超声电铸铜部件的制备与铸铜层组织结构及力学性能研究

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电铸制备技术具有方法简便、能准确复制出芯模形貌等特点，尤其是将较难实现的微细零件的内型加工转化为较易实现的外型加工，所以利用这种电化学沉积技术可以制备厚度从几微米到几十毫米的精细结构部件，如航空波纹管或雷达波测定用铸铜零件（这些零件除了尺寸精细外，还有耐压和强度的要求）。另外，在电铸过程中引入超声场，可以增强溶液的传质作用，提高沉积速度，并细化晶粒，同时通过超声作用来控制沉积晶粒的形核与生长，以获得微观组织梯度结构和纳米结构的电铸铜层，从而保证微细部件所需的高性能要求。本文从电铸工艺参数(如超声搅拌方式、阴极电流密度、温度等)对电铸铜层微观结构及性能的影响入手，探讨电铸过程中超声场对电铸铜层晶体生长的影响规律，并且用超声辅助电铸的方法获得了具有组织梯度结构和纳米结构的电铸铜层和精细电铸铜零件（航空波纹管或雷达波测定用铸铜零件）。另外，还研究了固体微粒和液体微胶囊的加入对复合电铸铜层微观组织结构的影响，对固体、液体胶囊的复合电铸机理进行了分析讨论。研究发现，电铸铜过程中施加超声场，可以使电铸铜沉积速度增加，促进电铸铜形核和并使晶粒细化。另外，超声作用还体现在抑制铜沉积晶粒的过分长大及控制晶粒生长等方面。因此，利用超声作用的特点，将常规电铸与超声电铸相结合，制备出了具有组织梯度结构的电铸铜材料，并实现了同一铸铜层中显微硬度的梯度变化。研究结果表明，电铸铜层沿(220)晶面择优生长，并且随电铸铜层厚度的增加，其择优取向程度更明显。铸层的组织梯度主要由两部分构成：外部柱状晶层和内部（靠近基材的部分）细晶层。力学性能测试结果表明，具有组织梯度结构的电铸铜层的显微硬度值随晶粒尺寸的减小而逐渐增大，并沿电铸层生长方向呈梯度分布。其柱状晶部分抗拉强度高，等轴晶部分塑性好，与普通电铸铜层相比较，具有组织梯度结构的电铸铜层的整体力学性能得到显著提高。最后对电铸铜层的断面形貌分析表明，其断面形貌表现出大量韧窝和滑移。断裂机制为延性断裂。对电铸得到的铜层进行超声作用下玻璃珠辅助强化处理，可以使铸铜表面的晶粒细化，研究结果表明，经过超声作用下玻璃珠辅助强化处理后，电铸铜层整体依旧保持着单晶结构取向特征，但其表层晶粒却由粗大的块状晶变成了约10-30 纳米左右的纳米晶。与常规电铸铜层相比，经过超声辅助强化处理的电铸铜层的抗拉强度提高了近一倍，并且塑性基本保持不变，并且证实了其增强机制为位错强化，抗拉强度提高的主要原因是由于玻璃珠辅助强化处理导致铸铜层内部位错的增殖、运动和堆积。探讨了各工艺参数对Cu-(Al2O3/CNT/石墨)复合电铸铜层的微观组织及力学性能的影响，得到了优化的制备工艺。利用表面活性剂与超声搅拌的共同作用解决了纳米微粒在溶液中的团聚题目，并研究了机械搅拌、间歇超声和连续超声三种搅拌方式对Cu-(Al2O3/CNT/石墨)复合电铸铜层性能的影响，结果表明间歇超声条件下制备的复合铸层的力学性能比其它搅拌条件下的复合铸层高。利用液体微胶囊的特点，制备出含有机硅树脂的微胶囊，并与铸液中的铜离子复合电沉积，获得含有液体微胶囊的纳米复合电铸铜层。研究发现，与固体微粒复合电沉积不同，微胶囊的复合可以使沉积铜的晶粒细化，生成纳米晶，并且改变了其相近区域铜沉积的晶粒生长方向，即在胶囊附近的铜晶粒沿胶囊边缘曲线式生长，使铜层生长方向及微区结构发生变化。根据微胶囊复合电铸沉积的特点，提出了微胶囊复合电铸铜沉积的模型。成功的制备出精细模拟电铸铜零件，即具有组织结构梯度的航空用波导管和复制精度高的雷达波测定部件。电铸铜波导管及雷达波测定部件较好地复制出了芯模的表面形貌，达到了尺寸精度要求。

超声电铸铜部件的制备与铸铜层组织结构及力学性能研究

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