熔盐电沉积钨涂层的研究进展

刘志利（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001）

1 高温熔盐体系

1.1 Na2WO4-ZnO-WO3三元熔盐体系

马瑞新等[2,3]在该体系中于温度为850～950℃下在钼、铜等基体上得到了质量较好的钨沉积层，并研究了沉积层性能随组元成分、温度、电流密度等的变化。高玉红等[4]在该体系中于900℃时研究了脉冲电沉积和直流电沉积钨涂层性能的影响，发现脉冲电沉积比直流电沉积获得的涂层在结晶细密度、涂层纯度、与基体的结合力等方面性能更好。李运刚等[5,6]研究了该体系于物质的量比为6∶2∶2、电流密度为60～80mA/cm2时的粘度特性、电导率、表面张力等物理化学性质。刘艳红等[7]发现在900℃下该熔盐体系的成分含量随着电沉积时间的延长会有一些变化，且在基体上也会同时沉积氧化锌，改变钨涂层的性能。

1.2 Na2WO4-WO3二元熔盐体系

刘艳红在950℃下由该体系中于电流密度为20～50mA/cm2、物质的量比为6：2时电沉积制得铜合金基体上的钨涂层，电沉积100h钨涂层厚度为1194.19±66.52μm，维氏硬度为497±11HV，强度达到58.69±1.72MPa且最小氧含量为0.018wt%。脉冲电沉积时熔盐的离子组成没有随电沉积时间和温度发生变化。孙宁波等[11-14]于900℃时在石墨、V-4Cr-4Ti基体上研究脉冲电沉积钨涂层时脉冲工艺参数对涂层的影响。

2 中温熔盐体系

Nitta K等[30]于温度600℃时在Li2WO4-Na2WO4-K2WO4-Li-Cl-NaCl-KCl（0.2：0.45：0.35：0.4：0.9：0.7，摩尔比）的熔盐体系中加入KF得到细密光滑的钨涂层，分析认为KF使得α-W和β-W混合生长，抑制了α-W的单独生长，使沉积层变得平滑。因此，KF被广泛应用于低温卤化物熔盐体系以细化晶粒、改善涂层表面粗糙度。A K Katagir等[31]于350～450℃时在ZnCl2-NaCl体系及ZnBr2-NaBr体系中分别加入WCl6和WBr5，发现电沉积的钨沉积层致密且附着良好，表面平整并略带金属光泽。M Masuda等[32]于450℃下在ZnCl2-NaCl熔盐体系中，发现钨离子源为WCl2、K3W2Cl9、KWCl6时得不到金属钨沉积层，而以 WO3、K2WO4、WCl4、K2WCl6、WOCl4作钨离子源时可以得到金属钨沉积层。

3 低温熔盐体系

K Nitta等[33]研究了ZnCl2-NaCl-KCl体系的组分确定、最低共熔点、密度、粘度和电导率等物理化学性质。H Nakajima等[34]于250℃时在ZnCl2-NaCl-KCl（0.6：0.2：0.2，摩尔比）体系中以WCl4为钨离子源在Ni基体上沉积钨，加入KF。发现涂层由钨涂层和Ni-Zn合金层组成，认为Zn在钨沉积的同时不断向基体中扩散形成Ni-Zn合金。K Nitta等[35]也在该方法下制得α-W结构的钨沉积层，发现在涂层深度未超过120nm时钨涂层最大硬度可达9.1GPa，超过之后硬度逐渐减小，认为是由于Ni-Zn合金和Ni基体的影响。之后，H Nakajima等[36]用WO3作为钨离子源，并加入KF增加WO3的溶解度。发现电沉积速率随着沉积时间增加而逐渐下降；涂层总体上光滑致密，但有微裂纹出现，分析认为是由内应力引起。K Nitta等[37]在该条件下发现随着反应的进行，电流密度下降，电沉积效率逐渐下降。之后为使熔盐中的钨离子充足，每隔2h向其中添加一次WO3，使得电沉积在高水平电流密度下进行。

4 结语

综上所述，依据电解质和工艺条件等不同，不同熔盐电沉积钨体系各有利弊。随着科学技术的进步和钨涂层应用范围的扩大，尤其是国际热核聚变堆实验计划（ITER）确定钨涂层为PFM的重要候选材料，通过熔盐电沉积法制备高质量的厚钨涂层（1mm以上）是未来聚变堆实现应用的关键之一，因此未来将对电沉积制备钨涂层技术提出更高的要求。首先，对各体系的电沉积反应机理需要继续深入研究，优化工艺参数，改善电沉积操作条件，提高效率，早日实现工业化应用。其次，研究纳米尺度结构的钨涂层也是电沉积技术发展的重要方向。此外，目前尚未有对在250℃以下的熔盐中电沉积钨涂层的报道，随着新兴溶剂在电化学研究中的应用，如在离子液体中成功电沉积出金属钼，开发新的熔盐体系，在250℃以下的更低温度甚至是室温下电沉积钨涂层不失为一种新的尝试。

[1]马瑞新,李国勋.熔盐镀钨的历史与发展趋势[J].材料保护,1999,32(2)：4.

[2]马瑞新等.Na2WO4-ZnO-WO3体系熔盐镀钨镀层织构与形貌的研究[J].中国稀土学报,2000(18)：293.

[3]马瑞新等.双向脉冲电镀工艺参数对Na2WO4-ZnO-WO3熔盐镀钨层织构的影响[J].材料科学与工艺,2009,17(6)：754.