CN110842308B - 一种原位共液电化学复合加工装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位共液电化学复合加工装置与方法，属于电化学加工领域。该装置包括射流电沉积加工系统、电解光整系统、电化学复原系统、导电基底和金属层。基于该装置，先通过射流电沉积工艺在导电基底上沉积一层金属层，再采用电解光整系统对已沉积金属层表面进行光整加工，去除金属层的积瘤、毛刺等缺陷，然后利用电化学复原系统对电解液进行复原，以实现电解液中高价态金属离子按需供应与循环，维持光整加工的可持续性和整个电化学反应体系的动态平衡，交替反复进行射流电沉积加工‑电化学光整加工‑电化学复原加工，直到所加工零件达到加工要求。本发明结构简单，加工成本低，加工精度和效率高，能很好地解决射流电沉积层所存在的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电化学加工领域，尤其涉及一种原位共液电化学复合加工装置与方法。
背景技术
电沉积加工是一种基于电化学原理在阴极基底上沉积金属层/件的电化学加工技术。该技术因具有高复制成形精度、低工艺成本、大材料选择范围、低操作温度和大材料性能调控尺度等优势，在工业领域应用十分广泛。射流电沉积加工是一种特殊形式的电沉积加工工艺。该技术是一种以高速射流为载体在阴极基底上进行选择性电沉积的无掩膜电沉积加工技术，具有沉积速度快、选择性好、自由度高等优点，在某些应用领域备受关注与重视，尤其在三维金属微结构快速制造领域。但射流电沉积技术由于自身固有特性导致沉积微区传质速度与电场分布不均匀，进而导致沉积层畸变，出现厚度分布不均、表面凹凸不平以及积瘤和毛刺等现象。
为了克服以上缺点， 1998年发表在CIRP Annals的文献Rapid prototyping byselective electrodeposition using electrolyte jet公开了一种射流电沉积快速成型技术。该技术辅助有间歇研磨步骤，以离线二次加工方式来去除表面积瘤和毛刺等缺陷以维持电沉积的持续进行。其中研磨时间占总加工时间的2/3，导致加工效率极低，成本较高。专利号为ZL201010588837.4的发明专利公布了一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法及装置。该专利通过高速射流在回转体表面选择性沉积微结构的同时，交替采用硬质粒子在线磨削的方法以去除电沉积件的积瘤和毛刺等缺陷，使喷射电铸得以持续稳定进行。但是硬质粒子的磨削的产物不利于溶液的维护，且该专利所涉及的装置与方法仅适用于回转体零件，在非回转体零件或微细结构件的制备上面临巨大挑战。专利号为ZL201610170808.3的发明专利公布了一种电化学加工三维金属微结构的系统与方法。该专利通过添加横梁阴极、左侧阴极和右侧阴极在线对射流电沉积件/层进行溶解腐蚀加工，进而去除其表面积瘤、毛刺等缺陷，在一定程度上提高了射流电沉积的加工精度。但该专利所提出的系统与方法涉及到两个具有独自电解液体系的加工系统。在加工期间，两个独立的电解液系统需要反复更换，操作较为复杂，且反复更换电解液体系必然带来如反复清洗沉积件和沉积槽等复杂问题，导致加工效率偏低。因此，本发明提出一种原位共液电化学复合加工装置与方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是针对现有的射流电沉积方法难以连续加工出组织结构致密表面平整、精度高的三维金属微结构的不足，提出一种原位共液电化学复合加工装置与方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种原位共液电化学复合加工装置，它包括射流电沉积系统、电解光整系统、电化学复原系统、导电基底和金属层；所述的射流电沉积系统包括喷头、电沉积电源和电解液束；所述的喷头与导电基底正对设置；所述的电解光整系统包括电解加工电源、电解库仑计、连接块、前竖直阴极、后竖直阴极、水平阴极和电解液；所述的电解加工电源的正极与导电基底连接；所述的电解加工电源的负极和电解库仑计串接后再与前竖直阴极、后竖直阴极和水平阴极连接；所述的前竖直阴极包括前竖直阴极高电流密度区和前竖直阴极低电流密度区；所述的后竖直阴极包括后竖直阴极高电流密度区和后竖直阴极低电流密度区；所述的水平阴极包括水平阴极高电流密度区和水平阴极低电流密度区；所述的电化学复原系统包括电化学复原库仑计、电化学复原电源和不溶性阳极；所述的电化学复原电源的正极与不溶性阳极连接；所述的电化学复原电源的负极和电化学复原库仑计串接后再与前竖直阴极连接。
