一種脈沖反向電沉積厚鎢涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于表面處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種脈沖反向電沉積厚鎢涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬鎢具有非常高的熔點，極高的強度，很小的電子溢出功以及很好的化學(xué)穩(wěn)定性和高溫導(dǎo)電性等良好的物理化學(xué)性能，因此鎢在電子行業(yè)、航天工藝中具有很好的應(yīng)用前景，如作為X射線機中的拔出、熱屏蔽材料、微機電系統(tǒng)半導(dǎo)體襯底等。但是，金屬鎢的加工性能較差，在室溫下脆性很大，難于在常溫下進行機械加工，并且鎢的儲量較少，價格昂貴。在普通材料制成的構(gòu)件表面形成金屬鎢涂層，既可以減少加工的困難，又可以節(jié)省原料、降低成本，擴大鎢的使用范圍，充分發(fā)揮金屬鎢所具有的優(yōu)秀機械、物理、化學(xué)性能。同時，由于金屬鎢的高導(dǎo)熱率、低氚滯留以及高的抗等離子體沖刷等性能，厚鎢涂層被認(rèn)為是國家熱核聚變堆中最有前景的面向等離子體第一壁材料。
[0003]熔鹽電沉積時是制取優(yōu)質(zhì)金屬的方法，以其簡單的設(shè)備組成和操作方法，以及其良好的結(jié)合能力等優(yōu)點得到較為廣泛的關(guān)注。北京科技大學(xué)張迎春課題組首次將熔鹽電沉積技術(shù)應(yīng)用于厚鎢涂層的制備，在鎢酸鈉-三氧化鎢(Na2WO4-WO3)體系中，采用單向脈沖電沉積技術(shù)，成功的在CuCrZr基體上制備出厚度超過Imm的鎢涂層，涂層表面致密、沒有(江凡.銅合金基體上電沉積鎢涂層及其性能研究[D].北京科技大學(xué)，2015.)。單脈沖電沉積技術(shù)能夠在較大的電流密度下進行，一定程度上增加了電沉積的速度；但在電沉積厚鎢涂層時由于邊界效應(yīng)和金屬離子的不斷消耗，依舊存在著涂層厚度分布不均勻、表面不平整、棱角處易形成枝晶、電沉積效率較低等缺陷。脈沖反向電沉積技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水溶液中金屬及合金的電沉積，反向電流所引起的高度不均勻陽極電流分布會使鍍層的凸出部分被溶解而整平。反向電流的應(yīng)用能夠改善鍍層的厚度分布而使鍍層厚度均勻；能夠使基體表面一直處于活化狀態(tài)，可得到結(jié)合力較好的鍍層；并且反向電流的陽極溶解能夠使基體表面金屬離子濃度迅速回升，有利于擴散層實際厚度的減薄，提高電沉積效率。目前關(guān)于脈沖反向電沉積技術(shù)一般集中應(yīng)用于金屬薄膜的制備，關(guān)于金屬厚涂層制備的研究很少，甚有關(guān)于脈沖反向電沉積厚鎢涂層的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明提供了一種脈沖反向電沉積厚鎢涂層的方法，以解決現(xiàn)有單脈沖電沉積厚鎢涂層技術(shù)中電沉積效率較低、涂層分布不均勻、表面不平整的問題。
[0005]技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]1、一種脈沖反向電沉積厚鎢涂層的方法，包括以下步驟:
[0007]a、預(yù)處理:采用線切割將低活化鋼板和鎢板切割成片狀試樣，依次用240#、500#、800#的砂紙進行打磨，再用丙酮對片狀的低活化鋼板和鎢板表面進行超聲波清洗，烘干備用；
[0008]b、熔鹽配置:熔鹽配置前，將鎢酸鈉和三氧化鎢經(jīng)250°C干燥處理，干燥時間為12h ;將鎢酸鈉和三氧化鎢按照摩爾比為3:1混合均勻后放入高純氧化鋁坩禍，在坩禍電阻爐內(nèi)加熱，得到熔鹽體系保溫待用；
[0009]C、脈沖反向電沉積:將步驟a處理過的低活化鋼板和鎢板通過鉑絲連接，并放入步驟b中得到的熔鹽體系中至完全浸沒，以低活化鋼板為基體，鎢板為陽極，在大氣氣氛中，采用脈沖反向電沉積工藝電鍍得到厚鎢鍍層；
[0010]d、超聲清洗:經(jīng)過步驟c電沉積后的樣品，再經(jīng)2.5-10M NaOH溶液超聲清洗30min，除去表面附著的雜質(zhì)鹽，得到金屬媽涂層。
[0011]進一步的，所述步驟b中在坩禍電阻爐內(nèi)加熱至850_900°C。
[0012]進一步的，所述步驟c中電沉積的溫度為900-950 °C。
