技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(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及方法。

背景技術(shù)：

超臨界環(huán)境下電沉積技術(shù)是當前國內(nèi)外研究的一個熱點。超臨界流體（Supercritical Fluid）是指純凈物質(zhì)處于臨界點（臨界壓力和臨界溫度）以上時，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。CO₂氣體具有環(huán)保、 不燃、無毒、惰性、儲備豐富且臨界壓力（7.39MPa）和溫度(31.1℃)不太高等優(yōu)點，因此超臨界CO₂流體被廣泛運用。由于超臨界CO₂具有較低的粘度（0.03-0.1 MPa·s）和較高的擴散系數(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)合材料與微細零件的工藝方法和裝置已有所見。如授權(quán)公告號為CN 101092716B的中國專利文獻公開了一種超臨界流體細微電鍍成型工藝及其裝置，其以SCF-CO₂為電鍍環(huán)境進行微結(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；又如公布號為CN 102146573A的中國專利文獻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，不能有效地進行對零部件在三維空間通過電沉積進行加工制備。因而，將當前十分熱門的3D打印技術(shù)中三維成型和運動原理運用到超臨界電沉積加工藝中，設(shè)計一種可在三維空間內(nèi)對零部件進行電沉積加工制備的裝置和加工方法，顯得十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：針對現(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電沉積加工裝置及采用該裝置加工零部件的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：本發(fā)明的基于超臨界流體3D電沉積加工零部件的方法，由基于超臨界流體3D電沉積加工裝置實施，該裝置包括二氧化碳氣瓶、高壓泵、數(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)器包括本體和機械攪拌器；本體上設(shè)有進氣口、排液口和加熱線圈；上述的二氧化碳氣瓶和高壓泵用于使用時向反應(yīng)器提供二氧化碳氣體；其特征在于：還包括移動陽極組件和移動陰極組件；

上述的移動陽極組件包括Z向直線電機、驅(qū)動絲杠、陽極連接桿和移動陽極；Z向直線電機固定安裝在反應(yīng)器的本體的上部；驅(qū)動絲杠與Z向直線電機傳動連接；陽極連接桿與驅(qū)動絲杠固定連接；驅(qū)動絲杠內(nèi)置有與之絕緣的彈性導(dǎo)電線圈；移動陽極陽極連接桿固定連接；移動陽極通過陽極連接桿和驅(qū)動絲杠內(nèi)置的彈性導(dǎo)電線圈外接直流電源的正極；移動陽極組件的移動陽極由Z向直線電機通過驅(qū)動絲杠和陽極連接桿的傳動，可在反應(yīng)器的本體內(nèi)上下往復(fù)運動；

上述的移動陰極組件包括X向直線電機、X向?qū)к?、X向移動塊、Y向直線電機、Y向?qū)к?、Y向移動塊和夾具；X向直線電機固定安裝在反應(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向移動塊安裝在X向?qū)к壣锨以赬向直線電機的驅(qū)動下可依托X向?qū)к壸笥蚁蛑本€滑動；

Y向直線電機固定安裝在X向移動塊的上端面上；Y向?qū)к壏肿笥以O(shè)有2根；Y向?qū)к壒潭ò惭b在X向移動塊的上端面上且Y向?qū)к壟cX向?qū)к壌怪痹O(shè)置；Y向移動塊66的上端面上涂覆有絕緣工程塑料；Y向移動塊安裝在Y向?qū)к壣锨以赮向直線電機的驅(qū)動下可依托Y向?qū)к壡昂笙蛑本€滑動；

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向移動塊的上端面上，用于使用時夾持陰極基體；使用時，陰極基體與直流電源的負極電連接。

移動陰極組件的X向直線電機和Y向直線電機以及移動陽極組件的Z向直線電機的運行均由數(shù)控控制器控制；

上述的驅(qū)動絲杠的材質(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)動絲杠與陽極連接桿的連接處以及陽極連接桿與移動陽極的連接處均用高壓密封圈進行密封；

上述的移動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。

采用上述的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置加工零部件的方法，包括以下步驟：

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行電沉積的金屬；

②安裝陰極基體：將陰極基體通過移動陰極組件的夾具固定在Y向移動塊的上端面上；調(diào)節(jié)移動陽極的上下向位置，使其不與移動陰極組件相干涉；

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和電沉積緩釋劑的二元體系電鍍液；密閉后，向反應(yīng)器中通入二氧化碳氣體，控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度在35～70℃、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；

