微液柱限域电沉积加工技术研究

【作者】 王伟； 明平美； 张新民； 李欣潮； 秦歌； 闫亮； 郑兴帅；

【机构】 河南理工大学特种加工技术与装备研究所；

【摘要】 以逐层叠加方式致密成材和精密成形的电化学沉积技术(简称:电沉积)因具有工艺温度低、成材品质好、近无热致缺陷、实施方式灵活等特点,在金属微增材制造领域极有发展潜力。电化学微增材制造技术近10年来已成为研究极为活跃的领域主题之一。射流电沉积、局域诱导电沉积、微液桥约束电沉积是3种代表性的电化学微增材制造工艺。然而,现有的电化学微制造工艺或成形精度差,或成形效率低,或成形尺度受限大,仍不能满足工业应用要求。为此,提出了一种微液柱限域电沉积技术。其主要工艺特征是:阳极作空间自由运动;阳极与阴极所形成的极间间隙内始终维持有一长度为毫米量级、直径为微/毫米量级的动态稳定的液柱。利用数值仿真软件和高速摄像机,探讨了微液柱限域电沉积过程金属层的生长特征与微结构成形的时空演变规律,分析了电沉积三维微结构的形貌特点与几何尺寸精度,评估了新技术的三维自由微制造能力。研究发现:微结构的整个生长成形过程历经自由生长初始阶段、过渡阶段和限域稳定生长阶段三个阶段;在微结构高/长度约为阳极出液口直径的2倍时,金属生长开始进入限域稳定生长阶段;在限域稳定生长阶段,微结构整体上表现为等速增长、直径不变、微观上表现为金属层增厚速度自液柱接触中心区沉积速度最高经液流转向区至外溢区沉积速度近乎为零,表现为高精度、高时空定域性的微增材制造特征。利用微液柱限域电沉积技术成功制备出微柱(长径比为11.8)、类螺旋状微结构、U型微结构、交错微结构等,且增厚/生长速度高达45μm/min。这些微结构除初始成形段外,都呈现精度高(直径偏差小于5%)、表面光整(表面粗糙度约Ra0.4)、无孔隙缺陷等特点。微液柱限域电沉积技术展示出更切合工程应用期待的电化学微增材制造能力。更多还原