CN103590076A - 一种激光强化电沉积快速成形加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光强化电沉积快速成形加工装置及方法，包括激光发生机构、阳极、阳极座、阴极、电源、三维移动平台、工作平台、沉积槽、恒温储液机构和控制器。激光照射引起电沉积溶液/阴极界面区温度升高，导致电极反应的活化能与过电位减小，电荷转移速度加快；激光加热使阴极表面区域产生很大的温度梯度，引起这一区域电沉积溶液的微搅动，一方面减小了电极表面的扩散层厚度，另一方面引起了溶液对流，加快了传质过程，及时补充了扩散层内已消耗的离子，使电沉积速度增加，使激光强化电沉积速度大大提高，从而实现高速沉积。沉积速度快、成形精度高、无需屏蔽、可直接快速制造出形状复杂、结构致密、组织均匀且机械性能好的精密金属零件。

Description

一种激光强化电沉积快速成形加工装置及方法

技术领域

本发明涉及一种快速成形加工技术，尤其涉及的是一种激光强化电沉积快速成形加工装置及方法。

背景技术

快速成形技术（Rapid Prototyping，RP）是从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成形***，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。由于RP技术在制造产品过程中不会产生废弃物造成环境污染，所以也是一种绿色制造技术。

随着新型材料特别是能直接快速成形的高性能材料的研制和应用，产生了越来越多的更为先进的快速成形工艺技术，其中较成熟和典型的工艺主要有光固化技术（Stereolithography apparatus，SLA）、分层实体制造技术（Laminated object manufacturing，LOM）、激光选区烧结技术（Selective laser sintering，SLS）、三维打印技术（Three dimensionprinting，3DP）和熔融沉积造型技术（Fused deposition modeling，FDM）等。但是这些方法的加工对象主要是非金属材料，而实际需要的零件大部分都是金属材料。

目前，金属零件快速成形工艺方法以激光快速成形技术为主，例如，由美国Sandia国家实验室发展的激光近形制造技术（Laser engineered net shaping，LENS），英国利物浦大学和美国密西根大学发展的直接金属沉积技术（Direct metal deposition，DMD），英国伯明翰大学发展的直接激光制造技术（Direct laser fabrication，DLF），德国亚琛工业大学Fraunhofer激光技术研究所发展的激光选择性熔化技术（Laser selective melting，LSM）以及西北工业大学发展的激光立体成形技术（Laser solid forming，LSF）等。但这些金属零件快速成形方法普遍存在设备运行费用高，难以直接制备致密、形状复杂、精密的金属零件等不足，所制备的零件精度、表面光洁度及机械性能还达不到实际需要的水平，与传统加工手段有相当大的差距，这些不足严重地制约了快速制造技术在生产中的推广应用。

由于可选材料多，运行费用低，容易将材料形成与原型结合起来，将电沉积技术与快速成形技术相结合电沉积快速成形金属零件技术在最近几年受到越来越多的重视。南京航空航天大学将喷射式电沉积技术应用到快速成形技术领域，提出了选择性电沉积工艺（CN00133282.1），在成形过程中，作为阳极的喷嘴将高速流动的电沉积溶液喷射至阴极表面，电沉积溶液中的金属离子在外加电场的作用下被源源不断地沉积下来，控制喷嘴的扫描运动就能选择性地在特定区域沉积出零件的一个层面，逐层沉积叠加可制作出三维实体原型零件；喷射电沉积采用特殊的液相传质方式，使沉积速度提高几十倍，乃至上百倍，但受射流定域性的影响，成形件精度不高。浙江理工大学将电化学沉积技术、快速成型技术和数控技术有机结合，提出了数控选区电沉积快速成形技术，该加工方式可以直接成形和制造金属零件，为了提高沉积精度，采用丝状阳极，再加上电沉积速度本身的限制，成形速度慢。专利CN200710025121.1提出了一种利用叠层模板电沉积技术直接制造金属零件的方法，它通过将复杂零件进行分层切模后放入电沉积***中逐层沉积，最终得到所需形状金属零件；为了有效阻止杂质的吸附，避免毛刺、积瘤等表面缺陷的产生，从而获得良好的电沉积均匀性，最近南京航空航天大学又在叠层模板电沉积技术基础上分别提出了辅助磨削电沉积成形技术（范晖,黄因慧.辅助磨削在叠层模板电铸成形中的应用[J].机械科学与技术,2013,32（5）:722-725.）和摩擦喷射电沉积快速成形技术（田宗军,王桂峰,黄因慧,等.射流电沉积快速成形金属镍制件[J].华南理工大学学报,2010,38（12）:41-44）；但是基于叠层模板的电沉积技术增加了制备模板和安装模板等工序，使制备工艺复杂。由此可见，上述各种电沉积方法在快速制备结构复杂、精度高的金属零件上还有明显的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种激光强化电沉积快速成形加工装置及方法，实现激光强化电沉积技术、数控技术、快速成形技术的有机结合。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括激光发生机构、阳极、阳极座、阴极、电源、三维移动平台、工作平台、沉积槽、恒温储液机构和控制器；

