116 ℃)；但當溫度增加至1167 ℃時，非晶合金雖然完全復制了方形微槽結構，但其微結構的表面形貌有些不平整。圖5d為1116 ℃溫度下非晶合金吸鑄復制硅方形微槽結構脫模前的剖面圖?？梢钥闯?，非晶合金充滿了硅模具上的方形微槽且看不到任何間隙。在高溫下，非晶合金熔液與硅之間會發(fā)生浸潤效應，這有利于非晶合金填充硅模具上的微結構[14]。但是,浸潤效應的發(fā)生與否受溫度的影響很大，當溫度低于臨界溫度時，浸潤現(xiàn)象并不會發(fā)生，這使得合金熔液很難填充微結構；當溫度升高時，浸潤效應使得微結構的填充變得容易，但隨著溫度的進一步升高，溫度浸潤層也會加厚。故在1055℃溫度下，非晶合金無法完全復制微結構;而在1167 ℃溫度下，浸潤層較厚,使得非晶合金微結構表面變得較粗糙。因此，在1116 ℃溫度下非晶合金具有較好的吸鑄復制硅模具微結構能力。

2.3非晶合金吸鑄微零件

2.3.1一模多件吸鑄

圖6所示為非晶合金熔液在1116℃吸鑄溫度、0.1 MPa吸鑄壓力工藝參數(shù)下吸鑄多型腔硅模具的結果，其中圖6a為去除多余非晶合金后合金熔液填充硅模具的情況，圖6b為脫模后的非晶合金微齒輪零件?？梢钥吹椒蔷Ш辖鹜耆錆M了硅模具上四個微齒輪型腔。硅模具在每個微齒輪齒頂周圍有一圈微裂痕，這些微裂痕的形成是因為鑄造應力在齒輪型腔模具的齒頂位置產(chǎn)生集中。盡管硅模具在吸鑄過程中形成了微裂痕，但微齒輪各個齒形完整，并且很好地復制了硅模具型腔的表面形貌。如圖6b中白色箭頭所指微齒輪側表面上的曲線，為復制圖3c中硅模具上白色箭頭所示曲線所得。基于多型腔硅模具的非晶合金吸鑄工藝可一次制備多個高精度的微零件,提高了非晶合金微零件制備效率。

(a)非晶合金一模多件填充情況(b)一模多件吸鑄成形微零件圖6　一模多件吸鑄成形

2.3.2雙層零件吸鑄

圖7a為磨去多余材料后非晶合金填充雙層硅模具的情況。硅模具型腔的各個輪齒部位填充完整，沒有明顯的間隙及氣泡。圍繞微齒輪齒頂周圍的硅模具部分由于鑄造應力也生成了環(huán)形的裂紋。但從齒形位置放大圖可見，非晶合金和硅之間的接觸面十分緊密，沒有發(fā)現(xiàn)間隙，這保證了非晶合金微齒輪輪齒部位具有較好的尺寸及形狀精度。圖7b所示為將硅模具腐蝕掉脫模后的雙層非晶合金微零件表面形貌SEM照片。可見雙層非晶合金微零件輪廓清晰，齒形完整，沒有明顯的鑄造缺陷，形狀尺寸也沒有明顯的偏差。圖7c所示為雙層微齒輪零件齒輪軸的側表面，圖7d所示為其對應的模具位置。對比可見非晶合金微連軸齒輪較好地復制了模具表面1 μm左右尺度的形貌。圖7e和圖7f所示分別為微齒輪齒形部位及對應的模具位置。此處的模具表面形貌特征尺度小于1 μm，非晶合金對其無法復制。由此可知，非晶合金吸鑄工藝能夠復制硅模具表面1 μm以上的微尺度形貌，但對1 μm以下的亞微米和納米尺度形貌的復制效果不好。

(a)非晶合金填充雙層硅模具情況(b)非晶合金雙層零件整體形貌

(c)非晶合金微齒輪軸側表面(d)硅模具軸孔側表面

(e)非晶合金微齒輪齒形(f)硅模具齒形位置圖7　雙層微齒輪形貌及與硅模具對比

2.4零件性能檢測

表1所示為對非晶合金微零件隨機取8個點進行納米壓痕測試得到的硬度及彈性模量結果。非晶合金微零件硬度平均值為6.49 GPa，約是ZnAl4微鑄件的5.7倍[15]。一般來說，較高的硬度表明零件具有更好的耐磨性，因此吸鑄成形的非晶合金微零件適合用作微系統(tǒng)中的齒輪、軸承等移動摩擦部件。非晶合金微零件的彈性模量平均值為94.9 GPa，較小的彈性模量表明其適合作微彈簧等彈性部件。硬度及彈性模量測量結果的標準差較小，即各測試點的機械性能較接近，也從側面反映了吸鑄成形的微零件成分較均勻、一致性較好。

表1　非晶合金微零件　GPa

綜上所述，基于硅模具的非晶合金吸鑄成形工藝具有極強的微成形能力。它可大面積復制硅模具上寬為3 μm、深寬比為1∶1的方形微槽結構；可使用具有多個微型腔的硅模具一次吸鑄成形多個模數(shù)為50 μm、齒數(shù)為20的微齒輪零件；可使用帶有雙層微型腔的硅模具吸鑄成形高精度、高表面質量、優(yōu)良機械性能的三維微連軸齒輪零件。

[1]Kussul E,Baidyk T,Ruiz-Huerta L,et al.Development of Micromachine Tool Prototypes for Microfactories[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2002,12(6):795-812.