④電沉積加工：接通電源，設(shè)定電沉積參數(shù)和移動陽極相對陰極基體的位置；在數(shù)控控制器的控制以及機械攪拌器的攪拌輔助下進行電沉積以在陰極基體的外表面得到所需的電沉積層；數(shù)控控制器控制移動陽極和移動陰極組件按設(shè)定的軌跡運動；移動陽極相對于作為陰極主體的陰極基體的上下移動最大單向行程為5cm；電沉積加工過程由多個加工區(qū)間串聯(lián)構(gòu)成，每個加工區(qū)間分為沉積區(qū)間和抬刀區(qū)間；電沉積時間為2～5小時，每個沉積區(qū)間時長控制為30min，抬刀區(qū)間時長控制為2min；抬刀區(qū)間內(nèi)，移動陰極組件靜止；

電沉積區(qū)間時，移動陽極的底部與陰極基體的間距控制為1cm；

機械攪拌器左右向水平間歇攪拌；機械攪拌器的攪拌速率為200～500rpm；直流電源輸出的電流密度為1～13 A/dm²，優(yōu)選電流密度為7A/dm²；

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。

進一步的方案是：上述的步驟①中，陰極基體的表面鍍上約10μm厚的均勻銅層；上述的步驟③中，含表面添加劑和電沉積緩釋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；電沉積緩釋劑為濃度30g/L～60g/L的硼酸，電鍍液pH值控制在2～6。

進一步的方案是：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)有底部內(nèi)凹的圓周面距基體的下圓柱體部的外周面1mm的弧形內(nèi)凹缺口；上述的電極為直徑1-2mm的不溶性的Pt絲。

進一步的方案還有：上述的X向移動塊和Y向移動塊均為不銹鋼材質(zhì)的中空的方形體件；且Y向移動塊的尺寸小于X向移動塊的尺寸。

本發(fā)明具有積極的效果：（1）本發(fā)明所采用的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置，其在使用時，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）本發(fā)明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)速率可以迅速補充陰極表面的金屬離子，有效地降低了濃差極化，所以可以用高于普通電沉積的電流密度進行電沉積，從而克服了傳統(tǒng)電沉積方法存在的加工時間長的問題。同時超臨界流體具有極好的混溶性，可以有效吸收陰極表面產(chǎn)生的氫氣，避免沉積件表面和內(nèi)部出現(xiàn)缺陷。（3）本發(fā)明可在非平整的基體零件表面上進行不間斷地3D電沉積。（4）本發(fā)明可以根據(jù)所沉積零件形狀要求，通過數(shù)字化編程設(shè)定移動陽極和移動陰極組件的移動軌跡以及加工區(qū)間的時長，有效控制電沉積層的形位精度和沉積層質(zhì)量，不需要傳統(tǒng)電鑄復(fù)雜的陰極母模。（5）本發(fā)明的電沉積移動陽極的電極相當于一個點，在移動陽極的玻璃基體的約束下，不同位置時，對應(yīng)陰極基體表面區(qū)域的電場強度和電流密度都是近乎相等的，從而改善陰極基體表面的電場分布，提高電沉積層質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所采用的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的移動陰極組件的平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中的移動陽極的一種結(jié)構(gòu)示意圖，其為沿移動陽極的中軸線上下向的剖視圖；

圖4為圖1中的移動陽極的另一種結(jié)構(gòu)示意圖，其為沿移動陽極的中軸線上下向的剖視圖。

上述附圖中的附圖標記如下：

二氧化碳氣瓶1；

高壓泵2；

數(shù)控控制器3；

反應(yīng)器4，本體41，進氣口41-1，排液口41-2，加熱線圈41-3，機械攪拌器42；

移動陽極組件5， Z向直線電機51、驅(qū)動絲杠52，陽極連接桿53，移動陽極54，基體54-1，電極54-2，斜面內(nèi)凹缺口54-3，弧形內(nèi)凹缺口54-4；

移動陰極組件6，X向直線電機61，X向?qū)к?2，X向移動塊63，Y向直線電機64，Y向?qū)к?5，Y向移動塊66，夾具67；

陰極基體7；

直流電源8。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

（實施例1）

本實施例在進行方向描述時，以圖1左右方向為X向，以圖1所朝方向的背面為Y向，以圖1的上下向為Z向。

見圖1至圖4，本實施例的基于超臨界流體3D電沉積加工零部件的方法，由基于超臨界流體3D電沉積加工裝置實施，該裝置主要由二氧化碳氣瓶1、高壓泵2、數(shù)控控制器3、反應(yīng)器4、移動陽極組件5、移動陰極組件6、直流電源8和陰極基體7組成。

二氧化碳氣瓶1用于存儲制備超臨界流體用的CO₂氣體；高壓泵2用于需要時向反應(yīng)器4中抽壓CO₂氣體。

數(shù)控控制器3為現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)的控制控制器，數(shù)控器3用于電沉積加工時，控制移動陽極組件5和移動陰極組件6按照預(yù)先設(shè)定的軌跡進行運動。

