一种基于超临界流体3D电沉积加工零部件的方法技术

本发明专利技术提供一种由基于超临界流体3D电沉积加工装置实施的加工零部件方法，装置包括二氧化碳气瓶、高压泵、数控控制器、反应器、移动阳极组件、移动阴极组件、直流电源和作为被加工零部件的阴极基体；反应器内设机械搅拌器；移动阳极组件包括Z向直线电机、驱动丝杠、阳极连接杆和移动阳极；移动阴极组件包括X向和Y向的直线电机、导轨、移动块以及夹具；使用时，移动阳极和阴极基体分别与直流电源的正负极电连接。加工方法主要包括阴极基体预先化学镀处理、安装阴极基体、制备超临界流体、电沉积加工及后处理等步骤。本发明专利技术能有效提高电沉积速度、改善沉积质量、在三维空间通过电沉积制备复杂、精密金属零部件，拓宽了电沉积技术应用领域。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为201410762856.2，申请日为2014年12月11日，专利技术创造名称为“基于超临界流体3D电沉积加工装置及方法”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及电化学沉积加工
，具体涉及一种基于超临界流体3D（三维）电沉积加工零件的装置及方法。
技术介绍
超临界环境下电沉积技术是当前国内外研究的一个热点。超临界流体（Supercritical Fluid）是指纯净物质处于临界点（临界压力和临界温度）以上时，所表现出来的一种介于液态和气态的流体。在临界点附近，超临界流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。CO2气体具有环保、 不燃、无毒、惰性、储备丰富且临界压力（7.39MPa）和温度(31.1℃)不太高等优点，因此超临界CO2流体被广泛运用。由于超临界CO2具有较低的粘度（0.03-0.1 MPa·s）和较高的扩散系数（10- 4cm2·s-1），在电沉积体系中能为传质提供良好的条件。目前超临界流体环境下制备金属基纳米复合材料与微细零件的工艺方法和装置已有所见。如授权公告号为CN 101092716B的中国专利文献公开了一种超临界流体细微电镀成型工艺及其装置，其以SCF-CO2为电镀环境进行微结构零件的成型，通过该方法所得的金属电镀层表面沉积均匀、无积瘤，且铸层组织细密平整，但所得铸层零件为预先光刻（内模）形状的零件，无法柔性制备不同类型的3D零部件；又如公布号为CN 102146573A的中国专利文献提出了一种超临界流体电铸成型制备纳米复合材料的方法，其主要是在机械搅拌辅助条件下电沉积制备金属基纳米复合材料，电场分布是固定的，从其参数设置和阴阳极设置来看，不能有效地进行对零部件在三维空间通过电沉积进行加工制备。因而，将当前十分热门的3D打印技术中三维成型和运动原理运用到超临界电沉积加工艺中，设计一种可在三维空间内对零部件进行电沉积加工制备的装置和加工方法，显得十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有技术的不足，提供一种能有效提高电沉积速度、改善沉积质量、在三维空间通过电沉积制备复杂、精密金属零部件，并能拓宽电沉积技术应用领域的基于超临界流体3D电沉积加工装置及采用该装置加工零部件的方法。本专利技术的技术方案是：本专利技术的基于超临界流体3D电沉积加工零部件的方法，由基于超临界流体3D电沉积加工装置实施，该装置包括二氧化碳气瓶、高压泵、数控控制器、反应器、直流电源和作为被加工零部件的阴极基体；上述的反应器包括本体和机械搅拌器；本体上设有进气口、排液口和加热线圈；上述的二氧化碳气瓶和高压泵用于使用时向反应器提供二氧化碳气体；其特征在于：还包括移动阳极组件和移动阴极组件；上述的移动阳极组件包括Z向直线电机、驱动丝杠、阳极连接杆和移动阳极；Z向直线电机固定安装在反应器的本体的上部；驱动丝杠与Z向直线电机传动连接；阳极连接杆与驱动丝杠固