一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法
【专利摘要】本发明公开一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法。包括以下步骤：基体表面预处理；抛光处理、表面清洗、表面浸蚀处理、蒸馏水清洗干净、晾干备用；配置电解液；微粒预处理；在电沉积前先将微米级三氧化二铝或碳化硅等颗粒与电解液混合并搅拌2小时，再超声搅拌30分钟，使颗粒得到充分润湿、均匀分散，微米级三氧化二铝颗粒添加量为10?30克/升；进行数控程序设定；加工运行时，将超声波振动棒与电解液直接接触。通过微粒影响和改变电解液在阴极表面的电场再分布。通过微粒改变了沉积层晶粒的生长过程促进了晶粒细化。微粒在电沉积中产生振动、摩擦作用。本方法可使沉积表面的整平性能得到一定的改善。
【专利说明】
一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法
技术领域
[0001] 本发明公开一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法;属于先进表面工程
技术领域。
【背景技术】
[0002] 先进表面工程技术领域，电沉积技术是最有应用前景的低成本涂层制作方法之 一，具有工艺简单、操作方便、镀层种类多等优点，对于薄壁零件和损伤量较小零件的修复 具有其它技术(如堆焊、激光、喷涂等)无法比拟的优势。不过由于自身存在着一些先天不足 影响了进一步使用，边缘效应导致的枝状晶即是其中突出的一个。
[0003]边缘效应是指在复杂、不规则型面电沉积时，电场分布不均，型面或型孔等边缘处 会出现集中的电场强度，造成沉积物局部优势生长，晶粒粗大，形成树枝状沉积物一枝状晶 甚至结瘤等；而在中心处电场强度较小，沉积速度减慢，甚至没有沉积产生。上述情况造成 了沉积的不均匀性，导致沉积质量恶化。这是电沉积加工方法的遇到的一大难题。
[0004] 为了获得晶粒细化且表面光整的沉积层，现有相关技术包括：以二次加工(如机加 工)对沉积面进行整平处理(铣削或磨削）后继续沉积。该法可保证尺寸要求，缺点是延长了 生产周期，易造成沉积层分层，存在质量隐患，且不适合小尺寸或复杂零件加工;采用改善 电沉积中浓差极化和电化学极化以及强制平衡电场的方式(包括增大溶液导电能力、强制 搅拌、配置辅助阳极或辅助阴极、调节阴阳极距离等），如南京航空航天大学曾永彬、王昆等 采用基于Ansys的电化学加工辅助阴极、阳极设计;南京航空航天大学朱增伟、王桂峰等采 用的游离微珠辅助磨技术、研磨射流电沉积技术也有助于改善此问题。该法目前已趋成熟， 但多用于回转体的外壁加工，涉及平面、内壁、内孔或非规则型面则未见诸报导。
[0005] 综上所述，目前解决边缘效应的方法分为两种，一种侧重使用机械力整平（机加 工、磨粒助磨），另一种可通过改变电场分布的方法来改善、均匀化沉积速率，这需要大量的 经验数据和模拟仿真缺乏通用性。如果待修复零件的损伤部位结构较为复杂，则采用现有 的电沉积方法进行修复加工具有较大的难度。如果能在加工中在线有助于缓解该问题则具 有较好的实用价值。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种通过在电解液中添加微粒抑制枝状晶过度生长，改善沉积质量 的实验方法。该方法的核心是通过微粒发挥以下作用：1.通过微粒影响和改变电解液在阴 极表面的电场再分布;2.通过微粒改变了沉积层晶粒的生长过程促进了晶粒细化3.微粒在 电沉积中产生振动、摩擦作用。通过使微粒发挥三种作用，综合影响下可使沉积表面的整平 性能得到一定的改善。
[0007] 本发明通过以下技术方案实现，具体操作步骤如下：
[0008] 步骤1:基体表面预处理;为获得较好的结合力及平滑细致的镀层。
[0009] 抛光处理；
