一种超声振动辅助扫描射流电沉积方法及装置

技术领域

本发明涉及电化学加工技术领域，尤其涉及一种超声振动辅助扫描射流电沉积方法及装置。

背景技术

电化学沉积简称电沉积，是金属阳离子在电场作用下，在阴极表面还原成金属原子，并随着时间的累积形成具有一定厚度及性能的金属涂层。电沉积技术具有工艺技术简单、经济成本低且加工稳定的优势，因此电沉积在金属表面镀层合成领域有着重要的应用。

射流电沉积是一种近年来新出现的一种选择性的电沉积技术，其具有沉积速度快、沉积精度高等优点，可解决电沉积效率低、涂层表面质量差等问题，并在快速高效制备高性能镀层上得到了广泛的应用。除此之外，射流电沉积可用于大型零件表面局部修复等方面，可用于零件表面的磨损损伤或腐蚀损伤。

超声电沉积，是指在电沉积过程中添加超声的辅助工艺，相较于普通电沉积，超声电沉积具有沉积效率高等优点，其制备的镀层表面质量更佳，具有更好的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，与基体材料的结合性能也更佳。

复合共沉积是指在电沉积过程中，在镀液中添加陶瓷、稀土等不溶性增强相粒子，这些增强项粒子在金属离子的包裹下，沉积在基体表面，形成金属基复合镀层，与金属镀层相比，复合镀层一般具有更高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。

目前，射流电沉积技术在追求更高性能和更大厚度的沉积层时，存在沉积层厚度不均匀，镀层表面微凸起、结瘤、气孔等缺陷，且高电流密度下存在尖端放电的问题；增强相粒子由于极高的表面能，极易团聚，团聚的增强相粒子生长在镀层的表面会严重影响镀层的表面质量以及性能。这些缺陷严重影响超声电沉积技术在航空航天、海洋工程、汽车电子等领域的应用。因此有必要探索一种新的射流电沉积技术，来提高射流电沉积技术制备镀层的质量和性能以及技术工艺的稳定性，满足工业化需求。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种超声振动辅助扫描射流电沉积方法及装置。

本发明提出的一种超声振动辅助扫描射流电沉积方法，包括如下步骤：

S1：对基底进行预处理；

S2：对预处理的基底放置在工作台上，然后对基底的第一面进行扫描射流电沉积，在此过程中对基底进行振动；

S3：将电沉积后的基底进行清洗、干燥，在一些实施例中优选的为超声清洗，超声清洗后再干燥。

本方法在沉积过程中，高频振动传导到基底上面的边界液面层，产生空化效应，金属离子和增强相粒子会均匀沉积在基底表面，进而对沉积层的致密性和结合性能有改善效果；本领域技术人员应该理解上述所指的“基底上面的边界液面层”是指喷嘴喷射到基底上表面的电解液层，该电解液层的电解液是不断更换但一直存在的。

优选的，步骤S1中对基底的预处理步骤包括：对基底先后进行打磨、酸洗、碱洗、表面活化。

优选的，步骤S2中通过超声换能器使基底产生高频振动。

优选的，所述超声换能器的振动通过工作台传递至基底表面。

优选的，步骤S2中对基底的扫描射流电沉积过程中电解液的流速为0.5-5m/s。

一种超声振动辅助扫描射流电沉积装置，包括脉冲电源、阳极、阳极腔体、喷嘴、工作台、电解液槽、蠕动泵、进液管路12、绝缘固定件、超声换能器和超声发生器，其中：

基底通过所述绝缘固定件固定在所述工作台上；

所述阳极腔体位于所述工作台的上方，且所述喷嘴安装在所述阳极腔体上并与基底相对并将阳极腔体中的电解液导流至基底上，所述阳极固定在所述阳极腔体上并具有延伸至所述阳极腔体内的部分，所述阳极通过导线与所述脉冲电源的一个连接端电连，所述脉冲电源的另一个连接端通过导线与基底电接；

所述电解液槽中设有电解液，所述蠕动泵通过进液管路12将所述电解液槽中的电解液泵压至所述阳极腔体中；优选的，电解液的温度控制在20-80℃，以满足镍基涂层电化学沉积的温度范围，电流密度0-160A/dm2，喷嘴喷射电解液的流速为0.5-5m/s；

