一种多能场辅助射流电沉积纳米复合层的装置及制备方法

摘要

本发明专利公开了一种多能场辅助射流电沉积纳米复合层的装置及制备方法，该装置包括窄缝喷头、超声波发生器、超声波换能器、超声波变幅杆、多绕组励磁线圈、直流磁场发生电源、回液槽、阴极基底、可溶性阳极板、电沉积脉冲电源、电解液循环过滤系统、四轴数控机床。阴极基底在数控控制下进行往复运动，使喷头进行往复扫描，由脉冲电流产生的垂直电场、多绕组励磁线圈产生的垂直匀强磁场和超声波发生器产生的超声场辅助共沉积作用下令电解液快速电沉积到基底表面，从而制备出复合金属沉积层。通过调整脉冲参数、磁场强度、阴阳极间距、扫描速度及超声参数等，制备出沉积层组织与厚度均匀性好，膜基结合力一致性好的纳米复合沉积层。

说明书

技术领域

本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种在复合多能场协同作用下辅助射流电沉积制备纳米复合沉积层的装置与方法，使纳米复合沉积层组织更为致密、沉积层厚度更加均匀及膜基结合力一致性好。

背景技术

射流电沉积技术的特点在于可以对阴极基底进行局部电沉积，电解液的高速喷射减小了扩散层厚度，提高了电沉积极限扩散电流密度和沉积速度，缩短了电沉积时间，减少了沉积层的原材料，缩小了制备成本等，同时电解液的射流对沉积层也起到了机械活化的作用，因此多适用于微小结构的快速成型及损伤零件的修复。运用射流电沉积制备纳米复合沉积层时，引入溶胶纳米颗粒，可有效减弱沉积层中所出现的析氢效应，并使电场线在沉积层上的分布较为均匀，从而制备出沉积层组织与厚度均匀性好，膜基结合力一致性好的纳米复合沉积层。

射流电沉积在应用中也存在着一些缺陷，因沉积过程突起处产生的电场线偏移，所引起的尖端放电现象，从而导致了突起晶胞的择优生长与溶液中粒子的优先沉积，使沉积层晶粒粗大，表面粗糙，沉积层不均匀。另外电解液中的纳米颗粒易产生的团聚效应，导致沉积层缺陷增多，不能充分发挥复合纳米颗粒的弥散强化性能。

针对这一技术所出现的问题，本发明在射流电场中引入了场强可变的磁场，如高鹏等人的文献“磁场影响下的电沉积”中所得，磁场的引入会令尖端效应引起的电场线偏移，在与磁场线交叉处会产生MHD效应，因阴极基底表面在射流电沉积过程中亥姆霍茨层的存在，所以单靠溶液里的金属阳离子无法在该层内受到MHD效应的影响，故而在电解液中加入了溶胶，溶胶所带来的纳米粒子通常带有电荷，并由于电荷作用，吸附一层溶剂分子，形成胶体粒子，这些胶体粒子和电解液中的金属阳离子共同受洛伦兹力，绕突起处旋转，在旋转过程中相互撞击并粘附在一起，使其螺旋下降，并克服阴极基底表面亥姆霍茨层的影响填充在突起周边的凹陷处，从而改善沉积层组织结构和沉积厚度的不均匀性，并有效的减弱了尖端放电的影响。

为解决电解液中纳米颗粒易团聚的现象，从而引入超声波场，由兰龙等人的文献“超声波辅助选择性电沉积技术研究进展”，可知，超声场产生的空化作用所引起的局部微射流可以有效减弱纳米颗粒的团聚效应，对电解液起到整平作用。同时超声波从窄缝喷头中伴随电解液一同作用在阴极基底上，发生在阴极基底表面的超声空化作用提高了电解液的传质效果，从而增加了沉积层中纳米颗粒的含量，使沉积层性能各方面得到了提升。此外，超声波的引入可以打断晶粒的正常生长方向，从而产生更细小的颗粒，使沉积层颗粒更为细致均匀，沉积层的结合力有所提升。这种复合能场协同作用下的射流电沉积，既能提高沉积速度，又能改善沉积层均匀性，提高沉积层的膜基结合力。

多能场辅助射流电沉积中使用脉冲电流可使沉积层组织更细致均匀，膜基结合力有所提升，在脉冲宽度时电解液快速沉积在阴极基底表面，在脉冲间隔时电场消失，一方面有利于离子的扩散，使扩散层厚度减小，另一方面纳米颗粒因电场的消失而不沉积，在射流作用下对沉积层起到打磨修整的效果，使沉积层组织更细致均匀，由析氢效应产生的氢气泡及杂质颗粒也进一步的从沉积层中清除，这一脉冲电流的引入可获得沉积层组织均匀、厚度均匀及膜基结合力一致性好的纳米复合沉积层。