所述的电沉积电源的正极和负极分别与竖直放置的喷头和水平放置的导电基底连接。
所述的前竖直阴极、后竖直阴极和不溶性阳极均垂直安设在水平放置的连接块上，且前竖直阴极和后竖直阴极之间的距离可调。
所述的不溶性阳极与前竖直阴极之间的距离可在1mm~5mm范围内变化。
所述的前竖直阴极、后竖直阴极和水平阴极均可控转动。
所述的前竖直阴极、后竖直阴极和水平阴极均为孔隙率为80%~95%、直径为1mm~5mm且呈圆柱状的多孔金属棒。
所述的电解液和电解液束中均含有10g/L~40g/L可变价态金属离子。
一种原位共液电化学复合加工方法，它包括以下步骤：
S1、射流电沉积加工：调整喷头相对于导电基底的高度为1mm~5mm，打开喷头的开关，让由喷头喷出的电解液束垂直喷射向导电基底，接通电沉积电源的同时驱动喷头以1mm/s~5mm/s的移动速度按设定轨迹相对于导电基底作扫描移动，此时，导电基底上电沉积出一层金属层，当喷头扫描到设计轨迹终点时，关闭电沉积电源，断开喷头的开关，并使喷头退出加工区；
S2、电化学光整加工：把金属层置于水平阴极底部且位于前竖直阴极与后竖直阴极的中间，分别调整水平阴极到金属层上表面的距离以及前竖直阴极、后竖直阴极各自与金属层侧壁间的距离，使它们相等且为0.1mm~1mm，且使水平阴极和金属层完全浸没于电解液中，以0.5转/秒~5转/秒的速度转动前竖直阴极、后竖直阴极和水平阴极，接通电解加工电源，让水平阴极、前竖直阴极和后竖直阴极分别对金属层的上表面和两侧面进行阴极无金属析出的电化学光整加工，与此同时，前竖直阴极高电流密度区、后竖直阴极高电流密度区以及水平阴极高电流密度区周围电解液中的部分高价态金属离子被还原为低价态金属离子，前竖直阴极低电流密度区、后竖直阴极低电流密度区以及水平阴极低电流密度区发生析氢反应，当金属层的上表面和两侧面的光洁度均达到加工要求后，停止光整加工，同时记录电解库仑计的电量，并关闭电解加工电源；
S3、电化学复原加工：接通电化学复原电源，并调整前竖直阴极与不溶性阳极间的电压，使前竖直阴极只出现析氢反应、不溶性阳极只出现析氧反应，与此同时，电解液中的低价态金属离子被析出的氧气氧化为高价态金属离子，并取少量电解液进行检测，当电解液中无法检测到低价态金属离子时，关闭电化学复原电源，使前竖直阴极、后竖直阴极、水平阴极和不溶性阳极停止转动并退出加工区；
S4、通过调整电解液的液面高度，让经步骤S3处理后的金属层的上表面完全位于电解液的外面；
S5、重复步骤S1、S2、S3、S4，直到所加工的零件达到所要求的高度和表面光洁度时结束所有操作。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、结构简单，易于实现，加工精度和加工效率高，表面质量好。只需在常规射流电沉积系统上附加结构简单的电解光整系统和电化学复原系统就能避免微尺度工件反复装卸以及复杂的二次加工等操作，便能解决射流电沉积件/层所存在的问题，提高电沉积件/层的加工精度与表面质量，实现金属微结构与零件的高效高品质（高精度、高表面质量、高机械力学性能等）制造。
2、电解液体系的动态平衡与稳定性好。增加了电化学复原步骤，不仅实现了电解液中高价态金属离子按需供应与循环，维持了光整加工的可持续性和整个电化学反应体系的动态平衡与稳定，而且采用相同的电解液系统（原位共液），避免了微尺度工件反复装卸以及换液和清洗等复杂操作，提高了加工效率，降低了工艺成本，增强了微结构与零件制备技术的实用性和适用性。
附图说明
图1是本发明一种原位共液电化学复合加工装置与方法的装配图。
图2是本发明一种原位共液电化学复合加工装置与方法的电解光整加工和电化学复原加工的原理图。
图中标号及名称：1、电解加工电源；2、电解库仑计；3、连接块；4、前竖直阴极；4-1、前竖直阴极高电流密度区；4-2、前竖直阴极低电流密度区；5、后竖直阴极；5-1、后竖直阴极高电流密度区；5-2后竖直阴极低电流密度区；6、水平阴极；6-1、水平阴极高电流密度区；6-2、水平阴极低电流密度区；7、喷头；8、电沉积电源；9、导电基底；10、金属层；11、电解液；12、电解液束；13、电化学复原库仑计；14、电化学复原电源；15、不溶性阳极。
