CN103510136B

CN103510136B - 一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法

Info

Publication number: CN103510136B
Application number: CN201310430518.4A
Authority: CN
Inventors: 胡文成; 董建利; 何春梅; 刘洋; 姚光
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-09-22
Filing date: 2013-09-22
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-09-22
Also published as: CN103510136A

Abstract

本发明提供了一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法。该方法克服了在有机溶剂、离子液体体系中电沉积铝镁合金薄膜存在镀液体系不稳定，原料成本高昂，镀液配置不易，使用寿命较短，制得的铝镁合金薄膜中镁含量较低等问题。该方法在低温无机熔盐体系中，氯化铝和氯化镁作为主盐，氯化钠和氯化钾作为支持电解质；以超细钨丝作为电沉积阴极，铝为阳极，控制电镀温度，电镀时间以及电流密度，在惰性氛围保护下进行铝镁合金薄膜在超细钨丝表面的电沉积。电镀液成本低廉，制作工艺简单方便，体系稳定，无副反应发生，对环境无污染；且通过本发明获得的铝镁合金薄膜致密性好，与基底结合牢固，且铝镁合金薄膜中镁的成分含量高。

Description

一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法

技术领域

本发明属于金属材料科技领域，具体涉及一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法。

背景技术

铝镁合金是指主要含铝、镁，且铝的含量较高的金属合金材料。铝镁合金是当前生产生活中用到的最轻的金属结构材料之一，它的密度小、比强度和比刚度很高，并且具有很强的电磁屏蔽能力，同时金属铝、镁在地壳中的含量丰富，容易获得丰富的原材料来源。因此，铝镁合金正在被广泛地应用在汽车、国防、通讯电子和航空航天等领域。铝镁合金薄膜在丝阵的Z-箍缩实验中的应用同样受到广泛的关注和研究，在超细钨丝（直径小于10μm）表面覆盖一层铝镁合金薄膜，组成的丝阵可以提高X射线的功率和产额。

传统生产铝镁合金的方法有熔融金属铝、镁压铸法，化学转化镀层法，气相沉积法，激光表面合金化法等，这些方法虽能获得高镁含量的铝镁合金，但由于存在能耗较高，生产流程较长，环境污染严重等问题，一般都用来制造铝镁合金块材，很难达到丝阵的Z-箍缩实验中要求的薄膜形态。与传统方法相比，电化学沉积法在薄膜和粉体的制备上是一种很有前景的方法；利用电化学沉积的方法，可以实现铝镁合金薄膜的制备，且合金成分和镀层厚度在一定范围内可控。

但由于金属铝、镁的标准电极电位均比氢更负，铝、镁的电沉积必须在一个非水的体系下进行；电沉积铝、镁等活泼金属常用的非水体系主要是有机溶剂、离子液体、无机熔盐等体系。在有机溶剂、离子液体体系中都存在镀液体系不稳定，原料成本高昂，镀液配置不易，使用寿命较短，制得的铝镁合金薄膜中镁含量较低等问题。目前，国内采用氯化铝+氢化铝锂+溴化镁的四氢呋喃-苯有机溶剂体系在低碳钢基体上进行了铝镁合金的电镀实验，得到了光滑、致密、均匀的铝镁合金薄膜，合金中镁的含量最高能达到2.09%（摩尔分数），国外通过在氯化铝-氯化1-丁基-3-甲基咪唑的离子液体中添加氯化镁，电沉积得到的铝镁合金中镁含量为2.2%（摩尔分数）。而在丝阵的Z-箍缩实验中，要求包裹在钨丝外的铝镁合金中镁的含量较高，且在一定范围内可控，以期获得更高功率和产额的X射线，使X射线辐射脉冲满足氘氚靶丸的等熵压缩、压缩的均匀性和对称性以及光谱结构等方面的要求。为了制备符合丝阵的Z-箍缩实验要求的铝镁合金薄膜，低温无机熔盐体系下在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜成为了广泛研究的重点。