通过对国内外文献的检索，当前研究主要是在电-磁复合场下的射流电沉积或超声辅助下射流电沉积对纳米复合沉积层的影响，用电-磁-声多功能场辅助射流电沉积制备纳米复合沉积层的研究很少，本发明为首次提出该制备方法及装置。

发明内容

本发明目的是针对射流电沉积中的尖端放电、往复扫描叠加、纳米颗粒团聚等导致的沉积层组织及厚度不均匀、膜基结合力一致性差等问题，发明了一种结合电磁场和超声场复合能场辅助射流电沉积对工件进行纳米复合沉积层制备的方法，并提供了装置方案，通过多能场的协同作用，对其参数进行调控，从而使纳米复合沉积层组织及厚度更均匀，并使膜基结合力一致性得到改善。

本发明为实现上述目的，通过以下的方法。

一种多能场辅助射流电沉积制备方法，包括以下步骤：

(1)先对阴极基底进行预处理(研磨，水洗，碱除油，水洗，酸洗，水洗)，并固定在工作台上，与电沉积脉冲电源负极相连。

(2)制备Ni-(溶胶)Al

(3)将多绕组励磁线圈通上直流电使线圈产生一定强度的磁场，且场强会随着电流大小和线圈匝数的改变而变化。

(4)通过超声发生器输出电信号，再经超声波换能器将电能转换成超声能传递到超声波变幅杆上，从而作用在窄缝喷头腔体内的电解液中。

(5)窄缝喷头腔体内的可溶性阳极板接脉冲电源正极，调整电流密度，频率，占空比等参数，打开电源将电流通向阴阳极板。

(6)打开磁力泵，利用虹吸原理，并通过节流阀控制水流流速将电解液推向阴极基底表面，形成回路，使得纳米颗粒与金属离子快速沉积到阴极基底表面。

(7)通过X方向水平导轨、Y方向水平导轨、Z方向升降导轨和数控控制系统来控制窄缝喷头与阴极基底的相对运动，对阴极基底进行反复扫描电沉积。

(8)通过对多功能复合场的各个参数之间的调控，制备出沉积层组织及厚度更均匀，膜基结合力一致性好的纳米复合沉积层。

本发明采用电-磁-超声复合多功能场下的射流电沉积技术来快速制备出沉积层组织与厚度更均匀，膜基结合力一致性好的纳米复合沉积层。改善了在射流电沉积中尖端放电导致的沉积层组织不均匀和膜基结合力差等问题，通过引入电-磁-超声复合能场，使射流电场的尖端放电现象在MHD效应与超声空化等协同作用下得到改善，同时复合多能场的协同作用使纳米颗粒的团聚效果减弱，可使沉积层组织与厚度更细致均匀，膜基结合力有所提升。

本发明装置具有灵活可调，操作方便，在保证快速沉积的同时提高沉积层组织与沉积厚度的均匀性和膜基结合力的一致性。

基于本发明的多能场辅助射流电沉积纳米复合沉积层制造装置，其工作原理和实施过程如下。

先通过四轴数控机床的数控系统调整窄缝喷头与阴极基底的高度至设定值，打开磁力泵，为电解液供能，将电解液喷射到阴极基底表面，并通过节流阀和流量计调控射流速度到设定值，打开直流磁场发生电源，调节参数使多绕组励磁线圈中磁场强度达到设定值，打开超声波发生器电源，将超声能传入窄缝喷头中的电解液上，调节电源参数至设定值，打开脉冲电源，将可溶性阳极板与阴极基底通上电流，并与射流的电解液形成闭合回路，对阴极基底表面开始进行电沉积，通过机床的数控系统控制阴极基底在工作台上进行往复运动，窄缝喷头固定在Z方向导轨上进行电解液的供给，同时沉积层在阴极基底表面快速成型。

通过对磁场强度、超声参数、脉冲参数及阴阳极间距等参数的优化调整，沉积初期采用强磁场、低频脉冲和大功率超声相结合的方式来制备，沉积后期采用正常射流电沉积工艺参数制备沉积层，从而制备出沉积层组织与厚度更均匀，膜基结合力一致性好的纳米复合沉积层。

本发明具有以下优点：

(1)超声场的引入对电解液产生的空化作用，一方面提高了电解液的传质效果，另一方面产生的局部微射流作用，可改善纳米颗粒的团聚现象，对电解液起到了搅拌的作用。

(2)超声场的引入可阻碍晶胞的正常生长方向，使突起处晶胞生长更为平缓，沉积层更细致均匀，膜基结合力有所提升。

(3)匀强磁场在沉积层电场线偏移处产生的MHD效应，令溶胶纳米颗粒和金属阳离子共同受洛伦兹力作用绕晶胞突起处旋转下落，过程中撞击并粘附在一起，克服亥姆霍茨层的影响，旋转下落填充了阴极基底凸起表面周围的凹陷处，改善了尖端放电的现象，使纳米复合沉积层组织及厚度更均匀，膜基结合力得到提升。

