基于超临界流体3D电沉积加工装置

摘要

本发明提供一种基于超临界流体3D电沉积加工装置，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。使用该装置的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。

权利要求

1.一种基于超临界流体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）、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；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；

其特征在于：还包括移动阴极组件（6）；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；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；

所述的基体（54-1）的下圆柱体部的直径为5mm；基体（54-1）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（54-3）或设有底部内凹的圆周面距基体（54-1）的下圆柱体部的外周面1mm的弧形内凹缺口（54-4）；所述的电极（54-2）为直径1-2mm的不溶性的Pt丝；

所述的X向移动块（63）和Y向移动块（66）均为不锈钢材质的中空的方形体件；且Y向移动块（66）的尺寸小于X向移动块（63）的尺寸。

说明书

基于超临界流体3D电沉积加工装置

[0001] 本申请是申请号为201410762856.2，申请日为2014年12月11日，发明创造名称为“基于超临界流体3D电沉积加工装置及方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及电化学沉积加工技术领域，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。

背景技术

[0003] 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- 4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  cm2·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。

发明内容

[0004] 本发明的目的是：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电沉积加工装置及方法。

[0005] 本发明的技术方案是：本发明的基于超临界流体3D电沉积加工装置，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；

[0006] 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；

[0007] 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；

[0008] 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；

[0009] 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。

[0010] 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；

[0011] 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；

[0012] 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；

[0013] 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；

[0014] 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。

[0015] 上述的基于超临界流体3D电沉积加工装置用于加工零部件的方法，包括以下步骤：

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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或者复合电镀液；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；

[0019] 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；

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 进一步的方案是：上述的步骤④中，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。

[0023] 进一步的方案是：上述的电沉积区间时，移动阳极的底部与阴极基体的间距控制为1cm。

[0024] 进一步的方案还有：上述的步骤④中，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。

[0025] 本发明具有积极的效果：（1）本发明的的基于超临界流体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。（2）本发明的超临界电沉积体系中，金属离子的传质性比普通电沉积体系中大几十倍甚至上百倍。这种极高的传质速率可以迅速补充阴极表面的金属离子，有效地降低了浓差极化，所以可以用高于普通电沉积的电流密度进行电沉积，从而克服了传统电沉积方法存在的加工时间长的问题。同时超临界流体具有极好的混溶性，可以有效吸收阴极表面产生的氢气，避免沉积件表面和内部出现缺陷。（3）本发明可在非平整的基体零件表面上进行不间断地3D电沉积。（4）本发明可以根据所沉积零件形状要求，通过数字化编程设定移动阳极和移动阴极组件的移动轨迹以及加工区间的时长，有效控制电沉积层的形位精度和沉积层质量，不需要传统电铸复杂的阴极母模。（5）本发明的电沉积移动阳极的电极相当于一个点，在移动阳极的玻璃基体的约束下，不同位置时，对应阴极基体表面区域的电场强度和电流密度都是近乎相等的，从而改善阴极基体表面的电场分布，提高电沉积层质量。

附图说明

[0026] 图1为本发明的基于超临界流体3D电沉积加工装置的结构示意图；

[0027] 图2为图1中的移动阴极组件的平面结构示意图；

[0028] 图3为图1中的移动阳极的一种结构示意图，其为沿移动阳极的中轴线上下向的剖视图；

[0029] 图4为图1中的移动阳极的另一种结构示意图，其为沿移动阳极的中轴线上下向的剖视图。

[0030] 上述附图中的附图标记如下：

[0031] 二氧化碳气瓶1；

[0032] 高压泵2；

[0033] 数控控制器3；

[0034] 反应器4，本体41，进气口41-1，排液口41-2，加热线圈41-3，机械搅拌器42；

[0035] 移动阳极组件5， Z向直线电机51、驱动丝杠52，阳极连接杆53，移动阳极54，基体54-1，电极54-2，斜面内凹缺口54-3，弧形内凹缺口54-4；

[0036] 移动阴极组件6，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，夹具67；

[0037] 阴极基体7；

[0038] 直流电源8。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0040] （实施例1）

[0041] 本实施例在进行方向描述时，以图1左右方向为X向，以图1所朝方向的背面为Y向，以图1的上下向为Z向。

[0042] 见图1至图4，本实施例的基于超临界流体3D电沉积加工装置，主要由二氧化碳气瓶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和阴极基体7组成。

[0043] 二氧化碳气瓶1用于存储制备超临界流体用的CO2气体；高压泵2用于需要时向反应器4中抽压CO2气体。

[0044] 数控控制器3为现有数控技术的控制控制器，数控器3用于电沉积加工时，控制移动阳极组件5和移动阴极组件6按照预先设定的轨迹进行运动。

[0045] 反应器4主要由本体41和机械搅拌器42组成。本体41上设有进气口41-1、排液口41-2和加热线圈41-3。进气口41-1用于通过高压泵2输入CO2气体；排液口41-2用于将使用完毕后的超临界流体电铸溶液导入气液分离器中，分离的二氧化碳气体和电铸溶液分别回收到回收装置中循环利用；加热线圈41-3用于控制反应器4内超临界流体电铸溶液的温度。
机械搅拌器42设置在本体41内；机械搅拌器42采用水平向间歇搅拌方式工作，搅拌速率为
200～500rpm，以改善电铸过程中的均匀性和一致性。