具体实施方式
下面结合附图1和附图2对本发明专利的实施作进一步描述。
一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：它包括射流电沉积系统、电解光整系统、电化学复原系统、材质为304不锈钢的导电基底9和镍材质金属层10；射流电沉积系统包括射圆柱形铂喷头7、电沉积电源8和含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液束12；圆柱形铂喷头7与304不锈钢导电基底9正对设置；电解光整系统包括电解加工电源1、电解库仑计2、有机玻璃板制成的连接块3、孔隙率均为90%，直径均为4mm的前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5和水平泡沫铜圆柱阴极6以及含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液11；电解加工电源1的正极与304不锈钢导电基底9连接；电解加工电源1的负极和电解库仑计2串接后再与前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5和水平泡沫铜圆柱阴极6连接；前竖直泡沫铜圆柱阴极4包括前竖直泡沫铜圆柱阴极高电流密度区4-1和前竖直泡沫铜圆柱阴极低电流密度区4-2；后竖直泡沫铜圆柱阴极5包括后竖直泡沫铜圆柱阴极高电流密度区5-1和后竖直泡沫铜圆柱阴极低电流密度区5-2；水平泡沫铜圆柱阴极6包括水平泡沫铜圆柱阴极高电流密度区6-1和水平泡沫铜圆柱阴极低电流密度区6-2；电化学复原系统包括电化学复原库仑计13、电化学复原电源14和铂阳极15；电化学复原电源14的正极与铂阳极15连接；电化学复原电源14的负极和电化学复原库仑计13串接后再与前竖直泡沫铜圆柱阴极4连接。
电沉积电源8的正极和负极分别与竖直放置的圆柱形铂喷头7和水平放置的304不锈钢导电基底9连接。
前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5和铂阳极15均垂直安设在水平放置的连接块 3上，且前竖直泡沫铜圆柱阴极4和后竖直泡沫铜圆柱阴极5之间的距离可调。
铂阳极15和前竖直泡沫铜圆柱阴极4之间的距离为3mm。
前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5和水平泡沫铜圆柱阴极6均可控转动。
一种原位共液电化学复合加工方法，它包括以下步骤：
S1、射流电沉积加工：调整圆柱形铂喷头7相对于304不锈钢导电基底9的高度为2mm，打开圆柱形铂喷头7的开关，让由圆柱形铂喷头7喷出含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液束12垂直喷射向304不锈钢导电基底9，接通电沉积电源8的同时驱动圆柱形铂喷头7以2mm/s的速度按设定轨迹相对于304不锈钢导电基底9作扫描移动，在电场的作用下，含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液束12中的镍离子被还原成金属镍原子并沉积在带负电的304不锈钢导电基底9上，形成一层镍材质金属层10，当圆柱形铂喷头7扫描到设定轨迹的终点时，关闭电沉积电源8，断开圆柱形铂喷头7的开关，并使圆柱形铂喷头7退出加工区；
S2、电化学光整加工：把镍材质金属层10置于水平泡沫铜圆柱阴极6的底部且位于前竖直泡沫铜圆柱阴极4与后竖直泡沫铜圆柱阴极5的中间，分别调整水平泡沫铜圆柱阴极6到镍材质金属层10上表面的距离以及前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5各自与镍材质金属层10侧壁间的距离，使它们相等且为0.5mm，且使水平泡沫铜圆柱阴极6和镍材质金属层10完全浸没于含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液11中，这样能为后续电化学光整加工步骤创造必要的加工间隙与电解液环境，以2转/秒的速度转动前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