CN215050776U - 一种磁场辅助脉冲射流电沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种磁场辅助脉冲射流电沉积装置，该装置包括内设有可溶性阳极板的窄缝射流喷头、阴极基底、脉冲电沉积电源、电解液循环过滤系统、电解液温度控制单元、多轴运动平台以及与窄缝喷头长轴方向平行放置的磁场发生器。基于该装置，伴随着多轴运动平台驱动阴极工件做往复直线运动或旋转运动，位于阴极工件法向方向的窄缝射流喷头将加热至指定温度且混合均匀的电解液喷射至阴极工件表面，且喷头可以相对于阴极工件做垂直方向的直线运动，从而可以不断堆积沉积。在磁场和脉冲电流的作用下，可以提高纳米颗粒含量，高效快速制备高品质优性能的纳米复合涂层。本实用新型结构简单，沉积效率高，可以得到综合性和适用性较好的复合涂层。
Description
技术领域
本实用新型涉及表面快速成型技术，尤其是一种在外加物理场条件下的局部高速电沉积技术，具体地说是一种磁场辅助脉冲射流电沉积的系统。
背景技术
射流电沉积是一种局部高速电沉积技术，由于其特殊的流体动力学特性，兼有高的热量和物质传递速率，尤其是沉积速率快而引人注目。电沉积时，一定流量和压力的沉积液从阳极喷嘴垂直喷射到阴极基底表面，使得电沉积反应在射流与阴极基底表面冲击的区域发生。沉积液的冲击不仅对沉积层进行了机械活化，同时还有效地减少了扩散层的厚度，改善了电沉积过程，使沉积层组织相对较为致密，沉积层性能有所提高。但在沉积过程中存在晶粒较大、尖端放电及屏蔽效应等问题，这会造成沉积层组织及厚度不均匀，膜基结合力一致性差等缺陷。
针对上述问题已有相关学者提出将直流射流改为脉冲射流来使晶粒细化。文章编号为 1001-277X(2000)06-0011-03的论文从脉冲频率、占空比、电流密度等多方面探讨了对沉积层晶粒尺寸的影响。结果表明，沉积层晶粒尺寸随脉冲频率、平均电流密度的增加而减小；随着占空比的增大而增大。从而通过调整参数来有效的细化晶粒，且增多沉积层中晶粒含量。但晶粒在沉积层中的分散效果并不理想。
随着材料电磁加工领域的发展以及超导技术的成熟，通过引入外场，尤其是磁场，来对复合沉积过程进行调控已成为当前复合沉积的前沿领域。上海大学任忠鸣教授的团队曾研究了磁场辅助电沉积来进行复合沉积对沉积层组织和性能的影响。结果表明，由于金属粒子受到洛伦兹力而产生的磁流体动力学现象(MHD效应)的存在，颗粒在沉积层中规律分布，且促进颗粒的沉积。但是在沉积过程中有氢气的析出，既降低了电流分布的均匀性，又导致沉积层孔隙增多，极大地降低了沉积层的质量和性能。
因此，如何在细化晶粒且保证粒子在沉积层中的均匀分布的同时还能减少氢气的析出，成为获取高质量、高性能沉积层的过程中亟待解决的问题。
发明内容
针对电沉积纳米复合镀层中纳米颗粒含量不高，制备速度慢，表面质量差等问题，本实用新型提供了一种磁场辅助脉冲射流复合电沉积系统。将脉冲射流电沉积与磁场相结合，既能使粒子在MHD效应下在沉积层中分布均匀，又能在脉冲间距期间减小扩散层厚度，增大电流密度上限从而减少氢气析出。不仅提高了沉积效率，也对沉积层的质量和性能有很大的提高。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种磁场辅助脉冲射流电沉积装置，包括内设有可溶性阳极板的窄缝射流喷头、阴极基底、脉冲电沉积电源、电解液循环过滤系统、电解液温度控制单元、多轴运动平台和磁场发生器；窄缝射流喷头位于阴极基底法线方向，磁场发生器与窄缝射流喷头长轴方向平行放置，阳极板置于窄缝射流喷头内侧壁。
所述的窄缝射流喷头宽度为2mm，长度为24mm，高度为50mm，截面为长方形。通过仿真分析与实验验证，该结构的窄缝射流喷头沉积效率高，可获得稳定的沉积液射流，降低窄缝射流喷头出口处因表面张力引起的发散、缠绕流动等不稳定状态。