发明内容

本发明目的是提供了一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法。该方法采用低温无机熔盐体系作为电镀液，在低温无机熔盐体系中，氯化铝和氯化镁作为主盐，氯化钠和氯化钾作为支持电解质；以超细钨丝作为电沉积阴极，铝为阳极，控制电镀温度，电镀时间以及电流密度等，在惰性氛围保护下采取带电入槽方式进行铝镁合金薄膜在超细钨丝表面的电沉积。

本发明的详细技术方案是：

一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1.配制低温无机熔盐电镀液：以无水氯化铝、无水氯化镁为主盐，氯化钠、氯化钾作为支持电解质，配制低温无机熔盐电镀液体系，各成分的重量百分比为60%～85%的无水氯化铝，3%～10%的无水氯化镁，12%～30%的氯化钠、氯化钾混合物，并通入惰性保护气体10～90分钟；

步骤2.电镀前电镀液预电解除杂：将经步骤1所得混合物在130～180℃下加热搅拌10～60分钟，插入两铝电极，在惰性保护氛围下进行预电解除杂，电流密度控制在0.1～1A/dm²，除杂时间为30～120分钟；

步骤3.电沉积镁铝合金薄膜：以铝电极为阳极，超细钨丝为阴极，步骤2所得的熔盐为电镀液，在惰性保护氛围下，控制电镀温度为200～250℃，电流密度为0.1～6A/cm²，电镀时间为10～90分钟，即在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜。

通过以上步骤，可以在超细钨丝表面电沉积一层致密、与基底结合牢固的铝镁合金薄膜，电镀好后的钨丝时，采用冷却至室温的煮沸过的去离子水进行清洗，再用无水乙醇清洗。

综上所述，一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法全程都通入对氯化铝和氯化镁呈化学惰性的气体进行保护，防止氯化铝挥发以及镀层被氧化，惰性保护气体可以是高纯氩气或高纯氮气等。

步骤1所述无水氯化铝、无水氯化镁、氯化钠、氯化钾需经过严格除水，氯化钠、氯化钾在300～600℃下干燥3～8小时，无水氯化镁在80～120℃下真空干燥6～48小时。氯化钠、氯化钾混合物中氯化钠和氯化钾为任意质量比。

步骤2、3所述铝电极采用圆筒状，来避免电镀时电场不稳定对镀层的影响，电极直径为4～10mm，长度35～60mm，厚度0.05～0.2mm；同时需要经过打磨、去离子水洗、盐酸浸泡、去离子水洗、丙酮洗步骤的预处理，其中盐酸浓度为8%～30%，浸泡时间为5～35秒。

步骤3所述超细钨丝直径为4～10μm，长度为20～80mm，同时需要在碱性除油液中超声清洗10～60分钟，再依次用去离子水、无水乙醇清洗。

步骤3所述电沉积铝镁合金，采用带电入槽的方式进行电沉积。

本发明步骤1中各成分的重量百分比优选范围为：无水氯化铝75%～80%，无水氯化镁3%～5%，氯化钠、氯化钾混合物共15%～25%。

本发明在超细钨丝表面应用低温无机熔盐电沉积铝镁合金薄膜，其工艺流程为：药品除水干燥→配制熔盐→电极预处理→熔盐预电解→电沉积铝镁合金→产品清洗干燥保存。实质在于将无机熔盐配制成稳定的电镀液，然后通入惰性保护气体，以电沉积方法，在超细钨丝表面电沉积上一层致密、成分在一定范围内可控的铝镁合金薄膜。电镀液成本低廉，制作工艺简单方便，体系稳定，无副反应发生，对环境无污染；且通过本发明获得的铝镁合金薄膜致密性好，与基底结合牢固，最重要的是铝镁合金薄膜中镁的成分含量高，能够满足丝阵的Z-箍缩实验的要求。

附图说明

图1是本发明所述的一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜制备方法的工艺流程图。

图2是实施例4得到的铝镁合金薄膜的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面，结合具体实施例对本发明做出进一步详细说明：

