本發(fā)明屬于金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種粉末預先層鋪式電沉積裝置、利用該預先層鋪式電沉積設(shè)備快速制備鎳及鎳合金的新方法。

背景技術(shù)：

電鑄技術(shù)具有復制性能好、加工成本低廉、加工設(shè)備相對簡單等特點在鎳及鎳合金制備方面獲得廣泛應用。復合電鑄是一種通過在電解液中添加固體顆?；蚶w維，將其沉積到電鑄層中。關(guān)于復合電鑄，CN201410639432公開了一種耐腐蝕耐磨金屬表面鍍層及其制備方法，在電解液中添加銀粉和秸稈粉獲得復合表面鍍層；CN201410450868公開了一種碳納米管-銅基復合粉體的電沉積制備方法，將硫酸銅、硫酸、經(jīng)處理后的碳納米管、添加劑和水混合均勻后配置成電解液，實現(xiàn)了碳納米管在銅顆粒中的均勻分布；CN201410373837公開了一種碳納米管和/或石墨烯增強鉛基復合陽極制備方法，將可溶性鉛鹽、支持電解質(zhì)、碳納米管和/或石墨烯、分散劑和水混合均勻后配置成電解液，在電解液中電沉積即能在陰極得到碳納米管和/或石墨烯鉛基復合粉體。

但電鑄技術(shù)同時存在電鑄沉積速率慢的缺點，金屬的沉積速率一半每小時沉積數(shù)十微米，電鑄加工時間長，效率低，成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的電鑄沉積技術(shù)受限于電沉積的速率，成形速率慢，無法滿足較大工件的成形，而復合電沉積則用于制備復合沉積層。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對傳統(tǒng)電鑄技術(shù)的效率較低的問題，本發(fā)明綜合復合電鑄技術(shù)提出了一種粉末預先層鋪式復合電鑄裝置，可用于快速沉積Cu、Ni、Zn、Cr、Sn、Ag等金屬及合金的沉積，也可用于用這些金屬及合金作為基體的復合材料的快速沉積。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種粉末預先層鋪式復合電鑄裝置，包括電源、電沉積室、陰極極板和陽極極板，陰極極板和陽極極板沉浸在電解液中并且上下平行對置，其特征在于，所述粉末預先層鋪式復合電鑄裝置還包括升降系統(tǒng)、預鋪粉系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

所述控制系統(tǒng)控制升降系統(tǒng)的升降以及調(diào)節(jié)電解液的溫度；

所述升降系統(tǒng)實現(xiàn)陰極極板和預鋪粉系統(tǒng)的間歇式升降；

所述預鋪粉系統(tǒng)包括送粉軸輪、儲粉腔和第一推桿，第一推桿推動送粉軸輪將儲粉腔的粉末水平輸送至陰極極板處，并將粉末鋪設(shè)于陰極極板上，通過送粉軸輪的往復運動實現(xiàn)粉末壓實；

所述預鋪粉系統(tǒng)與陰極極板表面平行位于同一平面。

本發(fā)明給出控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式：控制系統(tǒng)包括控制器、升降控制裝置、溫度控制裝置，所述溫度控制裝置包括加熱器和溫度計，溫度控制裝置實現(xiàn)對電解液溫度進行檢測并使電解液溫度在室溫與80℃之間調(diào)節(jié)。

第一推桿穿過電沉積室側(cè)壁與送粉軸輪連接，送粉軸輪位于儲粉腔上部并可在第一推桿作用下在儲粉腔上表面移動，所述送粉軸輪表面粗糙度為3.2μm～6.3μm。

升降系統(tǒng)包括第二推桿和第三推桿，第二推桿和第三推桿穿過電沉積室底部并分別與儲粉腔中的推板和陰極極板連接，所述第二推桿推動儲粉腔中的推板豎直移動將儲粉腔的粉末頂出，第三推桿推動陰極極板豎直移動。

所述預鋪粉系統(tǒng)單次鋪粉厚度為0.5～2.0mm。

所述陰極極板和陽極極板距離在20～100mm。

所述送粉軸輪沿軸向方向比儲粉腔每邊寬10～15mm。

在所述送粉軸輪兩側(cè)安裝有導滑槽，送粉軸輪推動粉末沿導滑槽往前送進，導滑槽寬度為70～75mm，深度為4～6mm。

所述第二推桿每次升降高度為1～4mm，第三推桿單次升降高度為0.5～2mm，第二推桿和第三推桿升降精度均為0.1mm。

一種采用粉末預先層鋪式復合電鑄裝置制備金屬及合金的方法，該方法包括金屬粉末的預處理、電解液配制、陰極極板初處理、粉末的預鋪和電沉積成形，其特征在于，所述金屬粉末包括粒度范圍在2μm～50μm的不同粒徑的金屬粉末，該方法所使用的電解液中加入了乙醇、檸檬酸和苯亞磺酸鈉，所述檸檬酸質(zhì)量濃度為2～40g/L，所述乙醇質(zhì)量濃度為100～500mL/L，苯亞磺酸鈉質(zhì)量濃度為0.2～0.4g/L。