[0010] 表面清洗:蒸馏水清洗基体表面，后用丙酮浸泡擦洗作除油处理；
[0011] 表面浸蚀处理；
[0012] 蒸馏水清洗干净、晾干备用；
[0013] 步骤2:配置电解液；
[0014] 步骤3:微粒预处理;在电沉积前先将微米级三氧化二铝或碳化硅等颗粒与电解液 混合并搅拌2小时，再超声搅拌30分钟，使颗粒得到充分润湿、均匀分散；
[0015] 步骤4:设定数控程序；
[0016] 步骤5:加工运行时，将超声波振动棒与电解液直接接触。
[0017] 所述步骤1中表面清洗的矩形喷嘴口径lOXlmm，喷嘴与基体距离为2-10mm。
[0018] 步骤1中所述的抛光处理是先用400目金相砂纸打磨基体表面去除其氧化层，再以 800、1000目金相砂纸研磨、抛光，确保基体表面达到一定粗糙度。
[0019] 步骤1中所述的表面浸蚀处理为将基片置于10%的稀硫酸溶液浸蚀5分钟钝化处 理。
[0020] 所述步骤2中电解液的成分和和工艺参数分别为:五水硫酸铜250-300g/L，浓硫酸 50g/L，电解液温度25°C。
[0021] 所述步骤3中的微米级三氧化二铝颗粒添加量为10-30克/升。
[0022] 所述步骤3中微粒预处理的电流密度在200-500A/dm2之间，电解液流速200-300L/ h〇
[0023]电解液中的微粒与枝晶摩擦作用一部分由电解液流对阴极板的冲击实现。阴极 板一般可按常态水平放置，也可按照一定的旋转角调整，范围在0-90度之间。这是考虑到阴 极旋转角调整时，微粒与枝晶之间的相对运动情况、摩擦的效果也会发生一定的变化，因此 需要找到较好的相对位置。
[0024]所述步骤4的设定数控程序包含扫描次数、扫描距离、Z轴随动位置(调节喷嘴到基 体的距离）、喷射往复扫描时返回时控制栗是否停止喷液信息。
[0025] 所述步骤5中加工运行时，超声波振动棒与电解液直接接触的接触位置为置于电 解液罐中。
[0026] 所述步骤5中加工运行时，超声波振动棒与电解液直接接触的接触位置为固定在 射流电沉积设备的喷腔内。
[0027] 超声波对电解液中的微粒振动与摩擦起到另一部分作用。加工运行时，将超声波 振动棒与电解液直接接触，有两种位置可供选择：
[0028] ①置于电解液罐中。启动振动棒后，振动棒将产生的超声波传递到周围的电解液， 一方面使微粒作强迫运动加速微粒的扩散避免团聚，另一方面电解液在输送管道中循环流 动连续且没有被阻挡，作为传播介质会把超声波沿着管道传递到到阴极区表面。冲击到阴 极表面的电解液会含有超声波，而电解液中的微粒会在超声波振动下与枝状晶发生微观状 态下的摩擦，起到抑制枝晶效果；
[0029] ②固定在射流电沉积设备的喷腔内。流经此处的电解液会受到超声波的震荡影 响。相比位置1，超声波传递到阴极区的距离会缩短，冲击阴极表面的电解液含有的超声波 相对于位置1也具有更好的振动效果。
[0030] 本发明以微粒为核心，围绕微粒通过结合多种手段来影响沉积过程，达到抑制枝 晶生长的目的，具体包括：
[0031 ] 1)微粒本身具有不导电的性质，与电解液共同冲击到阴极上时对电力线的分布具 有均匀化的影响，使沉积电场发生了再分布，不致过于在边缘处过于密集，削弱了边缘效 应。见附图1。
[0032] 2)微粒在沉积过程中会改变晶体生长过程，增加形核率增加晶核的数量而不利于 晶粒尺寸的增大，从而起到细化晶粒的效果。
[0033 ] 3)微粒伴随着电解液对沉积区的冲击，会减弱和抑制扩散层形成，提高有效电流 密度，促进晶粒细化。
[0034] 4)微粒在超声波和液流的双重动能下对枝晶有摩擦、去除作用，客观上起到了整 平的效果。
[0035] 5)微粒不仅可抑制枝状晶，还可以与基质金属共沉积在基体表面，起到了增强相 的作用，对于沉积层的力学性能具有强化效果。
【附图说明】
[0036] 图1微粒影响阴极电场再分布的示意图。
[0037] 图2喷射电沉积基本结构及的配置超声设备的示意图。
[0038] 图3超声波在电解液中的摩擦和冲击。
