激光电化学复合的热力沉积制造技术研究

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随着科学技术的发展,现代制造技术对于零件的尺寸、形状以及材料性质提出了新的要求,如对于微型尺寸零件的加工需求以及对材料化学性质、力学性能、耐腐蚀性能的需求等,尤其是对于微型关键部件的加工制造与表面修复等微细加工的要求越来越高。针对这一问题,本文研究了一种新型增材成形制造技术—激光电化学复合沉积制造技术。  激光电化学复合沉积加工是利用激光作用过程中产生的热力效应影响电化学反应过程的一种制造技术。一方面,激光的热力效应改变了照射区域的电极状态,产生了光电化学效应、热电化学效应和力电化学效应,从而影响了电化学反应中的电极电势和电流密度,增加了晶核的形成机率;另一方面,激光的热效应改变了溶液的电导率和离子的迁移率,热力效应增强了溶液中的对流,增加了溶液的扩散流量,加快了溶液中金属离子的传质过程,改善了溶液中的极化现象,加快了反应速度,提高复合加工效率的同时改善了沉积质量。  本文以实现激光辐照的电化学热力沉积加工为目的,进行了激光与电化学沉积两者复合后的理论和试验研究,主要研究内容如下:  1.建立了电化学沉积中金属离子运动学和形核动力学理论模型。在分析了激光电化学复合的热力沉积加工机理与特点的基础上,研究了复合加工过程中热力效应的产生过程和电极状态的变化,建立了热力效应作用的数学模型,重点分析了激光作用于溶液中时产生的热力效应对于电化学沉积反应的影响。  2.构建了激光电化学复合沉积试验系统。主要包括激光器系统和电化学沉积加工试验系统,以及用于电化学反应状态的检测和沉积质量分析装置,其中电化学沉积加工试验系统的组建主要包括脉冲电源的调试、电沉积液的配置、温度与溶液的搅拌控制单元以及工具阳极和阴极的前处理过程。  3.通过所构建的试验系统在304不锈钢阴极上进行了电沉积铜的试验研究,首先确定了电沉积的试验装置,通过试验得出了最优的电化学沉积加工参数。其次,对激光在溶液中的作用过程进行了检测分析。最后,采用优化后的电原参数进行激光电化学复合沉积加工的试验研究,并分析了激光参数对沉积层质量的影响。  上述理论分析和试验研究表明:相比较于普通电化学沉积,激光的引入,不单单提高了电化学反应速率,甚至可以得到高硬度、低残余内应力的沉积层,且表面质量得到显著改善,表现为低的表面粗糙度、均匀的表面微观形貌、晶粒细化甚至得到纳米晶。
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