ICF靶零件電鍍工藝研究.pdf

1、電鍍技術(shù)作為一種最為常用的金屬膜層制備技術(shù)，在慣性約束聚變(ICF)研究中有著非常廣泛的應(yīng)用，是ICF靶制備的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。作為微小異形工件電鍍，ICF靶的制備不僅具備了一般電鍍過程的復(fù)雜性，還有很多自身的特點(diǎn)。首先，ICF靶及其零件的尺寸較?。ㄒ话銉H有數(shù)百微米至毫米量級(jí)），且多存在臺(tái)階、拐角等，導(dǎo)致尖端效應(yīng)極其嚴(yán)重;其次，由于物理實(shí)驗(yàn)的特殊要求，對(duì)鍍層質(zhì)量要求很高，包括純度、均勻性、致密性和光潔度等;再次，對(duì)雜質(zhì)等的容忍度低，由于工件

2、表面積很小，少量的有機(jī)雜質(zhì)、無機(jī)雜質(zhì)和顆粒物等即可在陰極形成很高的表面濃度，從而嚴(yán)重影響鍍層質(zhì)量。尤其是近年來，隨著我國(guó)ICF物理實(shí)驗(yàn)研究的深入發(fā)展，對(duì)微靶的要求日益精密化、多樣化和復(fù)雜化，這使ICF靶及其零件的制備面臨越來越多的挑戰(zhàn)。
　　本文首先對(duì)ICF微靶金鍍件各種表面缺陷的微觀形貌進(jìn)行了表征，分析了缺陷的可能誘因;探討了雜質(zhì)對(duì)微靶電鍍的危害，分析了鍍金層的成分，確定了影響鍍層質(zhì)量的元素為鈦和碳;研究了金屬雜質(zhì)對(duì)金的陰極還原

3、過程的影響;分析了金屬雜質(zhì)、有機(jī)雜質(zhì)以及顆粒物等雜質(zhì)的來源;采用螯合萃取的方法對(duì)鈦雜質(zhì)進(jìn)行去除，螯合劑為8-羥基喹啉，萃取劑為三氯甲烷，研究了萃取次數(shù)對(duì)雜質(zhì)含量的影響，確定了合適的萃取次數(shù)為3次;研究了萃取操作對(duì)鍍液性能的影響，初步分析了影響機(jī)理;分析了舊電鍍架的缺陷及其和鍍層缺陷之間的關(guān)系，包括電鍍架導(dǎo)致的異常沉積、銅基底的腐蝕和電鍍過程中的電流分布;簡(jiǎn)要分析了銅雜質(zhì)對(duì)鍍層純度和表面質(zhì)量的影響;分析了有機(jī)雜質(zhì)和顆粒物對(duì)鍍層質(zhì)量的影響，

4、采用活性炭吸附去除有機(jī)雜質(zhì)，常壓過濾以去除顆粒物。最終確定導(dǎo)致麻點(diǎn)等表面缺陷的主要原因?yàn)楦鞣N雜質(zhì)的存在和電鍍架設(shè)計(jì)的不合理，并針對(duì)舊電鍍架的不足，設(shè)計(jì)了新型電鍍架。
　　對(duì)不同電流密度下的鍍層形貌進(jìn)行了表征，分析了電流密度對(duì)金層質(zhì)量的影響，確定了最佳的電流密度范圍為:金濃度為13～22g/L時(shí)，電流密度的最佳范圍為2.4～3.2mA/cm2;金濃度為5～13g/L時(shí)，最佳范圍為2.0～2.6 mA/cm2;研究了預(yù)鍍電流和預(yù)鍍時(shí)間

5、對(duì)預(yù)鍍質(zhì)量的影響，初步確定了較佳的預(yù)鍍工藝，即7.5mA/cm2預(yù)鍍約1 min和12.5mA/cm2預(yù)鍍約30s可獲得較佳的預(yù)鍍效果;簡(jiǎn)要分析了基底材質(zhì)對(duì)鍍層質(zhì)量的影響，確定了基底前處理的基本原則，即基底盡量平滑，電鍍前除油要徹底，并進(jìn)行弱浸蝕活化處理以除去表面鈍化膜;對(duì)輔助絡(luò)合劑1-羥基乙叉-1，1-二膦酸（HEDP）含量對(duì)鍍層形貌的影響進(jìn)行了表征，分析了HEDP對(duì)鍍液性能和鍍層質(zhì)量的影響，證明了采用HEDP進(jìn)行鍍液性能改良的可行性

6、;通過分析確定了導(dǎo)致三通靶故障的主要原因?yàn)閷?dǎo)電膠的涂抹工藝，并對(duì)故障的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，采用階梯升高溫度和電流密度等方法對(duì)三通靶制備工藝進(jìn)行了改進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期的效果;分析了影響鍍金層均勻性的工藝環(huán)節(jié);通過與國(guó)內(nèi)同行的合作，設(shè)計(jì)了新的電鍍金控制系統(tǒng)方案，對(duì)現(xiàn)有電鍍系統(tǒng)從硬件到工藝進(jìn)行了整體改進(jìn)。
　　研究了超聲波電鍍應(yīng)用于ICF靶零件電鍍的可行性。分析了電鍍過程中介入超聲波對(duì)鍍層表面質(zhì)量、電流密度、鍍層沉積速度以及鍍液穩(wěn)定性的影響

7、，并初步探討了產(chǎn)生這些影響的機(jī)理;分析了實(shí)驗(yàn)常用超聲波裝置的缺點(diǎn)，針對(duì)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種微靶電鍍專用新型的超聲波電鍍裝置，為進(jìn)一步的研究打下了基礎(chǔ)。
　　通過系列實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)了新的屏蔽片和屏蔽筒電鍍制備工藝。針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)屏蔽片和屏蔽筒的質(zhì)量要求，選擇了合適的電鍍鎳配方和工藝參數(shù);對(duì)電源參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，包括電流波形和電流密度，即屏蔽片電鍍電源波形為直流，電流密度2～5mA/cm2，屏蔽筒電鍍采用直流電鍍，電流密度最佳區(qū)間為15～30

8、mA/cm2;分析得出屏蔽片電鍍初期發(fā)黑的原因?yàn)榛走^蝕，確定最佳酸蝕時(shí)間為10～20s，且電鍍初期必須施加攪拌;采用體積比3∶1的硝酸和氫氟酸混合溶液浸蝕的方法提高了屏蔽片和鋁基底之間的結(jié)合力;分析了鋁芯軸溶解過程中屏蔽片發(fā)黑的原因主要是鍍件與腐蝕液接觸時(shí)間過長(zhǎng)，采用加速屏蔽片和基底分離的措施以抑制屏蔽片發(fā)黑，并對(duì)發(fā)黑的樣品用稀鹽酸進(jìn)行浸泡以還原其色澤;分析了屏蔽筒發(fā)生破裂的原因主要為鍍層結(jié)合力的不均勻和腐蝕過程中氣泡的產(chǎn)生;通過建立