[发明专利]3D打印微弧氧化膜装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D打印微弧氧化膜装置及方法，属于金属材料表面工程设备与技术领域，特别是轻金属表面微弧氧化处理装置和方法。

背景技术

“微弧氧化”又称“等离子体氧化”、“微等离子体氧化”、“等离子体电解氧化”、“阳极火花沉积”、“火花放电沉积”、“火花放电阳极氧化”、“火花阳极氧化”、“等离子体增强电化学表面陶瓷化”等技术，是一种铝、镁、钛等“阀金属（钝化型金属）”及其合金在液相介质中通过等离子体放电使其表面原位反应生成自身金属氧化物的新技术。具体而言，微弧氧化是以欲处理的金属或合金为阳极，以不锈钢为阴极，置于特定电场环境的液体中，控制电参数（电流密度、波形、幅值、频率、占空比等）和电解液参数（组分、浓度、温度、pH值等）进行电解，工件受端电压作用使其在与溶液接触界面产生等离子体放电（火花-微弧放电），借助等离子体微区瞬间产生的高温高压条件，在热化学、电化学及等离子体化学过程，和介电击穿、熔融烧结及凝固相变等物理过程的共同作用下，实现金属或合金表面原位生长兼具保护性、装饰性及功能性氧化物陶瓷膜的技术。

微弧氧化的突出优势如下：（1）“金属表面等离子陶瓷化”提升了金属与陶瓷膜的结合强度，保持了两者的优势（零部件的轻量化及工件表面的高强化），避免了两者的不足（克服了轻金属易磨易划不耐蚀等缺陷，且解决了烧结陶瓷的易脆易断加工差等缺陷）。（2）微弧氧化可称之为“清洁生产技术”。因为与各种电镀和化学镀相比，微弧氧化采用非消耗性不锈钢阴极，避免了阴极离子的溶入而引起的污染，且电解液中无重金属（铬、铅、镉等）离子引入，同时，微弧氧化几乎不消耗任何电解液中的溶质元素。（3）陶瓷膜的厚度、组成、结构和性能均可调可控。通过调节电参数和改变电解液参数便可实现膜层构造的精确设计和制造。（4）陶瓷膜生长容易，与电解液接触即可成膜，可处理形状复杂的异形件；装置及生产成本低、工序简单且效率高、可批量化和连续化作业。基于以上优势，这种可生产保护性、装饰性及功能性为一体的膜层技术在机械、军工、电子、石油、医疗、化工、纺织、汽车、航天、航空、航海及建筑等领域有着极其广泛的应用前景。

综合分析微弧氧化的工程案例及科学研究情况可知，现有的装置及处理方法已难以满足目前部分工件的特殊需求，归结如下：（1）体积庞大的工件（如导弹、火箭、船舶及幕墙等）无法处理。超大的工件要求“前处理、氧化及后处理”的系列槽体庞大，造价昂贵且设计难度较大；再加上超大功率电源的设计和制造受到现有技术水平的限制，导致超大工件无法氧化处理。（2）现场局部修复难以实现。不可拆卸部件的局部氧化修复则需要将庞大的电源、控温及电解槽等系统搬运至现场，极大地制约了技术的推广和应用；对于“太空卫星、高空幕墙及深海潜艇”的修复更是无法应用。（3）艺术花纹或字体的氧化工艺复杂、成本高昂且效率低下。目前主要的工艺流程是：工件表面粘贴预先雕刻的花纹或字体图案，喷漆成膜，取掉艺术图案，氧化成膜，去除漆膜。由此可见，其工序复杂、槽液污染大、且漆膜的清洗易导致图案边缘陶瓷膜的脱落。（4）各区域膜层性能要求不同的工件极难处理。如工件的某一区域要求膜层较厚，某一区域要求膜层硬度较大；或者工件表面需要梯度膜，则现有的技术无法实现。除此之外，以上四大问题在同一工件上出现还会诱发其他难以预测的矛盾及难题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种3D打印微弧氧化膜装置及方法。对工件表面可制备大厚度的微弧氧化膜，氧化膜硬度高、膜厚厚而均匀、无裂纹，不受工件形状、大小及表面形状的限制，易于控制，操作简便，需要的电源功率小。

本发明的技术方案是：