[2]楊建軍.飛秒激光超精細“冷”加工技術及應用(Ⅰ)[J].激光與光電子學進展, 2004, 41(3):42-57.

Yang Jianjun.Femtosecond Laser “Cold” Micro-machining and Its Advanced Applications[J].Laser & Optoelectronics Progress, 2004, 41(3): 42-57.

[3]Becker E W, Ehrfeld W, Hagmann P, et al.Fabrication of Microstructures with High Aspect Ratios and Great Structural Heights by Synchrotron Radiation Lithography, Galvanoforming, and Plastic Moulding (LIGA Process)[J]. Microelectronic Engineering,1986,4(1):35-56.

[4]Ehrfeld W,Lehr H,Michel F,et al.Microelectro Discharge Machining as a Technology in Micromachining[C]//Micromachining and Microfabrication 96.International Society for Optics and Photonics.Austin,1996: 332-337.

[5]Ramesham R.Fabrication of Diamond Microstructures for Microelectromechanical Systems (MEMS) by a Surface Micromachining Process[J]. Thin Solid Films, 1999, 340(1):1-6.

[6]Biswas K, Kal S. Etch Characteristics of KOH, TMAH and Dual Doped TMAH for Bulk Micromachining of Silicon[J].Microelectronics Journal, 2006, 37(6): 519-525.

[7]Heckele M, Schomburg W.Review on Micro Molding of Thermoplastic Polymers[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2004,14(3):1-14.

[8]Baumeister G, Ruprecht R, Hausselt J.Microcasting of Parts Made of Metal Alloys[J].Microsystem Technologies, 2004, 10(3): 261-264.

[9]Sharma P,Kaushik N,Kimura H,et al.Nano-fabrication with Metallic Glass—an Exotic Material for Nano-electromechanical Systems[J].Nanotechnology,2007,18(3):035302.

[10]Schroers J,Paton N.Amrophous Metalalloys[J].Advanced Materials & Processes,2006:61.

[11]Schroers J.Processing of Bulk Metallic Glass[J].Advanced Materials,2010,22(14):1566-1597.

[12]王棟,廖廣蘭,潘杰，等.基于硅模具的Zr基非晶合金微成形工藝研究[J].中國機械工程,2010,21(2):222-225.

Wang Dong,Liao Guanglan,Pan Jie,et al.Study on Micro-forming Process of Zr-based Bulk Metallic Glass with Silicon Mold[J].China Mechanical Engineering,2010,21(2):222-225.

[13]Oliver W C,Pharr G M.An Improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments[J].Journal of Materials Research,1992,7(6):1564-1583.

[14]Ding S,Kong J,Schroers J.Wetting of Bulk Metallic Glass Forming Liquids on Metals and Ceramics[J].Journal of Applied Physics,2011,110(4):043508.

[15]任明星,李邦盛,楊闖,等.納米壓痕法測定微鑄件硬度及彈性模量[J].中國有色金屬學報,2008,18(2):231-236.

Ren Mingxing，Li Bangsheng，Yang Chuang，et al.Hardness and Elastic Modulus of Microcastings by Nanoindentation[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(2):231-236.

(編輯陳勇)

Suction Casting of Zr-based Bulk Metallic Glass Micro-parts with Silicon Die

Zhu ZhijingYi ChuanyunShi TielinWen ChiLiao Guanglan

Digital Manufacturing Equipment and Technology Key National Laboratory，Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074

Using the silicon die,a suction casting process for fabricating Zr-based bulk metallic glass(BMG) micro-part was developed.The suction casting experiments were carried out with a vacuum arc melting furnace,and the temperatures of the molten alloy were measured by an infrared camera.It is found that under 1116 ℃ the molten alloy can completely duplicate the square silicon micro-grooves of 3 μmin width and 3 μm depth with a good surface.Then silicon dies with multi-cavity and double-layer cavity were used in suction casting experiments,and BMG micro-gears of 50 μm in modulus were fabricated successfully.The hardness and elastic modulus of the micro-parts are 6.49 GPa and 94.9 GPa.The results show that suction casting of Zr-based BMG with silicon die is a promising method for fabricating micro-parts with high precision,good surface and excellent mechanical property.

bulk metallic glass;suction casting;silicon die;micro-part

2015-01-26

國家自然科學基金資助項目(51175210,51175211)

TG249.5;TH142.2DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.20.018

朱志靖,男,1986年生。華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室博士研究生。研究方向為Zr基非晶合金微成形工藝。易傳云,男,1959年生。華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室教授、博士研究生導師。史鐵林,男,1964年生。華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室教授、博士研究生導師。文馳,男,1990年生。華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室碩士研究生。廖廣蘭,男,1974年生。華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室教授、博士研究生導師。