CN111621822A - 一种电化学微增材的表面修复方法 - Google Patents

一种电化学微增材的表面修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电化学微增材的表面修复方法，包括：在清洁干燥的阴极工件表面上贴敷感光干膜，制作与非修复区域形状匹配的掩膜底片，将掩膜底片放在非修复区域的感光干膜的表面，然后将该阴极工件曝光，使阴极工件的非修复区域的感光部位固化形成牢固绝缘的保护膜，再将曝光后阴极工件的修复区域未感光部位的感光干膜在显影溶液中溶解，露出待修复区域的金属；使阳极工具与待修复区域的金属之间保持一定压力的接触；将电解液以一定的流速持续注入阳极工具与阴极工件之间，对阴极工件的待修复区域进行微增材的电化学修复；修复完毕后除去工件表面的绝缘保护膜；最后对工件修复区域表面进行热处理，得到0.2～10μm厚的预沉积修复层。

Description

一种电化学微增材的表面修复方法
技术领域
本发明涉及电化学加工技术领域，特别是涉及在高温合金表面进行电化学微增材修复的一种方法。
背景技术
随着先进飞机、发动机的大量服役，先进飞行器典型关键件如叶片、轮轴、机翼等或先进机载设备元器件在长期使用过程中，由于各种机械和化学作用，部分金属零部件会从零件表面局部开始发生失效，先是产生尺寸较小，尺寸小于0.2mm的微裂纹、微坑、磨损以及局部腐蚀等微损伤，如果不及时修复，就会慢慢扩展成为疲劳裂纹，并由零件表面向里延伸，最终造成零件失效，损失巨大。因此，在使用及维护工作中，如何提高零件表面质量、降低维修成本是急需解决的问题。表面技术是近年来新兴的一种维修技术。表面技术最突出的特点是无需整体改变材质而能获得原基材不具备的某些特殊性能，因此采用先进的表面工程技术作为支撑，对零件进行有效的表面修复和表面强化，对提高表面质量具有重大意义。对于材料表面小尺寸微缺陷，常通过减材的方式来实现，一般以抛光和研磨为主。但是，常规修复手段费时费力，成本较高，而且容易造成表面尺寸超差，无法满足微修复要求。
电化学沉积技术作为表面工程技术和重新制造技术的重要组成部分，以电化学沉积原理为基础，是一种有效的微增材技术的研究手段。电化学沉积过程是一个很复杂的过程，一般分为以下几个步骤：首先是金属阳离子通过液相传质从溶液中运动到阴极表面，到达阴极表面后通过电场作用向电极表面的双电层内进行迁移。随后金属阳离子在双电层内接受电子放电，形成吸附原子。最后吸附原子在电极表面移动到能量较低的位置，向晶格内嵌入，形成沉积层。该方法由于具有适用材料广、实施温度低(一般70℃以下)、应用形式灵活、组织-形貌-性能可协同控制、不受尺寸限制等优点，在面向金属微增材制造修复方面颇具发展潜能，可大规模化生产且所制备的修复层附着力好等优点而在零件的表面修复与强化方面得到广泛应用。
利用电化学微增材技术进行修复的方法可以在常规尺度基础上将精度提高至微纳米级，实现对材料表面小尺寸微缺陷的可控修复，能够在形状复杂的导电工作表面选定部位快速制备金属沉积层，用来修复工件的表面缺陷，调整几何尺寸和精度，改善工件表面理化性能，提高使用寿命等。
电化学沉积过程影响因素较多，主要有沉积溶液状态、沉积电位、沉积时间以及反应区温度等，这些因素均与采用电化学方法所得修复层的表面形貌、组成和结构的精确控制密切相关，对修复层质量具有决定性作用。由于金属盐前驱体发生水解或与水性电解液中的溶解氧发生反应，使电沉积方法制备修复层的过程中会产生氧化物或氢氧化物等杂质。多因素影响导致重现性较差，使修复层的质量难以控制。
然而，基底材料不同，由于表面导电性差异导致相同的电化学修复方法制备的修复层结构性能也会发生变化。传统的电化学修复方法多用于在铸铁和钢制材料表面进行修复，而且得到的修复层较厚，不适用于对尺寸较小的微缺陷的修复，限制了电化学修复技术的持续拓展应用。
发明内容
(1)要解决的技术问题