所述的可溶性阳极板为长条状，置于窄缝射流喷头内侧壁，可更换。因为长条状阳极板不影响窄缝射流喷头内部流场，还可以保证主盐浓度稳定。
所述的窄缝射流喷头位于阴极基底的法线方向，且相对于阴极基底可做垂直方向的直线运动，当进行沉积时，窄缝射流喷头与阴极基底距离在1-5mm之间可调。由于安装及固定阴极基底等问题，窄缝射流喷头需要在垂直方向进行移动，在沉积时，考虑到选择性沉积的定域性，所以窄缝射流喷头距离阴极基底最大不超过5mm。
所述的磁场发生器与窄缝射流喷头的长轴方向平行放置，距离窄缝射流喷头40mm，磁感应强度在0.3-0.9T范围内可调。
所述的窄缝射流喷头与电解液循环过滤系统相连通。
所述的多轴运动平台可驱动阴极基底做往复直线运动或旋转运动。
所述的可溶性阳极板与阴极基底分别与脉冲电沉积电源的正极和负极相连。
一种磁场辅助脉冲射流电沉积方法，包含以下步骤：
S1、对阴极基底进行预处理，包括打磨除锈、水洗、超声除油、水洗、活化、水洗；
S2、按照预定量配置沉积液，对其充分搅拌使沉积液中的纳米颗粒分散均匀，并将沉积液加热至指定温度；
S3、射流冲击1-2min，待窄缝射流喷头喷出的沉积液稳定后，将窄缝射流喷头与阴极基底之间的距离调至预定值；
S4、设定脉冲电沉积电源的脉冲间隔、电压、波形等参数；
S5、打开磁场发生器电源，并调节参数至产生设定的磁感应强度；
S6、在多轴运动平台驱动下，阴极基底相对窄缝射流喷头做直线往复运动，窄缝射流喷头在设定时间内做垂直方向的直线运动；
S7、沉积过程完成后，依次关闭磁场发生器电源、脉冲电沉积电源和电解液循环系统；
S8、水洗阴极基底并吹干，得到复合沉积层。
基于本实用新型的磁场辅助脉冲射流电沉积装置，其工作原理和实施过程如下。
打开电解液循环系统，待沉积液经窄缝射流喷头喷射稳定后，将窄缝射流喷头与阴极基底之间的距离调整至设定值。依次打开脉冲电沉积电源和磁场发生器。窄缝射流喷头和阴极基底分别按照设定轨迹进行扫描运动。在脉冲电沉积电源和磁场MHD效应共同作用下，金属离子和纳米颗粒一起沉积在阴极基底表面。随着沉积时间的增多，沉积层不断进行堆积，最终完成纳米复合涂层的制备。然后关闭磁场发生器、脉冲电沉积电源和电解液循环系统。
本实用新型的技术优势及有益效果：
(1)沉积层中纳米颗粒含量较高。现有的复合涂层制备方法主要是化学复合沉积和电镀，在沉积纳米颗粒的过程中，由于促进沉积的条件有限，沉积层中的纳米颗粒含量往往较少，采用磁场辅助脉冲射流电沉积技术，除去本身沉积反应和电场作用，脉冲和磁场的引入可以强化粒子含量，提高沉积层中纳米颗粒含量。
(2)沉积层均匀性好，平整性高。设计的窄缝射流喷头具有较好的定域性，沉积效率较高，所制备的沉积层性能较好。脉冲射流可以减小扩散层厚度且强化沉积效果；在磁场MHD 效应下粒子在沉积层中分布更加均匀，极大提高了沉积层的均匀性。
(3)可进行选择性沉积。相比于传统电沉积，射流电沉积由于窄缝射流喷头喷出的沉积液具有定域性，所以可以对大型工件局部实施快速沉积，如对磨损部位的修复及深孔盲孔内的镀覆。
附图说明
图1是脉冲射流复合电沉积系统的结构示意图。
附图标记说明如下：
