CN106757285B - 空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法及其装置，涉及到复合材料电化学沉积加工，属于制造技术中的特种加工领域，该装置将空心阳极管垂直置于空心激光中，颗粒从阳极喷射而出，颗粒在激光聚焦区被打散落入溶液中，激光照射溶液产生高温高压的等离子体，等离子体对外膨胀过程中产生的射流冲击力分散颗粒，使颗粒能够均匀的到达阴极表面，被阴极捕获，从而更容易进入镀层，形成纳米颗粒复合镀层。激光的冲击作用降低了传统复合电沉积过程中粒子团聚的几率，提高了颗粒复合量，能够显著提高沉积层质量。同时激光的热效应可以加快电化学反应速率，提高沉积速度。

Description

空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及制造技术中的特种电沉积领域，尤其涉及到空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法及其装置，适用于高性能复合镀层的加工。

背景技术

复合电沉积是根据电结晶理论和弥散强化理论，通过电化学方法使一种或者数种不溶性的固体颗粒、惰性颗粒与金属离子发生共沉积，以形成复合镀层的电化学沉积技术。复合镀层相比于单相镀层具有更好的耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性等，在当今材料科学的发展中获得了广泛的关注。

在复合沉积的前期准备中需要将颗粒在沉积液中均匀分散，因此在传统复合沉积之前溶液需在超声波中分散30min～60min，在沉积过程中也必须搅拌，才能保持颗粒的悬浮状态。但当溶液中颗粒数量较多时，粒子之间的范德华力超过相互之间的斥力，便会引起颗粒团聚。粒子团聚会降低镀层致密性和耐腐蚀性，降低了镀层性能。因此如何有效的让颗粒悬浮以及在加工过程中避免颗粒团聚是目前复合沉积研究的重点。

关于复合电沉积中颗粒易团聚问题，国内外学者已经进行了初步的研究。中国专利“一种采用磁场辅助复合电镀的方法”，专利号CN105568348A提出：将核壳结构的磁性三氧化二铁微粒超声分散在镀液中，在磁场的作用下，分散液中的核壳结构磁性微粒吸附在阴极表面，吸附在阴极的核壳结构磁性微粒随沉积金属层厚度增加，逐步复合到金属镀层中，形成复合镀层。这种采用磁场辅助复合电镀的方法在一定程度上能够解决镀液中微粒分散的技术问题，但因核壳形磁性颗粒制造困难，因此局限性很大。

激光具有强度高、能量大、相干性好等优点，将激光作用于电沉积体系有利于提高沉积速度，加快液相传质，减小浓差极化。将激光运用到电沉积体系，国内外学者也进行了初步的研究，中国专利“一种脉冲激光电镀装置”，专利号为CN102817051A提出了以高密度激光照射待处理样品表面，造成局部温升和微区搅拌，从而诱发或增强辐照区的化学反应，电镀速度提高二至三个数量级。

国内外对于复合沉积中颗粒分散的研究主要集中在依靠磁场，机械搅拌等，但当液体中颗粒含量过高时，颗粒依然容易团聚。在激光与电沉积复合体系中，激光的作用主要是加快反应速度，细化镀层晶粒。缺点是一方面当要进行复合沉积加工时，由于颗粒对激光的阻挡、反射、吸收等，造成激光不易照射到阴极基板表面。另一方面溶液颜色对于光线的吸热系数也有很大影响，因此当溶液具有较低吸热系数时，很大程度上降低了激光的热效应。

发明内容

本发明的目的是提出空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，该方法利用正棱镜和负棱镜的组合构建了一个空心激光发生装置，且空心激光内径大小可调，空心阳极管通过夹具垂直置于空心激光内，空气压缩机将颗粒从颗粒存储室吹入阳极管内，利用激光照射溶液产生的等离子体冲击波分散颗粒，可以有效解决由于粒子间范德华力超过相互之间的斥力引起的团聚现象；提高颗粒在镀层中的分布均匀性，加快沉积速度，获得功能性复合材料；

本发明的另一个目的是针对现有技术的不足，提出了空心激光的光内送粉复合电沉积装置，该装置将粉末喷射技术与激光电沉积技术相结合，既省去了前期配制带有颗粒溶液的步骤，又省去了加工过程中的搅拌。极大简化了激光复合电沉积的步骤；