反應(yīng)器4主要由本體41和機械攪拌器42組成。本體41上設(shè)有進氣口41-1、排液口41-2和加熱線圈41-3。進氣口41-1用于通過高壓泵2輸入CO₂氣體；排液口41-2用于將使用完畢后的超臨界流體電鑄溶液導(dǎo)入氣液分離器中，分離的二氧化碳氣體和電鑄溶液分別回收到回收裝置中循環(huán)利用；加熱線圈41-3用于控制反應(yīng)器4內(nèi)超臨界流體電鑄溶液的溫度。機械攪拌器42設(shè)置在本體41內(nèi)；機械攪拌器42采用水平向間歇攪拌方式工作，攪拌速率為200～500rpm，以改善電鑄過程中的均勻性和一致性。

移動陽極組件5主要由Z向直線電機51、驅(qū)動絲杠52，陽極連接桿53和移動陽極54組成。

Z向直線電機51固定安裝在反應(yīng)器4的本體41的上部；驅(qū)動絲杠52與Z向直線電機51傳動連接；陽極連接桿53與驅(qū)動絲杠52固定連接。驅(qū)動絲杠52的材質(zhì)為不銹鋼，內(nèi)部中空，驅(qū)動絲杠52內(nèi)置有與之絕緣的彈性導(dǎo)電線圈，用于將移動陽極54連接電源。陽極連接桿53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；驅(qū)動絲杠52內(nèi)置的彈性導(dǎo)電線圈的一端通過陽極連接桿53的內(nèi)置銅制框架與移動陽極54電連接；驅(qū)動絲杠52內(nèi)置的彈性導(dǎo)電線圈的另一端與直流電源8的正極電連接。所有連接處均用高壓密封圈進行密封。

參見圖3和圖4，移動陽極54由基體54-1和電極54-2組成。基體54-1的材質(zhì)為玻璃，基體54-1由上圓柱體部和下圓柱體部一體組成，基體54-1的上圓柱體部的直徑小于下圓柱體部的直徑，基體54-1的上圓柱體部與陽極連接桿53相連接；基體54-1的下圓柱體部的直徑為5mm左右；基體54-1的下圓柱體部有2種結(jié)構(gòu)，一種是在基體54-1的下圓柱體部的下端設(shè)有向上的斜面內(nèi)凹缺口54-3；傾斜角度控制在60°左右；另一種是設(shè)有弧形內(nèi)凹缺口54-4，底部內(nèi)凹的圓周距絕緣玻璃外邊界1mm左右。電極54-2為不溶性的Pt絲，直徑為1-2mm，電極54-2設(shè)置在基體54-1內(nèi)且位于基體54-1的軸心線上。設(shè)置斜面內(nèi)凹缺口54-3或弧形內(nèi)凹缺口54-4的目的在于有助于電場線的集中，在電沉積過程中可以很好的控制沉積區(qū)域，提高電流效率和鑄層質(zhì)量。

移動陽極組件5的移動陽極54由Z向直線電機51通過驅(qū)動絲杠52和陽極連接桿53的傳動，可在反應(yīng)器4的本體41內(nèi)上下往復(fù)運動。

仍見圖2，移動陰極組件6主要由X向直線電機61、X向?qū)к?2、X向移動塊63、Y向直線電機64、Y向?qū)к?5、Y向移動塊66和夾具67組成。

X向直線電機61固定安裝在反應(yīng)器4的本體41上；X向?qū)к?2分前后設(shè)有2根；X向?qū)к?2固定安裝在反應(yīng)器4的本體41內(nèi)的下端面上；X向移動塊63為不銹鋼材質(zhì)的中空的方形體件。X向移動塊63安裝在X向?qū)к?2上且在X向直線電機61的驅(qū)動下可依托X向?qū)к?2左右向直線滑動。

Y向直線電機64固定安裝在X向移動塊63的上端面上；Y向?qū)к?5分左右設(shè)有2根；Y向?qū)к?5固定安裝在X向移動塊63的上端面上且Y向?qū)к?5與X向?qū)к?2垂直設(shè)置；但不在同一平面內(nèi)。Y向移動塊66的尺寸小于X向移動塊63；Y向移動塊66為不銹鋼材質(zhì)的中空的方形體件；Y向移動塊66的上端面上涂覆有一層耐酸、耐高壓和高硬度的絕緣工程塑料。Y向移動塊66安裝在Y向?qū)к?5上且在Y向直線電機64的驅(qū)動下可依托Y向?qū)к?5前后向直線滑動。

夾具67的材質(zhì)為耐酸、耐高壓和高硬度的絕緣工程塑料。夾具67設(shè)置在Y向移動塊66的上端面上。夾具67用于使用時夾持作為被加工零件的陰極基體7。工作時，陰極基體7與直流電源8的負極電連接。