1.阳极板，2.窄缝射流喷头夹具，3.窄缝射流喷头，4.脉冲电源，5.阴极基底，6.可多轴运动的工作台，7.恒温储液槽，8.变频泵，9.过滤器，10.节流阀，11.流量计，12.机械搅拌器，13.竖直导轨，14.励磁线圈，15.阳极腔，16.橡胶软管。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型所述的磁场辅助脉冲射流电沉积装置包括窄缝射流喷头3，其材质为聚丙烯，内设有长宽高为10mm×2mm×30mm的可溶性阳极板1，与脉冲电沉积电源4正极相连。窄缝射流喷头的形状为24mm×2mm的长方形，窄缝射流喷头与阴极基底5的距离为2mm。窄缝射流喷头口与阴极基底5的距离为2mm。阴极基底5为22mm×5mm×30mm的低碳钢板，位于窄缝射流喷头3的正下方且固定在可多轴运动的工作台6上，与脉冲电沉积电源4负极相连。励磁线圈14距离窄缝射流喷头3水平距离40mm，调节电流使其产生0.5T左右的磁感应强度。电解液循环过滤系统由变频泵8、过滤器9、节流阀10和流量计11组成，变频泵8为电解液提供动力并且保证窄缝射流喷头入口恒压，过滤器9对循环使用的电解液进行过滤，以免掺入杂质影响沉积，节流阀10用来调节流量，并通过流量计11实时测量流量变化来控制流量大小。电解液温度控制单元7保证电解液温度为60℃。本实例中窄缝射流喷头3在垂直方向上以及可多轴运动的工作台在水平方向上的运动和转动均由数控程序控制，以满足精度要求。本实例所用电解液配方如下：硫酸镍(25g/L)、柠檬酸钠(20g/L)、次亚磷酸钠(20g/L)、氧化铝溶胶(10ml/L)、PTFE乳液(10ml/L)、pH(4.5)、温度(60℃)。
基于上述装置和原理，一种磁场辅助脉冲射流电沉积方法的具体工作过程如下：
S1、对阴极基底5进行预处理，包括打磨除锈、水洗、超声除油、水洗、活化、水洗；
S2、按照电解液配方配置沉积液，对其充分搅拌使沉积液中的纳米颗粒分散均匀，并将沉积液加热至指定温度；
S3、打开电解液循环装置，待窄缝射流喷头3喷出的沉积液稳定后，将窄缝射流喷头3 与阴极基底5之间的距离调至2mm；
S4、设定脉冲电沉积电源4的脉冲占空比为50％、电压30V、波形为三角波形，设置沉积时间为20min；
S5、打开磁场发生器电源14，并调节参数至产生0.5T的磁感应强度；
S6、在多轴运动工作台的驱动下，阴极基底5相对窄缝射流喷头3做直线往复运动，窄缝射流喷头3在设定时间内做垂直方向的直线运动；
S7、沉积液在循环系统作用下循环使用，直至沉积完成；
S8、沉积过程完成后，依次关闭磁场发生器电源14、脉冲电沉积电源4和变频泵8；
S9、水洗阴极基底并吹干，得到复合沉积层。
所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离实用新型的实质内容下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。
Claims (3)
1.一种磁场辅助脉冲射流电沉积装置，其特征在于：包括内设有可溶性阳极板(1)的窄缝射流喷头(3)、阴极基底(5)、脉冲电沉积电源(4)、变频泵(8)、过滤器(9)、节流阀(10)、流量计(11)、电解液温度控制单元(7)、多轴运动平台(13)和磁场发生器(14)；窄缝射流喷头(3)位于阴极基底(5)法线方向，磁场发生器(14)与窄缝射流喷头(3)长轴方向平行放置，可溶性阳极板(1)置于窄缝射流喷头(3)内侧壁。
2.根据权利要求1所述的一种磁场辅助脉冲射流电沉积装置，其特征在于：所述的磁场发生器(14)与窄缝射流喷头(3)的长轴方向平行放置，且距离窄缝射流喷头40mm，磁感应强度在0.3-0.9T范围内可调。
3.根据权利要求1所述的一种磁场辅助脉冲射流电沉积装置，其特征在于：所述的可溶性阳极板(1)与阴极基底(5)分别与脉冲电沉积电源(4)的正极和负极相连，脉冲电沉积电源电流满足0-1A可调，电压满足30-50V可调。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20211207 |
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