一種基于超臨界流體3d電沉積加工裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電化學沉積加工技術領域，具體涉及一種基于超臨界流體3D (三維)電沉積加工零件的裝置。
【背景技術】
[0002]超臨界環境下電沉積技術是當前國內外研宄的一個熱點。超臨界流體(Supercritical Fluid)是指純凈物質處于臨界點(臨界壓力和臨界溫度)以上時，所表現出來的一種介于液態和氣態的流體。在臨界點附近，超臨界流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數等所有流體的物性發生急劇變化的現象。0)2氣體具有環保、不燃、無毒、惰性、儲備豐富且臨界壓力(7.39MPa)和溫度(31.1°C )不太高等優點，因此超臨界0)2流體被廣泛運用。由于超臨界0)2具有較低的粘度(0.03-0.1 MPa.s)和較高的擴散系數(10 _4 cm2.s—1)，在電沉積體系中能為傳質提供良好的條件。目前超臨界流體環境下制備金屬基納米復合材料與微細零件的工藝方法和裝置已有所見。如授權公告號為CN 101092716B的中國專利文獻公開了一種超臨界流體細微電鍍成型工藝及其裝置，其以SCF-CO2為電鍍環境進行微結構零件的成型，通過該方法所得的金屬電鍍層表面沉積均勻、無積瘤，且鑄層組織細密平整，但所得鑄層零件為預先光刻(內模)形狀的零件，無法柔性制備不同類型的3D零部件；又如公布號為CN 102146573A的中國專利文獻提出了一種超臨界流體電鑄成型制備納米復合材料的方法，其主要是在機械攪拌輔助條件下電沉積制備金屬基納米復合材料，電場分布是固定的，從其參數設置和陰陽極設置來看，不能有效地進行對零部件在三維空間通過電沉積進行加工制備。因而，將當前十分熱門的3D打印技術中三維成型和運動原理運用到超臨界電沉積加工藝中，設計一種可在三維空間內對零部件進行電沉積加工制備的裝置和加工方法，顯得十分必要。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的是:針對現有技術的不足，提供一種能有效提高電沉積速度、改善沉積質量、在三維空間通過電沉積制備復雜、精密金屬零部件，并能拓寬電沉積技術應用領域的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置。
[0004]本實用新型的技術方案是:本實用新型的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置，包括二氧化碳氣瓶、高壓泵、數控控制器、反應器、直流電源和作為被加工零部件的陰極基體；上述的反應器包括本體和機械攪拌器；本體上設有進氣口、排液口和加熱線圈；上述的二氧化碳氣瓶和高壓泵用于使用時向反應器提供二氧化碳氣體；其特征在于:還包括移動陽極組件和移動陰極組件；
[0005]上述的移動陽極組件包括Z向直線電機、驅動絲杠、陽極連接桿和移動陽極(I向直線電機固定安裝在反應器的本體的上部；驅動絲杠與Z向直線電機傳動連接；陽極連接桿與驅動絲杠固定連接；驅動絲杠內置有與之絕緣的彈性導電線圈；移動陽極與陽極連接桿固定連接；移動陽極通過陽極連接桿和驅動絲杠內置的彈性導電線圈外接直流電源的正極；移動陽極組件的移動陽極由Z向直線電機通過驅動絲杠和陽極連接桿的傳動，可在反應器的本體內上下往復運動；
[0006]上述的移動陰極組件包括X向直線電機、X向導軌、X向移動塊、Y向直線電機、Y向導軌、Y向移動塊和夾具；x向直線電機固定安裝在反應器的本體上；x向導軌分前后設有2根；X向導軌固定安裝在反應器的本體內的下端面上；X向移動塊安裝在X向導軌上且在X向直線電機的驅動下可依托X向導軌左右向直線滑動；
[0007]Y向直線電機固定安裝在X向移動塊的上端面上；Y向導軌分左右設有2根；Y向導軌固定安裝在X向移動塊的上端面上且Y向導軌與X向導軌垂直設置；Υ向移動塊66的上端面上涂覆有絕緣工程塑料；Υ向移動塊安裝在Y向導軌上且在Y向直線電機的驅動下可依托Y向導軌前后向直線滑動；
