3d打印微弧氧化膜裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種3D打印微弧氧化膜裝置及方法，屬于金屬材料表面工程設(shè)備與技術(shù)領(lǐng)域，特別是輕金屬表面微弧氧化處理裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]“微弧氧化”又稱“等離子體氧化”、“微等離子體氧化”、“等離子體電解氧化”、“陽極火花沉積”、“火花放電沉積”、“火花放電陽極氧化”、“火花陽極氧化”、“等離子體增強(qiáng)電化學(xué)表面陶瓷化”等技術(shù)，是一種鋁、鎂、鈦等“閥金屬(鈍化型金屬)”及其合金在液相介質(zhì)中通過等離子體放電使其表面原位反應(yīng)生成自身金屬氧化物的新技術(shù)。具體而言，微弧氧化是以欲處理的金屬或合金為陽極，以不銹鋼為陰極，置于特定電場(chǎng)環(huán)境的液體中，控制電參數(shù)(電流密度、波形、幅值、頻率、占空比等)和電解液參數(shù)(組分、濃度、溫度、pH值等)進(jìn)行電解，工件受端電壓作用使其在與溶液接觸界面產(chǎn)生等離子體放電(火花-微弧放電)，借助等離子體微區(qū)瞬間產(chǎn)生的高溫高壓條件，在熱化學(xué)、電化學(xué)及等離子體化學(xué)過程，和介電擊穿、熔融燒結(jié)及凝固相變等物理過程的共同作用下，實(shí)現(xiàn)金屬或合金表面原位生長(zhǎng)兼具保護(hù)性、裝飾性及功能性氧化物陶瓷膜的技術(shù)。
[0003]微弧氧化的突出優(yōu)勢(shì)如下:(1) “金屬表面等離子陶瓷化”提升了金屬與陶瓷膜的結(jié)合強(qiáng)度，保持了兩者的優(yōu)勢(shì)(零部件的輕量化及工件表面的高強(qiáng)化)，避免了兩者的不足(克服了輕金屬易磨易劃不耐蝕等缺陷，且解決了燒結(jié)陶瓷的易脆易斷加工差等缺陷)。(2)微弧氧化可稱之為“清潔生產(chǎn)技術(shù)”。因?yàn)榕c各種電鍍和化學(xué)鍍相比，微弧氧化采用非消耗性不銹鋼陰極，避免了陰極離子的溶入而引起的污染，且電解液中無重金屬(鉻、鉛、鎘等)離子引入，同時(shí)，微弧氧化幾乎不消耗任何電解液中的溶質(zhì)元素。(3)陶瓷膜的厚度、組成、結(jié)構(gòu)和性能均可調(diào)可控。通過調(diào)節(jié)電參數(shù)和改變電解液參數(shù)便可實(shí)現(xiàn)膜層構(gòu)造的精確設(shè)計(jì)和制造。(4)陶瓷膜生長(zhǎng)容易，與電解液接觸即可成膜，可處理形狀復(fù)雜的異形件；裝置及生產(chǎn)成本低、工序簡(jiǎn)單且效率高、可批量化和連續(xù)化作業(yè)?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，這種可生產(chǎn)保護(hù)性、裝飾性及功能性為一體的膜層技術(shù)在機(jī)械、軍工、電子、石油、醫(yī)療、化工、紡織、汽車、航天、航空、航海及建筑等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]綜合分析微弧氧化的工程案例及科學(xué)研究情況可知，現(xiàn)有的裝置及處理方法已難以滿足目前部分工件的特殊需求，歸結(jié)如下:(1)體積龐大的工件(如導(dǎo)彈、火箭、船舶及幕墻等)無法處理。超大的工件要求“前處理、氧化及后處理”的系列槽體龐大，造價(jià)昂貴且設(shè)計(jì)難度較大；再加上超大功率電源的設(shè)計(jì)和制造受到現(xiàn)有技術(shù)水平的限制，導(dǎo)致超大工件無法氧化處理。(2)現(xiàn)場(chǎng)局部修復(fù)難以實(shí)現(xiàn)。不可拆卸部件的局部氧化修復(fù)則需要將龐大的電源、控溫及電解槽等系統(tǒng)搬運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，極大地制約了技術(shù)的推廣和應(yīng)用；對(duì)于“太空衛(wèi)星、高空幕墻及深海潛艇”的修復(fù)更是無法應(yīng)用。(3)藝術(shù)花紋或字體的氧化工藝復(fù)雜、成本高昂且效率低下。目前主要的工藝流程是:工件表面粘貼預(yù)先雕刻的花紋或字體圖案，噴漆成膜，取掉藝術(shù)圖案，氧化成膜，去除漆膜。由此可見，其工序復(fù)雜、槽液污染大、且漆膜的清洗易導(dǎo)致圖案邊緣陶瓷膜的脫落。(4)各區(qū)域膜層性能要求不同的工件極難處理。如工件的某一區(qū)域要求膜層較厚，某一區(qū)域要求膜層硬度較大；或者工件表面需要梯度膜，則現(xiàn)有的技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)。