飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法

本发明涉及的是一种增材制造领域的技术，具体是一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法。

背景技术：

1、金属微结构增材制造常用的方法有liga技术、3d打印技术、化学沉积、电化学沉积技术、激光驱动微滴打印技术及复合加工技术等。liga技术可用于复杂微结构的加工，但是工艺流程繁琐、耗时长、成本高；3d打印技术可定制化生产，但加工精度不高，无法满足特定结构与材料的加工；化学沉积和电化学沉积在复杂三维微结构加工中尺度均匀性难以控制；激光驱动微滴打印技术虽可实现复杂三维微结构的加工，但破碎液滴多，微滴沉积界面重熔效果差。

2、改进的电沉积工艺中采用透明导电玻璃以改善电场分布不均匀性、采用基于微管的微区电沉积装置，通过激光辐照在微管尖端沉积液滴在试样表面形成的弯月面上，制备三维微纳尺度图案、以及采用电化学沉积氧化层方法或者旋转/沉浸涂胶/旋转涂胶-烘烤的方式在基底表面形成光刻胶薄膜屏蔽层，但这些改进技术或加工效率较低，或沉积区域受限于设备精度，或工艺繁琐的同时，均无法实现复杂形状三维微结构的柔性增材制造。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置及方法，采用飞秒激光诱导和调控电沉积方法，通过大数值孔径物镜将激光光斑聚焦到微米/亚微米级，实现微量材料的可控堆积增材制造，抑制气孔及裂纹等缺陷，提高定域电沉积微结构的加工效率和加工质量。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，包括：工作电极、电化学沉积系统、飞秒激光加工系统和大数值孔径物镜系统，其中：带有微小通孔的惰性金属工作阳极和工件阴极分别与电化学沉积系统的电源正负极连接，飞秒激光加工系统输出的飞秒激光束通过大数值孔径物镜后穿过工作阳极微小通孔聚焦辐照到工件阴极表面，工作阳极和工件阴极内有电沉积液，通过流量泵实现电沉积液循环，用以保证待电沉积金属阳离子的供给，维持金属离子浓度的稳定，工作阴极设置于飞秒激光加工运动平台上以保证复杂微结构的柔性制造。

4、所述的惰性金属工作阳极为带有微小通孔的铂电极或铱电极。

5、所述的飞秒激光加工运动平台采用x-y-z-a-c五轴精密平台，安装在大理石底座和龙门支架上，具有1μm的定位精度，可用于实现复杂微小三维微结构的增材制备。

6、本发明涉及一种基于上述装置的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，先采用惰性金属工作阳极在电沉积区域构建电场，当飞秒激光束通过大数值孔径物镜系统后，穿过工作阳极微小通孔后在工件阴极表面聚焦得到微米/亚微米级激光光斑；利用聚焦激光在流固界面微爆炸产生的等离子体力热电效应改变沉积点的离子浓度、加快液相传质、削弱浓差极化、提高阴极材料的极化电位并抑制气孔及裂纹，实现属材料在微区域的精确定域电沉积增材制造。

7、所述的微爆炸是指：当飞秒激光聚焦到电介质体内非常小的焦点附近时，极高的光强引发了多光子电离的非线性极化租用，多光子电离产生的自由电子大量吸收激光能量形成高温、高压区，继而形成高密度等离子体，并且由于飞秒激光超短脉宽小于电子与晶格的相互作用时间，使得等离子体形成过程中自由电子能量来不及传递给晶格，形成超高温的等离子体和冷的晶格。等离子体持续吸收激光能量向外膨胀辐射形成冲击波，等离子体产生冲击的同时伴随着空泡脉动冲击和溃灭射流冲击，在微加工区域内产生强烈的扰动效应。

技术特征：

1.一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，其特征在于，包括：工作电极、电化学沉积系统、飞秒激光加工系统和大数值孔径物镜系统，其中：带有微小通孔的惰性金属工作阳极和工件阴极分别与电化学沉积系统的电源正负极连接，飞秒激光加工系统输出的飞秒激光束通过大数值孔径物镜后穿过工作阳极微小通孔聚焦辐照到工件阴极表面，工作阳极和工件阴极内有电沉积液，通过流量泵实现电沉积液循环，用以保证待电沉积金属阳离子的供给，维持金属离子浓度的稳定，工作阴极设置于飞秒激光加工运动平台上以保证复杂微结构的柔性制造；

2.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，其特征是，所述的控制系统包括：激光器控制器、精密定位平台控制器、扫描振镜控制板卡、工控机和整套装备的控制子单元。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置，其特征是，所述的电化学沉积系统包括：电沉积电源、电沉积液、工作阳极、工具阴极和电沉积液循环系统，其中：电源为电沉积过程提供驱动力，电沉积液循环系统实现沉积金属阳离子的不断补充。

4.一种基于权利要求1-3中任一所述装置的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，其特征在于，先采用惰性金属工作阳极在电沉积区域构建电场，当飞秒激光束通过大数值孔径物镜系统后，穿过工作阳极微小通孔后在工件阴极表面聚焦得到微米/亚微米级激光光斑；利用聚焦激光在流固界面微爆炸产生的等离子体力热电效应改变沉积点的离子浓度、加快液相传质、削弱浓差极化、提高阴极材料的极化电位并抑制气孔及裂纹，实现属材料在微区域的精确定域电沉积增材制造。

5.根据权利要求4所述的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，其特征是，所述的微爆炸是指：当飞秒激光聚焦到电介质体内非常小的焦点附近时，极高的光强引发了多光子电离的非线性极化租用，多光子电离产生的自由电子大量吸收激光能量形成高温、高压区，继而形成高密度等离子体，并且由于飞秒激光超短脉宽小于电子与晶格的相互作用时间，使得等离子体形成过程中自由电子能量来不及传递给晶格，形成超高温的等离子体和冷的晶格，等离子体持续吸收激光能量向外膨胀辐射形成冲击波，等离子体产生冲击的同时伴随着空泡脉动冲击和溃灭射流冲击，在微加工区域内产生强烈的扰动效应。

6.根据权利要求4或5所述的飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造方法，其特征是，具体包括：

技术总结
一种飞秒激光诱导调控定域电沉积微结构增材制造装置及方法，包括：工作电极、电化学沉积系统、飞秒激光加工系统和大数值孔径物镜系统，带有微小通孔的惰性金属工作阳极和工件阴极分别与电化学沉积系统的电源正负极连接，飞秒激光加工系统输出的飞秒激光束通过大数值孔径物镜后穿过工作阳极微小通孔聚焦辐照到工件阴极表面，工作阳极和工件阴极内有电沉积液，通过流量泵实现电沉积液循环，用以保证待电沉积金属阳离子的供给，维持金属离子浓度的稳定，工作阴极设置于飞秒激光加工运动平台上以保证复杂微结构的柔性制造。本发明采用飞秒激光诱导和调控电沉积方法，通过大数值孔径物镜将激光光斑聚焦到微米/亚微米级，实现微量材料的可控堆积增材制造，抑制气孔及裂纹等缺陷，提高定域电沉积微结构的加工效率和加工质量。

技术研发人员：张西方,刘晓晶,许巍,宋美琪,姚振强
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16