[0046] 移动阳极组件5主要由Z向直线电机51、驱动丝杠52，阳极连接杆53和移动阳极54组成。

[0047] 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的材质为不锈钢，内部中空，驱动丝杠52内置有与之绝缘的弹性导电线圈，用于将移动阳极54连接电源。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；驱动丝杠52内置的弹性导电线圈的一端通过阳极连接杆53的内置铜制框架与移动阳极54电连接；驱动丝杠52内置的弹性导电线圈的另一端与直流电源8的正极电连接。所有连接处均用高压密封圈进行密封。

[0048] 参见图3和图4，移动阳极54由基体54-1和电极54-2组成。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相连接；基体54-1的下圆柱体部的直径为5mm左右；基体54-1的下圆柱体部有2种结构，一种是在基体54-1的下圆柱体部的下端设有向上的斜面内凹缺口54-3；倾斜角度控制在60°左右；另一种是设有弧形内凹缺口54-4，底部内凹的圆周距绝缘玻璃外边界1mm左右。电极54-2为不溶性的Pt丝，直径为1-2mm，电极54-2设置在基体54-1内且位于基体54-1的轴心线上。设置斜面内凹缺口54-3或弧形内凹缺口54-4的目的在于有助于电场线的集中，在电沉积过程中可以很好的控制沉积区域，提高电流效率和铸层质量。

[0049] 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。

[0050] 仍见图2，移动阴极组件6主要由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组成。

[0051] 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为不锈钢材质的中空的方形体件。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。

[0052] 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；但不在同一平面内。Y向移动块66的尺寸小于X向移动块63；Y向移动块66为不锈钢材质的中空的方形体件；Y向移动块66的上端面上涂覆有一层耐酸、耐高压和高硬度的绝缘工程塑料。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。

[0053] 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。夹具67用于使用时夹持作为被加工零件的阴极基体7。工作时，阴极基体7与直流电源8的负极电连接。

[0054] 移动阴极组件6的所有间隙处均用高压密封圈进行密封。

[0055] 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进行控制。

[0056] 本实施例的基于超临界流体3D电沉积加工装置，其用于精密、复杂三维零部件加工的加工方法，以镍基电镀液和不锈钢阴极基体7为例进行说明，其加工方法主要包括以下步骤：

[0057] ①阴极基体7预先化学镀处理：在阴极基体7的表面镀上一层易于进行电沉积的金属，该金属可选择纯铜或纯镍，本实施例中，优选采用在阴极基体7的表面镀上约10μm厚的均匀铜层；

[0058] 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。

[0059] ③制备超临界流体：在反应器4中加入镍盐溶液、硼酸以及添加剂，超声环境下搅拌60分钟，使其充分混合；硼酸作为电沉积缓释剂，可选择性地加入，硼酸的浓度为30g/L～60g/L。镍盐溶液为含硫酸镍和氯化镍的溶液；其中硫酸镍用量为300～400g/L，氯化镍用量为30～50g/L；添加剂由十二烷基类化合物和醚类化合物组成，其中十二烷基类化合物用量为0.1～2g/L，醚类化合物用量为0.1～1g/L。本实施例中，添加剂优选采用十二烷基硫酸钠和聚乙二醇三甲基壬基醚。各物质的浓度优选为:硫酸镍300g/L,氯化镍35g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸钠0.2g/L，聚乙二醇三甲基壬基醚0.8g/L。

[0060] 启动高压泵2，将二氧化碳气体从二氧化碳气瓶1通过反应器4的本体41的进气口41-1抽压到反应器4的本体41内；控制压力为8 20MPa；同时使交变电流通过加热线圈41-3~
在电磁感应的作用下进行加热，通过对交变电流的电流强度的大小的控制而将温度控制在
35～70℃，本实施例中优选50℃，在上述压力和温度下，通过机械搅拌器42进行搅拌而形成超临界流体三元电沉积体系。

[0061] 本实施例中，二氧化碳气体在密闭的反应器4的本体41中的压力为13MPa；机械搅拌器42的搅拌速率为200～500rpm；本实施例中优选采用机械搅拌速率为400rmp。机械搅拌器42采用左右向水平间歇搅拌方式工作。

[0062] ④电沉积加工：接通电源，在数控控制器3采有现有数控技术的控制下，移动阳极54和移动阴极组件6按预定的轨迹运动；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；采用定时电沉积方式控制阴、阳极移动；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；同时移动阳极54和阴极基体7放电，形成相对恒定的电场；溶液中的镍离子在电场作用下沉积到阴极基体7的表面；电沉积时间为2～5小时，沉积区间时长为30min左右，抬刀区间为2min；抬刀区间内，移动阴极组件6静止。本实施例中优选电沉积时间为3小时，沉积加工区间28min，抬刀区间时长2min。

[0063] 直流电源8输出的电流密度为1～13 A/dm2；本实施例中优选采用电流密度为7A/dm2。

[0064] ⑤电沉积加工完毕后处理：电沉积加工完毕后，通过反应器4的本体41上的排液口41-2将超临界流体电铸溶液导入气液分离器中，分离的二氧化碳气体和电铸溶液分别回收到回收装置中循环利用。

[0065] ⑥阴极基体后处理：将阴极基体7从反应器4中取出，通过水洗风干再通过酸洗干净，即得到与阴极基体7的不锈钢紧密结合的组织致密、晶粒细小、表面平整、性能优异且形状理想的金属精密、微细零部件。

[0066] 以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。