一種基于超臨界流體3d電沉積加工裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電化學(xué)沉積加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超臨界流體3D (三維)電沉積加工零件的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超臨界環(huán)境下電沉積技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研宄的一個(gè)熱點(diǎn)。超臨界流體(Supercritical Fluid)是指純凈物質(zhì)處于臨界點(diǎn)(臨界壓力和臨界溫度)以上時(shí)，所表現(xiàn)出來的一種介于液態(tài)和氣態(tài)的流體。在臨界點(diǎn)附近，超臨界流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數(shù)等所有流體的物性發(fā)生急劇變化的現(xiàn)象。0)2氣體具有環(huán)保、不燃、無毒、惰性、儲(chǔ)備豐富且臨界壓力(7.39MPa)和溫度(31.1°C )不太高等優(yōu)點(diǎn)，因此超臨界0)2流體被廣泛運(yùn)用。由于超臨界0)2具有較低的粘度(0.03-0.1 MPa.s)和較高的擴(kuò)散系數(shù)(10 _4 cm2.s—1)，在電沉積體系中能為傳質(zhì)提供良好的條件。目前超臨界流體環(huán)境下制備金屬基納米復(fù)合材料與微細(xì)零件的工藝方法和裝置已有所見。如授權(quán)公告號(hào)為CN 101092716B的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種超臨界流體細(xì)微電鍍成型工藝及其裝置，其以SCF-CO2為電鍍環(huán)境進(jìn)行微結(jié)構(gòu)零件的成型，通過該方法所得的金屬電鍍層表面沉積均勻、無積瘤，且鑄層組織細(xì)密平整，但所得鑄層零件為預(yù)先光刻(內(nèi)模)形狀的零件，無法柔性制備不同類型的3D零部件；又如公布號(hào)為CN 102146573A的中國(guó)專利文獻(xiàn)提出了一種超臨界流體電鑄成型制備納米復(fù)合材料的方法，其主要是在機(jī)械攪拌輔助條件下電沉積制備金屬基納米復(fù)合材料，電場(chǎng)分布是固定的，從其參數(shù)設(shè)置和陰陽極設(shè)置來看，不能有效地進(jìn)行對(duì)零部件在三維空間通過電沉積進(jìn)行加工制備。因而，將當(dāng)前十分熱門的3D打印技術(shù)中三維成型和運(yùn)動(dòng)原理運(yùn)用到超臨界電沉積加工藝中，設(shè)計(jì)一種可在三維空間內(nèi)對(duì)零部件進(jìn)行電沉積加工制備的裝置和加工方法，顯得十分必要。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能有效提高電沉積速度、改善沉積質(zhì)量、在三維空間通過電沉積制備復(fù)雜、精密金屬零部件，并能拓寬電沉積技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置。
[0004]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:本實(shí)用新型的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置，包括二氧化碳?xì)馄?、高壓泵、?shù)控控制器、反應(yīng)器、直流電源和作為被加工零部件的陰極基體；上述的反應(yīng)器包括本體和機(jī)械攪拌器；本體上設(shè)有進(jìn)氣口、排液口和加熱線圈；上述的二氧化碳?xì)馄亢透邏罕糜糜谑褂脮r(shí)向反應(yīng)器提供二氧化碳?xì)怏w；其特征在于:還包括移動(dòng)陽極組件和移動(dòng)陰極組件；
[0005]上述的移動(dòng)陽極組件包括Z向直線電機(jī)、驅(qū)動(dòng)絲杠、陽極連接桿和移動(dòng)陽極(I向直線電機(jī)固定安裝在反應(yīng)器的本體的上部；驅(qū)動(dòng)絲杠與Z向直線電機(jī)傳動(dòng)連接；陽極連接桿與驅(qū)動(dòng)絲杠固定連接；驅(qū)動(dòng)絲杠內(nèi)置有與之絕緣的彈性導(dǎo)電線圈；移動(dòng)陽極與陽極連接桿固定連接；移動(dòng)陽極通過陽極連接桿和驅(qū)動(dòng)絲杠內(nèi)置的彈性導(dǎo)電線圈外接直流電源的正極；移動(dòng)陽極組件的移動(dòng)陽極由Z向直線電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)絲杠和陽極連接桿的傳動(dòng)，可在反應(yīng)器的本體內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；
[0006]上述的移動(dòng)陰極組件包括X向直線電機(jī)、X向?qū)к墶向移動(dòng)塊、Y向直線電機(jī)、Y向?qū)к墶向移動(dòng)塊和夾具；x向直線電機(jī)固定安裝在反應(yīng)器的本體上；x向?qū)к壏智昂笤O(shè)有2根；X向?qū)к壒潭ò惭b在反應(yīng)器的本體內(nèi)的下端面上；X向移動(dòng)塊安裝在X向?qū)к壣锨以赬向直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可依托X向?qū)к壸笥蚁蛑本€滑動(dòng)；
