CN112126955B - 一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法及装置，涉及特种加工技术中的微细复合加工领域。本发明在加工过程中，电极内部的膛线结构高速旋转使得沉积液产生向心力从而提高定域精度，同时能够使得颗粒在沉积过程中保持悬浮状态，分散均匀性大大提高。膛线式空心旋转电极内部的膛线结构和外部的螺旋结构可以使得沉积液向上运动，形成沉积液的“自循环”系统，及时带走气泡，抑制浓差极化，提高沉积层的质量。激光辐照区域能够加快反应速率。本发明适用于定域电沉积以及高性能复合镀层的加工，可以应用于医疗、电子、航天等微细制造加工领域。

Description

一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法及 装置

技术领域

本发明涉及特种加工技术中的微细复合加工领域，尤其涉及到一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法及装置，适用于定域电沉积以及高性能复合镀层的加工。

背景技术

定域电沉积技术是一种利用阳极尖端与阴极基板之间产生的强电场来发生电化学反应的技术，可以在金属、半导体等材料的阴极基板任意位置上沉积出各种形状的结构，适用于汽车、航天、医疗等领域，但是存在精度不易控制以及有气孔、凸起等缺陷的问题。因此，在电沉积系统中引入复合能场是一种有效的解决办法。激光加工是一种非接触式的加工方法，具有能量密度高、效率高、柔性好等优点，在电沉积系统中引入激光辐照，利用激光热作用能够增加阴极电极电位，提高极限电流密度，从而实现激光辐照引导的定域沉积。

含有纳米颗粒的复合镀层相比于单一镀层具有更好的耐磨性、耐蚀性等性能，具有良好的发展应用前景，但是在复合沉积液的前期准备中需要将颗粒在沉积液中均匀分散，在沉积过程中液必须搅拌才能保持颗粒的悬浮状态。粒子团聚会降低镀层性能，如何有效避免沉积过程中颗粒团聚是复合沉积的关键问题。

关于定域电沉积技术国内外学者已经进行了一定的研究。中国专利“一种金属三维增材制造装置与方法”，中国专利公开号CN108103541A提出：利用成膜喷头在阴极基底上堆积出两列膜层，射流喷头将电解液喷射至阴极基底表面的两列膜层中间区域，定域电沉积出金属层，通过提升喷头的高度，不断叠加堆积膜层和金属层，实现三维金属构件的增材制造。该发明操作较为繁琐，且膜层去除时影响材料表面质量，沉积复杂形状表面成型精度低。

关于复合沉积过程中颗粒易团聚的问题，国内外学者已经进行了初步的研究。中国专利“一种采用磁场辅助复合电镀的方法”，中国专利公开号CN105568348A提出：采用磁场辅助复合电镀的方法，将核壳结构的磁性三氧化二铁微粒超声分散在电镀液中；在外加磁场的作用下，将分散在镀液中的核壳结构磁性微粒吸附在阴极表面；将电流通过电镀体系，吸附在阴极的核壳结构磁性微粒随沉积金属层厚度增加，逐步复合到金属镀层中，形成复合镀层。该方法中核壳结构的磁性微粒制作难度很大，并且有一定的应用局限性。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法。在加工过程中，利用匀速旋转的膛线式空心旋转电极产生向心力，提高定域沉积精度，同时能够使得纳米颗粒保持悬浮状态，分散均匀性提高，并形成溶液的“自循环”，抑制浓差极化，提高沉积层的质量。

本发明还提供了一种膛线式空心旋转电极的激光电化学沉积的装置，利用该装置可以实现上述方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法，包括以下步骤：膛线式空心旋转电极、阴极基板置于工作槽中，且分别与电化学电源的正极与负极相连；激光中心穿过膛线式空心旋转电极并聚焦到阴极基板上；膛线式空心旋转电极匀速旋转，电沉积液在膛线式空心旋转电极内旋转并产生一定的向心力，使得沉积精度提高、定域性加强。

进一步的，电沉积液内含有纳米颗粒。

进一步的，所述膛线式空心旋转电极为不溶性空心阳极管，耐高温、抗酸碱且外部绝缘。

一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置，包括激光加工系统、电化学加工系统和控制系统；其中，激光加工系统包括脉冲激光器、反射镜和聚焦透镜；所述反射镜置于脉冲激光器水平方向，所述聚焦透镜置于反射镜正下方；激光与膛线式空心旋转电极圆心对齐并聚焦到工件上表面；所述电化学加工系统包括电化学电源、膛线式空心旋转电极和阴极基板；所述电化学电源的正极与膛线式空心旋转电极相连，负极与阴极基板相连；所述膛线式空心旋转电极位于阴极基板正上方且保持一定的起始间隙；所述控制系统包括计算机、控制柜、X-Y-Z工作台和数控平台；所述计算机通过连接端口与控制柜和脉冲激光器相连接；所述控制柜与数控平台以及X-Y-Z工作台相连接。

