射流电铸快速成型纳米晶铜工艺基础研究

【摘要】：快速成型技术和纳米材料是当今制造和材料领域的两个重要研究方向。金属零件的快速制造已成为当前快速成型领域的研究热点和快速成型技术的最终目标之一。探索制备高质量的三维大尺寸块体纳米晶体材料工艺方法已成为纳米材料研究的关键技术之一。电铸是一种利用电沉积方法来成型金属零件的精密制造技术,在电铸中采用射流方式可大大提高阴极极限电流密度,显著提高电沉积速度和细化沉积层晶粒。本文将射流电铸和快速成型技术有机结合起来,发展了一种新的直接快速成型金属零件的新方法,进行了纳米晶铜的快速制备和直接快速成型纳米晶铜零件的基础试验研究,并取得了以下的主要结论: (1) 根据电沉积有关基础理论,分析了影响电铸速度的主要因素,总结了提高电铸速度和细化电铸层晶粒的措施,根据射流电铸的流场和电场分布特点分析了射流电铸快速成型的可行性。 (2) 将射流电铸与快速成型技术有机结合起来,发展了一种新的直接金属零件快速成型新方法——射流电铸快速成型技术,研制了射流电铸快速成型设备系统。设计开发了具有脉冲波形好、性能稳定的脉冲电源。 (3) 系统研究了直流电铸工艺参数、脉冲电流、添加剂硫脲以及电铸液中加入纳米Al2O3颗粒时对电铸层表面形貌的影响。研究结果表明,在电流密度相同时,增大电铸液喷射流速、提高喷嘴移动扫描速度有利于获得颗粒细小、表面平整的铸层;脉冲电流、添加剂硫脲以及电铸液中加入的纳米Al2O3颗粒有助于获得平整性好的电铸层表面,其中硫脲的作用显著,能在高电流密度下抑制树枝状晶生长的形成。 (4) 采用不同工艺方法在较宽电流密度范围内制备出了具有纳米晶结构的铜电铸层,晶粒尺寸在 30~80nm之间。喷嘴移动扫描速度对铜电铸层多孔结构有明显的影响。脉冲、添加剂硫脲、纳米Al2O3颗粒能细化晶粒和提高电铸层的致密性,其中添加剂硫脲的作用最为明显。 (5) 对不同工艺条件下制备的纳米晶铜电铸层的力学性能进行了分析研究。结果表明,制备工艺条件对纳米晶铜电铸层的力学性能有较大的影响。在一定的电流密度下,直流和复合条件下制备的纳米晶铜电铸层具有较好的塑性,延伸率最高达 17%,且在塑性流变阶段没有出现应变强化现象。脉冲电流和添