一种超声辅助毫米级零部件电化学增材制造的装置及方法

本发明涉及增材制造装置，特别涉及超声辅助的毫米级电化学增材制造的装置及方法。

背景技术：

1、增材制造技术(additive manufacturing，am)是一种采用材料逐渐累加堆积成具有一定结构和功能的实体零件或原型的先进制造技术，是当前材料制备科学和先进制造技术学科领域的国际前沿研究和竞争热点之一。增材制造技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，解决了许多复杂结构零件的成型，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。电化学增材制造(ecam)也叫电化学3d打印，是目一种非常具有前景且受到广泛关注的新型材料制备技术，其本质是将电沉积技术与传统增材制造相结合。电沉积技术通过还原溶液中的金属离子，将薄且高度粘附的金属层沉积到导电基材表面，并结合增材制造理念通过一定的方式将各个金属沉积层累加堆积形成具有一定形状和性能的三维结构。ecam相较于传统的选区电沉积技术，它能够主动以不同方式和轨迹沉积特定图案或结构，可达到定域性沉积的目的。这种将增材制造与传统电沉积工艺相结合的方式，可以实现更为精细结构的金属制备。ecam能够在一定的区域内进行金属的电沉积，在电解液射流中能够保持稳定的电场，在电场内持续地进行金属阳离子的还原和沉积，可以构建具有特殊三维结构的金属材料，因此具有良好的自由制造潜能。

2、在金属材料的增材制造技术当中，采用物理制备方式(激光、电子束)，通常需要较高的能耗，所需的设备和材料也需要相当高昂的成本，且一般的以粉末为原料进行地增材制造法还存在相当大的安全隐患；而采用ecam的制备方式能够很大程度地降低制备成本并有效降低风险和危险性，为增材制造法制备金属提出了更新更节能更安全高效的新方向。

3、然而，尽管ecam对于三维结构的制备可以灵活控制金属的组织和结构，以及节能、低成本、安全等先天优势，但鉴于该技术的自身局限性，其本质是电解液中的金属阳离子的电沉积，而沉积速度慢且难以控制，沉积速度较慢，而且目前成型件存在表面质量欠佳，晶粒结晶不稳定，定域性差等问题，故该技术很难适用于较大尺寸零部件的制造，目前可以成型的零部件尺寸都在微米尺度。因此亟需一种可以利用电化学增材制造技术来达到较大尺寸的零部件制造的特种加工设备与方法。

技术实现思路

1、为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种超声辅助电化学增材制造较大尺寸零件装置与方法，综合恒温、电场条件，并在超声外场作用下加速电化学沉积速率，获得低成本增材制造毫米级零件的技术。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种超声辅助电化学增材制造毫米级零部件的装置，包括三轴导轨、电解液喷射装置、超声发生装置、阴极成形模块、电解液循环系统以及交流电源。三轴导轨作为装置整体框架安装于隔板外壳内，电解液喷射装置则通过配套的夹具安装于z轴导轨上并通过导轨的上的滚轮实现电解液喷射装置在z轴方向上的移动，z轴导轨为竖直吊臂，通过滑块导轨机构与y轴导轨相连接，滑块在x轴上滑动带动z轴吊臂实现电解液喷射装置的x轴移动，阴极成形模块通过配套的夹具固定于导轨模块的y轴导轨上的滑块上，滑块通过滚轮滑动带动整个阴极模块在y轴方向上进行移动。超声发生装置通过防水胶圈半嵌入式安装于电解液喷射装置内部，超声发生装置的变幅杆通过嵌入式安装伸入到电解液喷射装置的电解液射流形成区域。电解液循环系统分为三个部分，一个是位于电解液喷射装置上方与电解液喷射装置内部的电解液腔通过液体导管相连接的电解液进料池，第二个是位于阴极成形区域下方用于收集喷射过后未成型以及飞溅的电解液的电解液收集池，第三部分是将第一和第二部分相连接的抽水泵循环装置。交流电源则通过导线将正负极分别与阳极丝以及阴极基板相连接，为两极之间形成电场，促进电解液的沉积与成型。该装置通过利用计算机的控制系统在cad程序的指导下控制三轴导轨上各滑块再各轴上的移动从而带动阳极与阴极在三轴方向上保持一定的极间间距并稳定实现移动，并在超声振动的辅助下实现较毫米级零部件的增材制造。

