CN112391656B - 一种基于激光与电化学沉积交互处理钛合金增材制造铜的方法 - Google Patents

一种基于激光与电化学沉积交互处理钛合金增材制造铜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光与电化学沉积交互处理钛合金增材制造铜的方法，该方法首先在钛合金表面沉积铜前，先通过激光处理在钛合金表面形成熔凝层，再对其进行铜沉积；继而对沉积有铜的试样进行激光处理，获得钛/铜元素共存的中间层，再在该层表面继续以相同的工艺电沉积铜，获得第二层铜沉积层，继续对所得沉积层进行激光处理后再沉积，如此激光与电沉积交互处理，在钛合金表面获得铜沉积层；本发明采用绿色环保的激光熔凝方法处理待沉积钛合金基体表面，代替了传统化学预处理方法；激光与电沉积的交互处理，解决了传统电沉积无法无限沉积的缺陷，不仅提高了沉积层质量，也提高了基材与沉积层的结合力。

Description

一种基于激光与电化学沉积交互处理钛合金增材制造铜的 方法
技术领域
本发明涉及电沉积加工方法技术领域，具体涉及一种基于激光与电化学沉积交互处理钛合金增材制造铜的方法。
背景技术
铜具有熔点高、塑性好的特点，应用在金属材料表面可以大大降低摩擦系数，减小摩擦力，对改善金属材料表面的摩擦磨损性能具有良好的效果，尤其是对于螺纹表面，具有很好的抗粘扣作用，目前，石油管的螺纹大都采用镀铜来改善其耐磨性和抗粘扣性。钛合金强度高，耐蚀性好，是用作极端苛刻条件下高强度结构材料的很好选材，尤其是超深油气井高温、高压和强腐蚀环境，钛合金是用作高耐腐蚀油管较好的选材，但是钛合金材料粘性大、耐磨性差，由于钛合金表面镀铜技术难以实现，成为钛合金用作油管材料的技术瓶颈。
近年来，设计钛合金表面沉积铜的技术研究甚少，其主要存在以下问题：(1)钛元素化学活性大，表面易产生氧化，因此在钛合金表面践行电沉积或化学镀很难实现；(2)沉积层与基体表面结合力差，沉积存在极限值，沉积层质量难以满足应用的技术要求；(3)现有公开的钛合金表面沉积铜的方法，主要包括除油、活化、氢化、预镀镍、氰化沉积铜等工序，其活化处理工序或者氢化处理工序通常采用含有氟硼酸、氢氟酸或浓度较高的强腐蚀性酸溶液对钛合金表面进行浸蚀处理，以达到活化钛合金表面提高电沉积结合力的目的，该方法所用物质对人体危害大，易造成严重的环境污染。
激光与电化学沉积交互处理钛合金增材制造铜的方法，用激光处理代替了传统前处理方法，使得钛合金能在激光处理下直接在表面进行铜沉积；另一方面，激光与电化学沉积的交互进行，解决了传统沉积存在的沉积极限的问题，同时提高了沉积层的结合力，使得沉积晶粒细化，沉积层更为致密，改善了沉积质量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光与电化学沉积交互处理钛合金增材制造铜的方法，该方法在对钛合金基体电沉积前，采用绿色环保的激光熔凝方法作用于待沉积基体表面，代替了传统的化学前处理方法，且激光与电沉积的交互处理，解决了传统电化学沉积无法无限沉积的缺陷，两者结合，不仅提高了沉积层质量，也提高了钛合金基材与铜沉积层的结合力。同时，该方法解决了传统钛合金电沉积铜前处理工艺中存在的步骤复杂繁琐、环境污染大、危害人体健康、沉积层结合力差等缺点。
本发明的技术方案如下：
一种激光与电化学沉积交互处理钛合金表面增材制造铜的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)对钛合金基体进行表面打磨，清洗，自然风干；
所述钛合金基体为TC4钛合金；
优选依次采用240#、400#、800#、1000#、1200#砂纸对钛合金基体进行表面打磨；
(2)通过1500W振镜激光器在气氛保护装置内激光熔凝处理待沉积钛合金基体表面，以除去其表面的氧化膜(该表面熔凝层能够提高基体与沉积层的结合力，提高沉积层质量)；
所述激光熔凝处理的条件为：光斑垂直照射到基体表面，作用点始终处于光斑焦点位置，设定激光器焦距为517mm，激光功率为300～500W，扫描速度为300～400mm/s，扫描方式为单向扫描，线间距为0.04～0.07mm；所述气氛保护装置内所通气体为氩气；
(3)将电化学工作站的工作电极连接激光熔凝处理后的基体试样，辅助电极与参比电极连接铜块，将试样和铜块放入电沉积液中进行电化学沉积，在试样表面获得铜沉积层；
所述电化学沉积的条件为：电化学工作站为电沉积提供恒电流，电流大小为0.05～0.07A，沉积温度为25～40℃，沉积时间为10～20min；
所述电沉积液由CuSO4·5H2O和浓硫酸(H2SO4质量分数98％)溶于去离子水中得到，其中CuSO4·5H2O含量180～230g/L，浓硫酸含量60～80mL/L；
所述铜块为纯铜；
(4)将沉积有铜的试样继续采用1500W振镜激光器在气氛保护装置内进行激光处理，在试样表面获得钛/铜元素共存的中间层；