为解决现有技术的不足，本发明提供一种电化学微增材的表面修复方法，能够用于对高温合金表面进行修复，通过对待修复表面微缺陷形状进行掩膜处理，实现了精密定域修复，解决了现有修复方法重现性差，修复层质量难以控制的问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种电化学微增材的表面修复方法，该方法包括：
基底绝缘处理，在清洁干燥的阴极工件基底的全部表面上贴敷感光干膜，制作与所述阴极工件的非修复区域形状匹配的掩膜底片，将所述掩膜底片放在非修复区域的所述感光干膜的表面，然后将该阴极工件在曝光机内进行曝光，使阴极工件的非修复区域的感光部位固化形成牢固绝缘的保护膜，再将曝光后的阴极工件放在显影液中，所述阴极工件的修复区域未感光部位的感光干膜在显影溶液中溶解，露出待修复区域的金属；
安装调整，安装所述阴极工件和所述阳极工具，调整两者位置，使阳极工具与所述待修复区域的金属之间保持一定压力的接触；
电化学修复，将所述阴极工件和阳极工具分别与电源负极和正极连接，并在阴极工件与阳极工具之间通以恒定的加工电压，将电解液以一定的流速持续注入阳极工具与阴极工件之间，控制通电时间，开始对所述阴极工件的待修复区域进行微增材的电化学修复；
除膜，在电化学修复完毕后，将修复后的阴极工件浸泡于除膜试剂中，除去工件表面的绝缘保护膜；
热处理，将上述除膜后的阴极工件，置于惰性气氛保护条件下，对工件修复区域表面进行热处理，得到0.2～10μm厚的预沉积修复层。
进一步地，在所述基底绝缘处理前，将所述阴极工件分别浸入有机溶剂丙酮和乙醇中进行超声清洗，将待修复的阴极工件表面的油污及杂质进行清洁处理，然后用清水冲洗后进行干燥处理。
进一步地，在所述基底绝缘处理中，通过扫描电镜采集所述阴极工件的待修复区域形状参数，基于所述待修复区域形状参数，采用激光光绘仪制作与非修复区域形状匹配的所述掩膜底片。
进一步地，还包括配制电解液，在去离子水中加入稀盐酸、丙酸、硫酸镍、氯化镍和氨水，配制成pH值为1.0的酸性电解液，并通过恒温装置控制电解液温度保持恒温。
进一步地，在所述配制电解液时，称取21份的稀盐酸、69份的丙酸、396份的硫酸镍、15份的氯化镍溶于100份的水中混合均匀搅拌，同时采用浓氨水对混合溶液的pH值进行调节，使配制的电解液pH值为1.0。
进一步地，在所述安装调整的方法中，将绝缘处理后的所述阴极工件安装在旋转工作台上，将阳极工具裹上包布介质，并浸泡于电解液中，将浸泡过电解液的阳极工具安装在机床Z向主轴上，调整所述阳极工具位置，使阳极工具与阴极工件的待修复区域之间保持一定压力的接触。
进一步地，所述阳极工具通过可移动工作台安装在机床Z向主轴上，所述阳极工具能够在Z向移动，同时能够在垂直于Z向主轴的平台方向进行移动。
进一步地，所述阴极工件为待修复的高温合金材料的零件，所述阳极工具采用不锈钢材料，所述修复层为镍层。
(3)有益效果
综上，本发明提供了一种电化学微增材的表面修复方法，能够用于对高温合金表面进行修复，特别是用于尺寸较小的微缺陷的修复，使非修复区域部分表面获得牢固绝缘的保护膜，通过对待修复表面微缺陷形状以外的区域进行掩膜处理，在非修复区域获得牢固绝缘的保护膜，使得仅有待修复区域能够导电，为实现电化学微增材表面修复过程精确可控创造了条件，本发明的方法能克服现有修复方法重现性差，修复层质量难以控制的缺点，为高温合金材料表面微缺陷的高效、低成本修复提供支撑，促进带来巨大的军事效益及经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种电化学微增材的表面修复方法的应用场景示意图。
图2是表面电化学微增材方法制备修复层与未处理高温合金基底的X射线衍射图。
图3是表面电化学微增材方法制备修复层的扫描电子显微镜图片。
图4是表面电化学微增材方法制备修复层与未处理高温合金基底的显微划痕曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1是一种电化学微增材的表面修复方法的应用场景示意图。参见图1所示，该方法至少包括了以下步骤S110～步骤S150：
