Electrochemical micromachining of high-strength metallic glasses
Synthesis and Properties of Functional Materials
Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
Final Report Abstract
Massive metallische Gläser zeichnen sich durch außergewöhnliche mechanische Eigenschaften wie hohe Härten und Festigkeiten aus. Einige Fe-basierte Gläser verbinden diese Vorzüge mit herausragenden weichmagnetischen Eigenschaften. Dies macht sie zu vielversprechenden neuen Materialien für stark beanspruchte Komponenten mikromechanischer Baugruppen wie Mikrogetriebe und mikroelektromechanische Systeme oder für Miniaturtransformatoren. Für eine mikroskalige Formgebung wird ein Verfahren benötigt, welches die Bearbeitung dieser hochfesten Werkstoffe mit hoher Präzision gewährleistet, ohne die amorphe Struktur zu zerstören. Ein mögliches Verfahren dafür ist die elektrochemische Mikrobearbeitung (electrochemical micromachining ECMM). Diese Methode ist für ein breites Spektrum metallischer Werkstoffe bei Raumtemperatur einsetzbar. Ziel des Projektes war es, dass ECMM-Verfahren für hochfeste metallische Gläser auf Zr- und Fe-Basis zu entwickeln und das Potenzial der Methode für die Mikrostrukturierung/-formung dieser neuen Materialien zu evaluieren. Eine Besonderheit stellt das elektrochemisch passive Verhalten der metallischen Gläser da. Die Bearbeitung erfolgt also im Gegensatz zu kristallinen Werkstoffen nicht während der aktiven, sondern während der transpassiven Auflösung. Insgesamt konnte ein fundamentales Verständnis über die ablaufenden Prozesse erarbeitet werden, was auch die Herleitung geeigneter Bearbeitungsparameter vereinfachte. Im Rahmen des Projekts wurde ein PC-gestützter Laborversuchsstand entwickelt, aufgebaut und angepasst, der für die elektrochemische Mikrobearbeitung von Metalloberflächen mittels Mikrowerkzeugelektroden und Aufprägen von ultrakurzen Spannungspulsen geeignet war. Erste Untersuchungen an Zr-basierten metallischen Gläsern wiesen Grenzen in der Anwendung der ECMM-Methode auf, deren Ursache vor allem in der sehr hohen Passivierungsneigung dieses metallischen Glastyps liegt, die den lokalen transpasssiven Auflösungsprozess behinderten. Für eine exemplarische Fe-basierte metallische Glaslegierung konnte die elektrochemische Mikrobearbeitung erfolgreich demonstriert werden. Im Rahmen des Projektes wurden mikroskalige Lochmodellstrukturen mit hohem Aspektverhältnis und laterale Linienstrukturen mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit erzeugt und charakterisiert. Von maßgeblicher Bedeutung war die Identifizierung eines geeigneten Bearbeitungselektrolyten basierend auf einem fundamentalen Verständnis der ablaufenden Elektrodenprozesse an der Arbeitselektrode, dem metallischen Glas, und an der Mikrowerkzeugelektrode. In einem ersten Ansatz konnten in methanolbasierter Schwefelsäure Mikromodellstrukturen mit hoher Präzision und Regularität in Abhängigkeit von variierenden Spannungspulsparametern erzeugt werden. Im wasserarmen Elektrolyt kann die störende Oberflächenpassivierung weitestgehend unterdrückt werden. Alternativ wurde ein technologisch relevanterer Elektrolyt, wässrige Schwefelsäurelösung mit Eisensulphatzusatz, erfolgreich getestet und es konnten auch komplexere Mikrostrukturen mit hoher Güte erzeugt werden. Oberflächenanalytische Untersuchungen wiesen sehr glatte und homogene Bearbeitungsbereiche nach, die auf eine homogene kontrollierte Auflösung der amorphen Phase hindeuteten. Eine ausreichende anodische Vorpolarisation der metallischen Glasoberfläche kann ECMM-Prozess wirksam unterstützen. Die gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse zu Mikrobearbeitung metallischer Glasoberflächen stellen eine aussichtsreiche Basis für fortführende Studien zur Erzeugung funktionaler mikroskaliger Strukturen dar.
Publications
- Electrochemical micromachining of a Zr-based bulk metallic glass using a microtool electrode technique, Intermetallics 19 (2011) 437-444
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R. Sueptitz, P. Dunne, K. Tschulik, M. Uhlemann, J. Eckert, A. Gebert
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R. Sueptitz, S. Horn, M. Stoica, M. Uhlemann, A. Gebert
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.12.023)