所述激光处理的操作条件与步骤(2)中相同；
(5)将获得有中间层的试样进行电化学沉积，继续沉积铜层；
所述电化学沉积的操作条件与步骤(3)中相同；
(6)继续重复步骤(4)～(5)的操作(优选重复次数为一次)，采用激光与电化学沉积交互进行的方式在钛合金基体上沉积铜层，实现钛合金表面增材制造铜，将最终所得试样用流动水冲洗至表面无沉积液，再用酒精清洗，烘干，即得成品。
本发明具有以下有益效果及优点：
(1)本发明提供了一种钛合金表面无氰、且无需化学活化前处理电沉积铜的工艺方法，一方面避免了传统钛合金电沉积铜工艺引入剧毒物质氰化物，以及活化处理所需的氢氟酸、硝酸等有毒有害性物质，造成人体危害的问题，另一方面避免了氰化物沉积铜或酸性物质活化前处理沉积铜易造成的严重环境污染的风险；本发明与传统钛合金表面电沉积铜工艺方法相比整体工艺步骤简单，只需要经过激光机体表面熔凝处理就可以直接在基体表面进行电沉积。
(2)本发明与传统的电沉积工艺方法相比，解决了传统电沉积无法实现在基体表面无限沉积的问题，采用激光与电化学沉积交互进行的方法，在不改变基体与沉积产物物质形态的情况下，激光对基体与沉积层的作用为后续沉积提供了新的沉积界面，从而能在钛合金表面实现无限沉积铜沉积层。
(3)可获得结合力好、沉积均匀致密的铜沉积层，并且具有工艺简单、操作方便、效率高、成本低廉、易于实现等优点。
附图说明
图1为本发明操作流程图。
图2为激光熔凝处理示意图及式样图。
图3为交互实验所得沉积层激光处理后的表面图以及继续电沉积所得的铜沉积试样图。
图4为交互试验所得沉积层以及化学处理沉积相同时间的沉积层的表面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明提供一种激光与电化学沉积交互处理钛合金增材制造铜的方法，具体过程如下(图1)：
(1)将钛合金基板切成直径为14mm的圆，依次用240#、400#、800#、1000#、1200#的砂纸进行表面打磨，然后用超声波清洗仪清洗20min后自然风干。
(2)通过1500W振镜激光器在气氛保护装置内激光熔凝处理待沉积金属基体表面，以除去其表面的氧化膜，该表面熔凝层能够提高基体与沉积层的结合力，提高沉积层质量；
(3)将电化学工作站的工作电极连接激光熔凝处理的基体试样，辅助电极与参比电极连接铜块，将两者放入电解液中，进行电化学沉积，获得铜沉积层；
(4)将沉积有铜的试样继续采用1500W振镜激光器在气氛保护装置内进行激光处理，在表面获得钛/铜元素共存的中间层；
(5)将获得有中间层的试样按(3)中相同步骤进行电化学沉积实验，继续沉积铜层；
(6)继续重复步骤(4)～(5)的操作一次，采用激光与电化学沉积交互进行的方式在钛合金基体上沉积铜层；
(7)将所得试样通流动水冲至表面无沉积液，然后再用酒精清洗烘干至表面干燥。
进一步，步骤(2)中设定激光器焦距为517mm，激光功率为500W，扫描速度为300mm/s，扫描方式为单向扫描，线间距为0.04mm。
进一步，步骤(3)、(5)以及后续电沉积过程中，电化学工作站为电沉积提供恒电流，电流大小为0.07A，沉积温度为40℃，每次沉积时间为10min。
进一步，电沉积液是将CuSO4·5H2O和浓硫酸(H2SO4质量分数98％)溶于去离子水中，含量分别为CuSO4·5H2O 225g/L，浓硫酸65mL/L。
进一步，步骤(4)及后续激光处理过程中设定激光器焦距为517mm，激光功率为500W，扫描速度为300mm/s，扫描方式为单向扫描，线间距为0.05mm。
实施例1：
用1500W振镜激光器对打磨后的钛合金基体试样进行激光熔凝处理，设定激光器焦距为517mm，激光功率为500W，扫描速度为300mm/s，扫描方式为单向扫描，线间距为0.04mm，形成表面具有一定纹理的熔凝层，如图2所示。将获得的试样在电沉积系统中沉积10min获得第一层铜沉积层，再将沉积有铜的试样进行激光处理，激光扫描线间距为0.05mm/s，其余与第一次激光处理参数相同，获得第一个Ti/Cu中间层；将获得的试样在进行10min的电沉积后再激光处理，激光处理参数与第二次数据相同；将试样进行第三次沉积，沉积时间为10min，获得沉积试样，总计沉积三次时间为30min。
对比例1：
与实施例1不同之处在于：对钛合金基体采用化学前处理的方法，将打磨过的钛合金基体放入活化溶液中(HF:50mL/L，HNO3:175mL/L)一分钟，进行活化处理，再对钛合金基体进行电沉积。将电化学工作站的工作电极连接化学前处理的基体试样，辅助电极与参比电极连接铜块，放入电解液中，设置沉积电流为0.07A，沉积时间为30min。
沉积层微观形貌测试：
从实施例1与对比例1的微观形貌图4可以看出，本实施例未出现对比例中表面微裂纹及团聚较严重的现象，所得沉积层表面沉积晶粒细化，沉积更为平整致密。实验结果说明，激光电沉积交互处理钛合金表面沉积铜具有更好的沉积质量。

