一种基于层流作用的射流电沉积合金共镀装置

本发明属于电沉积，具体涉及一种基于层流作用的射流电沉积合金共镀装置。

背景技术：

1、电沉积技术在合金共镀上存在两方面的制约。其一为电化学势的制约。传统电化学沉积合金共镀条件之一是两种金属的析出电势需尽可能接近。在析出电势相差不大的情况下，可通过改变金属离子浓度、加入络合剂、加入添加剂等手段使两种金属析出电势接近或相等，实现该合金的共镀。如果两者的析出电势差超过外部手段能调节的范围，则该合金体系难以实现共镀。其二，为合金成分的制约。由于析出电势、离子浓度等方面的限制，传统电沉积技术在合金共镀时合金成分比例调整范围有限。以镍铜合金共镀为例，铜的原子百分比目前只能达到33％左右，更高铜原子比例的镍铜合金则难以实现。

2、射流电沉积继承了传统电沉积合金共镀的局限，在射流电沉积制备合金样品时同样面临合金体系选择以及合金成分比例的限制。射流电沉积是微细结构金属3d打印的潜在技术。由于上述限制，现有的射流电沉积只能沉积单金属，所得纯金属构件在力学性能如强度、硬度)、耐蚀、耐氧化等方面均有较大局限，难以满足微细结构增材制造的要求。

3、专利公开号为cn111304710a的中国发明专利《一种多通道喷射电沉积装置》公开了一种多通道喷射电沉积装置，其工艺是通过阀门控制不同种类的溶液进行交替喷镀，具体为先抽入co溶液在阴极基底上沉积出co层，再通过控制阀门，关闭co溶液，抽入mn溶液，在co沉积层上再沉积一层mn沉积层，如此循环，形成co/mn交替沉积的结构。该方法可将不同合金体系的金属交替沉积，突破合金体系选择的限制。但这种交替沉积结构仅为不同纯金属的物理堆叠，无法形成co-mn合金固溶体或合金相。因此，射流电沉积合金共镀依然是目前面临的技术难题。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于层流作用的射流电沉积合金共镀装置；该射流电沉积合金共镀装置可以突破射流电沉积合金共镀中合金体系选择的制约、实现更大范围内的合金成分调节，实现基于射流电沉积技术的微细物件的合金增材制造。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种基于层流作用的射流电沉积合金共镀装置，包括射流电沉积系统和控制系统；

4、射流电沉积系统包括喷管、第一dc电源、第二dc电源、第一阳极铂丝、第二阳极铂丝、阴极台、电解槽、第一化工泵、第二化工泵、第一原液槽、第二原液槽、废液槽、第一乳胶管、第二乳胶管和第三乳胶管；

5、第一原液槽内盛装有第一电解液，第一乳胶管的一端与第一原液槽中的第一电解液连通，另一端与喷管连通；第一化工泵设置于第一乳胶管上，用于从第一原液槽中抽出第一电解液；

6、第二原液槽内盛装有第二电解液，第二乳胶管的的一端与第二原液槽中的第二电解液连通，另一端与喷管连通；第二化工泵设置于第二乳胶管上，用于从第二原液槽中抽出第二电解液；

7、喷管的内部设置有y型毛细管流道，即包括汇合于一处的上方两侧流道和一竖直流道，第一电解液和第二电解液经由y型毛细管流道的上方两侧流道汇入，再经竖直流道汇合后同时向外喷出至阴极台；

8、喷管下方设置有第一阳极铂丝和第二阳极铂丝，第一阳极铂丝和第二阳极铂丝分别位于y型毛细管流道的竖直流道的两侧；

9、第一dc电源经由第一阳极铂丝和阴极台形成电流回路；第二dc电源经由第二阳极铂丝和阴极台形成另一电流回路，用于对第一电解液和第二电解液施加不同的电流和电压；

10、阴极台置于电解槽的中心处，电解槽通过第三乳胶管与废液槽连通；沉积后的混合废液流至电解槽的边缘，之后通过第三乳胶管流入废液槽。

11、进一步的，控制系统包括三维移动平台和工控机；三维移动平台用于提供x、y、z三轴运动；喷管固定在三维移动平台的z轴上，三维运动平台的z轴固定在y轴之上，电解槽固定在三维运动平台的x轴上；工控机用于接受建模图形数据，自动转换成三维移动平台的运动数据。

