一种多液箱供液式无掩膜定域性电沉积金属基多元镀层的装置及方法

本发明涉及电化学增材制造，尤其是一种多液箱供液式无掩膜定域性电沉积金属基多元镀层的装置及方法。

背景技术：

1、目前制备金属基多元镀层的常规电沉积方法通常采用“浸液式”的槽镀方式，配制的电解液与镀层种类对应且采用单液箱循环供液方式，施镀过程中所用电解液种类与形成的镀层种类不变；采用无掩膜定域性电沉积技术制备金属三维微纳结构，配制的电解液与电沉积单金属种类对应且亦采用单液箱循环供液方式。近几年来出现的无掩膜定域性电沉积技术主要为定域性喷射电沉积、弯月面约束电沉积、尖端效应定域性电沉积。定域性喷射电沉积目前已制备出cu、ni等单金属纳米晶镀层、ni基合金叠层膜和ni/cu基多元复合镀层等，主要用于中大型零件的局部沉积、受损零件的修复以及深孔的镀覆、小型三维金属结构与零件的快速成形等；但存在定域性不高、射流流场及沉积电场均匀性与稳定性较差、沉积厚度不均匀、沉积过程中镀层中易产生突起、结瘤、孔隙、复合颗粒团聚等问题。弯月面约束电沉积、尖端效应定域性电沉积主要以制备单金属ni、cu三维微纳结构为主，所制备的三维微纳结构具有较高的尺寸精度和表面质量；但存在沉积速率不均匀、沉积速度慢、加工效率低、设备投入费用高、沉积过程不稳定、沉积层易产生孔隙、缺陷等问题。

2、为此，我们提出一种多液箱供液式无掩膜定域性电沉积金属基多元镀层的装置及方法解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多液箱供液式无掩膜定域性电沉积金属基多元镀层的装置及方法，以结合无掩膜定域性电沉积技术的特点，提供一种满足电沉积制备金属基多元镀层“差异化”(即：不同部位镀层的厚度不同、金属元素含量不同、金属成分不同、镀层结构不同)和“同一化”(即同一部位镀层厚度的一致性、结构的一致性、成分的一致性、表面质量的一致性、物理机械性能的一致性等)需求的新方法与装置，以期获得具有高导电、高导热、低膨胀性能，高硬度、高强度、耐磨损和抗氧化、耐腐蚀性能，高磁导率和电阻率，磁屏蔽性能、自润滑等性能的金属基多元(或单元)镀层，满足生产实际需求。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种多液箱供液式无掩膜定域性电沉积金属基多元镀层的装置，包括精密三坐标移动平台、计算机工作站、高频开关脉冲电源、检测显示系统、阳极机构、隔振平台、电解液循环系统，所述精密三坐标移动平台的顶部设有步进电机控制器，所述精密三坐标移动平台和阳极机构一侧固定连接，所述阳极机构设置于电解液循环系统的顶部，所述计算机工作站通过线路和阳极机构、高频开关脉冲电源、检测显示系统连接，所述电解液循环系统固定安装于隔振平台的顶部。

3、在进一步的实施例中，所述电解液循环系统包括镀槽、恒温水浴、电解液储存箱、供液蠕动泵及其开关阀，所述镀槽设置于隔振平台的顶部，所述恒温水浴设置于隔振平台的底部，所述供液蠕动泵设置于恒温水浴的内侧，所述供液蠕动泵通过线路和开关阀连通。