步骤S110为基底绝缘处理，在清洁干燥的阴极工件基底的全部表面上贴敷感光干膜，制作与所述阴极工件的非修复区域形状匹配的掩膜底片，将所述掩膜底片放在非修复区域的所述感光干膜的表面，然后将该阴极工件在曝光机内进行曝光，使阴极工件的非修复区域的感光部位固化形成牢固绝缘的保护膜，再将曝光后的阴极工件放在显影液中，所述阴极工件的修复区域未感光部位的感光干膜在显影溶液中溶解，露出待修复区域的金属。
步骤S120为安装调整，安装所述阴极工件和所述阳极工具，调整两者位置，使阳极工具与所述待修复区域的金属之间保持一定压力的接触。
步骤S130为电化学修复，将所述阴极工件和阳极工具分别与电源负极和正极连接，并在阴极工件与阳极工具之间通以恒定的加工电压，将电解液以一定的流速持续注入阳极工具与阴极工件之间，控制通电时间，开始对所述阴极工件的待修复区域进行微增材的电化学修复。
步骤S140为除膜，在电化学修复完毕后，将修复后的阴极工件浸泡于除膜试剂中，除去工件表面的绝缘保护膜。
步骤S150为热处理，将上述除膜后的阴极工件，置于惰性气氛保护条件下，对工件修复区域表面的预沉积修复层进行热处理，得到0.2～10μm厚的修复层。
以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明，本实施例的阴极工件为高温合金材料的零件，阳极工具为不锈钢材料，修复层为镍层，采用电化学微增材方法进行修复，参见图1，具体如下步骤：
(1)基底绝缘处理：将阴极工件分别浸入有机溶剂丙酮和乙醇中进行超声清洗20min，用清水冲净后，用氮气吹干，除去阴极表面的油污及杂质。在清洁干燥的阴极工件基底的全部表面上用贴膜机在80℃下熨贴感光干膜并烘干5min；采用激光光绘仪制作具有与非修复区域形状匹配的掩膜底片，将掩膜底片放在贴有感光干膜的阴极上的非修复区域，并在曝光机内进行曝光30s，使阴极工件的非修复区域的感光部位固化形成牢固绝缘的保护膜；将曝光后的阴极工件放在显影液中浸泡10min，修复区域未感光部位的感光干膜在显影溶液中溶解，露出待修复区域的不同形状的金属区域。
(2)配制电解液：依次称取21g稀盐酸，69g丙酸，396g硫酸镍，15g氯化镍溶于100mL水中(所用试剂均为分析纯)，均匀搅拌5min后得到澄清的电解液，采用浓氨水对电解液的pH值进行调节，使其pH值为1.0，将配制好的电解液放置在电解液槽中。
(3)安装调整：将阴极工件安装在旋转工作台上(图1中的旋转装置用于驱动旋转工作台转动)，将阳极工具裹上5mm厚的包布介质，并浸泡于前述步骤获得的电解液中静置10min，使其包布中含有一定量的电解液。将浸泡过电解液的阳极工具安装在机床Z向主轴上，调整阳极位置距离阴极工件4mm，此时阳极工具与工件待修复区域之间保持有一定压力的接触。
(4)电化学修复：阴极工件和阳极工具分别与双极性电源的负极和正极连接，在不通电情况下来回移动阳极工具30s，使阴极表面被电解液充分润湿。随后阴极和阳极之间通以恒定的加工电压7.5V，电解液以1m/s的速度持续注入阳极工具与阴极工件之间，通过回液泵向阳极工具不断补充电解液，利用恒温装置将电解液的温度控制在25±1℃，电极沿平行于工作台方向以100mm/s的速度进行移动，开始进行电化学修复，通电时间控制在30s。
(5)除膜：电化学修复完毕后，将修复后的阴极工件浸泡于除膜试剂中静置2h，除去工件表面的保护膜。
(6)在氩气保护条件下，将阴极工件置于管式炉内，温度控制在550℃，保温60min后随炉冷却至室温，对工件修复区域表面进行热处理，修复区域沉积得到了0.2～10μm厚的纯立方相的镍单质修复层。采用X射线衍射仪(XRD)测试修复层的结构组成。
图2的X射线衍射结果表明得到的是纯立方相镍单质结构。图3的扫描电镜照片表明得到的修复层是致密连续的。图4的显微划痕曲线结果说明得到的修复层临界载荷与未处理的基底相比无明显差异，表明修复层与基底之间的结合力良好。