实施例1

将氯化钾、氯化钠分别研磨成粉末后，300℃下烘干4小时。无水氯化镁80℃下真空干燥12小时。按重量百分比75%：10.8%：10.7%：3.5%分别称取一定量的氯化铝、氯化钠、氯化钾、氯化镁于干燥的容器中，密封摇匀后，通入高纯干燥的氩气10分钟。将上述混合物在130℃下加热搅拌30分钟，熔盐溶解后，插入两铝电极，控制电流密度为0.1A/dm²，时间为20分钟，进行预电解除杂。全程通入高纯干燥的氩气进行保护。

以直径为4mm，长度为40mm，厚度为0.05mm的筒状铝片为阳极；直径为6μm，长度为20mm的钨丝为阴极。阳极经打磨，去离子水洗，盐酸浸泡10秒，去离子水洗，丙酮洗；阴极经超声碱洗10分钟，去离子水洗，无水乙醇洗。在温度220℃，电流密度0.60A/cm²，以带电入槽的方式电镀10分钟。电镀完成后，迅速依次用冷去至室温的煮沸过的去离子水、无水乙醇冲洗，冷风吹干后充氩气密封保存。

本实施例电沉积得到的铝镁合金中，铝、镁主要以固溶体形式存在，镁的含量达到4.63%，铝镁合金薄膜均匀致密，与钨丝基底结合力良好。

实施例2

将氯化钾、氯化钠分别研磨成粉末后，400℃下烘干4小时。无水氯化镁90℃下真空干燥24小时。按重量百分比76.1%：8%：11.7%：4.2%分别称取一定量的氯化铝、氯化钠、氯化钾、氯化镁于干燥的容器中，密封摇匀后，通入高纯干燥的氮气20分钟。将上述混合物在130℃下加热搅拌40分钟，熔盐溶解后，插入两铝电极，控制电流密度为0.1A/dm²，时间为30分钟，进行预电解除杂。全程通入高纯干燥的氮气进行保护。

以直径为5mm，长度为40mm，厚度为0.08mm的筒状铝片为阳极；直径为8μm，长度为40mm的钨丝为阴极。阳极经打磨，去离子水洗，盐酸浸泡10秒，去离子水洗，丙酮洗；阴极经超声碱洗20分钟，去离子水洗，无水乙醇洗。在温度220℃，电流密度1.66A/cm²，以带电入槽的方式电镀30分钟。电镀完成后，迅速依次用冷去至室温的煮沸过的去离子水、无水乙醇冲洗，冷风吹干后充氮气密封保存。

本实施例电沉积得到的铝镁合金中，铝、镁主要以固溶体形式存在，镁的含量达到5.98%，铝镁合金薄膜均匀致密，与钨丝基底结合力良好。

实施例3

将氯化钾、氯化钠分别研磨成粉末后，400℃下烘干5小时。无水氯化镁90℃下真空干燥12小时。按重量百分比76.5%：10%：10.4%：3.1%分别称取一定量的氯化铝、氯化钠、氯化钾、氯化镁于干燥的容器中，密封摇匀后，通入高纯干燥的氩气30分钟。将上述混合物在150℃下加热搅拌30分钟，熔盐溶解后，插入两铝电极，控制电流密度为0.5A/dm²，时间为60分钟，进行预电解除杂。全程通入高纯干燥的氩气进行保护。

以直径为6mm，长度为50mm，厚度为0.1mm的筒状铝片为阳极；直径为10μm，长度为60mm的钨丝为阴极。阳极经打磨，去离子水洗，盐酸浸泡20秒，去离子水洗，丙酮洗；阴极经超声碱洗30分钟，去离子水洗，无水乙醇洗。在温度200℃，电流密度0.83A/cm²，以带电入槽的方式电镀30分钟。电镀完成后，迅速依次用冷去至室温的煮沸过的去离子水、无水乙醇冲洗，冷风吹干后充氩气密封保存。