所述超声换能器安装在所述工作台的底部，所述超声换能器与所述超声发生器连接，超声功率为0-500W，超声频率为20-40kHz。

优选的，还包括移动机构，所述移动机构带动所述阳极腔体相对基底移动，该移动机构可以为三坐标移动平台，三坐标移动平台通过计算机控制机实现运动控制，带动阳极腔体实现X、Y、Z自由度的运动，带动喷嘴和液束流进行三自由度运动。

优选的，所述工作台包括支撑板和安装在所述支撑板下方的绝缘支撑杆，所述绝缘支撑杆延伸至所述电解液槽内。

优选的，还包括保护壳，所述保护壳罩设在所述超声换能器的外部。

优选的，与所述基底连接的导线通过绝缘固定件在所述基底上。

本发明中，所提出的超声振动辅助扫描射流电沉积方法，是将超声的高频振动作用于工件基底的底部，从而传递到工件基底表面上方的液流层，超声空化效应可以加速基底表面的液流层离子的传输效率，从而加速沉积效率；另一方面，超声的高频振动可以将沉积过程中阴极表面产生的气泡剪切驱散，抑制阴极表面气泡的产生，减少沉积层的脆氢缺陷；进一步的，超声的搅拌作用可以改善金属离子和增强相粒子的分散性，使得金属离子和增强相离子均分的分散在沉积层中，从而可以改善沉积层与基底的结合性能。

本发明电化学沉积装置，可以对电沉积的参数如电流密度、沉积电压、电解液流速、扫描速度、加工间隙、沉积温度、超声频率和超声功率进行调整，可以有效缩短实验周期且成本低廉。

进一步的，本发明电化学沉积装置可以通过在管路上设置调节玻璃转子流量计，调节电解液的流速和流量；通过设定脉冲电源的输出模式为恒电流或恒电压，并设置相应的电压值或电流值，可调节加工电压或电流密度。

本发明的电化学沉积装置可以超声发生器直接调节超声振动的频率和功率。

进一步的，本发明的电化学沉积装置可以通过计算机控制器和三坐标移动平台，阳极腔体的扫描速度和加工间隙进行自适应调节，并且可以根据简单的形状进行移动控制沉积方向。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为对比例射流电沉积制备沉积层的扫描电镜图；

图3为本发明实施例超声振动辅助扫描射流电沉积沉积层的扫描电镜图；

图4为对比例射流电沉积制备沉积层的划痕试验数据图；

图5是本发明实施例超声振动辅助扫描射流电沉积制备沉积层的划痕试验数据图；

图6为本发明实施例中喷嘴结构示意图；

图中：1、脉冲电源；2、超声发生器；3、三坐标移动平台；4、计算机控制器；5、导线；6、阳极；7、阳极腔体；8、玻璃转子流量计；9、蠕动泵；10、喷嘴；11、尼龙螺栓；12、进液管路；13、基底；14、工作台；15、超声换能器；16、电解液槽；18、保护壳；19、温度控制器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解对本发明的限制。

如图1所示的一种超声振动辅助扫描射流电沉积装置，包括脉冲电源1、阳极6、阳极腔体7、喷嘴10、工作台14、电解液槽16、蠕动泵9、进液管路12、绝缘固定件、超声换能器15和超声发生器2，其中：

基底13通过绝缘固定件固定在工作台14上，优选的，工作台14包括不锈钢制成的支撑板，支撑板的表面刷有防腐蚀漆，防止电解液对工作台14的腐蚀，工作台14该绝缘固定件为尼龙螺栓11，转动尼龙螺栓11将尼龙螺栓11通过螺纹方式与工作台14固定，尼龙螺栓11的螺帽的下端面与基底13接触将基底13固定在工作台14上；

阳极腔体7位于工作台14的上方，且所述喷嘴10安装在所述阳极腔体7上并与基底13相对并将阳极腔体7中的电解液导流至基底13上，阳极6固定在阳极腔体7上并具有延伸至阳极腔体7内的部分，阳极6为镍棒，阳极6通过导线5与脉冲电源1的一个连接端电连，脉冲电源1的另一个连接端通过导线5与基底13电连接，具体的，与基底13的上表面与导线5接触，且导线5与基底13接触位置通过尼龙螺栓11的螺帽下端面抵触，避免在振动过程中导线5与基底13脱离；

喷嘴10可拆卸安装在阳极腔体7上，根据实际需要更换喷嘴10的出液口的结构，该喷嘴10为3D打印制成，可选的，该喷嘴10的结构可以如图6所示，该喷嘴10的出液口可以是一个长方形的口(如图6a所示)，也可以是多个与阳极腔体7连通的多个圆形或矩形且呈一行分布的孔(如图6b和6c所示)，通过更换喷嘴10，进而实现所需沉积的简单结构的形状；

