一种高精度射流电铸用喷嘴及其成形方法技术

本发明专利技术属于电铸技术领域，具体为一种高精度射流电铸用喷嘴及其成形方法。喷嘴主要包括含有矩形窄缝出口的喷嘴主体，喷嘴主体的下方左右两侧分别对称设有左排液口和右排液口，位于喷嘴主体下方位置的矩形窄缝型出口端部设有硬质定域墙和弹性挡液栏。定域墙用于提高电铸的定域性，挡液栏可在窄缝型出口处形成封腔使得电解液对金属层进行高效的冲刷而补充金属离子后从左排液口和右排液口排出，避免了电解液冲击阴极基底后向四周散开而扩大电解液的作用区域，大幅提高了电铸成形精度。本发明专利技术喷嘴的结构简单，基于本发明专利技术喷嘴所电铸金属构件的成形精度高、表面光整，同时本发明专利技术方法扩大了射流电铸的应用范围，可应用于曲线轨迹路径金属构件的制造。径金属构件的制造。径金属构件的制造。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度射流电铸用喷嘴及其成形方法


[0001]本专利技术专利属于电铸
，具体涉及一种高精度射流电铸用喷嘴及其成形方法。

技术介绍

[0002]电铸加工是根据电化学阴极沉积原理在阴极基底上实现金属基制件精密制造的一种特种加工技术。
[0003]利用电化学沉积原理的射流电铸制造方法可用于金属基制件制造，射流电铸所用喷嘴内的阳极与阴极基底之间存在电场，喷嘴喷射出的电解液冲击在阴极基底上后，电解液中的金属离子在阴极基底上获得电子进行沉积。通过驱动喷嘴沿着不同的轨迹运动可电铸获得多样结构的金属基制件。射流电铸所用电流密度可达300A/dm2，相较于掩膜电铸具有很高的加工效率。但由于射流电铸存在加工精度较低，定域性差等问题尚不能满足工程应用需求。射流电铸的定域性是指在一定的工艺条件下，射流电铸在阴极基底上所形成的铸斑/线条尺寸与喷嘴口径的一致性。射流电铸加工所得铸斑/线条的尺寸一般都会大于喷嘴的口径，两者尺寸相差越小，定域性越好。研究表明，在保持其它参数一定时，增大电流密度虽可提高电铸加工效率，但射流电铸的定域性变差；增大喷射流量可提高电铸件的表面成形质量但会导致电解液冲击在阴极基底上后形成的紊流区域大幅增大从而扩大电场作用范围，形成的铸斑/线条尺寸明显增大，射流电铸定域性变差。这是因为，至今已报道的射流电铸所采用的喷嘴所喷射出的电解液束几乎都是呈自由射流状态，未被限制，这样，射流电铸的电解液束高速冲击到阴极面后必然向四周扩散，沿着阴极面流出并在阴极面上形成一定厚度的流动液膜，这不可避免地会导致电沉积区域的大幅扩增（临近喷射处的液膜都会有杂散电流，导致金属电沉积现象发生）进而引起电铸金属层的覆盖面积（宽度/直径）远大于射流喷口尺寸。同时，在电铸过程中可能发生副反应产生的气体形成气泡会附着在阴极表面，若不能及时对气泡进行清理会造成金属构件表面存在麻点等缺陷。
[0004]射流电铸常用喷嘴为直径数十微米至几毫米的圆形喷口。这种形状虽然易于获得较高品质的射流，但在阴极面扫描运动时单程运动轨迹覆盖的宽度非常有限，沉积效率低，极难适用于大宽度/大面积金属构件的制造。因此，研究人员开发出含有狭长窄缝类喷口的喷嘴以用于射流电铸或射流电沉积，以大幅增大单程扫描覆盖的宽度/面积。然而，应用表明，这类喷嘴的射流电铸定域性更低，而且不易形成稳定好、定形性好的高品质射流，冲击阴极面的射流依然不受束缚地沿阴极面向四周扩散，导致电铸出的金属层/构件成形精度、表面质量非常不理想，尤其是当喷嘴扫描运动的轨迹路径是非直线时，电解液受惯性力作用在阴极表面沿轨迹路径长度方向上的扩散范围相较于直线轨迹更大、更不均匀，因此传统射流电铸不太适合用于高精度曲线走向的金属层和构件。而且，基于这类喷嘴，在射流电铸过程中，电解液冲击在阴极基底上后向四周散开，在轨迹路径的宽度方向上流场和电场分布都不均匀，导致所得金属层厚度呈现中间高、两侧低的“高斯”分布特征，表面平整性差。在此类金属层的基础上进行新一层金属层沉积时，进一步中加剧了表面的不平整程度。
[0005]对此，本专利技术设计了一种新型狭长方形窄缝喷口喷嘴，最大限度地克服了现有射流电铸喷嘴所存在的射流电解液四周扩散现象、定域性低、不适用曲线扫描轨迹等不足，实现了金属构件的高精度电铸成形。

