射流电铸快速成型纳米晶铜工艺基础研究

论文题目: 射流电铸快速成型纳米晶铜工艺基础研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 赵阳培

导师: 黄因慧

关键词: 射流电铸快速成型,脉冲电源,表面形貌,微观组织结构,纳米晶铜,机械性能,纳米晶铜零件

文献来源: 南京航空航天大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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

论文目录:

第一章绪论

1.1 快速成型技术的研究与发展现状

1.1.1 快速成型技术原理

1.1.2 快速成型技术的主要方法及特点

1.1.3 快速成型技术的发展趋势

1.1.4 金属零件/模具直接快速制造技术的研究与发展现状

1.1.4.1 金属零件直接快速制造研究现状

1.1.4.2 金属型模具直接快速制造研究现状

1.2 电铸技术的应用与发展现状

1.2.1 电铸技术的应用与发展现状

1.2.2 电铸技术存在的问题和开展的研究

1.3 电沉积纳米金属材料的研究现状

1.4 喷射电沉积的研究现状

1.5 本文研究的背景和主要内容

1.6 本文的主要创新点

第二章射流电铸的相关理论基础

2.1 电化学沉积的基本理论

2.1.1 电化学沉积的基本过程

2.1.2 阴极极化、过电位与扩散层

2.1.3 阴极极限电流密度

2.1.4 金属电结晶过程

2.1.5 阴极过电位与晶粒大小的关系

2.1.6 阴极过电位与电结晶生长形态

2.2 脉冲电沉积

2.3 提高电铸速度的方法与途径

2.3.1 金属电沉积速度的影响因素

2.3.2 提高电铸速度的有效途径

2.4 电沉积晶粒细化的措施与方法

2.5 射流电铸的流场与电场分布特点

2.6 射流电铸的特点

2.7 本章小结

第三章射流电铸快速成型系统与工艺试验方案

3.1 射流电铸快速成型原理与过程

3.2 射流电铸快速成型系统的结构组成与特点

3.3 射流电铸快速成型控制系统的分布式结构

3.4 射流电铸快速成型现场控制子系统

3.4.1 现场控制子系统的硬件结构

3.4.2 现场控制子系统的软件结构

3.4.3 数控代码的译码

3.4.4 现场控制软件的人机界面

3.5 射流电铸脉冲电源

3.5.1 硬件总体结构

3.5.2 脉冲电源软件设计

3.5.3 脉冲电源的性能测试

3.6 工艺试验方案与过程

3.6.1 电铸液的选择及成分

3.6.2 试验内容的选择

3.6.3 试验方法与过程

3.7 本章小结

第四章射流电铸铜沉积层表面生长形貌研究

4.1 直流下工艺参数对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.1.1 电铸液喷射流速对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.1.2 喷嘴移动扫描速度对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.1.3 电铸电流密度对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.2 层厚增加对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.3 脉冲电流参数对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.3.1 脉冲电流占空比对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.3.2 脉冲电流频率对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.3.3 脉冲峰值电流密度对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.4 添加剂硫脲对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.5 纳米A1203 颗粒对铜沉积层表面生长形貌的影响

4.6 本章小节

第五章射流电铸纳米晶铜铸层微观组织结构的研究

5.1 直流参数对铸层微观组织结构的影响

5.1.1 电铸液喷射流速对铸层微观组织结构的影响

5.1.2 喷嘴扫描速度对铸层组织结构的影响

5.1.3 电流密度对铸层微观组织结构的影响

5.1.4 铸层多孔结构的形成及演变过程分析

5.2 脉冲电流参数对铸层微观组织结构的影响

5.2.1 占空比对铸层微观组织结构的影响

5.2.2 脉冲电流频率对铸层微观组织结构的影响

5.2.3 脉冲峰值电流密度对铸层组织结构的影响

5.3 添加剂硫脲对铸层微观组织结构的影响

5.4 纳米A1203 颗粒对铸层微观组织结构的影响

5.4.1 电铸液喷射流速对铸层微观组织结构的影响

5.4.2 电流密度和纳米A1203 颗粒含量对铸层微观组织结构的影响

5.4.3 铸层中纳米A1203 颗粒的含量

5.5 本章小结

第六章射流电铸纳米晶铜力学性能的研究

6.1 拉伸试样的制备

6.2 工艺条件对纳米晶铜铸层力学性能的影响

6.2.1 直流电流密度对纳米晶铜铸层力学性能的影响

6.2.2 脉冲电流参数对纳米晶铜铸层力学性能的影响

6.2.3 添加剂硫脲对铸层性能的影响

6.2.4 纳米A1203 复合量对铸层性能的影响

6.2.5 纳米晶铜铸层性能比较与分析

6.3 纳米晶铜电极损耗特性的研究

6.3.1 试验方法与过程

6.3.2 试验结果与分析

6.4 本章总结

第七章射流电铸快速成型的基础试验研究

7.1 电铸电压与电铸电流密度的关系

7.2 射流电铸铸速的影响因素

7.3 射流电铸的定域性

7.4 射流电铸的铸斑厚度与电场分布

7.5 喷射扫描间隔的选择

7.6 射流电铸快速成型的精度分析

7.7 射流电铸快速成型金属铜零件铜

7.8 射流电铸快速成型纳米晶铜块体

7.9 本章小结

第八章总结与展望

8.1 本文的主要工作和结论

8.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的主要论文及参加的科研项目

发布时间: 2005-07-08

参考文献

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