第３８卷第１２期 ２０１０年ｌ２月 华南理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ＶＯ１．３８ ＮＯ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１０
文章编号：１０００—５６５Ｘ（２０１０）１２—００４１—０４
射流电沉积快速成形金属镍制件术
田宗军 王桂峰 黄因慧 刘志东 沈理达 高雪松
（南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室，江苏南京２１００１６）
摘要：基于快速成形原理，将模板技术和摩擦技术与数控射流电沉积有机结合起来，提
出了一种摩擦射流电沉积快速成形技术，并采用该技术直接快速制备了异形金属镍制件．
试验结果表明：模板的引入解决了射流电沉积难以制备高精度金属零件的问题，并有利于
直接成形结构复杂的异形零件；硬质粒子能有效阻止杂质的吸附，避免毛刺、积瘤等表面
缺陷的产生；文中提出的技术综合了射流电沉积和快速成形技术的优点，可有效降低设备
复杂度和零件成本，直接快速制造出形状复杂、结构致密、组织均匀的精密金属零件．
关键词：快速成形；叠层模板；射流电沉积；镍
中图分类号：ＴＱ １５３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—５６５Ｘ．２０１０．１２．００８
快速成形技术是在现代计算机辅助设计与制造
（ＣＡＤ／ＣＡＭ）技术、先进制造技术、计算机数控技
术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集
成发展起来的．快速成形技术将三维零件的制造问
题转化为二维片层的制作，使复杂零部件的加工变
得非常简单…．目前已出现多种快速成形技术，但
它们工艺复杂，成本高，难以直接成形高质量的金属
零件．研制低成本、能直接快速成形金属零件的新工
艺、新设备，具有重要的科研价值和国民经济
意义 ．
射流电沉积具有可用电流密度大、电流效率高、
金属结晶细化和铸层致密等优点，有利于获得均匀、
- 1 - 电沉积工艺
电沉积工艺是一种将金属离子通过电化学方法沉积在金属基材表面的技术，也称为电镀。其工艺流程包括：制备金属离子溶液、选择合适的金属基材、在电解槽中进行电化学反应、清洗和烘干等环节。
电沉积工艺具有以下优点：可以在基材表面形成均匀、致密、高质量的金属覆盖层；可用于不同形状的基材；沉积速度快、生产效率高；可控性好，可以通过调整电流、电压、温度等参数来控制覆盖层的厚度和性质。
电沉积工艺在航空、汽车、电子、冶金等领域得到广泛应用，例如用于制备金属零件、防腐蚀涂层、电路板等。但是电沉积工艺也存在一些缺点，如产生废水、废气和废液等环境问题，以及金属离子浓度和助剂使用量对环境的影响等。因此，发展绿色、环保的电沉积工艺是未来的趋势。
电化学沉积原理
电化学沉积是一种利用电解液中的电流来在电极表面沉积物质的方法。它基于电解质溶液中的离子在电场作用下的迁移行为，通过施加外加电位，控制离子在电极上的沉积行为。
电化学沉积的原理主要涉及两个过程：阳极溶解和阴极沉积。在电池电解质溶液中，阳极通常是负电极，会发生氧化反应，导致金属阳离子从电极表面溶解进入电解质溶液中。与此相对应，阴极通常是正电极，会发生还原反应，使得溶液中的金属离子在电极表面还原成为金属沉积。
基于这两个过程，电化学沉积可以实现不同金属或化合物的沉积，可以改变电流密度和电位来控制沉积速率和沉积物质的成分。此外，通过调整电解液的成分、温度和搅拌等条件，也可以对沉积物的形貌和性质进行调控。
电化学沉积在工业和科研领域具有广泛应用。它可以用于镀层的制备，如金属镀层的防腐、装饰和电导等性能的改善；也可以用于纳米材料的制备，如纳米线、纳米颗粒等的合成；此外，电化学沉积还被应用于电子器件的制备、能源储存和转换、传感器等领域。
需要注意的是，在进行电化学沉积过程中，需要合理选择电解液、电位和电流密度等参数，以避免出现问题，如沉积物的缺陷、不均匀性或杂质的混入等。因此，对于电化学沉积技术的研究和优化具有重要意义，以实现高质量的沉积物。
金属电沉积的基本原理就是关于成核和结晶生长的问题
金属的电沉积是通过电解方法，即通过在电解池阴极上金属离子的还原反应和电结晶过程在固体表面生成金属层的过程。其目的是改变固体材料的表面性能或制取特定成分和性能的金属材料。金属电沉积应用的领域也很广泛，通常包括电冶炼、电精炼、电铸和电镀四个方面，它的这些应用使其受到了越来越多的关注，因此，研究并掌握电沉积过程的基本规律变得尤为重要。
金属沉积的阴极历程，一般由以下几个单元步骤串联组成：
（1）液相传质：溶液中的反应粒子，如金属水化离子向电极表面迁移。
（2）前置转化：迁移到电极表面附近的反应粒子发生化学转化反应，如金属水化离子水化程度降低和重排；金属络离子配位数降低等。
（3）电荷传递：反应粒子得电子，还原为吸附态金属原子。
（4）电结晶：新生的吸附态金属原子沿电极表面扩散到适当位置（生长点）进入金属晶格生长，或与其他新生原子聚集而形成晶核并长大，从而形成晶体。
上述各个单元步骤中反应阻力最大、速度最慢的步骤则成为电沉积过程的速度控制步骤。不同的工艺，因电沉积条件不同，其速度控制步骤也不同。
1.2 金属电沉积过程的特点
电沉积过程实质上包括两个方面，即金属离子的阴极还原（析出金属原子）的过程和新生态金属原子在电极表面的结晶过程（电结晶）。前者符合一般水溶液中阴极还原过程的基本规律，但由于电沉积过程中，电极表面不断生成新的晶体，表面状态不断变化，使得金属阴极还原过程的动力学规律复杂化；后者遵循结晶动力学的基本规律，但以金属原子的析出为前提，又受到阴极界面电场的作用。因而二者相互依存、相互影响，造成了金属电沉积过程的复杂性和不同于其他电极过程的特点。
（1）与所有的电极过程一样，阴极过电位是电沉积过程进行的动力。然而，在电沉积过程中，只有阴极极化达到金属析出过电位时才能发生金属离子的还原反应。而且在电结晶过程中，在一定阴极极化下，只有达到一定的临界尺寸的晶核，才能稳定存在。凡是达不到晶核临界尺寸的晶核就会重新溶解。而阴极过电位愈大，晶核生成功愈小，形成晶核的临界尺寸才能减小，这样生成的晶核既小又多，结晶才能细致。所以，阴极过电位对金属析出和金属电结晶都有重要影响，并最终影响到电沉积层的质量。