进一步的，所述膛线式空心旋转电极内部为膛线式结构，外部为螺旋式结构，且膛线式结构与螺旋式结构的螺旋方向相反。

进一步的，所述膛线式空心旋转电极与阴极基板之间的起始间隙为20μm~30μm。

进一步的，所述膛线式空心旋转电极上开设有方孔，电沉积液可通过方孔进入膛线式空心旋转电极内部。

进一步的，膛线式空心旋转电极旋转速度500r/min~1000r/min。

进一步的，所述脉冲激光器形成的激光直径小于膛线式空心旋转电极内径；脉冲激光器波长为1064nm，频率为1Hz~100Hz，单脉冲能量为100mJ~200mJ。

进一步的，所述电化学电源为脉冲电源，电压0~20V，频率1kHz~2MHz，占空比0~100%。

本发明的技术优势和有益效果：

1. 膛线式空心旋转电极在加工过程中匀速旋转使得沉积液产生向心力从而提高定域精度。

2. 膛线式空心旋转电极内部的膛线结构能够使得颗粒在沉积过程中保持悬浮状态，分散均匀性大大提高，省去复合沉积液的制备时间，并大大提高沉积效率。

3. 膛线式空心旋转电极内部的膛线结构和外部的螺旋结结构相反可以使得沉积液形成“自循环”系统，及时带走气泡，抑制浓差极化，提高沉积层的质量。

4. 激光照射可以提高加工区域反应速率，形成的微区搅拌也可以抑制浓差极化，排除气泡并提高沉积的均匀性，从而提高沉积层质量。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置结构示意图；

图2a为膛线式空心旋转电极的结构侧视图；

图2b为膛线式空心旋转电极的结构剖视图；

图2c为膛线式空心旋转电极的结构俯视图。

附图标记：1-计算机；2-控制柜；3-电化学电源；4-X-Y-Z工作台；5-工作槽；6-阴极基板；7-膛线式空心旋转电极；8-专用夹头；9-聚焦透镜；10-反射镜；11-脉冲激光器；12-数控平台。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合附图1所示，一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置，包括激光调制系统、电化学加工系统和控制系统；所述激光加工系统包括脉冲激光器11、反射镜10和聚焦透镜9。所述反射镜10置于脉冲激光器11水平方向，所述聚焦透镜9置于反射镜10正下方；激光中心与膛线式空心旋转电极7圆心对齐，通过内部后聚焦到工件上表面；

所述电化学加工系统包括电化学电源3、膛线式空心旋转电极7和阴极基板6；所述电化学电源3的正极与膛线式空心旋转电极7相连，负极与阴极基板6相连；所述膛线式空心旋转电极7位于阴极基板6正上方且保持一定的起始间隙；膛线式空心旋转电极7与阴极基板6之间的起始间隙为20μm~30μm。

其中，起始间隙为膛线式空心旋转电极7位于阴极基板6之间最初的间隙，随着沉积高度的增加，沉积过程中的膛线式空心旋转电极7位于阴极基板6上沉积高度之间的间隙会变小，因此，根据加工沉积层的厚度需要通过数控平台12来保持膛线式空心旋转电极7与阴极基板6的间隙大小，即膛线式空心旋转电极7与阴极基板6之间存在间隙，从而确保加工后的沉积层与膛线式空心旋转电极7不接触。

所述控制系统包括计算机1、控制柜2、X-Y-Z工作台4和数控平台12；所述计算机1通过连接端口与控制柜2和脉冲激光器11相连接；所述控制柜2与数控平台12以及X-Y-Z工作台4相连接。

其中所述膛线式空心旋转电极7为不溶性阳极管，耐高温、抗酸碱且外部绝缘，与阴极基板6的加工起始间隙为20μm~30μm，内部为膛线式结构，外部为螺旋式结构，内径2mm~5mm，外部开有能够使得沉积液进入电极内部的方孔，加工时旋转速度500r/min~1000r/min，速度稳定；所述脉冲激光器11波长为1064nm，频率为1Hz~100Hz，单脉冲能量为100mJ~200mJ，形成激光直径小于膛线式空心旋转电极7内径；所述电化学电源3为脉冲电源，电压0~20V，频率1kHz~2MHz，占空比0~100%。

本发明在加工过程中，电极内部的膛线结构高速旋转使得沉积液产生向心力从而提高定域精度，同时能够使得颗粒在沉积过程中保持悬浮状态，分散均匀性大大提高。膛线式空心旋转电极内部的膛线结构和外部的螺旋结构可以使得沉积液向上运动，形成沉积液的“自循环”系统，及时带走气泡，抑制浓差极化，提高沉积层的质量。 激光照射可以提高加工区域反应速率，形成的微区搅拌也可以抑制浓差极化，排除气泡并提高沉积的均匀性，从而提高沉积层质量。本发明适用于定域电沉积以及高性能复合镀层的加工，可以应用于医疗、电子、航天等微细制造加工领域。