[0013]優(yōu)選的，所述步驟b中在坩禍電阻爐內(nèi)加熱至850°C，所述步驟c中電沉積的溫度為 900°C。
[0014]進一步的，所述步驟c中脈沖反向電沉積的平均電流密度為1-1OOmA.cm 2，正反向電流密度比為3:1-6:1，正反向時間比為2:1-6:1，脈沖周期為10-200ms，電沉積時間
10-60ho
[0015]優(yōu)選的，所述步驟c中平均電流密度為40mA ^cm 2，正反向電流密度比為5:1，正反向時間比為4:1，脈沖周期為100ms。
[0016]進一步的，所述步驟c中陽極采用雙陽極平行放置，所述陽極和基體的電極間距為 1cm0
[0017]進一步的，所述步驟c中電沉積進行前，陽極先電沉積5min，電流密度為5mA.cm 2，除去基體表面雜質(zhì)。
[0018]進一步的，所述陽極的鎢板中鎢的純度為99.95%。
[0019]進一步的，所述金屬媽涂層的厚度為200-480 μπι。
[0020]有益效果:本發(fā)明在提高電沉積效率的同時未改變鎢涂層的表面質(zhì)量，鎢涂層的表面粗糙度得到控制，制得的厚鎢涂層表面結(jié)構(gòu)緊密，平整性好，無裂紋。本發(fā)明采用了脈沖反向技術(shù)方案，與單相脈沖電沉積技術(shù)相比，由于反向電流所引起的高度不均勻陽極電流分布會使鍍層的凸出部分被強烈溶解而整平，且可使陰極表面金屬離子濃度迅速回升，減小濃差極化，因而本發(fā)明制備的鎢涂層表面更加平整，電沉積效率增加。單相脈沖電沉積1h制得的媽涂層的厚度達到150 μm左右，表面粗糙度為6.681 μπι ;脈沖反向電沉積1h制得的鎢涂層的厚度達到220 μm，表面粗糙度為6.673 μπι;脈沖反向電沉積技術(shù)在提高電沉積速率的同時并沒有降低涂層的表面質(zhì)量。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明實例I中脈沖反向電沉積鎢涂層的截面SM圖；
[0022]圖2是本發(fā)明實例I中單相脈沖電沉積鎢涂層的截面SM圖；
[0023]圖3是本發(fā)明實例I中脈沖反向電沉積鎢涂層的表面輪廓圖；
[0024]圖4是本發(fā)明實例I中單相脈沖電沉積鎢涂層的表面輪廓圖；
[0025]圖5是本發(fā)明實例2中脈沖反向電沉積20h鎢涂層的表面SEM圖；
[0026]圖6是本發(fā)明實例2中脈沖反向電沉積20h鎢涂層的截面SEM圖；
[0027]圖7是本發(fā)明實例3中脈沖反向電沉積60h鎢涂層的表面SEM圖及能譜分析；
[0028]圖8是本發(fā)明實例3中脈沖反向電沉積60h鎢涂層的截面SEM圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0030]實施例1
[0031]a、預(yù)處理:采用線切割將低活化鋼板和鎢板切割成片狀試樣，依次用240#、500#、800#砂紙進行打磨，再用丙酮對陽極和基體表面進行超聲波清洗，烘干備用。
[0032]b、熔鹽配置:熔鹽配置前，鎢酸鈉和三氧化鎢經(jīng)250°C干燥處理，處理時間為12h。將摩爾比3:1的鎢酸鈉和三氧化鎢經(jīng)研磨混合均勻后放入高純氧化鋁坩禍，在坩禍電阻爐內(nèi)加熱到850°C，保溫待用。
[0033]C、脈沖反向電沉積:將處理過的低活化鋼板和鎢板通過鉑絲連接放入熔鹽中至完全浸沒，低活化鋼板為陰極，鎢板為陽極，采用雙陽極平行放置陽極和陰極的電極間距為1cm0電沉積進行前，先陽極電沉積5min，電流密度為5mA.cm 2，除去基體表面雜質(zhì)。
[0034]所述陽極的鎢板中鎢的純度為99.95%。
[0035]分別采用脈沖反向技術(shù)電沉積鎢涂層，平均電流密度為40mA.cm2，正反向電流密度比為5:1，正反向時間比為4:1，脈沖周期為100ms，電沉積時間為10h，電沉積的溫度為900。。。
[0036]d、超聲清洗:電沉積后的樣品經(jīng)2.5M NaOH溶液超聲清洗30min，除去表面附著的雜質(zhì)鹽，得到金屬鎢涂層。
[0037]所得金屬鎢涂層的厚度為220 μ m。
[0038]如圖1所示，即為所得金屬鎢涂層的截面的形貌圖；如圖3所示，粗糙度測試所得截面表面的輪廓圖；通過和單向電沉積鎢涂層截面形貌圖2和表面輪廓圖4比較可以發(fā)現(xiàn)，脈沖反向電沉積鎢涂層厚度較高，電沉積效率得到提升，鎢涂層的表面粗糙度沒有明顯的增加，涂層表面質(zhì)量得到保證。