本發(fā)明的有益效果是：

采用本發(fā)明的裝置制備金屬和合金鑄件具有沉積速率快，結(jié)晶組織致密、表面質(zhì)量好等優(yōu)點。此外，由于預鋪的金屬或合金粉末通過快速凝固技術(shù)制備，固溶度高、粉末晶粒細小，可實現(xiàn)良好的細晶強化、彌散強化和顆粒強化，可提高鑄件的力學性能和成分均勻性，并可實現(xiàn)成分的可調(diào)。本發(fā)明不需要復雜的設(shè)備，而且工藝簡單、材料來源廣、價格低廉、制備成本低，本發(fā)明的研究與應用拓寬了電鑄技術(shù)的應用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明粉末預先層鋪式復合電鑄裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2粉末預先層鋪式復合電鑄裝置俯視圖

圖3為本發(fā)明粉末預先層鋪式復合電鑄原理圖；

圖4為預鋪鎳粉的電鑄鎳掃描電鏡組織；

圖5為添加2g/L苯亞磺酸鈉光亮劑后沉積鎳表層形貌掃描電鏡照片。

圖中各標號的含義為：1-電源，2-電沉積室，3-陰極極板，4-陽極極板，5-升降系統(tǒng)，6–預鋪粉系統(tǒng)，7-控制系統(tǒng)；

51-第二推桿，52-第三推桿；61-送粉軸輪，62-儲粉腔，63-第一推桿，64-導滑槽；71-控制器，72-升降控制裝置，73-溫度控制裝置，731-加熱器，732-溫度計。

具體實施方式

以下是發(fā)明人提供的具體實施例，需要說明的是，該實施例是用以對本發(fā)明作進一步的解釋說明，本發(fā)明的保護范圍并不限于該實施例。

實施例1：

采用本發(fā)明的裝置制備金屬及合金材料的具體步驟包括金屬粉末的預處理、電解液配制、陰極極板初處理、粉末的預鋪、電沉積成形。

(1)金屬粉末的預處理。①為了提高粉末的壓實密度，采用較寬的粉末粒度范圍(2μm～50μm)，采用不同粒度的粉末顆粒，采用小顆粒的粉末填充大顆粒之間的間隙，提高粉末的松裝密度和壓實密度，減少電鑄時金屬的沉積量，提高電鑄成形速率；②為提高粉末的表面活性，對粉末進行球磨處理，在球磨機中用乙醇作為球磨介質(zhì)濕磨2h；③潤濕處理和去除表面油污方法就是在金屬粉末加入電解液之前用4mL/L聚丙烯酸溶液浸泡約10h。

(2)電解液配制。采用去離子蒸餾水配制，并添加無水乙醇，利用含乙醇電解液的低沸點實現(xiàn)低溫、低電壓電沉積。電解槽內(nèi)含有去離子蒸餾水、乙醇、C₆H₈O_7、NaCl溶液、以及被沉積金屬的主鹽，C₆H₈O₇作為pH值平衡劑，NaCl為導電劑。NaCl濃度為2～7.5g/L，C₆H₈O₇濃度為2～40g/L，乙醇濃度為100～500mL/L，被沉積金屬的主鹽濃度為200g/L。整個過程中嚴格避免污染物或雜質(zhì)的進入，必要時需要對其進行除雜處理，配制完畢后，需對電解液進行除雜處理。

(3)陰極極板初處理。對陰極極板依次進行，拋光、除油、鈍化、水洗、干燥處理。其中拋光可采用①機械拋光，②電解拋光，③化學拋光，其目的是徹底除去極板表面的氧化層、不易去除污跡以及微小毛刺。根據(jù)尺寸大小以及形狀要求，可以選擇上述拋光方法的一種或者幾種方法。用丙酮或無水乙醇反復清洗陰極表面，以對其進行除油處理，然后將極板置于稀硫酸浸蝕一段時間，最后用蒸餾水多次沖洗后干燥。

(4)粉末的預鋪?；罨蟮慕饘俜鄯胖糜诜勰﹥Σ厍粌?nèi)，由升降裝置頂出定量粉末，且另一升降裝置將陰極下降一定高度，由送粉軸輪將粉末推送至陰極表面覆蓋一定高度。