膛线式空心旋转电极7的结构示意图。膛线式空心旋转电极7的外部为开有方孔的螺旋结构，如图2a所示。内部为与外部螺旋方向相反的膛线结构，如图2b所示。如图2c的膛线式空心旋转电极7俯视图所示，沉积液会在电极内部与电极外部周围的运动方向相反。

一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法，包括以下步骤：基材预处理：阴极基板6经过打磨、抛光、超声清洗等预处理后，放入工作槽5中；确定加工位置。利用专用夹头8夹住膛线式空心旋转电极7，调节数控平台12使其位于离阴极基板6一定起始间隙的加工位置；激光聚焦：调节激光加工系统使激光中心与膛线式空心旋转电极7圆心对齐并聚焦到阴极基板6表面；电极旋转：倒入沉积液后，使得沉积液浸没膛线式空心旋转电极7外部的方孔，并使电极保持稳定匀速旋转；开始加工：膛线式空心旋转电极7匀速旋转时，由于电极内部膛线结构的作用，沉积液向下挤压时会产生一定的向心力，使得沉积的精度提高、定域性加强， 激光照射可以提高加工区域反应速率，形成的微区搅拌也可以抑制浓差极化，排除气泡并提高沉积的均匀性，从而提高沉积层质量；当沉积液中含有如纳米颗粒等物质时，沉积液在膛线式空心旋转电极7中会匀速旋转，能够减少团聚现象，使得纳米颗粒的分散均匀性大大提高；当膛线式空心旋转电极7匀速旋转时，电极外部周围的沉积液会向上提升，从而形成了沉积液“自循环”系统，能够抑制浓差极化，提高沉积层质量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法，其特征在于，包括以下步骤：

膛线式空心旋转电极（7）、阴极基板（6）置于工作槽（5）中，且分别与电化学电源（3）的正极与负极相连；

激光中心穿过膛线式空心旋转电极（7）并聚焦到阴极基板（6）上；

膛线式空心旋转电极（7）匀速旋转，电沉积液在膛线式空心旋转电极（7）内旋转并产生一定的向心力，使得沉积精度提高、定域性加强；所述膛线式空心旋转电极（7）内部为膛线式结构，外部为螺旋式结构，且膛线式结构与螺旋式结构的螺旋方向相反。

2.根据权利要求1所述的膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法，其特征在于，电沉积液内含有纳米颗粒。

3.根据权利要求1所述的膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的方法，其特征在于，所述膛线式空心旋转电极（7）为不溶性空心阳极管，耐高温、抗酸碱且外部绝缘。

4.一种膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置，其特征在于，包括激光加工系统、电化学加工系统和控制系统；

其中，激光加工系统包括脉冲激光器（11）、反射镜（10）和聚焦透镜（9）；所述反射镜（10 ）置于脉冲激光器（11）水平方向，所述聚焦透镜（9）置于反射镜（10 ）正下方；激光与膛线式空心旋转电极（7）圆心对齐并聚焦到工件上表面；

所述电化学加工系统包括电化学电源（3）、膛线式空心旋转电极（7）和阴极基板（6）；所述电化学电源（3）的正极与膛线式空心旋转电极（7）相连，负极与阴极基板（6）相连；所述膛线式空心旋转电极（7）位于阴极基板（6）正上方且保持一定的起始间隙；

所述控制系统包括计算机（1）、控制柜（2）、X-Y-Z工作台（4）和数控平台（12）；所述计算机（1）通过连接端口与控制柜（2）和脉冲激光器（11）相连接；所述控制柜（2）与数控平台（12）以及X-Y-Z工作台（4）相连接；所述膛线式空心旋转电极（7）内部为膛线式结构，外部为螺旋式结构，且膛线式结构与螺旋式结构的螺旋方向相反。

5.根据权利要求4所述的膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置，其特征在于，所述膛线式空心旋转电极（7）与阴极基板（6）之间的起始间隙为20μm~30μm。

6.根据权利要求4所述的膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置，其特征在于，所述膛线式空心旋转电极（7）上开设有方孔，电沉积液可通过方孔进入膛线式空心旋转电极（7）内部。

7.根据权利要求4所述的膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置，其特征在于，膛线式空心旋转电极（7）旋转速度500r/min~1000r/min。

8.根据权利要求4所述的膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置，其特征在于，所述脉冲激光器（11）形成的激光直径小于膛线式空心旋转电极（7）内径；脉冲激光器（11）波长为1064nm，频率为1Hz~100Hz，单脉冲能量为100mJ~200mJ。

9.根据权利要求4所述的膛线式空心旋转电极的激光电化学复合沉积的装置，其特征在于，所述电化学电源（3）为脉冲电源，电压0~20V，频率1kHz~2MHz，占空比0~100%。

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