【具体实施方式】
[0039] 本发明提供了以下【具体实施方式】:实施例一 ：1)基体表面预处理。为获得较好的结 合力及平滑细致的镀层，需进行以下预处理工序:①抛光处理:先用400目金相砂纸打磨基 体如不锈钢基片表面去除其氧化层，再以800、1000目金相砂纸研磨、抛光，确保基体表面达 到一定粗糙度;②表面清洗:蒸馏水清洗基体表面，后用丙酮浸泡擦洗约5分钟作除油处理。 ③表面浸蚀处理:将不锈钢基片置于10 %的稀硫酸溶液浸蚀5分钟钝化处理;④蒸馏水清洗 干净、晾干备用。
[0040] 2)配置电解液。电解液的成分和和工艺参数分别为:五水硫酸铜250-300g/L，浓硫 酸50g/L，电解液温度25°C。
[0041] 3)微粒预处理。因微粒粒径小表面活性高易团聚，因此在电沉积前先将微米级三 氧化二铝或碳化硅等颗粒与电解液混合并搅拌2小时，再超声搅拌30分钟，使颗粒得到充分 润湿、均匀分散，微米级三氧化二铝颗粒添加量为10-30克/升。
[0042] 4)工艺参数:矩形喷嘴口径10 X 1mm，喷嘴与基体距离为2-10mm，电流密度在200- 500A/dm2之间，电解液流速200-300L/h。此区间为经验参数供参考之用，可根据实际工况将 具体参数在此范围内调节、选择，如附图2所示。
[0043]电解液中的微粒与枝晶摩擦作用一部分由电解液流对阴极板的冲击实现。阴极板 一般可按常态水平放置，也可按照一定的旋转角调整，范围在0-90度之间。这是考虑到阴极 旋转角调整时，微粒与枝晶之间的相对运动情况、摩擦的效果也会发生一定的变化，因此需 要找到较好的相对位置。
[0044] 5)数控程序设定:启动数控程序，该程序中应包含扫描次数、扫描距离、Z轴随动位 置(调节喷嘴到基体的距离）、喷射往复扫描时返回时控制栗是否停止喷液等信息。这些信 息也需要根据实际情况进行调整取得最优效果。
[0045] 6)超声波对电解液中的微粒振动与摩擦起到另一部分作用。加工运行时，将超声 波振动棒与电解液直接接触，有两种位置可供选择：
[0046] ①置于电解液罐中。启动振动棒后，振动棒将产生的超声波传递到周围的电解液， 一方面使微粒作强迫运动加速微粒的扩散避免团聚，另一方面电解液在输送管道中循环流 动连续且没有被阻挡，作为传播介质会把超声波沿着管道传递到到阴极区表面。冲击到阴 极表面的电解液会含有超声波，而电解液中的微粒会在超声波振动下与枝状晶发生微观状 态下的摩擦，起到抑制枝晶效果；
[0047] ②固定在射流电沉积设备的喷腔内。流经此处的电解液会受到超声波的震荡影 响。相比位置①，超声波传递到阴极区的距离会缩短，冲击阴极表面的电解液含有的超声波 相对于位置①也具有更好的振动效果。
[0048] 通过微粒影响和改变电解液在阴极表面的电场再分布;通过微粒改变了沉积层晶 粒的生长过程促进了晶粒细化3.微粒在电沉积中产生振动、摩擦作用。通过使微粒发挥三 种作用，综合影响下可使沉积表面的整平性能得到一定的改善。
[0049] 实施例二:在试件不锈钢板lCrl8Ni9Ti尺寸为lOOmmXIOmmXImm，表面上使用电 沉积设备加工方法制备铜沉积层，其操作步骤如下：
[0050] 1)对不锈钢1 Cr 18Ni 9T i进行表面处理，依次抛光、除油、钝化、水洗、干燥。
[0051] 2)配置电解液。本实施方式中电解液的组成成分和和工艺参数分别为：
[0052] CuS〇4 · 5H20 250g/L，98%浓硫酸50g/L，电解液温度为25°C。电解液均用分析纯或 化学纯试剂加蒸馏水配制而成。
[0053] 3)电解液混入的微粒为微米三氧化二铝颗粒，粒度10微米，纯度大于99.99%。加 工前做微粒预处理。
[0054] 4)电沉积参数选择为电流密度300A/dm2,电解液流速300L/h，阴极板旋转角度为0 度，即水平放置。在电解液罐放置超声波振动棒。沉积时间为120分钟。引用不均匀度σ来描 述沉积层的不均匀性：