所述阳极和激光发生机构相连，阳极位于阳极座内，沉积槽内设有电沉积溶液，阴极为沉积基板，所述沉积基板沉浸于沉积槽内的电沉积溶液中，电源分别连接阴极和阳极；

所述三维移动平台包括X轴移动平台、Y轴移动平台和Z轴移动平台，所述工作平台一端和阴极相连，另一端和Z轴移动平台相连，X轴移动平台和Y轴移动平台依次设置于沉积槽之下；恒温储液机构和沉积槽相连；所述激光发生机构包括激光器、反射镜和透镜，反射镜位于激光器发出激光束的光路上，透镜位于反射镜折射后激光束的光路上，经透镜聚焦后的激光束位于阳极的中心孔；

所述恒温储液机构包括储液槽、回液管、过滤器、泵、进液管、溢流阀、节流阀、温度控制仪和电加热器；所述过滤器、泵和节流阀依次设置在进液管上，进液管和回液管的一端分别和储液槽相连，另一端分别和沉积槽相连，溢流阀一端连接在储液槽，另一端和进液管相连，温度控制仪和电加热器相连，温度控制仪和电加热器分别连接在储液槽内；控制器分别连接激光器、电源、X轴移动平台、Y轴移动平台、Z轴移动平台和泵。

所述沉积槽上设有搅拌装置。对电沉积溶液进行搅拌，从而加快溶液对流和传质过程，减小浓差极化。

所述阳极为中空管状钝性阳极，阳极的侧面和顶面包覆绝缘膜。可以让激光束从阳极中心孔通过，实现激光与电沉积的复合。

所述激光器选自氩离子激光器、氪离子激光器、YAG激光器中的一种。

一种激光强化电沉积快速成形加工方法，包括以下步骤：

（1）对沉积基板进行表面预处理；

（2）将激光束通过阳极的中心辐射到电沉积溶液和沉积基板上沉积区的固体分界面上，实现激光与电沉积的复合，根据扫描路径，在沉积基板表面逐点沉积，完成第一层沉积后，工作平台下降，完成第二层沉积，依次循环，经过层层叠加快速成形为所需的三维金属零件。