本发明是通过如下的技术方案得以实现的：

空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，包括如下步骤：

步骤一)阴极基板由夹具固定于水槽中，电源正负极分别与空心阳极管和阴极基板相连，开启电源；

步骤二)采用空气压缩机为颗粒流动提供动力，空气压缩机吹出气体，气体经过颗粒储室，吹出颗粒，颗粒经过调节阀门进入空心阳极管内部；

步骤三)脉冲激光依次经过负棱镜、正棱镜、调制成空心激光，经反射镜改变光路，由聚焦透镜聚焦于空心阳极管下端口，一方面激光直接作用于下落的颗粒，将颗粒均匀打散落入水槽中的溶液中，另一方面当激光聚焦区能量超过液体的击穿阈值时击穿液体，产生高温高压的等离子体，等离子体不断对外膨胀，急速推动周围的液体形成高压层，高压层在向外传播的过程中将产生等离子体冲击波，该冲击波会将落入液体中的颗粒冲散开，均匀散落到阴极表面的颗粒被阴极基板捕获，弱吸附于阴极表面，颗粒均匀分布落入镀层之中，沉积层晶粒规则排列，有效避免了传统复合沉积中因颗粒易团聚等问题造成的沉积层缺陷。

进一步的，所述步骤一)中阴极基板在加工前要进行打磨、除锈、去油、水洗步骤。

进一步的，所述步骤二)中空心阳极管为惰性金属阳极管，耐高温，受热不易变形，且不与溶液发生化学反应。

进一步的，所述步骤二)中颗粒为20nm-2μm，空气压缩机工作压力可调，工作时输出压力稳定。

空心激光的光内送粉复合电沉积装置，包括空心激光发生***、粉末喷射***和电沉积加工***；

所述空心激光发生***包括脉冲激光器、正棱镜、负棱镜、反射镜和聚焦透镜；所述脉冲激光器发出脉冲激光依次经过负棱镜、正棱镜、调制成空心激光，经反射镜改变光路，最后由聚焦透镜聚焦；

所述粉末喷射***包括空气压缩机、过滤器、流量计、颗粒存储室和调节阀；所述空气压缩机、过滤器、流量计、颗粒存储室和调节阀门通过管道依次相连接，管道末端连接到电沉积加工***中的空心阳极管上；

所述电沉积加工***包括电源、计算机、运动控制柜、空心阳极管、阴极基板、水槽和X-Y-Z三坐标工作台；所述阴极基板通过夹具固定于水槽底部，且与电源负极相连；所述水槽固定在X-Y-Z三坐标工作台上，水槽中装有溶液，溶液浸没阴极基板；所述运动控制柜与X-Y-Z三坐标工作台相连；所述空心阳极管通过夹具固定，垂直于阴极基板，并置于聚焦透镜正下方与电源正极相连。

进一步的，所述空心阳极管与阴极基板的距离为5mm～10mm。

进一步的，电源为脉冲电源，电压参数为10V～20V，正向脉冲占空比为20％～60％，反向脉冲占空比为5％～30％，脉冲频率为1000HZ～5000HZ。

进一步的，空心激光内径大于空心阳极管直径，将空心阳极管全部包裹在激光内，空心激光内径可调。

进一步的，脉冲激光器发出的激光的各项参数为：波长为1064nm，频率为10Hz～100Hz，单脉冲能量为50mJ～200mJ。

进一步的，所述颗粒存储室中的颗粒直径为20nm-2μm，且经过酸洗除杂质。

进一步的，所述空气压缩机，工作压力5bar，额定流量为5L/min。

本发明的技术优势及有益效果：

1.电沉积过程中利用等离子体冲击波以及空泡射流冲击力分散、输送溶液中的颗粒，使颗粒能够均匀的到达阴极表面，避免颗粒团聚，从而获得颗粒分散均匀且与金属离子复合率高的功能性镀层结构。

2.颗粒直接通过阳极内部进入溶液，省去了前期配制带有颗粒的溶液的步骤，简化了复合电沉积的工艺，提高了工艺效率。

3.激光的照射加快了液相传质，减小了浓差极化，因而提高了电沉积的速度。

4.激光将颗粒输送到阴极基板后，颗粒对阴极表面的瞬时覆盖和屏蔽，也可以起到阻碍晶粒生长，从而达到细化晶粒的作用。

5.激光照射在阴极基板表面，阴极析氢产生的气泡受到冲击后溃灭，使沉积层组织更加致密，表面更加光洁平整。

6.激光直接作用于下落的颗粒，将颗粒均匀打散落入溶液中，在微区形成颗粒充分悬浮的复合沉积液。激光不断照射，当激光聚焦区能量超过液体的击穿阈值时击穿液体，产生高温高压的等离子体，等离子体不断对外膨胀，急速推动周围的液体形成高压层，高压层在向外传播的过程中将产生等离子体冲击波并伴随有空泡产生，空泡溃灭时也将产生射流冲击力，等离子体冲击波以及空泡产生的射流冲击力会将落入液体中的颗粒冲散开，均匀散落到阴极表面的颗粒将被阴极板捕获，弱吸附于阴极表面，随着金属离子的还原，颗粒将被金属基体俘获落入镀层之中，沉积层晶粒规则排列，有效避免了传统复合沉积中因颗粒易团聚等问题造成的沉积层缺陷。