4、进一步地，所述电解液喷射装置包括电解液导管、气体导管、电解液腔、气体腔、阳极丝。其中电解液导管与电解液循环系统的进料池相连接，为喷射装置提供源源不断的电解液原料。气体导管则是与增压气瓶相连，通过向装置内部通入气体带出电解液，便于形成电解液射流，提高流速。所述电解液腔则是与电解液导管相连接，用于暂时储存电解液并提供超声振动处理电解液的场所，该腔体值得一提的是通过防水胶圈使超声发生装置的超声变幅杆嵌入其中。气体腔位于气体导管相对于喷射口的另一侧，用于存储富余的气体而产生气压从而平衡两侧电解液射流受到的的气体压强。所述阳极丝，其材料选择高纯度为的铂丝，直径为0.3mm，打磨成尖端为锥形，锥尖尺寸为10μm，锥尖处于喷射口内部，比喷射口端面略短2～3mm,该区域用于电解液沉积与金属成型。阳极丝处于喷射口的的正中心位置，其两侧留有2mm宽的缝隙便于电解液喷射而出，其尾端固定于橡胶塞中以保证其不偏离中心位置，并通过导线与交流电源的正极进行连接。该模块主要提高电解液的流速形成射流，并为电解液的超声振动处理提供场所，同时提供阳极参与电化学反应。

5、进一步地，所述电解液循环系统分为三个部分，一个是位于电解液喷射装置上方与电解液喷射装置内部的电解液腔通过液体导管相连接的电解液进料池，第二个是位于阴极成形区域下方用于收集喷射过后未成型以及飞溅的电解液的电解液收集池，第三部分是将第一和第二部分相连接的抽水泵循环装置，其进水口与电解液收集池相连而出水口与进料池相连，中间为叶轮室。所述电解液循环系统其中电解液进料池为半开放式的箱式结构，其共有三个连通方向：一是箱盖可以打开与外部连接，便于向内添加电解液，二是还有一个连接孔通过液体导管与循环装置的出水口相连接，三是电解液进料池还通过液体导管与电解液喷射装置内的电解液腔相连接。电解液循环系统中收集池侧面设有与液体导管相连的连接孔，并通向循环系统的进水口。电解液进料池、该装置主要通过电解液收集池与循环装置三者相互协同工作，为装置进行增材制造源源不断地提供原料。

6、进一步地，所述阴极成形模块主要构成部分是阴极基板与温控台。其中温控台通过配套的夹具固定于三轴导轨y轴上的滑块上，并随滑块的移动实现y轴方向上的移动。阴极基板则是可更换的模块化装配基板，通过夹具固定于温控台上，并和阳极丝之间保持一定的间距确保电解液中金属阳离子的还原反应能够正常进行，阴极基板通过导线连接交流电源的负极。该模块的主要作用是通过控制阴极基板温度从而控制在阴极基板上发生的电化学反应的环境温度，并为增材制造的电化学反应提供阴极。

7、进一步地，所述超声发生装置主要包括超声工作仪与变幅杆。超声工作仪与变幅杆二者相连，工作仪为于隔板外壳以外，而变幅杆则通过嵌入式安装伸入到电解液喷射装置的电解液射流形成区域。该装置的主要作用在于对电解液喷射装置的电解液腔体内喷射的电解液射流施加超声振动处理。

8、一种超声辅助毫米级零部件电化学增材制造的装置的使用方法，包括以下步骤：以超声辅助电化学增材制造镍零件为例：

9、(1)通过计算机的cad三维结构设计软件对零部件的三维结构进行设计，再通过专用快速成型软件对三维模型进行切片处理，设置好切面厚度和路径扫描方式，实现对电解液喷射装置在z轴以及x轴方向上的移动，以及阴极模块在y轴方向移动的控制。

10、(2)配制电解液，配制niso4·6h2o,、nicl2·6h2o、,h3bo3、十六烷基三甲基溴化铵浓度分别为285g/l、28g/l、25g/l、80mg/l，,ph值为4.8作为电解液，将电解液加入电解液进料池中；

11、(3)阳极丝材料选择高纯度的铂丝，直径为0.3mm，用砂纸打磨成尖端为锥形，锥尖尺寸为10μm。将打磨过后的阳极放入质量分数为30％的稀盐酸溶液中活化处理，常温下活化3～5min，然后将铂丝尾端固定在橡胶塞内保持铂丝位于喷射口的中心位置。锥尖处于喷射口内部，比喷射口端面略短2～3mm，且尾端通过导线与交流电源正极相连；

