一种电铸制备类“砖-泥”同质异构金属材料的方法技术

本发明专利技术涉及电铸加工领域，具体涉及一种电铸制备类“砖

【技术实现步骤摘要】
一种电铸制备类“砖
‑
泥”同质异构金属材料的方法


[0001]本专利技术属于电铸
，具体涉及一种电铸制备类“砖
‑
泥”同质异构金属材料的方法。

技术介绍

[0002] 强度和韧性是评价金属结构材料先进性的两个基础指标，但是这两者之间往往是此消彼长的关系，因此如何实现两者的完美匹配一直是材料领域的研究热点之一。由于材料的微观结构决定其宏观力学性能，因此在微观尺度上具有不同性能单元的金属材料，即通过在材料中构建“软”“硬”不同的部分，由软相提供韧性，硬相提供强度，即可提高材料的性能，如梯度结构、
ꢀ“
砖
‑
泥”结构等。梯度材料是指材料晶粒尺寸在一个方向上呈梯度变化。“砖
‑
泥”结构是指
ꢀ“
砖”（硬相材料）和“泥”（软相材料）交替堆叠，“砖”是材料强度的主要载体，
ꢀ“
泥”承受着较大的弹性变形，并分散机械能。因此，如果将此类结构引入到材料中，可提高材料的性能。
[0003]电铸是一种增材式精密制造技术，是基于金属离子电沉积原理，在阴极表面沉积一定厚度的金属、合金或金属基复合材料后，利用一定技术手段将其从阴极分离的过程。在制备金属材料方面，电铸有着独特的优势，通过改变溶液组成和工作条件，能使电铸层的性能在宽广的范围内变化，而且所制备的金属材料纯度高。目前，在电铸过程中改变晶粒大小主要是通过施加添加剂、使用脉冲电源或改变电流波形实现。如Qin等通过在直流电沉积中逐渐改变晶粒细化剂（糖精）的浓度，制备了从基底到表面，晶粒尺寸由586nm到22nm左右的镍镀层（Qin L, Xu J, Lian J, et al. A novel electrodeposited nanostructured Ni coating with grain size gradient distribution[J]. Surface and Coatings Technology, 2008, 203(1
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2): 142
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147.）。中国专利CN113388871A提出了一种通过改变电流波形实现晶粒大小沿表面方向梯度变化的梯度材料。但是这两种方法具有一定的局限性，要么需要借助晶粒细化剂，这样会引入外来杂质，导致材料纯度降低，要么需要借助脉冲电源或可调制电源，操作不便且成本较高，另一方面，较难制备具有两个方向梯度的材料。而“砖
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泥”结构可实现在两个方向上，材料微结构的变化，但是目前这种“砖
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泥”结构大多用于设计制造复合材料，如中国专利CN 114058920A，CN111136999A，CN108959786A等，目前鲜见有将此种“砖
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泥”结构应用在单质材料上的理论和技术方面的研究报道。
[0004]因此，本专利技术提出了一种电铸制备类“砖
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泥”结构单质异构金属材料的方法，在单质金属上引入“砖
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泥”结构，以提高材料的性能。以高硬度、高强度的纳米尺度的细晶粒为“砖”，以高韧性的微米级及以上尺度的粗晶粒为“泥”，两者结合构成“砖
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泥”结构，以此在厚度方向（法向）和沿平行于材料表面方向两个方向上，实现材料微结构的变化。本专利技术基于线阳极扫描式电铸系统，采用线状惰性阳极，配合小的极间间隙，使阴极和阳极间的电压/电流会作用在阴极表面上一个非常窄的带状区域上，且线阳极扫描式电铸过程中阴极表面的电流密度近似服从高斯分布，基于Butler
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Volmer方程，阴极处的过电位也具有类似的分布特征。根据电化学原理中的电结晶理论（见下式），阴极过电位高，晶核越容易形成，
晶核的形成速度越大，晶核的数量就越多，沉积层结晶更细致，相反，阴极过电位越小，沉积层的晶粒越粗大。而且研究（Xiao Y, Ming P, Zhang X, et al. Ultrahigh strength ultrapure nanostructured nickel metal prepared via ultrafine anode scanning electrodeposition[J]. Materials & Design, 2022, 213: 110339.）表明：相同的极间电压下，线阳极的扫描运动速度越大，阴极过电位呈越高。
[0005]其中，ω表示形核速度； K表示前因子；h为一个原子高；σ为晶核/溶液的界面张力；L为阿佛伽德罗常数；A为沉积金属的原子量；ρ为沉积金属的密度；n为金属离子的价数；F为法拉第常数；R为气体常数；T表示温度；η