(5)電沉積成形。電流密度為500A/m²～A/m²，電解液溫度為40～80℃。電源接通后，金屬陽極在陽極腔溶解，金屬離子在預鋪粉末間隙間沉積在陰極極板上，并與預鋪粉末結(jié)合在一起，通過沉積金屬將預鋪粉末連接起來，形成預鋪層金屬與沉積金屬沉積層。

實施例2：

本實施例中：

陰極基體材料采用紫銅片，尺寸為50mm×50mm×2mm；

陽極材料為純度為99.9％以上的鎳板，形狀為50mm×50mm×5mm，陰陽極采用沉浸在電解液中的平行對置式，陰陽極距離在50mm之間；

陽極鎳為平面，所述陰極銅片也為平面，陰陽極保持平行，所述的預鋪鎳粉也保持平行，與陰陽極表面平行，層保證陰極表面電沉積速率的相等，并使沉積層均勻增厚；

所述電鑄系統(tǒng)中采用電熱管加熱，溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)溫度在室溫與80℃之間可調(diào)，溫度調(diào)節(jié)精度為0.5℃；

本實施例中采用鎳作為沉積金屬，選擇球形鎳粉為預鋪金屬粉末，粒徑分別為61μm(240目)、25μm(500目)、13μm(1000目)、10μm(1340目)、6.5μm(2000目)，粉末個數(shù)比值為1：1：2：8：8，按質(zhì)量比為61μm(240目)：25μm(500目)：13μm(1000目)：10μm(1340目)：6.5μm(2000目)＝103.31：7.12：2：3.04：1配制混合粉末，各種粒徑與比例根據(jù)Horsfield密實堆積理論，提高粉末的堆積密度，采用行星式球磨機將混合粉末混合均勻，采用不銹鋼真空罐和瑪瑙球，加入無水乙醇作為分散劑，球磨2h將粉末混合均勻，并提高粉末表面活性。

將球磨混合后的粉末加入本發(fā)明粉末預先層鋪式復合電鑄裝置，裝置的送粉軸輪比儲粉腔和沉積腔每邊寬10mm，即送料軸輪總長為70mm，在往沉積腔送粉、鋪粉時，送料軸輪推動粉末沿導滑槽往前送進，導滑槽寬度為70mm，深度為5mm，防止粉末在送粉過程中兩側(cè)灑出，送粉軸輪為耐熱有機玻璃材質(zhì)，表面粗糙度為3.2μm。

先在儲粉腔充填混合鎳粉后，電沉積腔中加入電解液，電解液成分為：采用去離子蒸餾水，NaCl 7g/L，檸檬酸(C₆H₈O₇)10g/L，C₂H₅OH 100mL/L，氯化鎳(NiCl₂·6H₂O)作為主鹽，含量為200g/L，主鹽加入速率為5mL/min。沉積前將稱好的NaCl和C₆H₈O₇及添加劑放入電解槽，加入溶劑，置入電極。通過加熱裝置對溶液進行預熱，加入氯化鎳(NiCl₂·6H₂O)，接通電源開始穩(wěn)定放電，開始在預鋪鎳粉的陰極上沉積。

如圖3所示，鎳粉預先層鋪式復合電鑄過程為，當所述送粉軸輪完成一次送粉時，鎳粉均勻鋪設(shè)在沉積層表面(或陰極片上)并被壓實，電解液中的Ni2⁺離子被還原以已沉積鎳層為陰極開始沉積，被還原的鎳填充在金屬鎳粉顆粒之間，沉積金屬鎳與預鋪鎳粉結(jié)合在一起，并與已沉積的鎳層結(jié)合在一起，沉積層鑄件變厚，當沉積鎳將預鋪鎳粉之間的空隙填充完畢后，送粉裝置再次進行鋪鎳粉，如此循環(huán)，直至完成完成電鑄。鎳粉預鋪式電沉積鎳沉積層的表面形貌如圖4所示，可以看出預鋪鎳粉顆粒之間被沉積鎳填充，沉積鎳與預鋪鎳粉顆粒之間結(jié)合緊密。由于采用預鋪鎳粉，降低了鎳的沉積量，經(jīng)壓實后的多顆粒度混合鎳粉相對密度可達70％以上，因此鎳沉積層的增厚速率可提高到3倍以上，且鎳沉積層致密均勻。