12、(4)选择不锈钢作为阴极基板，首先采用1000目、2000目、4000目金相砂纸依次打磨，消除表面的凹坑和划痕。然后采用粒径为0.5μm，质量分数为5wt％氧化铝抛光30分钟，将抛光后的铝片放入超声波清洗机中清洗10分钟，然后吹干表面的水渍片，以表面光滑、平整，无明显划痕为准。经过上述处理后，利用温控台上的夹具将其固定在温控台以上，并通过导电夹和导线与交流电源负极相连；

13、(5)开启温控台的电控开关，将其预热至35℃，并保温3～5min，保持阴极基板的温度稳定且有利于电化学沉积的进行；

14、(6)调整z轴吊臂上的滑块位置，控制电解液喷射装置在z轴上的位置，使阳极丝锥尖与不锈钢基板的间距在10μm以下，保证两极之间射流中的电子能够有效传递，使电化学沉积能够稳定进行；

15、(7)开启超声发生装置，调节超声波频率20khz,超声波功率250w，使超声变幅杆电解液喷射装置内的电解液射流形成区域电解液施加高频超声振动；

16、(8)打开交流电源开关，调整参数，使得电流为20ma，极间电压为4v、脉冲电流占空比为60％，并打开开关，并使其通电；

17、(9)启动电解液循环系统中的循环装置，调节电解液流量至10ml/min；

18、(10)连接电解液喷射装置的电解液导管，使进料池内的电解液进入电解液腔体内，打开与电解液喷射装置气体导管相连的气瓶阀门并调节气体流速，提高电解液腔体内的电解液流速使其形成射流从喷射口喷射而出，并喷向不锈钢阴极基板开始沉积；

19、(11)通过计算机程序，控制三轴导轨上各滑块的移动，保证阴阳两极间距在有效的沉积距离内，并在程序的指导下实现x轴与y轴的移动，进而根据cad所建立的三维模型以及快速成型软件建立的切片数据，制造出该零部件。

20、进一步地，所述的一种超声辅助毫米级零部件电化学增材制造的装置及方法，可以通过替换所配置的电解液成分实现不同金属乃至合金材料的零部件增材制造。当使用该装置及方法增材制造铜金属材料零部件时，配制电解液成分为由cuso4·5h2o、h3bo3、nacl组成，由去离子水配制的ph值介于3～5的酸性溶液，其质量分数分别为18％、5％、00.007％；当使用该装置及方法增材制造镍钴合金材料零部件时，配制电解液成分为由nacl 20g/l、h3bo3 30g/l、niso4·6h2o与coso4·7h2o按质量浓度比2∶1、1∶1或1∶2且总浓度为300g/l组成，ph值介于3～4的酸性溶液；当使用该装置及方法增材制造镍铜合金材料零部件时，配制电解液成分为由niso4·6h2o、cuso4·5h2o、na3c6h5o7·2h2o、h3bo3、nacl组成，浓度分别为100g/l、70g/l、10g/l、30g/l、6g/l组成的溶液。其他合金成分材料的零部件的增材制造只需在此基础上调整电解质内的金属阳离子即可实现不同成分合金的电化学增材制造。

21、本发明的有益效果：

22、该装置及方法通过计算机控制系统在cad程序设定的指导下，控制三轴导轨上各滑块在三轴方向上进行移动，使阳极丝与阴极基板二者之间间距保持在10μm以下，并为电化学沉积创建以下三个环境条件：一是通过温控台时刻控制阴极基板温度使得电化学反应始终处于恒温环境中，二是保持交流电源的交变电流并控制其极间电压与脉冲占空比，三是通过超声发生装置持续为电解液腔体内电解液射流施加超声振动。为金属电沉积提供一个稳定的恒温、电场、超声振动的微区域。其中超声产生的空化效应对极间的电解液搅拌，减少了电解液的浓差极化，提升传质效果，提高沉积速度，改善成型组织的形貌以及晶粒的大小，使成型结构更加均匀。而且超声空化产生的射流可以不断净化电极表面，以保证其化学活性；还可以可连续扰动扩散层，强化传质。超声还能强化电化学过程，除去电极表面的气泡，保证电流畅通；超声波的强化作用还能够细化晶粒，去除沉积层中的杂质和减少氢气的附着，提高成型金属的性能，实现高质量毫米级零部件的增材制造。