(4)电-磁-声多能场辅助脉冲射流电沉积，既保留了射流电沉积的沉积速度快与可以局部电沉积的特点，又改善了射流电沉积中所出现的一些缺点，使沉积层在各场的协同作用下得到显微组织更为均匀及膜基结合力一致性好的沉积层。

(5)电-磁-声多能场辅助脉冲射流电沉积制备纳米复合沉积层，在电解液中加入溶胶纳米颗粒，使沉积层的氢脆现象得到了改善，增强了MHD效应对沉积层的影响，增强了沉积层组织的性能，也使沉积层上电场线分布更为均匀。

(6)脉冲辅助射流电沉积制备纳米复合沉积层，在脉冲宽度下保持了射流快速沉积的特点，在脉冲间隔时纳米颗粒对沉积层起到打磨修整的作用，一方面使沉积过程中扩散层厚度减小，另一方面进一步清除了析氢效应产生的氢气泡及沉积层表面附着的杂质，使沉积层组织及厚度更均匀，膜基结合力一致性更好。

附图说明

图1为本发明所述的电、声、磁多功能复合场辅助射流电沉积对工件进行纳米复合沉积层制备装置的剖面示意图。

图2为电、声、磁多功能复合场辅助射流电沉积对工件进行纳米复合沉积层制备的装置三维示意图。

附图标记如下：

图中：1.电解液循环-供能系统；2.Z方向升降导轨；3.超声波换能器；4.机械装夹装置；5.超声波发生器；6.超声波变幅杆；7.电沉积脉冲电源；8.直流磁场发生电源；9.X方向水平导轨；10.工作台；11.Y方向水平导轨；12.窄缝喷头；13.可溶性阳极板；14.阴极基底；15.回液槽；16.多绕组励磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的电、声、磁复合能场辅助射流电沉积对工件进行纳米复合沉积层的制备方法，采用电场、磁场和超声场相结合的多能复合场来辅助射流电沉积方法，从而制备出沉积层均匀，膜基结合力好的复合纳米沉积层，通过电沉积脉冲电源对阴极基底和可溶性阳极板导入脉冲电流，同时开启超声波发生器、超声波换能器与励磁电源，施加复合能场作用于沉积区域，并通过磁力泵使电解液达到阴极基底上形成闭合回路进行电沉积，最终获得纳米颗粒分布均匀、膜基结合力一致性好及显微组织细化的沉积层。

图1为本发明所述电、声、磁复合能场辅助射流电沉积对工件进行纳米复合沉积层的制备方法及所使用的装置，下面结合图1详细说明本发明所述方法的具体步骤。

实施例1

1)将经过打磨，水洗，碱除油，水洗，除锈，水洗，酸洗活化后的阴极基底14固定在工件台10上，将窄缝喷头12固定在机械装夹装置4上。

2)将电沉积脉冲电源7的正负极分别加在窄缝喷头12内的可溶性阳极板13和阴极基底14上，调节电流密度、占空比和频率把脉冲电流施加到阴阳极板上。

3)将制备好的电解液(含溶胶纳米颗粒)倒入储液槽中，再将储液槽放置在恒温水浴锅中，并加入磁力搅拌，调节电解液温度。

4)打开磁力泵，通过节流阀控制管路中流量的输出，从而控制窄缝喷头12的出口射流速度，同时用流量计进行流量监测。

5)打开直流磁场发生电源8，控制电流密度，输入到匝数不变的多绕组励磁线圈16中，使线圈内部产生方向垂直向下且磁场强度可变的匀强磁场。

6)将超声波发生器5打开，将电信号输入超声波换能器3中，通过换能器把电信号转换成超声波通过超声波变幅杆6输入到电解液中。

7)打开电沉积脉冲电源7，电解液连通阴极基底14使电流形成闭合回路，并开始进行快速电沉积。

8)通过对数控控制系统的程序编写，使X方向水平导轨9、Y方向水平导轨11进行往复移动，促使电解液能均匀的沉积在阴极基底14的表面。

9)待电沉积结束后先将超声波发生器5、直流磁场发生电源8和电沉积脉冲电源7逐一关闭，再关闭节流阀和磁力泵，停止电解液的供给，最后关闭恒温水浴锅。

所述实施例仅为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员做出的任何在不脱离本发明原理的前提下的相关改进也应视为本发明的保护范围。