沉積時采用100mL/L的C₂H₅OH，有利于提高鎳的沉積速率；檸檬酸(C₆H₈O₇)為10g/L時，有利于提高鎳的沉積速率，檸檬酸濃度過低時，溶液中出現(xiàn)絮狀物，鎳沉積速率低。檸檬酸的加入使溶液中的Ni2⁺由水合粒子變?yōu)榕湮涣Ｗ犹岣哧帢O極化程度，提高鎳的沉積速率。以氯化鎳(NiCl₂·6H₂O)作為主鹽，Cl^-離子為陽極活化劑，可抑制陽極鈍化，降低陽極鎳板的溶解電位，加速陽極溶解，提高溶液中Ni²⁺濃度，提高鎳的沉積速率。

沉積前，送粉軸輪在送粉前回到儲料腔左側(cè)，送料腔升降裝置推動推桿，推桿推板將儲料腔的粉末頂出，而所述沉積腔的升降裝置下降一定高度，沉積層表面低于沉積腔上表面1.0mm，送料軸輪推動金屬粉末進入沉積腔，并將粉末均勻鋪于沉積層的上表面，并通過軸輪壓實。完成送料后，送粉軸輪回到初始位置準備下一次送粉。

完成鋪粉后，電沉積室內(nèi)充電解液。電解液中添加光亮劑，提高沉積層的質(zhì)量，在電解液中添加0.2g/L的苯亞磺酸鈉，可顯著提高沉積金屬晶粒的均勻性，改善沉積層的質(zhì)量，添加光亮劑后沉積鎳的表層如圖5所示，表面沉積顆粒均勻，光潔度高。

實施例3：

本發(fā)明的電源可以采用脈沖電源，進行等離子電鑄；本發(fā)明所述的鋪粉裝置的鋪粉輪軸的推桿與沉積室側(cè)壁之間采用間隙配合、儲料腔側(cè)壁、沉積室側(cè)壁采用玻璃材質(zhì)，儲料腔粉末升降裝置和沉積室陰極升降裝置的推版采用耐熱有機玻璃材質(zhì)，儲料腔粉末升降裝置的推板與儲料腔側(cè)壁之間采用間隙配合，沉積室陰極升降裝置的推版與沉積室側(cè)壁之間采用間隙配合，防止電解液流出；所述的鋪粉裝置的鋪粉輪軸的推桿、粉末升降裝置和陰極升降裝置的推桿與電解槽上的孔之間采用間隙配合；采用耐熱有機玻璃材質(zhì)，滿足電鑄過程中高電壓、電解液的腐蝕性和較高溫度的特點。

本發(fā)明的粉末預先層鋪式復合電鑄裝置升降系統(tǒng)及預鋪粉系統(tǒng)工作原理為：

升降系統(tǒng)采用間歇式升降，沉積前儲料腔的升降裝置頂出1～4mm并停止，升降精度為0.1mm，則粉末高出儲料腔邊緣1～4mm，沉積腔陰極升降裝置下降0.5～2mm并停止，則陰極低于沉積室邊緣0.5～2mm并停止，升降精度為0.1mm，鋪粉軸輪將高出儲料腔邊緣的粉末推至沉積室并將沉積室陰極表面的粉末壓實，鋪粉軸輪回程時再次將粉末壓實；當沉積金屬將沉積腔陰極表面的粉末間隙填滿后，粉末儲料腔升降裝置再次將粉末頂出1～4mm并停止，而沉積室陰極升降裝置再次下降0.5～2mm并停止，進行下一階段沉積，如此循環(huán)。

本發(fā)明的粉末預先層鋪式復合電鑄裝置工作過程為：

本發(fā)明所述的送粉軸輪在送粉前回到儲料腔左側(cè)，送料腔升降裝置推動推桿，推桿推板將儲料腔的粉末頂出，而所述沉積腔的升降裝置下降一定高度，沉積層表面低于沉積腔上表面0.5～2.0mm，所述的粉末升降裝置和陰極升降裝置采用間歇式升降，升降精度為0.1mm，送料軸輪推動金屬粉末進入沉積腔，并將粉末均勻鋪于沉積層的上表面，并通過軸輪壓實。完成送料后，送粉軸輪回到初始位置準備下一次送粉。

如圖3所示，當送粉裝置完成一次送粉時，粉末均勻鋪設(shè)在沉積層表面并被壓實，電解液中的金屬離子被還原以已沉積層為陰極開始沉積，被還原的金屬填充在金屬粉末顆粒之間，沉積金屬與預鋪的金屬粉末成分一致，沉積金屬與預鋪金屬粉末結(jié)合在一起，并與已沉積的金屬層結(jié)合在一起，沉積層鑄件變厚，當沉積金屬將預鋪金屬粉末之間的空隙填充完畢后，送粉裝置再次進行鋪粉，如此循環(huán)，直至完成電鑄。