定连接；驱动丝杠内置有与之绝缘的弹性导电线圈；移动阳极阳极连接杆固定连接；移动阳极通过阳极连接杆和驱动丝杠内置的弹性导电线圈外接直流电源的正极；移动阳极组件的移动阳极由Z向直线电机通过驱动丝杠和阳极连接杆的传动，可在反应器的本体内上下往复运动；上述的移动阴极组件包括X向直线电机、X向导轨、X向移动块、Y向直线电机、Y向导轨、Y向移动块和夹具；X向直线电机固定安装在反应器的本体上；X向导轨分前后设有2根；X向导轨固定安装在反应器的本体内的下端面上；X向移动块安装在X向导轨上且在X向直线电机的驱动下可依托X向导轨左右向直线滑动；Y向直线电机固定安装在X向移动块的上端面上；Y向导轨分左右设有2根；Y向导轨固定安装在X向移动块的上端面上且Y向导轨与X向导轨垂直设置；Y向移动块66的上端面上涂覆有绝缘工程塑料；Y向移动块安装在Y向导轨上且在Y向直线电机的驱动下可依托Y向导轨前后向直线滑动；夹具的材质为耐酸、耐高压和高硬度的绝缘工程塑料；夹具设置在Y向移动块的上端面上，用于使用时夹持阴极基体；使用时，阴极基体与直流电源的负极电连接。移动阴极组件的X向直线电机和Y向直线电机以及移动阳极组件的Z向直线电机的运行均由数控控制器控制；上述的驱动丝杠的材质为不锈钢，内部中空；阳极连接杆为内置铜制框架且外履绝缘、耐酸、耐高压的工程塑料的杆体件；上述的驱动丝杠与阳极连接杆的连接处以及阳极连接杆与移动阳极的连接处均用高压密封圈进行密封；上述的移动阳极包括基体和电极；基体的材质为玻璃，基体由上圆柱体部和下圆柱体部一体组成，基体的上圆柱体部的直径小于下圆柱体部的直径，基体的上圆柱体部与阳极连接杆固定连接；电极设置在基体内且位于基体的轴心线上。采用上述的基于超临界流体3D电沉积加工装置加工零部件的方法，包括以下步骤：①阴极基体预先化学镀处理：在作为被加工零部件的阴极基体的表面镀上一层易于进行电沉积的金属；②安装阴极基体：将阴极基体通过移动阴极组件的夹具固定在Y向移动块的上端面上；调节移动阳极的上下向位置，使其不与移动阴极组件相干涉；③制备超临界流体：在反应器中加入配置好的含表面添加剂和电沉积缓释剂的二元体系电镀液；密闭后，向反应器中通入二氧化碳气体，控制反应器内的温度在35～70℃、压力在8～20MPa的范围内，形成以超临界二氧化碳乳化液为载体的三元电沉积体系；④电沉积加工：接通电源，设定电沉积参数和移动阳极相对阴极基体的位置；在数控控制器的控制以及机械搅拌器的搅拌辅助下进行电沉积以在阴极基体的外表面得到所需的电沉积层；数控控制器控制移动阳极和移动阴极组件按设定的轨迹运动；移动阳极相对于作为阴极主体的阴极基体的上下移动最大单向行程为5cm；电沉积加工过程由多个加工区间串联构成，每个加工区间分为沉积区间和抬刀区间；电沉积时间为2～5小时，每个沉积区间时长控制为30min，抬刀区间时长控制为2min；抬刀区间内，移动阴极组件静止；电沉积区间时，移动阳极的底部与阴极基体的间距控制为1cm；机械搅拌器左右向水平间歇搅拌；机械搅拌器的搅拌速率为200～500rpm；直流电源输出的电流密度为1～13 A/dm2，优选电流密度为7A/dm2；⑤电沉积加工完毕后处理：电沉积加工完毕后，通过后处理，即得到所需性能和形状的零部件。进一步的方案是：上述的步骤①中，阴极基体的表面镀上约10μm厚的均匀铜层；上述的步骤③中，含表面添加剂和电沉积缓释剂的二元体系电镀液为镍盐溶液或铜盐溶液；表面添加剂为由十二烷基类化合物和醚类化合物组成的添加剂；上述的镍盐或铜盐溶液的浓度为300～500g/L；表面添加剂的浓度为0.1～2g/L；电沉积缓释剂为浓度30g/L～60g/L的硼酸，电镀液pH值控制在2～6。进一步的方案是：上述的基体的下圆柱体部的直径为5mm；基体的下圆柱体部的下端设有倾斜角度控制在60°的向上的斜面内凹缺口或设有底部内凹的圆周面距基体的下圆柱体部的外周面1mm的弧形内凹缺口；上述的电极为直径1-2mm的不溶性的Pt丝。