[0007]Y向直線電機(jī)固定安裝在X向移動(dòng)塊的上端面上；Y向?qū)к壏肿笥以O(shè)有2根；Y向?qū)к壒潭ò惭b在X向移動(dòng)塊的上端面上且Y向?qū)к壟cX向?qū)к壌怪痹O(shè)置；Υ向移動(dòng)塊66的上端面上涂覆有絕緣工程塑料；Υ向移動(dòng)塊安裝在Y向?qū)к壣锨以赮向直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可依托Y向?qū)к壡昂笙蛑本€滑動(dòng)；
[0008]夾具的材質(zhì)為耐酸、耐高壓和高硬度的絕緣工程塑料；夾具設(shè)置在Y向移動(dòng)塊的上端面上，用于使用時(shí)夾持陰極基體；使用時(shí)，陰極基體與直流電源的負(fù)極電連接。
[0009]移動(dòng)陰極組件的X向直線電機(jī)和Y向直線電機(jī)以及移動(dòng)陽極組件的Z向直線電機(jī)的運(yùn)行均由數(shù)控控制器控制。
[0010]進(jìn)一步的方案是:上述的驅(qū)動(dòng)絲杠的材質(zhì)為不銹鋼，內(nèi)部中空；陽極連接桿為內(nèi)置銅制框架且外履絕緣、耐酸、耐高壓的工程塑料的桿體件；上述的驅(qū)動(dòng)絲杠與陽極連接桿的連接處以及陽極連接桿與移動(dòng)陽極的連接處均用高壓密封圈進(jìn)行密封。
[0011]進(jìn)一步的方案是:上述的移動(dòng)陽極包括基體和電極；基體的材質(zhì)為玻璃，基體由上圓柱體部和下圓柱體部一體組成，基體的上圓柱體部的直徑小于下圓柱體部的直徑，基體的上圓柱體部與陽極連接桿固定連接；電極設(shè)置在基體內(nèi)且位于基體的軸心線上。
[0012]進(jìn)一步的方案是:上述的基體的下圓柱體部的直徑為5mm ;基體的下圓柱體部的下端設(shè)有傾斜角度控制在60°的向上的斜面內(nèi)凹缺口或設(shè)有底部?jī)?nèi)凹的圓周面距基體的下圓柱體部的外周面Imm的弧形內(nèi)凹缺口 ；上述的電極為直徑l_2mm的不溶性的Pt絲。
[0013]進(jìn)一步的方案還有:上述的X向移動(dòng)塊和Y向移動(dòng)塊均為不銹鋼材質(zhì)的中空的方形體件；且Y向移動(dòng)塊的尺寸小于X向移動(dòng)塊的尺寸。
[0014]上述的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置用于加工零部件的方法，包括以下步驟:
[0015]①陰極基體預(yù)先化學(xué)鍍處理:在作為被加工零部件的陰極基體的表面鍍上一層易于進(jìn)行電沉積的金屬；
[0016]②安裝陰極基體:將陰極基體通過移動(dòng)陰極組件的夾具固定在Y向移動(dòng)塊的上端面上；調(diào)節(jié)移動(dòng)陽極的上下向位置，使其不與移動(dòng)陰極組件相干涉；
[0017]③制備超臨界流體:在反應(yīng)器中加入配置好的含表面添加劑的二元體系電鍍液或者復(fù)合電鍍液；密閉后，向反應(yīng)器中通入二氧化碳?xì)怏w，控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度在35?70°C、壓力在8?20MPa的范圍內(nèi)，形成以超臨界二氧化碳乳化液為載體的三元電沉積體系；
[0018]④電沉積加工:接通電源，設(shè)定電沉積參數(shù)和移動(dòng)陽極相對(duì)陰極基體的位置；在數(shù)控控制器的控制以及機(jī)械攪拌器的攪拌輔助下進(jìn)行電沉積以在陰極基體的外表面得到所需的電沉積層；
[0019]⑤電沉積加工完畢后處理:電沉積加工完畢后，通過后處理，即得到所需性能和形狀的零部件。
[0020]進(jìn)一步的方案是:上述的步驟①中，陰極基體的表面鍍上約10 μ m厚的均勻銅層；上述的步驟③中，含表面添加劑的二元體系電鍍液為鎳鹽溶液或銅鹽溶液；表面添加劑為由十二烷基類化合物和醚類化合物組成的添加劑；上述的鎳鹽或銅鹽溶液的濃度為300?500g/L ;表面添加劑的濃度為0.1?2g/L ;表面添加劑為濃度30g/L?60g/L的作為電沉積緩釋劑的硼酸，電鍍液PH控制在2-6。
[0021]進(jìn)一步的方案是:上述的步驟④中，數(shù)控控制器控制移動(dòng)陽極和移動(dòng)陰極組件按設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)陽極相對(duì)于作為陰極主體的陰極基體的上下移動(dòng)最大單向行程為5cm;電沉積加工過程由多個(gè)加工區(qū)間串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)加工區(qū)間分為沉積區(qū)間和抬刀區(qū)間；電沉積時(shí)間為2?5小時(shí)，每個(gè)沉積區(qū)間時(shí)長(zhǎng)控制為30min，抬刀區(qū)間時(shí)長(zhǎng)控制為2min ;抬刀區(qū)間內(nèi)，移動(dòng)陰極組件靜止。
[0022]進(jìn)一步的方案是:上述的電沉積區(qū)間時(shí)，移動(dòng)陽極的底部與陰極基體的間距控制為 Icm0
[0023]進(jìn)一步的方案還有:上述的步驟④中，機(jī)械攪拌器左右向水平間歇攪拌；機(jī)械攪拌器的攪拌速率為200?500rpm ;直流電源輸出的電流密度為I?13 A/dm2，優(yōu)選電流密度為 7A/dm2。
[0024]本實(shí)用新型具有積極的效果:(I)本實(shí)用新型的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置，其在使用時(shí)，能有效提高電沉積速度、改善沉積質(zhì)量、在三維空間通過電沉積制備復(fù)雜、精密金屬零部件，并能拓寬電沉積技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。(2)本實(shí)用新型的超臨界電沉積體系中，金屬離子的傳質(zhì)性比普通電沉積體系中大幾十倍甚至上百倍。這種極高的傳質(zhì)速率可以迅速補(bǔ)充陰極