5和水平泡沫铜圆柱阴极6，接通电解加工电源1，让前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5和水平泡沫铜圆柱阴极6以2mm/s的速度沿S1步骤中圆柱形铂喷头7的运动轨迹作扫描移动，此时，水平泡沫铜圆柱阴极6、前竖直泡沫铜圆柱阴极4和后竖直泡沫铜圆柱阴极5分别对镍材质金属层10的上表面和侧壁进行阴极无金属析出的电化学光整加工，根据电化学溶解原理，突起部分的溶解去除速度更快，使得镍材质金属层10的上表面和侧壁变得更加光整，从而为后续的电沉积步骤提供更好的沉积条件，此时镍材质金属层10的上表面和侧壁（阳极）发生的反应为：
与此同时，前竖直泡沫铜圆柱阴极高电流密度区4-1、后前竖直泡沫铜圆柱阴极高电流密度区5-1以及水平泡沫铜圆柱阴极高电流密度区6-1周围电解液中高价态锰离子被还原为低价态锰离子，此时发生的反应为：
而前竖直泡沫铜圆柱阴极低电流密度区4-2、后竖直泡沫铜圆柱阴极低电流密度区5-2以及水平泡沫铜圆柱阴极低电流密度区6-2发生析氢反应，产生大量氢气，其反应为：
当镍材质金属层10的上表面和侧壁的光洁度均达到加工要求后，停止光整加工，同时记录电解库仑计2的电量，关闭电解加工电源1；
S3、电化学复原加工：接通电化学复原电源14，并调整前竖直泡沫铜圆柱阴极4与铂阳极15间的电压，使其电位低于镍离子的析出电位，避免金属镍离子的析出，进而使前竖直泡沫铜圆柱阴极4只出现析氢反应，产生大量氢气，其反应为：
使铂阳极15只出现析氧反应，产生大量的氧气，其反应为：
与此同时，电解液11中的低价态金属锰离子被析出的氧气氧化为高价态金属锰离子，此时发生的反应为：
电化学复原加工一定时间后，取出少量电解液11进行检测，向取出的少量电解液11中加入氢氧化钠溶液，如果出现氢氧化锰白色晶体，则将电解液11继续进行电化学复原加工，直到电解液11中无法检测到低价态金属锰离子时，记录电化学复原库仑计13的电量值，并关闭电化学复原电源14，使前竖直泡沫铜圆柱阴极4和铂阳极15停止转动并退出加工区，同时对电化学复原加工消耗的电量与电化学光整加工消耗的电量进行定量分析，并做记录，这样可以为下一步电化学复原加工中何时取少量电解液11进行检测提供判断依据，提高电化学复原加工的效率，实现多价态金属离子的及时按需供应与循环，进而维持光整加工的可持续性和整个电化学反应体系的动态平衡；
S4、通过调整含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液的液面高度，让步骤S3电化学光整加工的镍材质金属层10上表面完全位于含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液11的外面；
S5、重复步骤S1、S2、S3、S4，直到所加工的零件达到所要求的高度和表面光洁度时结束所有操作，经如此方式操作（射流电沉积加工-电化学光整加工-电化学复原加工交替反复进行），电化学加工制备出来的金属微结构与零件的精度与表面质量都比较理想。
Claims (7)
1.一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：它包括射流电沉积系统、电解光整系统、电化学复原系统、导电基底(9)和金属层(10)；所述的射流电沉积系统包括喷头(7)、电沉积电源(8)和电解液束(12)；所述的喷头(7)与导电基底(9)正对设置；所述的电解光整系统包括电解加工电源(1)、电解库仑计(2)、连接块(3)、前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)、水平阴极(6)和电解液(11)；所述的电解加工电源(1)的正极与导电基底(9)连接；所述的电解加工电源(1)的负极和电解库仑计(2)串接后再与前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)和水平阴极(6)连接；所述的前竖直阴极(4)包括前竖直阴极高电流密度区(4-1)和前竖直阴极低电流密度区(4-2)；所述的后竖直阴极(5)包括后竖直阴极高电流密度区(5-1)和后竖直阴极低电流密度区(5-2)；所述的水平阴极(6)包括水平阴极高电流密度区(6-1)和水平阴极低电流密度区(6-2)；所述的电化学复原系统包括电化学复原库仑计(13)、电化学复原电源(14)和不溶性阳极(15)；所述的电化学复原电源(14)的正极与不溶性阳极(15)连接；所述的电化学复原电源(14)的负极和电化学复原库仑计(13)串接后再与前竖直阴极(4)连接；所述的前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)和不溶性阳极(15)均垂直安设在水平放置的连接块(3)上，且前竖直阴极(4)和后竖直阴极(5)之间的距离可调；所述的不溶性阳极(15)与前竖直阴极(4)之间的距离可在1mm～5mm范围内变化。