除此之外，以上四大問題在同一工件上出現(xiàn)還會(huì)誘發(fā)其他難以預(yù)測(cè)的矛盾及難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種3D打印微弧氧化膜裝置及方法。對(duì)工件表面可制備大厚度的微弧氧化膜，氧化膜硬度高、膜厚厚而均勻、無裂紋，不受工件形狀、大小及表面形狀的限制，易于控制，操作簡(jiǎn)便，需要的電源功率小。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種3D打印微弧氧化膜裝置及方法。該裝置由電源、噴槍、打印臺(tái)、電解液冷卻循環(huán)槽組成。工件與噴槍安裝在打印臺(tái)上，工件為陽極接電源的正極，噴槍為陰極接電源的負(fù)極，噴槍向工件表面噴射電解液，并相對(duì)工件表面在三維空間移動(dòng)，進(jìn)行往復(fù)掃描，使氧化膜不斷形成并增厚；所述的噴槍由噴頭、噴頭塞、噴槍殼體、圓盤陰極、陰極桿和密封端蓋組成，噴頭和噴頭塞均采用螺紋連接方式，分別安裝在噴頭塞中和噴槍殼體中，圓盤陰極安裝在陰極桿上，并可通過螺紋調(diào)節(jié)與噴頭外端面間的相對(duì)距離，以得到有利于氧化膜生長(zhǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，陰極桿與密封端蓋采用螺紋連接，穿過密封端蓋之外的陰極桿部分與電源負(fù)極連接，密封端蓋與噴槍殼體相連接；所述的噴頭其軸向長(zhǎng)8?15mm,并在中心開設(shè)直徑1?10mm的通孔或開設(shè)ImmX (6?12)mm的長(zhǎng)方形通孔；噴頭材料為塑料或不銹鋼，噴頭塞和密封端蓋材料為塑料，圓盤陰極和陰極桿材料為不銹鋼，噴槍殼體材料為塑料或不銹鋼；微弧氧化膜制備是采用噴槍向工件表面噴射電解液，先平行于工件表面移動(dòng)，進(jìn)行往復(fù)掃描，然后垂直于工件表面移動(dòng)；所述電解液采用硅酸鈉或磷酸鈉體系低堿性電解液，并含有1?5%的表面活性劑和3?20%的粒徑為1?5 μπι的單種氧化物顆粒(如氧化鋁、氧化鋯和氧化鈦)或相同粒徑的幾種氧化物的混合顆粒；所述的制備微弧氧化陶瓷膜的方法是按下述步驟進(jìn)行:
(1)清洗工件表面，使表面潔凈；
(2)配置硅酸鈉體系或磷酸鈉體系的電解液，并含有1?5%的表面活性劑和3?20%的粒徑為1?5 μπι的單種氧化物顆粒(如氧化鋁、氧化鋯和氧化鈦)或相同粒徑的幾種氧化物的混合顆粒，裝入電解液冷卻循環(huán)槽中，攪拌充分，使其分布均勻；
(3)將工件安裝在打印臺(tái)上，并與電源正極連接，噴槍安裝在打印臺(tái)上可三維移動(dòng)的支架上，并與電源的負(fù)極連接；
(4)啟動(dòng)冷卻循環(huán)槽的制冷系統(tǒng)和輸液栗，使電解液從冷卻循環(huán)槽中經(jīng)管道進(jìn)入噴槍，再從噴槍經(jīng)噴頭噴向工件表面；
(5)啟動(dòng)電源，向工件輸出氧化電壓和電流，使工件表面產(chǎn)生放電火花，同時(shí)移動(dòng)支架，使噴槍對(duì)工件表面進(jìn)行水平掃描和垂直掃描。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)可得到大厚度的微弧氧化膜，膜層均勻、硬度高而無裂紋。在微弧氧化膜制備過程中，氧化陶瓷膜越厚，則需要更高的電壓和電流，這就造成能耗增大，產(chǎn)生的氧化熱大，難以從工件表面及時(shí)排除，表面溫度升高，陶瓷氧化膜在電解液中溶解量增大，成膜速率下降，甚至還會(huì)減薄，所以在通常情況下，難以達(dá)到大厚度的陶瓷氧化膜，即便如此，其性能也較差。在本發(fā)明所涉及的裝置中，一方面噴槍中圓盤陰極與工件表面始終處于正對(duì)位置，調(diào)節(jié)圓盤陰極與噴嘴外端面間的距離可以得到與膜層厚度相適應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，而無需提高電壓和電流，使放電火花保持穩(wěn)定的強(qiáng)度；另一方面，經(jīng)過冷卻的電解液以一定的壓力和流速噴向工件表面放電火花微弧區(qū)，氧化熱能被電解液及時(shí)帶走，氧化區(qū)的溫度保持恒定，陶瓷氧化膜能正常生長(zhǎng)；再之，電解液中含有1?5wt.%的表面活性劑和粒徑為1?5 μπι的單種氧化物顆粒(如氧化鋁、氧化鋯和氧化鈦)或相同粒徑的幾種氧化物的混合顆粒，在微弧氧化過程中，通過電解液氧化物顆粒可進(jìn)入微弧氧化膜的膜孔，在微弧的作用下與氧化膜燒結(jié)為一體，使致密度增加，