移動陰極組件6的所有間隙處均用高壓密封圈進行密封。

移動陰極組件6的X向直線電機61和Y向直線電機64以及移動陽極組件5的Z向直線電機51的運行均由數(shù)控控制器3進行控制。

本實施例的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置，其用于精密、復(fù)雜三維零部件加工的加工方法，以鎳基電鍍液和不銹鋼陰極基體7為例進行說明，其加工方法主要包括以下步驟：

①陰極基體7預(yù)先化學(xué)鍍處理：在陰極基體7的表面鍍上一層易于進行電沉積的金屬，該金屬可選擇純銅或純鎳，本實施例中，優(yōu)選采用在陰極基體7的表面鍍上約10μm厚的均勻銅層；

②安裝陰極基體：將陰極基體7通過移動陰極組件6的夾具67固定在Y向移動塊66的上端面上；調(diào)節(jié)移動陽極54的上下向位置，使其不與移動陰極組件6相干涉。

③制備超臨界流體：在反應(yīng)器4中加入鎳鹽溶液、硼酸以及添加劑，超聲環(huán)境下攪拌60分鐘，使其充分混合；硼酸作為電沉積緩釋劑，可選擇性地加入，硼酸的濃度為30g/L～60g/L。鎳鹽溶液為含硫酸鎳和氯化鎳的溶液；其中硫酸鎳用量為300～400g/L，氯化鎳用量為30～50g/L；添加劑由十二烷基類化合物和醚類化合物組成，其中十二烷基類化合物用量為0.1～2g/L，醚類化合物用量為0.1～1g/L。本實施例中，添加劑優(yōu)選采用十二烷基硫酸鈉和聚乙二醇三甲基壬基醚。各物質(zhì)的濃度優(yōu)選為:硫酸鎳300g/L,氯化鎳35g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸鈉0.2g/L，聚乙二醇三甲基壬基醚0.8g/L。

啟動高壓泵2，將二氧化碳氣體從二氧化碳氣瓶1通過反應(yīng)器4的本體41的進氣口41-1抽壓到反應(yīng)器4的本體41內(nèi)；控制壓力為8~20MPa；同時使交變電流通過加熱線圈41-3在電磁感應(yīng)的作用下進行加熱，通過對交變電流的電流強度的大小的控制而將溫度控制在35～70℃，本實施例中優(yōu)選50℃，在上述壓力和溫度下，通過機械攪拌器42進行攪拌而形成超臨界流體三元電沉積體系。

本實施例中，二氧化碳氣體在密閉的反應(yīng)器4的本體41中的壓力為13MPa；機械攪拌器42的攪拌速率為200～500rpm；本實施例中優(yōu)選采用機械攪拌速率為400rmp。機械攪拌器42采用左右向水平間歇攪拌方式工作。

④電沉積加工：接通電源，在數(shù)控控制器3采有現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)的控制下，移動陽極54和移動陰極組件6按預(yù)定的軌跡運動；移動陽極54相對于作為陰極主體的陰極基體7的上下移動最大單向行程為5cm；采用定時電沉積方式控制陰、陽極移動；電沉積加工過程由多個加工區(qū)間串聯(lián)構(gòu)成，每個加工區(qū)間分為沉積區(qū)間和抬刀區(qū)間；同時移動陽極54和陰極基體7放電，形成相對恒定的電場；溶液中的鎳離子在電場作用下沉積到陰極基體7的表面；電沉積時間為2～5小時，沉積區(qū)間時長為30min左右，抬刀區(qū)間為2min；抬刀區(qū)間內(nèi)，移動陰極組件6靜止。本實施例中優(yōu)選電沉積時間為3小時，沉積加工區(qū)間28min，抬刀區(qū)間時長2min。

直流電源8輸出的電流密度為1～13 A/dm²；本實施例中優(yōu)選采用電流密度為7A/dm²。

⑤電沉積加工完畢后處理：電沉積加工完畢后，通過反應(yīng)器4的本體41上的排液口41-2將超臨界流體電鑄溶液導(dǎo)入氣液分離器中，分離的二氧化碳氣體和電鑄溶液分別回收到回收裝置中循環(huán)利用。

⑥陰極基體后處理：將陰極基體7從反應(yīng)器4中取出，通過水洗風(fēng)干再通過酸洗干凈，即得到與陰極基體7的不銹鋼緊密結(jié)合的組織致密、晶粒細小、表面平整、性能優(yōu)異且形狀理想的金屬精密、微細零部件。

以上實施例是對本發(fā)明的具體實施方式的說明，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換和變化而得到相對應(yīng)的等同的技術(shù)方案，因此所有等同的技術(shù)方案均應(yīng)該歸入本發(fā)明的專利保護范圍。