Claims (5)

1.一种激光与电化学沉积交互处理钛合金表面增材制造铜的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)对钛合金基体进行表面打磨，清洗，自然风干；
(2)通过1500W振镜激光器在气氛保护装置内激光熔凝处理待沉积钛合金基体表面，以除去其表面的氧化膜；
所述激光熔凝处理的条件为：光斑垂直照射到基体表面，作用点始终处于光斑焦点位置，设定激光器焦距为517mm，激光功率为300～500W，扫描速度为300～400mm/s，扫描方式为单向扫描，线间距为0.04～0.07mm；所述气氛保护装置内所通气体为氩气；
(3)将电化学工作站的工作电极连接激光熔凝处理后的基体试样，辅助电极与参比电极连接铜块，将试样和铜块放入电沉积液中进行电化学沉积，在试样表面获得铜沉积层；
所述电化学沉积的条件为：电化学工作站为电沉积提供恒电流，电流大小为0.05～0.07A，沉积温度为25～40℃，沉积时间为10～20min；
所述电沉积液由CuSO4·5H2O和浓硫酸溶于去离子水中得到，其中CuSO4·5H2O含量180～230g/L，浓硫酸含量60～80mL/L；
(4)将沉积有铜的试样继续采用1500W振镜激光器在气氛保护装置内进行激光处理，在试样表面获得钛/铜元素共存的中间层；
所述激光处理的操作条件与步骤(2)中相同；
(5)将获得有中间层的试样进行电化学沉积，继续沉积铜层；
所述电化学沉积的操作条件与步骤(3)中相同；
(6)继续重复步骤(4)～(5)的操作，采用激光与电化学沉积交互进行的方式在钛合金基体上沉积铜层，实现钛合金表面增材制造铜，将最终所得试样用流动水冲洗至表面无沉积液，再用酒精清洗，烘干，即得成品。
2.如权利要求1所述激光与电化学沉积交互处理钛合金表面增材制造铜的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钛合金基体为TC4钛合金。
3.如权利要求1所述激光与电化学沉积交互处理钛合金表面增材制造铜的方法，其特征在于，步骤(1)中，依次采用240#、400#、800#、1000#、1200#砂纸对钛合金基体进行表面打磨。
4.如权利要求1所述激光与电化学沉积交互处理钛合金表面增材制造铜的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述铜块为纯铜。
5.如权利要求1所述激光与电化学沉积交互处理钛合金表面增材制造铜的方法，其特征在于，步骤(6)中，重复步骤(4)～(5)的操作一次。
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Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980037571

Denomination of invention: A Method for Manufacturing Copper from Titanium Alloy Additives Based on Interactive Treatment of Laser and Electrochemical Deposition

Granted publication date: 20220211

License type: Common License

Record date: 20230706