[0008]夾具的材質為耐酸、耐高壓和高硬度的絕緣工程塑料；夾具設置在Y向移動塊的上端面上，用于使用時夾持陰極基體；使用時，陰極基體與直流電源的負極電連接。
[0009]移動陰極組件的X向直線電機和Y向直線電機以及移動陽極組件的Z向直線電機的運行均由數控控制器控制。
[0010]進一步的方案是:上述的驅動絲杠的材質為不銹鋼，內部中空；陽極連接桿為內置銅制框架且外履絕緣、耐酸、耐高壓的工程塑料的桿體件；上述的驅動絲杠與陽極連接桿的連接處以及陽極連接桿與移動陽極的連接處均用高壓密封圈進行密封。
[0011]進一步的方案是:上述的移動陽極包括基體和電極；基體的材質為玻璃，基體由上圓柱體部和下圓柱體部一體組成，基體的上圓柱體部的直徑小于下圓柱體部的直徑，基體的上圓柱體部與陽極連接桿固定連接；電極設置在基體內且位于基體的軸心線上。
[0012]進一步的方案是:上述的基體的下圓柱體部的直徑為5mm ;基體的下圓柱體部的下端設有傾斜角度控制在60°的向上的斜面內凹缺口或設有底部內凹的圓周面距基體的下圓柱體部的外周面Imm的弧形內凹缺口 ；上述的電極為直徑l_2mm的不溶性的Pt絲。
[0013]進一步的方案還有:上述的X向移動塊和Y向移動塊均為不銹鋼材質的中空的方形體件；且Y向移動塊的尺寸小于X向移動塊的尺寸。
[0014]上述的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置用于加工零部件的方法，包括以下步驟:
[0015]①陰極基體預先化學鍍處理:在作為被加工零部件的陰極基體的表面鍍上一層易于進行電沉積的金屬；
[0016]②安裝陰極基體:將陰極基體通過移動陰極組件的夾具固定在Y向移動塊的上端面上；調節移動陽極的上下向位置，使其不與移動陰極組件相干涉；
[0017]③制備超臨界流體:在反應器中加入配置好的含表面添加劑的二元體系電鍍液或者復合電鍍液；密閉后，向反應器中通入二氧化碳氣體，控制反應器內的溫度在35?70°C、壓力在8?20MPa的范圍內，形成以超臨界二氧化碳乳化液為載體的三元電沉積體系；
[0018]④電沉積加工:接通電源，設定電沉積參數和移動陽極相對陰極基體的位置；在數控控制器的控制以及機械攪拌器的攪拌輔助下進行電沉積以在陰極基體的外表面得到所需的電沉積層；
[0019]⑤電沉積加工完畢后處理:電沉積加工完畢后，通過后處理，即得到所需性能和形狀的零部件。
[0020]進一步的方案是:上述的步驟①中，陰極基體的表面鍍上約10 μ m厚的均勻銅層；上述的步驟③中，含表面添加劑的二元體系電鍍液為鎳鹽溶液或銅鹽溶液；表面添加劑為由十二烷基類化合物和醚類化合物組成的添加劑；上述的鎳鹽或銅鹽溶液的濃度為300?500g/L ;表面添加劑的濃度為0.1?2g/L ;表面添加劑為濃度30g/L?60g/L的作為電沉積緩釋劑的硼酸，電鍍液PH控制在2-6。
[0021]進一步的方案是:上述的步驟④中，數控控制器控制移動陽極和移動陰極組件按設定的軌跡運動；移動陽極相對于作為陰極主體的陰極基體的上下移動最大單向行程為5cm;電沉積加工過程由多個加工區間串聯構成，每個加工區間分為沉積區間和抬刀區間；電沉積時間為2?5小時，每個沉積區間時長控制為30min，抬刀區間時長控制為2min ;抬刀區間內，移動陰極組件靜止。
[0022]進一步的方案是:上述的電沉積區間時，移動陽極的底部與陰極基體的間距控制為 Icm0
[0023]進一步的方案還有:上述的步驟④中，機械攪拌器左右向水平間歇攪拌；機械攪拌器的攪拌速率為200?500rpm ;直流電源輸出的電流密度為I?13 A/dm2，優選電流密度為 7A/dm2。
[0024]本實用新型具有積極的效果:(I)本實用新型的基于超臨界流體3D電沉積加工裝置，其在使用時，能有效提高電沉積速度、改善沉積質量、在三維空間通過電沉積制備復雜、精密金屬零部件，并能拓寬電沉積技術應用領域。(2)本實用新型的超臨界電沉積體系中，金屬離子的傳質性比普通電沉積體系中大幾十倍甚至上百倍。這種極高的傳質速率可以迅速補充陰極