所述电解液槽16中设有电解液，所述蠕动泵9通过进液管路12将所述电解液槽16中的电解液泵压至所述阳极腔体7中，优选的，为了便于控制喷嘴10喷出电解液的流速，该进液管路12上设有玻璃转子流量计8；

所述超声换能器15安装在所述工作台14的底部，所述超声换能器15与所述超声发生器2连接；

优选的，工作台14还包括安装在所述支撑板下方的绝缘支撑杆，该绝缘支撑杆可以为防腐蚀的尼龙材料制成，所述绝缘支撑杆延伸至所述电解液槽16的底部，在超声换能器15振动过程中也会通过绝缘支撑杆发生一定的振动使电解液槽16中的电解液流动，增大电解液混合的均匀性。

优选的，还包括移动机构，所述移动机构带动所述阳极腔体7相对基底13移动，该移动机构可以为三坐标移动平台3，三坐标移动平台3通过计算机控制机实现运动控制，带动阳极腔体7实现X、Y、Z自由度的运动，带动喷嘴10和液束流进行三自由度运动。

优选的，还包括保护壳18，所述保护壳18罩设在所述超声换能器15的外部，保护壳18为3D打印制成(当然也可以为现有的注塑等方式制成)，用于保护超声换能器15，可以方式电解液的热蒸汽中的金属离子对换能器的腐蚀破坏。

优选的，电解液槽16中还设有温度控制器19用于控制电解液槽16中电解液的温度，与现有技术相同，该温度控制器19包括控制器和加热件以及检测电解液温度的温度传感器，温度传感器和电加热件均与控制器连接，温度传感器降检测的温度传输给控制器，控制器根据温度传感器检测的温度控制电加热件工作，进而保证电解液在一定温度范围内。

一种超声振动辅助扫描射流电沉积方法一种超声振动辅助扫描射流电沉积方法，包括如下步骤：

S1：对基底13进行预处理，选用45号钢作为基底13，对45号钢表面进行打磨、酸洗、碱洗，最后用盐酸进行表面活化；

本实施例使用TiN(平均粒径为1μm)和CeO2(平均粒径为20nm)作为增强相离子，电解液的配方为：260g/L NiSO4·6H2O，40g/L NiCl2·6H2O，35g/L CoSO4·7H2O，40g/LH3BO4，4g/L C7H5O3NS。

分别取4g/L的TiN和CeO2粉末，分散在50ml的去离子水中，超声处理60min。

将得到的TiN和CeO2的混合溶液加入到电解液中，并超声振荡处理60min。

将上述得到的复合电解液加入到电解液槽16中，通过温度控制器19将电解液温度控制在50℃，通过玻璃转子流量计8调节流量为150L/h输送电解液，超声换能器15的振动功率为50W，频率为40kHz，电流密度控制在80A/dm2，喷嘴10扫描宽度为20mm，扫描速度为6mm/s，沉积时间为30min。

S2：对预处理的基底13放置在工作台14上，转动绝缘固定件将基底13固定在工作台14上，然后对基底13的第一面进行扫描射流电沉积，具体为启动开关，开始沉积，脉冲电源1给阴阳极6供电，蠕动泵9将电解液输送到阳极腔体7内部，超声发生器2给超声换能器15供电，计算机控制器4控制三坐标移动平台3开始X轴的扫描运动。；

S3：将电沉积后的基底13进行清洗、干燥，在一些实施例中优选的为超声清洗，超声清洗后再干燥。

本方法在沉积过程中，高频振动传导到基底13上面的边界液面层，产生空化效应，金属离子和增强相粒子会均匀沉积在基底13表面，进而对沉积层的致密性和结合性能有改善效果。

设置与上述实施例的对比例，该对比例没有提供超声振动的Ni-Co-TiN/CeO2沉积层，其扫描电镜图如图2所示。

本对比例和本发明的实施例区别在于：沉积过程中，基底13的底部未提供超声振动，其余地方与实施例相同，此处不再赘述。

对上述得到的两组沉积层开展结合力测试试验。

采用兰州中科凯华的划痕仪对上述的涂层进行测试，实施例的测试结果如图5所示，结合力为38.2N，对比例的测试结果如图4所示，结合力为28.5N，其结合性能远小于实施例。

实施例的沉积层表面致密性和平坦度远远优于对比例。

要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。