所述沉积基板表面预处理依次包括抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理。

本发明可实现激光强化电沉积，激光强化电沉积技术是将激光技术与电沉积技术相结合，利用激光所具有的高能量密度来增强电沉积中的电化学反应过程，提高沉积速率、改善电沉积层质量与性能的一种新型加工技术。与传统的电沉积技术相比，激光强化电沉积技术具有以下特点：（1）高度的选择性。可以微区局部镀覆金属，最小可以达到2μm左右；（2）广泛的适应性。激光强化电沉积不但可以在金属（Al,Fe,W）上进行，还可以在多种半导体（Si,Ga,As），甚至绝缘体（陶瓷、微晶玻璃、聚酰亚胺、聚四氟乙烯）基材上直接实现单金属电沉积（如Ni,Cu,Au,Ag,Pd等）、合金共沉积（如等Co-Ni，Ni-Mn，Sn-Ni，Ni-P等）及复合电沉积（如Ni-A₂O₃，Co-SiC等）；（3）高速沉积性。激光强化电沉积速度大大提高，可比常规电沉积高上千倍；（4）易与现代信息技术、控制技术相结合，实现沉积过程的自动化。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的激光照射引起电沉积溶液/阴极界面区温度升高，导致电极反应的活化能与过电位减小，电荷转移速度加快；同时，激光加热使阴极表面区域产生很大的温度梯度，引起这一区域电沉积溶液的微搅动，溶液的搅动一方面减小了电极表面的扩散层厚度，另一方面引起了溶液对流，加快了传质过程，及时补充了扩散层内已消耗的离子，使电沉积速度增加，使激光强化电沉积速度大大提高，可以比常规电沉积高上千倍，从而实现高速沉积。采用钝性阳极，阳极本身不发生电化学反应，可以精确控制两极之间的微小间隙，降低沉积时能量消耗和杂质的产生。激光强化电沉积在沉积时有高度的区域选择性，因此其沉积精度高，无需采用屏蔽措施便可得到局部沉积层，从而简化了生产工艺；而采用小尺寸细阳极，可以减小阳极尺寸对成形精度的影响；而在除下端面外的阳极其余表面包覆绝缘膜可以尽量消除电沉积时产生的尖端效应和边缘效应，从而提高成形精度。通过温度控制仪和电加热器组合的方法保持电沉积溶液工作在一个稳定的温度范围内，从而保证电沉积的效果。另外激光强化电沉积快速成形加工方法在材料选择上具有广泛的适应性，可以在金属、半导体，甚至绝缘体沉积基板表面实现单金属沉积、合金共沉积或复合电沉积。本发明的方法将激光强化电沉积技术、数控技术与快速成形技术相结合，具有沉积速度快、成形精度高、无需屏蔽、可直接快速制造出形状复杂、结构致密、组织均匀且机械性能好的精密金属零件等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括激光发生机构、阳极座6、阳极7、阴极、电源10、三维移动平台、工作平台11、沉积槽15、恒温储液机构和控制器13；所述阳极7和激光发生机构相连，阳极7位于阳极座6内，沉积槽15内设有电沉积溶液19，阴极为沉积基板16，所述沉积基板16沉浸于沉积槽15内的电沉积溶液19中，电源10分别连接阴极和阳极7；所述三维移动平台包括X轴移动平台17、Y轴移动平台18和Z轴移动平台12，所述工作平台11一端和阴极相连，另一端和Z轴移动平台12相连，X轴移动平台17和Y轴移动平台18依次设置于沉积槽15之下；恒温储液机构和沉积槽15相连。

所述恒温储液机构包括储液槽21、回液管20、过滤器22、泵23、进液管24、溢流阀25、节流阀26、温度控制仪27和电加热器28；所述过滤器22、泵23和节流阀26依次设置在进液管24上，进液管24和回液管20的一端分别和储液槽21相连，另一端分别和沉积槽15相连，溢流阀一端连接在储液槽21，另一端和进液管24相连，温度控制仪27和电加热器28相连，温度控制仪27和电加热器28分别连接在储液槽21内。

所述沉积槽15上设有搅拌装置9。对电沉积溶液19进行搅拌，从而加快溶液对流和传质过程，减小浓差极化。

所述激光发生机构包括激光器1、反射镜3和透镜5，反射镜3位于激光器1发出激光束2的光路上，透镜5位于反射镜3折射后激光束2的光路上，经透镜5聚焦后的激光束2位于阳极7的中心孔。

控制器13分别连接激光器1、电源10、X轴移动平台17、Y轴移动平台18、Z轴移动平台12和泵23的驱动电机。

所述阳极7为中空管状钝性阳极7，阳极7的侧面和顶面包覆绝缘膜。可以让激光束2从阳极7中心孔通过，实现激光与电沉积的复合。

本实施例工作时，阴极（沉积基板16）通过夹具安装在工作平台11上并浸入沉积槽15的电沉积溶液19内，阳极座6与机床座4相连，激光器1也固定在机床座4上；由激光器1发出的激光束2，经过反射镜3转向、透镜5聚焦后，通过阳极7中心孔辐射到成型件8沉积区，实现激光与电沉积的复合，从而增强辐照区的电化学反应，提高沉积速度和成形精度，电源10为直流电源或脉冲直流电源；储液槽21中的电沉积溶液19经过滤器22、泵23和节流阀26，由进液管24进入沉积槽15，经回液管20再流回储液槽21，输液压力由溢流阀25调节，流量由节流阀26控制；温度控制仪27的测温传感器***储液槽21中的电沉积溶液19中，温度控制仪27的输出和电加热器28的控制端相连，从而使电沉积溶液19工作在一个稳定的温度范围内；

在扫描空行程时自动切断激光器1和电源10的输出；控制器13与计算机14相连，计算机14把生成的扫描路径和工艺参数传输到控制器13。

如图2所示，本实施例在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面采用激光强化电沉积快速成形Ni金属零件，具体步骤如下：