进一步的方案还有：上述的X向移动块和Y向移动块均为不锈钢材质的中空的方形体件；且Y向移动块的尺寸小于X向移动块的尺寸。本专利技术具有积极的效果：（1）本专利技术所采用的基于超临界流体3D电沉积加工装置，其在使用时，能有效提高电沉积速度、改善沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超临界流体3D电沉积加工零部件的方法，其特征在于：由基于超临界流体3D电沉积加工装置实施，所述的超临界流体3D电沉积加工装置包括二氧化碳气瓶（1）、高压泵（2）、数控控制器（3）、反应器（4）、移动阳极组件（5）、移动阴极组件（6）、直流电源（8）和作为被加工零部件的阴极基体（7）；所述的反应器（4）包括本体（41）和机械搅拌器（42）；本体（41）上设有进气口（41‑1）、排液口（41‑2）和加热线圈（41‑3）；所述的二氧化碳气瓶（1）和高压泵（2）用于使用时向反应器（4）提供二氧化碳气体；所述的移动阳极组件（5）包括Z向直线电机（51）、驱动丝杠（52）、阳极连接杆（53）和移动阳极（54）；Z向直线电机（51）固定安装在反应器（4）的本体（41）的上部；驱动丝杠（52）与Z向直线电机（51）传动连接；阳极连接杆（53）与驱动丝杠（52）固定连接；驱动丝杠（52）内置有与之绝缘的弹性导电线圈；移动阳极（54）与阳极连接杆（53）固定连接；移动阳极（54）通过阳极连接杆（53）和驱动丝杠（52）内置的弹性导电线圈外接直流电源（8）的正极；移动阳极组件（5）的移动阳极（54）由Z向直线电机（51）通过驱动丝杠（52）和阳极连接杆（53）的传动，可在反应器（4）的本体（41）内上下往复运动；所述的移动阴极组件（6）包括X向直线电机（61）、X向导轨（62）、X向移动块（63）、Y向直线电机（64）、Y向导轨（65）、Y向移动块（66）和夹具（67）；X向直线电机（61）固定安装在反应器（4）的本体（41）上；X向导轨（62）分前后设有2根；X向导轨（62）固定安装在反应器（4）的本体（41）内的下端面上；X向移动块（63）安装在X向导轨（62）上且在X向直线电机（61）的驱动下可依托X向导轨（62）左右向直线滑动；Y向直线电机（64）固定安装在X向移动块（63）的上端面上；Y向导轨（65）分左右设有2根；Y向导轨（65）固定安装在X向移动块（63）的上端面上且Y向导轨（65）与X向导轨（62）垂直设置；Y向移动块66的上端面上涂覆有绝缘工程塑料；Y向移动块（66）安装在Y向导轨（65）上且在Y向直线电机（64）的驱动下可依托Y向导轨（65）前后向直线滑动；夹具（67）的材质为耐酸、耐高压和高硬度的绝缘工程塑料；夹具（67）设置在Y向移动块（66）的上端面上，用于使用时夹持阴极基体（7）；使用时，阴极基体（7）与直流电源（8）的负极电连接；移动阴极组件（6）的X向直线电机（61）和Y向直线电机（64）以及移动阳极组件（5）的Z向直线电机（51）的运行均由数控控制器（3）控制；所述的驱动丝杠（52）的材质为不锈钢，内部中空；阳极连接杆（53）为内置铜制框架且外履绝缘、耐酸、耐高压的工程塑料的杆体件；所述的驱动丝杠（52）与阳极连接杆（53）的连接处以及阳极连接杆（53）与移动阳极（54）的连接处均用高压密封圈进行密封；所述的移动阳极（54）包括基体（54‑1）和电极（54‑2）；基体（54‑1）的材质为玻璃，基体（54‑1）由上圆柱体部和下圆柱体部一体组成，基体（54‑1）的上圆柱体部的直径小于下圆柱体部的直径，基体（54‑1）的上圆柱体部与阳极连接杆（53）固定连接；电极（54‑2）设置在基体（54‑1）内且位于基体（54‑1）的轴心线上；加工零部件的方法，包括以下步骤：①阴极基体预先化学镀处理：在作为被加工零部件的阴极基体（7）的表面镀上一层易于进行电沉积的金属；②安装阴极基体：将阴极基体（7）通过移动阴极组件（6）的夹具（67）固定在Y向移动块（66）的上端面上；调节移动阳