[發明專利]制備金屬疊層材料的電鑄方法及其應用

在審

• 申請號: 202210555525.6
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN115110124A
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 沈春健;薛子明;朱荻;朱增偉;莫宇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C25D1/00
• 分類號: C25D1/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 劉輝

本發明屬于電化學制造技術領域，涉及一種制備金屬疊層材料的電鑄方法及其應用。本發明采用摩擦輔助電沉積工藝，通過施加矩形脈沖狀電流（陰極電流密度在不同值之間周期性切換）的方式制備具有交替粗晶（尺寸為1μm）和細晶（尺寸為100nm）層的銅疊層結構。該疊層結構具有優異的力學性能，抗拉強度為407MPa，延伸率為21.7%。由于摩擦輔助工藝能夠抑制沉積金屬外延生長，促進晶體形核生長，使得僅通過調整電流密度和脈寬就可以精確控制各層晶粒尺寸和厚度，展示了摩擦輔助電沉積工藝在制備晶粒尺寸和厚度可控的金屬疊層結構方面的潛力，并可拓展到設計和制造更復雜、性能要求更高的金屬疊層結構。

技術領域

本發明屬于電化學制造技術領域，涉及一種制備金屬疊層材料的電鑄方法及其應用。

背景技術

層狀結構金屬材料作為一種非均質材料，其有望獲得優異的強度和塑形性能。層狀結構材料是異質材料家族中的重要成員，其結構內部層與層之間的剪切提供了更多的非彈性變形，能允許變形過程中應力和應變重新分布，進而提升自身的力學性能，因此片層結構材料有潛力通過調整各層材料、厚度和微觀結果來獲得期望的力學性能。

為制備層狀結構金屬層材料，人們采用了一系列宏觀技術，如冷軋退火、熱軋和擴散焊接等。這些技術已經制備出力學性能有所改善的層狀結構金屬，但在微觀尺度的精準調控上較為欠缺，難以獲得清晰的層狀界面，更難產生可以晶層與晶層之間的背應力來提高力學性能。像磁控濺射、改性粉末冶金、物理或化學氣相沉積等方法，可以通過逐層加工，精準制備層狀結構材料，但由于此類方法成本較高、耗費時間較長、只能生產小型納米疊層材料等因素，限制了其應用范圍。

電沉積技術是利用陰極金屬離子還原的原理進行增材制造的一種加工方法，它主要應用在金屬微結構加工中，因具有加工性能優異、易于調控等優點，被廣泛應用于制備金屬材料，如納米晶金屬、梯度結構金屬等。由于電沉積層狀結構材料自身存在外延生長的特性，這使得僅通過調整電沉積參數來實現組織的快速轉換較為困難，難以生成具有清晰分界層的疊層結構。

發明內容

本發明的目的在于針對電鑄疊層結構制備的技術問題，為了解決晶體外延生長的限制，提供一種制備晶層與晶層之間具有明顯分界且有優異的力學性能的金屬疊層材料的電鑄方法及其應用范例。

一種制備金屬疊層材料的電鑄方法，其特征包括以下過程：步驟1：根據待電鑄材料選擇兩種基板并配置對應電鑄液；步驟2：將基板打磨、清洗分別作為陽極和陰極；步驟3：將陽極和陰極放入電鑄槽中，并接入具有矩形脈沖狀電流的電源，開始進行電鑄；其幅值范圍、時間寬度根據電流密度、疊層厚度決定；步驟4：在步驟3保持電源接通的情況下，在陰極周圍放置硬質粒子，并且轉動陰極，使其與硬質粒子之間不斷摩擦和沖擊。

為了制備層間間隙分明、各層厚度可控及晶粒可調的金屬疊層材料，本發明采用摩擦輔助電沉積工藝外加矩形脈沖狀電流密度制備了晶粒尺寸交替的疊層結構。制備結構的橫截面的顯微組織表明，電沉積過程中加入摩擦輔助可以抑制晶體外延生長，使晶粒尺寸大大減小；摩擦輔助的過程可以減小晶體臺階，限制金屬原子在沉積體表面的自由擴散，從而促進晶體的形核生長；另外，晶體層與層之間的邊界限制了位錯和滑移，導致位錯堆積形成晶層背應力，讓疊層結構具有更優的力學性能，也使得僅通過調整電沉積參數來精準調控層狀結構的技術成為可能。

所述的制備金屬疊層材料的電鑄方法應用于電鑄銅，其特征在于：步驟1中由硫酸銅和硫酸組成的酸性硫酸鹽鍍液為電鑄液，其中硫酸銅的濃度范圍在100g/L~220g/L之間，硫酸的濃度范圍在60g/L~180g/L之間；所述基板為磷銅基板和不銹鋼基板。此配比下的鑄件微觀整平能力強，光澤度強。

所述的制備金屬疊層材料的電鑄方法應用于電鑄銅，其特征在于：步驟1中硫酸銅的濃度為220g/L，硫酸的濃度為60g/L。