c
为阴极过电位。
[0006]因此，在线阳极扫描式电铸过程中，过电位的大小同时受扫描运动速度和电流密度的影响，如能规律地协同地调控扫描速度和极间电压，则阴极面的过电位大小与分布也会对应地做周期性的改变，导致电沉积的金属晶粒分布也相应地改变。因工作时，线阳极结构是不断往复运动的，阴极面各导电区域接受的电流具有局域性和暂态性，金属在阴极表面以层层堆叠的方式实现增厚。基于此原理，本专利技术提出了沿扫描运动方向和厚度方向同时规律地改变极间电压和扫描速度的方法来电铸类“砖
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泥”结构单质异构金属材料的方法，以此来制备在厚度和沿平行于材料表面两个方向，由数百微米和数十纳米的粗晶粒层和细晶粒层交替排布的类“砖
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泥”单质异构金属材料。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种电铸制备类“砖
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泥”同质异构金属材料的方法，从而实现该种材料的简易制备。
[0008]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下。
[0009]一种电铸制备类“砖
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泥”同质异构金属材料的方法，它包括以下步骤：S1：安装并调试好线阳极扫描式电铸系统，将阳极嵌入到搅拌桨中，且阳极仅露出不大于50μm的宽度，使两者构成一个整体的线阳极结构，把阴极基底可拆卸地水平安装在电铸槽内，把线阳极结构置于阴极基底的正上方并使其下表面与阴极基底的上表面平行并相距一个恒定的间隙，将电铸电源的正极和负极分别与电铸系统的线阳极结构和阴极基底进行电气连接，把线阳极结构移到阴极基底的边缘处，再向电铸槽注入电解液直到液面高度高于线阳极结构的下表面5
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10mm，并在电解液循环过滤系统的作用下维持这一液面高度不变；S2：驱动线阳极结构自阴极基底设定的起点位置开始做直线扫描运动，并通过速度控制器调控扫描运动的速度，使线阳极结构按照慢速
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快速的方式交替运行分别为L1和L2的行程，直到线阳极结构运动到阴极基底上设定的终点位置，然后按照相同的位移和速度匹配方式返回至起点，以此完成一次周期扫描运动，同时，在慢、快扫描运动下分别给线阳极结构和阴极基底分别对应施加低电压U
低
和高电压U
高
，这样，在电场和电解液的共同作用下，阴极基底本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电铸制备类“砖
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泥”结构单质异构金属材料的方法，其特征在于：它包括按顺序实施以下步骤：S1：安装并调试好线阳极扫描式电铸系统，将阳极（4）嵌入到搅拌桨（3）中，且阳极（4）仅露出不大于50μm的宽度，使两者构成一个整体的线阳极结构（11），把阴极基底（7）可拆卸地水平安装在电铸槽（10）内，把线阳极结构（11）置于阴极基底（7）的正上方并使其下表面与阴极基底（7）的上表面平行并相距一个恒定的间隙，将电铸电源（2）的正极和负极分别与电铸系统的线阳极结构（11）和阴极基底（7）进行电气连接，把线阳极结构（11）移到阴极基底（7）的边缘处，再向电铸槽（10）注入电解液（9）直到液面高度高于线阳极结构（11）的下表面5
‑
10mm，并在电解液循环过滤系统（8）的作用下维持这一液面高度不变；S2：驱动线阳极结构（11）自阴极基底（7）设定的起点位置开始做直线扫描运动，并通过速度控制器（1）调控扫描运动的速度，使线阳极结构（11）按照慢速
‑
快速的方式交替运行分别为L1和L2的行程，直到线阳极结构（11）运动到阴极基底（7）上设定的终点位置，然后按照相同的位移和速度匹配方式返回至起点，以此完成一次周期扫描运动，同时，在慢、快扫描运动下分别给线阳极结构（11）和阴极基底（7）分别对应施加低电压U
低
和高电压U
高
，这样，在电场和电解液（9）的共同作用下，阴极基底（7）的表面上会电沉积出金属层，在快扫描速度和高电压下形成晶粒大小为纳米尺度的纳米晶金属层（6），在慢扫描速度和低电压下电沉积出晶粒大小为微米及以上尺度的粗晶金属层（5），当沉积层的厚度达到设定值时，停止扫描运动并关断电铸电源（2），并将线阳极结构（11）调整到起点位置；S3：通过速度控制器（1）改变扫描运动的速度，使线阳极结构（11）按照快速
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慢速的方式交替运行分别为L1和L2的行程，直到线阳极结构（11）运动到阴极基底（7）上设定的终点位置，然后按照相...

【专利技术属性】
技术研发人员：明平美，李士成，周洪亮，闫亮，郑兴帅，张亚赛，王建树，王文凯，曹军，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：