7.本发明可用于零件的表面镀层强化，避免了因颗粒团聚等问题造成的节瘤、组织分布不均匀等问题；此外，颗粒不需要经过悬浮预处理，简化了复合沉积的步骤。

附图说明

图1是本发明空心激光的光内送粉复合电沉积装置的结构示意图。

图2是本发明复合电沉积加工示意图。

附图标记如下：

1.计算机，2.电源，3.反射镜，4.正棱镜，5.负棱镜，6.脉冲激光器，7.聚焦透镜，8.调节阀门，9.颗粒存储室，10.流量计，11.过滤器，12.空气压缩机，13.X-Y-Z三坐标工作台，14.阴极基板，15.水槽，16.空心阳极管，17.运动控制柜。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图做如下说明：

结合附图1，计算机1与运动控制柜17相连，脉冲电源2的正极与空心阳极管16相连，负极与阴极基板14相连，为电沉积提供电能；水槽15固定在X-Y-Z三坐标工作台13上，三坐标工作台13与运动控制柜17相连，可通过计算机1进行X-Y-Z三坐标运动控制。过滤器11的入口与空气压缩机12的出口相连，出口与流量计10相连，颗粒存储室9通过调节阀门8与空心阳极管16入口相连；脉冲激光器6发射脉冲激光，先通过负棱镜5，再经过正棱镜4将激光调制成空心激光束，再由反射镜3改变光路后经过聚焦透镜7聚焦后垂直聚焦于溶液中。

结合附图2，空气压缩机12不断向空心阳极管16吹出气体，一方面防止溶液进入管内，另一方面将颗粒输送到激光聚焦区。激光直接作用于下落的颗粒，将颗粒均匀打散落入溶液中，当激光聚焦区能量超过液体的击穿阈值时击穿液体，产生高温高压的等离子体，等离子体不断对外膨胀，急速推动周围的液体形成高压层，高压层在向外传播的过程中将产生等离子体冲击波。另外，溶液击穿产生等离子体的同时，也伴随着空泡的产生，空泡溃灭时将产生射流冲击力，等离子体冲击波以及射流冲击力将落入溶液中的颗粒冲散开，均匀散落到阴极表面的颗粒被阴极基板14捕获，弱吸附于阴极表面，随着金属离子的不断还原，颗粒将被包裹在金属基体之中，沉积层中颗粒分布均匀，有效避免了传统复合沉积中因颗粒易团聚等问题造成的沉积层缺陷。

空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，利用空心激光内部将颗粒送达阴极基板表面，具体步骤如下：

步骤一)固定阴极基板14与空心阳极管16，阴极基板14与脉冲电源2负极相连，空心阳极管16与脉冲电源2正极相连；

步骤二)通过计算机1驱动运动控制柜17，使得阴极基板14与空心阳极管16保持一定距离；

步骤三)利用空心激光发生***，将脉冲激光调制成空心激光，经光路垂直照射于水槽15中；

步骤四)空气压缩机12吹出气体，保证空心阳极管16中有持续的颗粒喷出；

步骤五)颗粒落入溶液中，受到激光的冲击作用，分散落到阴极基板14表面，与溶液中金属离子发生电化学共沉积，从而形成复合镀层。

本发明以沉积铜为例具体实施方法如下：

(1)本例中空心阳极管16采用铜作为电极材料，直径为1mm，阴极基板14为不锈钢基板其具体尺寸为30mm x 12mm厚度为1.5mm，先对其进行400目～1200目砂纸打磨→除锈→去油→超声波清洗的方式处理。

(2)将阴极基板14由夹具固定在水槽15中，与脉冲电源2负极相连，水槽15安装在三坐标工作台13上，三坐标工作台13通过运动控制柜17与计算机1相连，空心阳极管16垂直放置于空心激光内，与脉冲电源正极相连。空气压缩机12通过管道依次与过滤器11、流量计10、颗粒存储室9和调节阀门8相连。

(4)配制沉积铜镀层所需要的溶液，选择硫酸铜为盐晶体，将其溶解于蒸馏水中直至达到饱和状态，具体溶液组成如下：硫酸铜220g/L，98％浓硫60g/L，氯化钠80mg/L。可适当添加适量添加剂、缓冲剂、活化剂和络合剂等，以提高沉积层的加工效果和导电性，将配制好的溶液加入水槽中。

(5)操作X-Y-Z三坐标工作台13，使得工件与空心阳极管16之间的距离为5mm～10mm，开启空气压缩机12，气体从空气压缩机12经过存储颗粒的颗粒存储室9，吹出颗粒，通过调节阀门8，控制喷射出的粉末的量。

(6)开启脉冲激光器6并调整棱镜之间的距离，保证所输出的空心激光内径大于1mm。

(7)与此同时开启脉冲电源，脉冲电源的参数已设定为：电压为10V～20V，正占空比为20％～60％，反向占空比为5％～30％，脉冲频率为1000Hz～5000Hz。电沉积电路导通。

