聚焦射流三维电沉积数值仿真分析与实验研究

发布时间：2020-06-14 19:41

【摘要】：射流电沉积技术是一种以高速射流为载体,在阴极基底上进行选择性电沉积的无掩膜加工技术,因沉积速度快、选择性(定域性)好、自由度高等优点,在三维微增材制造领域具有良好的应用前景。三维(3D)金属微结构与零件的高效增材制造,需求旺盛,是金属增材制造领域的关注热点与前沿研究。虽然射流电沉积在等众多高新技术领域中承载着微细、纳米级尺度三维零部件制造方面具有潜在的优势,但因高品质射流制备这一核心难题尚未获得实质性突破,所以,至今几乎仍无法用于金属3D微结构与零件的工程化增材制造。虽承载厚望,但心余力绌。因此,开拓出先进的适用金属3D微增材制造技术实乃当务之急。本课题组研究发现,基于独特的工作机制、能突破常规射流制备技术能力极限的流动聚焦技术,可以为制备高品质射流(长射程、高射速,小射束、均匀化流场、强定域性)提供很好的借鉴及经验。鉴于此,本课题组把流动聚焦技术融合集成到射流电沉积技术中,用流动聚焦技术形成的高品质微细射流(外层为高速电绝缘流体、内核为电解液)代替常规的开放式射流(单一电解液),形成了一种新的射流电沉积技术—聚焦射流三维电沉积技术。本文在国家自然科学基金(No.51475149)、河南省高校科技创新团队支持计划(15IRTSTHN013)和河南理工大学科技创新团队项目(No.T2014-1)的资助下进行的,主要研究内容包括:(1)研究探讨了聚焦发生装置结构参数和聚焦射流条件参数与聚焦射流流场特性的关系,分析了聚焦发生装置结构参数和聚焦射流条件参数对聚焦射流自由射流区流场分布特性的影响。结果表明:相比常规射流,聚焦射流可以获得射程更长、射速更快,束径更小、流场更均匀、定域性更高的微细射流;随着聚焦孔半径r的增加,聚焦发生装置的聚焦效果越来越好,但聚焦射流稳定性越来越差;随着喷嘴距离聚焦孔高度h的增大,聚焦发生装置的聚焦效果越来越好,但聚焦射流的稳定性先增加后降低;随着聚焦孔长度L的增加,聚焦发生装置的聚焦效果越来越差,但聚焦射流的稳定性先增加后减小。因此,当聚焦孔半径r=1.2R、喷嘴到聚焦孔的距离h=2R、聚焦孔长度L=R时,聚焦发生装置的聚焦效果最好,此时聚焦射流直径为905.4μm,相对于常规射流直径减小了357.6μm。(2)研究探讨了聚焦射流条件参数与聚焦射流电沉积近滞留区流场特性的关系,分析了聚焦射流条件参数对聚焦射流电沉积近滞留区流场分布特性的影响。结果表明:与射流电沉积相比,聚焦射流电沉积的近滞留区更小。而且,聚焦射流电沉积壁面射流区流膜的厚度更小,这可能有利于减小射流外围的杂散电流;当电解液流速v一定时,随着气体压强差ΔP的增大,聚焦射流电沉积的射流直径和滞留区域减小,而且壁面射流区的流膜厚度越来越小。(3)电沉积模式下(流场-电场耦合),研究探讨了聚焦射流条件参数与聚焦射流电沉积电场分布特征的关系,分析了聚焦射流形成参数对聚焦射流电沉积阴极上的电场分布特征的影响。结果表明:与射流电沉积相比,聚焦射流电沉积的电场作用区域较小,且在作用范围内电场分布的均匀性更高;此外,喷嘴中心的电流密度有所提高,喷头外围杂散电流减小;当电解液流速v一定时,随着气体压强差ΔP的增加,聚焦射流电沉积电场的作用区逐渐减小,且在作用范围内电场分布的均匀性有所提高,而且,随着气体压强差ΔP的增加,喷嘴中心的电流密度越来越大,喷嘴外围的杂散电流越来越小;当气体压强差ΔP一定时,随着电解液流速v的增大,聚焦射流电沉积电场的作用区逐渐增大,且在作用范围内电场分布的均匀性有所下降,而且,随着电解液流速的增大,喷嘴中心的电流密度和外围的杂散电流都越来越大;(4)基于研制的聚焦射流电沉积实验系统,在优化射流的前提下,以电沉积制备高定域性沉积层为目标,进行聚焦射流三维电沉积工艺实验研究。研究了聚焦射流条件参数对沉积层选择性(限域性)的影响,结果表明:当气体压强差ΔP=7500Pa,电解液流速v=7.5m/s时,沉积层的定域性(一致性)最好,实验与仿真具有较好的一致性;与射流电沉积相比,聚焦射流电沉积制备的沉积层的高度更大,直径更小,而且沉积层的直径与喷嘴大小的一致性较好(即聚焦射流电沉积沉积层的选择性(定域性)较好);当电解液流速一定时,随着气体压强差ΔP的增大,聚焦射流电沉积的沉积层高度越来越大,沉积层直径越来越小。此外,随着压强差ΔP的增大,沉积层的锥度越来越大,沉积层的直径与喷嘴的一致性越来越好,即沉积层的定域性来越好;当气体压强差ΔP一定时,随着电解液流速v的增加,聚焦射流电沉积的沉积层高度和直径都越来越大。此外,随着电解液流速v的增大,沉积层的锥度越来越大,即沉积层的定域性来越好。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.41
【图文】：

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rough-mask Electroplating)是一种在精金材料进而获得所需几何形状特征的图 1-1 电沉积原理图1 Schematic diagram of the electrodepositio

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【参考文献】