极（54）的上下向位置，使其不与移动阴极组件（6）相干涉；③制备超临界流体：在反应器（4）中加入配置好的含表面添加剂和电沉积缓释剂的二元体系电镀液；密闭后，向反应器（4）中通入二氧化碳气体，控制反应器（4）内的温度在35～70℃、压力在8～20MPa的范围内，形成以超临界二氧化碳乳化液为载体的三元电沉积体系；④电沉积加工：接通电源，设定电沉积参数和移动阳极（54）相对阴极基体（7）的位置；在数控控制器（3）的控制以及机械搅拌器（42）的搅拌辅助下进行电沉积以在阴极基体（7）的外表面得到所需的电沉积层；数控控制器（3）控制移动阳极（54）和移动阴极组件（6）按设定的轨迹运动；移动阳极（54）相对于作为阴极主体的阴极基体（7）的上下移动最大单向行程为5cm；电沉积加工过程由多个加工区间串联构成，每个加工区间分为沉积区间和抬刀区间；电沉积时间为2～5小时，每个沉积区间时长控制为30min，抬刀区间时长控制为2min；抬刀区间内，移动阴极组件（6）静止；所述的电沉积区间时，移动阳极（54）的底部与阴极基体（7）的间距控制为1cm；机械搅拌器（42）左右向水...

【技术特征摘要】
1.一种基于超临界流体3D电沉积加工零部件的方法，其特征在于：由基于超临界流体3D电沉积加工装置实施，所述的超临界流体3D电沉积加工装置包括二氧化碳气瓶（1）、高压泵（2）、数控控制器（3）、反应器（4）、移动阳极组件（5）、移动阴极组件（6）、直流电源（8）和作为被加工零部件的阴极基体（7）；所述的反应器（4）包括本体（41）和机械搅拌器（42）；本体（41）上设有进气口（41-1）、排液口（41-2）和加热线圈（41-3）；所述的二氧化碳气瓶（1）和高压泵（2）用于使用时向反应器（4）提供二氧化碳气体；所述的移动阳极组件（5）包括Z向直线电机（51）、驱动丝杠（52）、阳极连接杆（53）和移动阳极（54）；Z向直线电机（51）固定安装在反应器（4）的本体（41）的上部；驱动丝杠（52）与Z向直线电机（51）传动连接；阳极连接杆（53）与驱动丝杠（52）固定连接；驱动丝杠（52）内置有与之绝缘的弹性导电线圈；移动阳极（54）与阳极连接杆（53）固定连接；移动阳极（54）通过阳极连接杆（53）和驱动丝杠（52）内置的弹性导电线圈外接直流电源（8）的正极；移动阳极组件（5）的移动阳极（54）由Z向直线电机（51）通过驱动丝杠（52）和阳极连接杆（53）的传动，可在反应器（4）的本体（41）内上下往复运动；所述的移动阴极组件（6）包括X向直线电机（61）、X向导轨（62）、X向移动块（63）、Y向直线电机（64）、Y向导轨（65）、Y向移动块（66）和夹具（67）；X向直线电机（61）固定安装在反应器（4）的本体（41）上；X向导轨（62）分前后设有2根；X向导轨（62）固定安装在反应器（4）的本体（41）内的下端面上；X向移动块（63）安装在X向导轨（62）上且在X向直线电机（61）的驱动下可依托X向导轨（62）左右向直线滑动；Y向直线电机（64）固定安装在X向移动块（63）的上端面上；Y向导轨（65）分左右设有2根；Y向导轨（65）固定安装在X向移动块（63）的上端面上且Y向导轨（65）与X向导轨（62）垂直设置；Y向移动块66的上端面上涂覆有绝缘工程塑料；Y向移动块（66）安装在Y向导轨（65）上且在Y向直线电机（64）的驱动下可依托Y向导轨（65）前后向直线滑动；夹具（67）的材质为耐酸、耐高压和高硬度的绝缘工程塑料；夹具（67）设置在Y向移动块（66）的上端面上，用于使用时夹持阴极基体（7）；使用时，阴极基体（7）与直流电源（8）的负极电连接；移动阴极组件（6...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷卫宁，钱海峰，刘维桥，李奇林，谈衡，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32