脉冲激光与电沉积复合的定域微细制造技术研究

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随着科学技术的进步,现代制造技术朝着制造系统高度自动化、集成化、柔性化、智能化和精密化的方向不断发展。20世纪80年代以来,微机电系统(MEMS)的兴起,微细加工技术得到了迅速的发展,并广泛地应用在生物医疗、航空航天、半导体工业以及国防军事等领域,而能够保证一定成形精度和良好表面质量的微细加工技术已成为当今微细制造领域的主要研究方向。本文研究了一种新型微细加工技术——脉冲激光与电沉积复合的定域微细制造技术,在局部电沉积系统中引入激光束的作用,可以获得较为理想的加工效果,良好的沉积质量和快速的沉积速率,实现微细结构件的加工制造。  本文为实现脉冲激光与电沉积复合的定域微细沉积,分别进行了加工机理的分析和相关试验的研究。其主要研究内容如下:  1.探讨了激光与电沉积复合的定域微细沉积加工机理。主要研究了:电沉积过程中液相传质、电子转移以及金属电结晶的基础理论;激光作用在液体中的工件表面时,热、力效应的产生过程;分别讨论了激光的热、力效应对电沉积的影响。  2.搭建了激光与电沉积复合的定域微细沉积试验系统,主要包括激光辐照系统、电化学沉积系统以及过程检测和形貌检测中所使用的主要仪器装置。同时,分别对激光电沉积过程中的基材表面温度、激光冲击波信号、加工电流波形以及沉积速率这四个方面进行了检测试验,分析了不同激光能量对基材表面温度、冲击波声压值、加工电流波形以及沉积速率的影响。  3.利用所构建的试验系统在304不锈钢阴极上分别进行了竖板状和大高宽比柱状三维微结构的激光电化学复合沉积试验。其中,竖板状微结构的沉积试验主要观察并分析了激光与电沉积复合的定域微细沉积加工形貌,并且讨论了不同激光能量对电沉积体定域性、表面质量以及纯度的影响;柱状微结构的沉积试验则主要分析了激光能量和加工电流对柱状沉积形貌的影响。  通过理论分析与试验研究得到:相比较于普通的局部电沉积技术,激光的引入,可以提高电沉积的沉积速率、增强定域性、改善电沉积体的表面质量、减少阴极杂质吸附;同时激光能量和加工电流的增加有利于沉积出大高宽比的微结构,可以提高沉积的定域性。最终,本文的研究结果表明了脉冲激光与电沉积复合的定域微细沉积技术在制造微细零件方面具有着很大的优势和发展空间。
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