2.根据权利要求1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的电沉积电源(8)的正极和负极分别与竖直放置的喷头(7)和水平放置的导电基底(9)连接。
3.根据权利要求1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)和水平阴极(6)均可控转动。
4.根据权利要求1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)和水平阴极(6)均为孔隙率为80％～95％、直径为1mm～5mm且呈圆柱状的多孔金属棒。
5.根据权利要求1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的电解液(11)和电解液束(12)中均含有10g/L～40g/L可变价态金属离子。
6.一种原位共液电化学复合加工方法，应用权利要求1-5任一项的原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、射流电沉积加工：调整喷头(7)相对于导电基底(9)的高度，打开喷头(7)的开关，让由喷头(7)喷出的电解液束(12)垂直喷射向导电基底(9)，接通电沉积电源(8)的同时驱动喷头(7)按设定轨迹相对于导电基底(9)作扫描移动，此时，导电基底(9)上电沉积出一层金属层(10)，当喷头(7)扫描到设定轨迹的终点时，关闭电沉积电源(8)，断开喷头(7)的开关，并使喷头(7)退出加工区；
S2、电化学光整加工：把金属层(10)置于水平阴极(6)底部且位于前竖直阴极(4)与后竖直阴极(5)的中间，分别调整水平阴极(6)到金属层(10)上表面的距离以及前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)各自与金属层(10)侧壁间的距离，使它们相等且为0.1～1mm，且使水平阴极(6)和金属层(10)完全浸没于电解液(11)中，转动前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)和水平阴极(6)，接通电解加工电源(1)，让水平阴极(6)、前竖直阴极(4)和后竖直阴极(5)分别对金属层(10)的上表面和两侧面进行阴极无金属析出的电化学光整加工，与此同时，电解液(11)中的部分高价态金属离子被还原为低价态金属离子，当金属层(10)的上表面和两侧面的光洁度均达到加工要求后，停止光整加工，同时记录电解库仑计(2)的电量，关闭电解加工电源(1)；
S3、电化学复原加工：接通电化学复原电源(14)，并调整前竖直阴极(4)与不溶性阳极(15)间的电压，使前竖直阴极(4)只出现析氢反应、不溶性阳极(15)只出现析氧反应，与此同时，电解液(11)中的低价态金属离子被析出的氧气氧化为高价态金属离子，当电解液(11)中无法检测到低价态金属离子时，关闭电化学复原电源(14)，使前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)、水平阴极(6)和不溶性阳极(15)停止转动并退出加工区；
S4、通过调整电解液(11)的液面高度，让经步骤S3处理后的金属层(10)的上表面完全位于电解液(11)的外面；
S5、重复步骤S1、S2、S3、S4，直到所加工的零件达到所要求的高度和表面光洁度时结束所有操作。
7.根据权利要求6所述的一种原位共液电化学复合加工方法，其特征在于：所述的前竖直阴极(4)、后竖直阴极(5)和水平阴极(6)的转动速度均为0.5转/秒～5转/秒。
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