4、在进一步的实施例中，所述检测显示系统包括示波器、电流传感器和工业相机，所述示波器、电流传感器和工业相机通过导线和阳极机构连接。

5、第二方面，本发明提供一种多液箱供液式无掩膜定域性电沉积金属基多元镀层的装置的使用方法，包括如下步骤：

6、s1.根据所施镀镀层的种类，把按照优选法配制好的电解液放在对应的电解液储存箱中，开启恒温水浴，保障电解液储存箱中电解液温度在50±1℃；

7、s2.将经过除油、除锈、抛光等前处理的工件(阴极)水平固定于沉积槽中的网状阴极固定架上；

8、s3.通过精密定位系统使铂针阳极的尖端与阴极基板表面之间的垂直距离为10μm；

9、s4.制备单金属镀层、金属基多元复合镀层

10、s5.制备多元单金属叠加镀层、多元复合层叠加镀层

11、s6.施镀完毕，手动控制三坐标移动工作台1，使阳极机构退回原位。

12、在进一步的实施例中，所述s4中制备单金属镀层、金属基多元复合镀层的步骤为；

13、1).按照所制备镀层种类，开启与相对应电解液储存箱相连的供液蠕动泵及其开关阀；

14、2).待铂针阳极尖端的导流管中有电解液流出时，开启脉冲电源，程控输出相应脉冲电参数；

15、3).开启三坐标移动工作台的控制系统，使阳极相对于工件(阴极)表面按照设定的路径平移；

16、4).当阳极走完设定的平移路径时，通过设定的程序使阳极机构上移距离d，d与镀层cad模型的各“切片”厚度一致；

17、5).通过三坐标移动工作台的控制系统，使铂针阳极相对于工件(阴极)表面再次按照设定的路径平移；

18、6).重复4)～5)的动作循环，直至镀层各“切片”厚度的累计值达到要求的厚度值为止；

19、7).程控关闭供液蠕动泵及其开关阀、开启充气泵及其开关阀，将设定流量的n打入电解液腔，加速其中电解液排出；

20、8).程控关闭充气泵及其开关阀、开启抽气泵及其开关阀，将封闭罩中的气体抽空并排入废气储存罐；

21、9).程控关闭抽气泵及其开关阀、开启吸液泵及其开关阀，将镀槽中的电解液吸入对应的储液箱中；

22、10).程控关闭吸液泵及其开关阀、开启与去离子水储存箱相连的清冼泵及其开关阀，将去离子水储存箱中的去离子水注入导流管与阳极之间的电解液腔，清洗阳极、导流管与镀层表面；

23、11).程控关闭清冼泵及其开关阀、开启与废水储存箱相连的抽水泵其开关阀，将镀槽中的清洗液抽入废水储存箱；

24、12).程控关闭抽水泵及其开关阀。

25、在进一步的实施例中，所述s5中制备多元单金属叠加镀层、多元复合层叠加镀层的步骤为；

26、1).根据多元单金属叠加镀层、多元复合层叠加镀层中第一层金属元素种类，开启与对应电解液储存箱相连的供液蠕动泵及其开关阀；

27、2).执行2)～5)的动作；

28、3).重复4)～5)的动作循环，直至镀层各“切片”厚度的累计值达到设定的第一层镀层的厚度值为止；

29、4).执行7)～11)的动作；

30、5).程控关闭抽水泵其开关阀，根据多元单金属叠加镀层(多元复合层叠加镀层)中第二层金属元素种类，程控开启与对应电解液储存箱相连的供液蠕动泵及其开关阀；

31、6).执行2)～5)的动作；

32、7).重复4)～5)的动作循环，直至镀层各“切片”厚度的累计值达到设定的第二层镀层的厚度值为止；

33、8).执行7)～11)的动作；

34、9).程控关闭抽水泵及其开关阀，根据多元单金属叠加镀层(多元复合层叠加镀层)中第三层金属元素种类，程控开启与对应电解液储存箱相连的供液蠕动泵及其开关阀；

35、10).执行2)～5)的动作；

36、11).重复4)～5)的动作循环，直至镀层各“切片”厚度的累计值达到设定的第三层镀层的厚度值为止；

37、12).执行7)～11)的动作；

38、13).程控关闭抽水泵及其开关阀，根据多元单金属叠加镀层(多元复合层叠加镀层)中第四层金属元素种类，程控开启与对应电解液储存箱相连的供液蠕动泵及其开关阀；

39、14).以此类推，参比第一层、第二层、第三层镀层制备的动作循环方式，制备多元单金属叠加镀层、多元复合层叠加镀层中第四层、第五层、第六层镀层，直至全部叠加镀层制备完毕。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、其一，本发明中，采用“多液箱供液式”的非“浸液式”无掩膜定域性电沉积方式，改变镀层种类灵活，可实现同一工件不同部位施镀不同种类的镀层，电解液利用率高；采用“微液柱+铂针阳极尖端”双定域性电沉积技术智能控制技术，电沉积定域性高，尤其适合微小型零件及复杂轮廓表面精密电沉积；

42、其二，本发明中，工作流程环节全部由计算机工作站程序控制，自动化程度高，保证了无掩膜定域性电沉积的高效率、高精度，无论工件阴极表面是平面还是曲面，计算机工作站所具有的“电参数-电解液参数-阳极运动参数”匹配功能，可保持电沉积厚度与cad模型“切片”厚度的高度一致性，易于获得厚度均匀的镀层；

43、其三，本发明中，易于获得细晶化致密镀层，可满足电沉积镀层“差异化”要求和“同一化”要求；

44、其四，本发明中，根据不同的镀层种类及工艺流程与步骤，计算机工作站可从系统专家库中调取对应的工艺参数，该方法应用面宽，适于制备单金属镀层、金属基多元复合镀层、多元单金属叠加镀层、多元复合层叠加镀层；ma、mb、…、mn为常用金属ni、fe、cu、co、w、cr、mo、ag等，可根据需要进行组合，以满足微电子信息制造、mems等领域精密零件表面功能化需求。