[0055] 式中：hmax表示沉积层的最大值，hmin表示沉积层的最小值，h av表示沉积层的平均 值。
[0056] 表1不同加工条件下沉积层高度值的统计
[0058]由上表可见，电解液混入微粒以及加入超声振动后，不均匀度减小，对沉积质量具 有改善作用。
[0059] 与目前已知方法相比，具有以下优点：
[0060] 1)微粒在射流电沉积中通过影响电场再分布和电结晶过程实现抑制枝晶提高沉 积整平性的效果，这是一种"柔"性的方式，不需要复杂的设备和附加工艺，工艺成本低，具 有简便易行的特点。
[0061] 2)微粒与喷射电沉积相结合，对于在线加工提高沉积层的表面质量具有较好的实 用价值。
[0062] 3)初步实现了对微粒的振动与摩擦方式，为今后在喷射电沉积加工领域的相关应 用提供了相关借鉴。
【主权项】
1. 一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:基体表面预处理； 抛光处理； 表面清洗:蒸馏水清洗基体表面，后用丙酮浸泡擦洗作除油处理； 表面浸蚀处理； 蒸馏水清洗干净、晾干备用； 步骤2:配置电解液； 步骤3:微粒预处理;在电沉积前先将微米级三氧化二铝或碳化硅等颗粒与电解液混合 并搅拌2小时，再超声搅拌30分钟，使颗粒得到充分润湿、均匀分散； 步骤4 :设定数控程序； 步骤5:加工运行时，将超声波振动棒与电解液直接接触。2. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，所述步骤1中表面清洗的矩形喷嘴口径lOXlmm，喷嘴与基体距离为2-10mm。3. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，步骤1中所述的抛光处理是先用400目金相砂纸打磨基体表面去除其氧化层，再以800、 1000目金相砂纸研磨、抛光。4. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，步骤1中所述的表面浸蚀处理为将基片置于10%的稀硫酸溶液浸蚀5分钟钝化处理;蒸馏 水清洗干净、晾干备用。5. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，所述步骤2中电解液的成分和和工艺参数分别为：五水硫酸铜250-300g/L，浓硫酸50g/ L，电解液温度25°C。6. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，所述步骤3中的微米级三氧化二铝颗粒添加量为10-30克/升。7. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，所述步骤3中微粒预处理的电流密度在200-500A/dm 2之间，电解液流速200-300L/h。8. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，所述步骤4的设定数控程序包含扫描次数、扫描距离、Z轴随动位置(调节喷嘴到基体的 距离）、喷射往复扫描时返回时控制栗是否停止喷液信息。9. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，所述步骤5中加工运行时，超声波振动棒与电解液直接接触的接触位置为置于电解液罐 中。10. 根据权利要求1所述的一种在喷射电沉积加工过程中改善均匀性的方法，其特征在 于，所述步骤5中加工运行时，超声波振动棒与电解液直接接触的接触位置为固定在射流电 沉积设备的喷腔内。
【文档编号】C25D5/08GK105970260SQ201610260762
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】范晖, 赵阳培, 王善奎, 李想, 田宗军, 黄因慧, 邢邦圣, 马军
【申请人】江苏师范大学