技术实现思路

[0006]针对现有射流电铸喷嘴的不足，本专利技术的目的是提供一种高精度射流电铸用喷嘴，以大幅提高电铸的定域性，进而获得成形精度高、表面平整的金属构件。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下。
[0008]一种高精度射流电铸用喷嘴，包括阳极、电铸电源和含有窄缝型出口的喷嘴主体，其特征在于：它还包括定域墙和挡液栏；所述的喷嘴主体的下部左右两侧分别对称设有左排液口和右排液口；所述的窄缝型出口的端部左右两侧分别对称设有定域墙；所述的窄缝型出口的端部设有挡液栏；所述的左排液口的左排液口入口的下沿和右排液口的右排液口入口的下沿距窄缝型出口的端部的高度相同，均为2
‑
4mm；所述的挡液栏比定域墙高50
‑
200μm；所述的挡液栏位于定域墙的外侧。
[0009]所述的窄缝型出口的宽度为0.1
‑
0.5mm，长度为0.5
‑
10mm。
[0010]所述的挡液栏由弹性非金属材料制成，以能在轻压时有一定的变形进而对电解液起到良好的密封作用。
[0011]所述的定域墙由耐酸碱腐蚀的电绝缘硬质固体材料制成，该类材料可以保证定域墙在不被电解液所腐蚀的前提下以起到对电解液的作用区域进行限制的作用。
[0012]所述的喷嘴主体上的左排液口和右排液口的横截面积之和小于喷嘴进液口的横截面积，以提高排液口的电解液流速，进而可以高效地对沉积区域进行冲刷。
[0013]所述的喷嘴主体由耐酸碱腐蚀的电绝缘硬质固体材料制成，可以保护喷嘴不会被电解液所腐蚀。
[0014]所述的阳极固定安设于喷嘴主体内部，并与电铸电源的正极电气连接。
[0015]一种高精度射流电铸方法，其特征在于：它包括以下顺序实施的步骤：S1：把平面状阴极基底电气连接于电铸电源的负极，将喷嘴竖直地置于水平放置的平面状阴极基底的上方某一特定位置，然后下移喷嘴直到挡液栏与阴极基底的上表面紧密接触并形成一定程度的弹性变形；S2：启动电解液循环过滤系统（图中未画出），驱动电解液从喷嘴进液口进入并流经由挡液栏和定域墙所圈围的区域后，从左排液口和右排液口排出，此时，以设定的电压值打开电铸电源，与此同时，驱动喷嘴以紧密接触的位置为起点，沿设定的轨迹路径相对于阴极基底做匀速扫描运动直到设定的终点位置，在此过程中，受电场和电解液的共同作用下，电解液中的特定金属离子经还原反应变成金属原子堆叠在阴极基底上并形成第一层金属层；S3：把喷嘴相对于阴极基底提升一定高度（提升的距离小于第一层金属层的厚度5
‑
10μm），并随即沿设定的原轨迹路径从终点位置匀速扫描运动到起点位置，此时，在第一层金属层上面叠加形成了第二层金属层；S4：把喷嘴相对于阴极基底再提升一定高度（提升的距离小于第二层金属层的厚度5
‑
10μm），并随即沿设定的原轨迹路径从起点位置匀速扫描运动到终点位置，此时，在第
二层金属层上面叠加形成了第三层金属层；S5：重复步骤S3和S4，直至金属层的总厚度达到设计值为止；S6：关闭电铸电源和电解液循环过滤系统（图中未画出），停止喷嘴运动，把金属层从阴极基底上分离，最终得到高成形精度、高表面质量的金属构件。
[0016]本专利技术所提出的电铸方法中，下移喷嘴至挡液栏与阴极基底的上表面紧密接触以及喷嘴抬升高度小于上一层金属层厚度的设定，可以在挡液栏与金属层之间保持良好的密封状态，从而为电铸沉积区域创造均匀且稳定的流场分布，使电铸金属层处于高成形精度的电解液环境，以达到电铸成形精度高、表面光整金属构件的制造目的。
[0017]本专利技术与现有技术相比，主要优点如下。
[0018]（1）本专利技术中的喷嘴结构简单，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度射流电铸用喷嘴，包括阳极（2）、电铸电源（8）和含有窄缝型出口（1
‑
5）的喷嘴主体（1
‑
1），其特征在于：它还包括定域墙（3）和挡液栏（4）；所述的喷嘴主体（1
‑
1）的下部左右两侧分别对称设有左排液口（1
‑
3）和右排液口（1
‑
4）；所述的窄缝型出口（1
‑
5）的端部左右两侧分别对称设有定域墙（3）；所述的窄缝型出口（1
‑
5）的端部设有挡液栏（4）；所述的左排液口（1
‑
3）的左排液口入口（1
‑3‑
1）的下沿和右排液口（1
‑
4）的右排液口入口（1
‑4‑
1）的下沿距窄缝型出口（1
‑
5）的端部的高度相同，均为2
‑
4mm；所述的挡液栏（4）比定域墙（3）高50
‑
200μm；所述的挡液栏（4）位于定域墙（3）的外侧。2.根据权利要求1所述的一种高精度射流电铸用喷嘴，其特征在于：所述的窄缝型出口（1
‑
5）的宽度为0.1
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0.5mm，长度为0.5
‑
10mm。3.根据权利要求1所述的一种高精度射流电铸用喷嘴，其特征在于：所述的挡液栏（4）由弹性非金属材料制成。4.根据权利要求1所述的一种高精度射流电铸用喷嘴，其特征在于：所述的定域墙（3）由耐酸碱腐蚀的电绝缘硬质固体材料制成。5.根据权利要求1所述的一种高精度射流电铸用喷嘴，其特征在于：所述的喷嘴主体（1
‑
1）上的左排液口（1
‑
3）和右排液口（1
‑
4）的横截面积之和小于喷嘴进液口（1
‑
2）的横截面积。6.根据权利要求1所述的一种高精度射流电铸用喷嘴，其特征在于：所述的喷嘴主体（1
‑
1）由耐酸碱腐蚀的电绝缘硬质固体材料制成。7.根据权利要求1所述的一种高精度射流电铸用喷嘴，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：明平美，张亚赛，李欣潮，闫亮，牛屾，王建树，李宗彬，李伦旭，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：