（1）首先计算机14将所要加工的金属零件进行三维造型，并生成STL文件，然后将STL格式的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，根据每个薄层断面的二维数据生成扫描路径；

（2）配制电沉积溶液19:硫酸镍（NiSO₄·6H₂O）250～300g·L^-1，氯化镍（NiCl₂·6H₂O）35～40g·L^-1，硼酸（H₃BO₃）40～45g·L^-1，润湿剂（C₁₂H₂₅SO₄Na）0.1～0.2g·L^-1，光亮剂（糖精）1～3g·L^-1，pH值保持在4±0.1，电沉积溶液19的温度保持在55℃左右；对1Cr18Ni9Ti不锈钢沉积基板16进行抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理等表面处理；

（3）选择氩离子激光器1，波长0.488μm，控制激光输出功率为30W，光斑直径为0.5mm，将高能量密度激光束2通过阳极7（阳极7材料为铂）中心辐射到电沉积溶液19/沉积区固体分界面（阳极7到阴极的初始距离为2mm），控制电压为40V，平均电流密度为2000A·dm²，依据扫描路径，在沉积基板16表面逐点沉积（通过计算机14控制X轴移动平台17和Y轴移动平台18实现），当第一层沉积完成后，工作平台11下降一个薄层高度（通过计算机14控制Z轴移动平台12实现），然后完成第二层沉积，依次进行上述循环工序，经过层层叠加最后快速成形出所需要的三维Ni金属零件。

实施例2

本实施例为在石墨表面采用激光强化电沉积快速成形Cu金属零件，具体步骤如下：

（1）首先计算机14将所要加工的金属零件进行三维造型，并生成STL文件，然后将STL格式的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，根据每个薄层断面的二维数据生成扫描路径；

（2）配制电沉积溶液19:硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）50g·L^-1，硫酸（H₂SO₄）50g·L^-1，润湿剂（C₁₂H₂₅SO₄Na）0.1～0.2g·L^-1，光亮剂（糖精）1～3g·L^-1，pH值保持在4±0.1，电沉积溶液19的温度保持在45℃左右；对石墨沉积基板16进行抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理等表面处理；

（3）选择YAG激光器1，波长1064nm，控制激光输出功率为100W，光斑直径为1mm，将高能量密度激光束2通过阳极7（阳极7材料为铂）中心辐射到电沉积溶液19/沉积区固体分界面（阳极7到阴极的初始距离为2mm），控制电压为40V，平均电流密度为1800A·dm²，依据扫描路径，在沉积基板16表面逐点沉积（通过计算机14控制X轴移动平台17和Y轴移动平台18实现），当第一层沉积完成后，工作平台11下降一个薄层高度（通过计算机14控制Z轴移动平台12实现），然后完成第二层沉积，依次进行上述循环工序，经过层层叠加最后快速成形出所需要的三维Cu金属零件。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例3

本实施例为在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面采用激光强化电沉积快速成形Ni-Mn合金零件，具体步骤如下：

（1）首先计算机14将所要加工的金属零件进行三维造型，并生成STL文件，然后将STL格式的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，根据每个薄层断面的二维数据生成扫描路径；

（2）配制电沉积溶液19:氨基磺酸镍（Ni（NH₂SO₃）₂·4H₂O）430～600g·L^-1，氨基磺酸锰（Mn（NH₂SO₃）₂·4H₂O）12～28g·L^-1，氯化镍（NiCl₂·6H₂O）15～25g·L^-1，硼酸（H₃BO₃）30～35g·L^-1，润湿剂（C₁₂H₂₅SO₄Na）0.1～0.2g·L^-1，光亮剂（糖精）1～3g·L^-1，pH值保持在4±0.1，电沉积溶液19的温度保持在50℃左右；对1Cr18Ni9Ti不锈钢沉积基板16进行抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理等表面处理；

（3）选择氩离子激光器1，波长0.488μm，控制激光输出功率为35W，光斑直径为0.5mm，将高能量密度激光束2通过阳极7（阳极7材料为铂）中心辐射到电沉积溶液19/沉积区固体分界面（阳极7到阴极的初始距离为2mm），控制电压为40V，平均电流密度为2200A·dm²，依据扫描路径，在沉积基板16表面逐点沉积（通过计算机14控制X轴移动平台17和Y轴移动平台18实现），当第一层沉积完成后，工作平台11下降一个薄层高度（通过计算机14控制Z轴移动平台12实现），然后完成第二层沉积，依次进行上述循环工序，经过层层叠加最后快速成形出所需要的三维Ni-Mn合金零件。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例4