12、进一步的，喷嘴内的y型毛细管流道直径为0.3.～1mm。

13、本发明具有如下有益效果：

14、1、突破电化学势的制约：在目前现有的电沉积技术中，由于金属之间存在着标准还原电位的差异，若两者的析出电势超过外部手段能调节的范围，则两者无法实现共镀。本发明通过在射流电沉积装置中喷嘴内部设置微细毛细管流道，因毛细管层流状态，可以分别改变外部因素(例如温度等)来控制两束电解液的沉积状态，规避了沉积时因两者析出电势差异而无法共沉积的问题，从而实现更大范围内的合金体系选择进行合金共镀。

15、2、突破合金成分制约，实现成分比例自由调节：由于析出电势、离子浓度等因素的限制，传统电沉积进行合金共镀合金中各个金属的成分占比范围有限，例如传统电沉积制备镍铜合金，以目前的电沉积技术制备镍铜合金，铜成分占比在镍铜合金中只能达到33％左右，无法制备更高铜原子比例的镍铜合金。本发明通过设置两个直流电源，两束电解液处于不同的电流回路中，以镍铜合金为例，由于合金镀层中的成分占比与两种金属沉积速率差异有关，故可在提升铜电解液的电流同时降低镍电解液的电流，从而加快铜的沉积速率和减缓镍的沉积速率，即可获得铜成分占比远超传统电沉积所制备的镍铜合金；通过改变两者的电流密度即可自由调节合金中金属原子比例。

16、3、实现微细物件3d打印合金制造：由于目前的射流电沉积只能沉积单金属，使得所制备的纯金属构件在力学性能(如强度、硬度)、耐蚀、耐氧化等方面均有较大局限，难以满足微细结构增材制造的要求。本发明通过y型毛细管流道喷管喷射两种电解液，实现两种金属的共沉积，配合x、y、z三轴运动平台沉积出特定形状的沉积物，可以实现合金材料的3d打印。合金3d打印成品的力学性能、耐腐蚀、耐氧化等方面相较于单金属3d打印成品更为优异，且因为喷管的微细内径，故此射流电沉积装置可3d打印微细尺寸的物件。

技术特征：

1.一种基于层流作用的射流电沉积合金共镀装置，其特征在于，包括射流电沉积系统和控制系统；

2.根据权利要求1所述的基于层流作用的射流电沉积合金共镀装置，其特征在于，控制系统包括三维移动平台(8)和工控机(13)；三维移动平台(8)用于提供x、y、z三轴运动；喷管(1)固定在三维移动平台(8)的z轴上，三维运动平台(8)的z轴固定在y轴之上，电解槽(6)固定在三维运动平台(8)的x轴上；工控机(13)用于接受建模图形数据，自动转换成三维移动平台(8)的运动数据。

3.根据权利要求1所述的基于层流作用的射流电沉积合金共镀装置，其特征在于，喷嘴(1)内的y型毛细管流道直径为0.3～1mm。

技术总结本发明提供了一种基于层流作用的射流电沉积合金共镀装置，包括射流电沉积系统和控制系统；射流电沉积系统包括喷管、第一DC电源、第二DC电源、第一阳极铂丝、第二阳极铂丝、阴极台、电解槽、第一化工泵、第二化工泵、第一原液槽、第二原液槽、废液槽、第一乳胶管、第二乳胶管和第三乳胶管；控制系统包括三维移动平台和工控机；三维移动平台用于提供X、Y、Z三轴运动；喷管固定在三维移动平台的Z轴上，工控机用于接受建模图形数据。该射流电沉积合金共镀装置可以突破射流电沉积合金共镀中合金体系选择的制约、实现更大范围内的合金成分调节，实现基于射流电沉积技术的微细物件的合金增材制造。技术研发人员：方铁辉,冯逸超,陈希章,薛伟,耿燕飞,郎文昌受保护的技术使用者：温州大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4