(8)调节空气压缩机12功率，进而控制喷粉速度，以便满足不同颗粒含量镀层的要求。

(9)颗粒在金属离子还原的过程中不断进入镀层，形成高性能复合镀层，结束加工，关闭电源，空气压缩机12以及脉冲激光器6，完成本次加工。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)阴极基板(14)由夹具固定于水槽(15)中，电源(2)正负极分别与空心阳极管(16)和阴极基板(14)相连，开启电源(2)；

步骤二)采用空气压缩机(12)为颗粒流动提供动力，空气压缩机(12)吹出气体，气体经过颗粒存储室(9)，吹出颗粒，颗粒经过调节阀门(8)进入空心阳极管(16)内部；

步骤三)脉冲激光依次经过负棱镜(5)、正棱镜(4)、调制成空心激光，经反射镜(3)改变光路，由聚焦透镜(7)聚焦于空心阳极管(16)下端口，一方面空心激光直接作用于下落的颗粒，将颗粒均匀打散落入水槽(15)中的溶液中，另一方面当激光聚焦区能量超过液体的击穿阈值时击穿液体，产生高温高压的等离子体，等离子体不断对外膨胀，急速推动周围的液体形成高压层，高压层在向外传播的过程中将产生等离子体冲击波，该冲击波会将落入液体中的颗粒冲散开，均匀散落到阴极表面的颗粒被阴极基板(14)捕获，弱吸附于阴极表面，颗粒均匀分布落入镀层之中，沉积层晶粒规则排列，形成沉积层。

2.根据权利要求1所述的空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，其特征在于，所述步骤一)中阴极基板(14)在加工前要进行打磨、除锈、去油、水洗步骤。

3.根据权利要求1所述的空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，其特征在于，所述步骤二)中空心阳极管(16)为惰性金属阳极管，耐高温，受热不易变形，且不与溶液发生化学反应。

4.根据权利要求1所述的空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，其特征在于，所述步骤二)中颗粒为20nm-2μm，空气压缩机(12)工作压力可调，工作时输出压力稳定。

5.空心激光的光内送粉复合电沉积装置，其特征在于，包括空心激光发生***、粉末喷射***和电沉积加工***；

所述空心激光发生***包括脉冲激光器(6)、正棱镜(4)、负棱镜(5)、反射镜(3)和聚焦透镜(7)；所述脉冲激光器(6)发出脉冲激光依次经过负棱镜(5)、正棱镜(4)、调制成空心激光，经反射镜(3)改变光路，最后由聚焦透镜(7)聚焦；

所述粉末喷射***包括空气压缩机(12)、过滤器(11)、流量计(10)、颗粒存储室(9)和调节阀门(8)；所述空气压缩机(12)、过滤器(11)、流量计(10)、颗粒存储室(9)和调节阀门(8)通过管道依次相连接，管道末端连接到电沉积加工***中的空心阳极管(16)上；

所述电沉积加工***包括电源(2)、计算机(1)、运动控制柜(17)、空心阳极管(16)、阴极基板(14)、水槽(15)和X-Y-Z三坐标工作台(13)；所述阴极基板(14)通过夹具固定于水槽(15)底部，且与电源(2)负极相连；所述水槽(15)固定在X-Y-Z三坐标工作台(13)上，水槽(15)中装有溶液，溶液浸没阴极基板(14)；所述运动控制柜(17)与X-Y-Z三坐标工作台(13)相连；所述空心阳极管(16)通过夹具固定，垂直于阴极基板(14)，并置于聚焦透镜(7)正下方与电源(2)正极相连。

6.根据权利要求5所述的空心激光的光内送粉复合电沉积装置，其特征在于，所述空心阳极管(16)与阴极基板(14)的距离为5mm～10mm。

7.根据权利要求5所述的空心激光的光内送粉复合电沉积装置，其特征在于，电源(2)为脉冲电源，电压参数为10V～20V，正向脉冲占空比为20％～60％，反向脉冲占空比为5％～30％，脉冲频率为1000HZ～5000HZ。

8.根据权利要求5所述的空心激光的光内送粉复合电沉积装置，其特征在于，空心激光内径大于空心阳极管(16)直径，将空心阳极管(16)全部包裹在激光内，空心激光内径可调。

9.根据权利要求5所述的空心激光的光内送粉复合电沉积装置，其特征在于，脉冲激光器(6)发出的激光的各项参数为：波长为1064nm，频率为10Hz～100Hz，单脉冲能量为50mJ～200mJ。

10.根据权利要求5所述的空心激光的光内送粉复合电沉积装置，其特征在于，所述颗粒存储室(9)中的颗粒直径为20nm-2μm，且经过酸洗除杂质。