本实施例为在石墨表面采用激光强化复合电沉积快速成形Ni-Al₂O₃零件，具体步骤如下：

（1）首先计算机14将所要加工的金属零件进行三维造型，并生成STL文件，然后将STL格式的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，根据每个薄层断面的二维数据生成扫描路径；

（2）配制电沉积溶液19:硫酸镍（NiSO₄·6H₂O）250～300g·L^-1，氯化镍（NiCl₂·6H₂O）35～40g·L^-1，纳米Al₂O₃陶瓷颗粒20g·L^-1，硼酸（H₃BO₃）40～45g·L^-1，润湿剂（C₁₂H₂₅SO₄Na）0.1～0.2g·L^-1，光亮剂（糖精）1～3g·L^-1，pH值保持在4±0.1，电沉积溶液19的温度保持在55℃左右；对石墨沉积基板16进行抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理等表面处理；

（3）选择YAG激光器1，波长1064nm，控制激光输出功率为80W，光斑直径为1mm，将高能量密度激光束2通过阳极7（阳极7材料为铂）中心辐射到复合电沉积溶液19/沉积区固体分界面（阳极7到阴极的初始距离为2mm），控制电压为40V，平均电流密度为1500A·dm²，依据扫描路径，在沉积基板16表面逐点沉积（通过计算机14控制X轴移动平台17和Y轴移动平台18实现），当第一层沉积完成后，工作平台11下降一个薄层高度（通过计算机14控制Z轴移动平台12实现），然后完成第二层沉积，依次进行上述循环工序，经过层层叠加最后快速成形出所需要的三维Ni-Al₂O₃零件。

其他实施方式和实施例1相同。

Claims (6)

1.一种激光强化电沉积快速成形加工装置，其特征在于，包括激光发生机构、阳极、阳极座、阴极、电源、三维移动平台、工作平台、沉积槽、恒温储液机构和控制器；

所述阳极和激光发生机构相连，阳极位于阳极座内，沉积槽内设有电沉积溶液，阴极为沉积基板，所述沉积基板沉浸于沉积槽内的电沉积溶液中，电源分别连接阴极和阳极；

所述三维移动平台包括X轴移动平台、Y轴移动平台和Z轴移动平台，所述工作平台一端和阴极相连，另一端和Z轴移动平台相连，X轴移动平台和Y轴移动平台依次设置于沉积槽之下；恒温储液机构和沉积槽相连；所述激光发生机构包括激光器、反射镜和透镜，反射镜位于激光器发出激光束的光路上，透镜位于反射镜折射后激光束的光路上，经透镜聚焦后的激光束位于阳极的中心孔；

所述恒温储液机构包括储液槽、回液管、过滤器、泵、进液管、溢流阀、节流阀、温度控制仪和电加热器；所述过滤器、泵和节流阀依次设置在进液管上，进液管和回液管的一端分别和储液槽相连，另一端分别和沉积槽相连，溢流阀一端连接在储液槽，另一端和进液管相连，温度控制仪和电加热器相连，温度控制仪和电加热器分别连接在储液槽内；控制器分别连接激光器、电源、X轴移动平台、Y轴移动平台、Z轴移动平台和泵。

2.根据权利要求1所述的激光强化电沉积快速成形加工装置，其特征在于，所述沉积槽上设有搅拌装置。

3.根据权利要求1所述的激光强化电沉积快速成形加工装置，其特征在于，所述阳极为中空管状钝性阳极，阳极的侧面和顶面包覆绝缘膜。

4.根据权利要求1所述的激光强化电沉积快速成形加工装置，其特征在于，所述激光器选自氩离子激光器、氪离子激光器、YAG激光器中的一种。

5.一种如权利要求1所述的激光强化电沉积快速成形加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对沉积基板进行表面预处理；

（2）将激光束通过阳极的中心辐射到电沉积溶液和沉积基板上沉积区的固体分界面上，实现激光与电沉积的复合，根据扫描路径，在沉积基板表面逐点沉积，完成第一层沉积后，工作平台下降，完成第二层沉积，依次循环，经过层层叠加快速成形为所需的三维金属零件。

6.根据权利要求5所述的一种激光强化电沉积快速成形加工方法，其特征在于，所述沉积基板表面预处理依次包括抛光、除油、钝化、水洗、干燥处理。

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