传统的电化学修复方法多用于在铸铁和钢制材料表面进行修复，而且得到的修复层较厚，不适用于对尺寸较小的微缺陷的修复，限制了电化学修复技术的持续拓展应用。本发明中采用了一种电化学微增材的表面修复方法，通过对待修复表面微缺陷形状以外的区域进行的掩膜处理，使工件的非修复区域形成牢固绝缘的保护膜，实现了精密定域修复，为修复过程中精确控制修复形状和尺寸调节提供了有力保障，能够在高温合金表面制备附着力良好、致密连续、高结晶性纯相结构的修复层，实现了对高温合金表面微缺陷的可控修复，在难加工材料复杂构件微缺陷的高效、低成本修复方面具有较大的应用价值。
需要说明的是，考虑到工艺操作的便捷性，在实践中，本发明提供的方法中，在进行基底绝缘处理时，还可以是在清洁干燥的阴极工件表面的非修复区域依次贴敷与该区域形状匹配的感光干膜和掩膜底片，然后再将阴极工件曝光，使阴极工件的非修复区域的感光部位固化形成牢固绝缘的保护膜，只露出存在缺陷的待修复区域，使工件的非修复区域形成牢固绝缘的保护膜，保证了精密定域修复。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种电化学微增材的表面修复方法，其特征在于，所述方法包括：
基底绝缘处理，在清洁干燥的阴极工件基底的全部表面上贴敷感光干膜，制作与所述阴极工件的非修复区域形状匹配的掩膜底片，将所述掩膜底片放在非修复区域的所述感光干膜的表面，然后将该阴极工件在曝光机内进行曝光，使阴极工件的非修复区域的感光部位固化形成牢固绝缘的保护膜，再将曝光后的阴极工件放在显影液中，所述阴极工件的修复区域未感光部位的感光干膜在显影溶液中溶解，露出待修复区域的金属；
安装调整，安装所述阴极工件和所述阳极工具，调整两者位置，使阳极工具与所述待修复区域的金属之间保持一定压力的接触；
电化学修复，将所述阴极工件和阳极工具分别与电源负极和正极连接，并在阴极工件与阳极工具之间通以恒定的加工电压，将电解液以一定的流速持续注入阳极工具与阴极工件之间，控制通电时间，开始对所述阴极工件的待修复区域进行微增材的电化学修复；
除膜，在电化学修复完毕后，将修复后的阴极工件浸泡于除膜试剂中，除去工件表面的绝缘保护膜；
热处理，将上述除膜后的阴极工件，置于惰性气氛保护条件下，对工件修复区域表面进行热处理，得到0.2～10μm厚的预沉积修复层。
2.根据权利要求1所述的电化学微增材的表面修复方法，其特征在于，在所述基底绝缘处理前，将所述阴极工件分别浸入有机溶剂丙酮和乙醇中进行超声清洗，将待修复的阴极工件表面的油污及杂质进行清洁处理，然后用清水冲洗后进行干燥处理。
3.根据权利要求1所述的电化学微增材的表面修复方法，其特征在于，在所述基底绝缘处理中，通过扫描电镜采集所述阴极工件的待修复区域形状参数，基于所述待修复区域形状参数，采用激光光绘仪制作与非修复区域形状匹配的所述掩膜底片。
4.根据权利要求1所述的电化学微增材的表面修复方法，其特征在于，还包括配制电解液，在去离子水中加入稀盐酸、丙酸、硫酸镍、氯化镍和氨水，配制成pH值为1.0的酸性电解液，并通过恒温装置控制电解液温度保持恒温。
5.根据权利要求4所述的电化学微增材的表面修复方法，其特征在于，在所述配制电解液时，称取21份的稀盐酸、69份的丙酸、396份的硫酸镍、15份的氯化镍溶于100份的水中混合均匀搅拌，同时采用浓氨水对混合溶液的pH值进行调节，使配制的电解液pH值为1.0。
6.根据权利要求1所述的电化学微增材的表面修复方法，其特征在于，在所述安装调整的方法中，将绝缘处理后的所述阴极工件安装在旋转工作台上，将阳极工具裹上包布介质，并浸泡于电解液中，将浸泡过电解液的阳极工具安装在机床Z向主轴上，调整所述阳极工具位置，使阳极工具与阴极工件的待修复区域之间保持一定压力的接触。
7.根据权利要求6所述的电化学微增材的表面修复方法，其特征在于，所述阳极工具通过可移动工作台安装在机床Z向主轴上，所述阳极工具能够在Z向移动，同时能够在垂直于Z向主轴的平台方向进行移动。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电化学微增材的表面修复方法，其特征在于，所述阴极工件为待修复的高温合金材料的零件，所述阳极工具采用不锈钢材料，所述修复层为镍层。
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