本实施例电沉积得到的铝镁合金中，铝、镁主要以固溶体形式存在，镁的含量达到12.93%，铝镁合金薄膜均匀致密，与钨丝基底结合力良好。

实施例4

将氯化钾、氯化钠分别研磨成粉末后，500℃下烘干4小时。无水氯化镁100℃下真空干燥24小时。按重量百分比76%：10.5%：10.5%：3%分别称取一定量的氯化铝、氯化钠、氯化钾、氯化镁于干燥的容器中，密封摇匀后，通入高纯干燥的氮气40分钟。将上述混合物在150℃下加热搅拌40分钟，熔盐溶解后，插入两铝电极，控制电流密度为0.5A/dm²，时间为60分钟，进行预电解除杂。全程通入高纯干燥的氮气进行保护。

以直径为7mm，长度为50mm，厚度为0.12mm的筒状铝片为阳极；直径为10μm，长度为60mm的钨丝为阴极。阳极经打磨，去离子水洗，盐酸浸泡20秒，去离子水洗，丙酮洗；阴极经超声碱洗40分钟，去离子水洗，无水乙醇洗。在温度200℃，电流密度1.84A/cm²，以带电入槽的方式电镀60分钟。电镀完成后，迅速依次用冷去至室温的煮沸过的去离子水、无水乙醇冲洗，冷风吹干后充氮气密封保存。

本实施例电沉积得到的铝镁合金如图2所示，铝、镁主要以固溶体形式存在，铝镁合金薄膜均匀致密，其中镁的含量达到15.85%，与钨丝基底结合力良好。

实施例5

将氯化钾、氯化钠分别研磨成粉末后，500℃下烘干5小时。无水氯化镁100℃下真空干燥36小时。按重量百分比78%：7%：10.5%：4.5%分别称取一定量的氯化铝、氯化钠、氯化钾、氯化镁于干燥的容器中，密封摇匀后，通入高纯干燥的氩气50分钟。将上述混合物在160℃下加热搅拌30分钟，熔盐溶解后，插入两铝电极，控制电流密度为1A/dm²，时间为120分钟。全程通入高纯干燥的氩气进行保护。

以直径为8mm，长度为60mm，厚度为0.15mm的筒状铝片为阳极；直径为8μm，长度为80mm的钨丝为阴极。阳极经打磨，去离子水洗，盐酸浸泡30秒，去离子水洗，丙酮洗，阴极经超声碱洗50分钟，去离子水洗，无水乙醇洗。在温度220℃，电流密度1.16A/cm²，以带电入槽的方式电镀30分钟。电镀完成后，迅速依次用冷去至室温的煮沸过的去离子水、无水乙醇冲洗，冷风吹干后充氩气密封保存。

本实施例电沉积得到的铝镁合金中，铝、镁主要以固溶体形式存在，镁的含量达到8.06%，铝镁合金薄膜均匀致密，与钨丝基底结合力良好。

实施例6

将氯化钾、氯化钠分别研磨成粉末后，500℃下烘干6小时。无水氯化镁120℃下真空干燥48小时。按重量百分比80%：8%：7%：5%分别称取一定量的氯化铝、氯化钠、氯化钾、氯化镁于干燥的容器中，密封摇匀后，通入高纯干燥的氮气60分钟。将上述混合物在160℃下加热搅拌40分钟，熔盐溶解后，插入两铝电极，控制电流密度为1A/dm²，时间为120分钟，进行预电解除杂。全程通入高纯干燥的氮气进行保护。

以直径为10mm，长度为60mm，厚度为0.2mm的筒状铝片为阳极；直径为6μm，长度为60mm的钨丝为阴极。阳极经打磨，去离子水洗，盐酸浸泡30秒，去离子水洗，丙酮洗；阴极经超声碱洗60分钟，去离子水洗，无水乙醇洗。在温度220℃，电流密度5.20A/cm²，以带电入槽的方式电镀30分钟。电镀完成后，迅速依次用冷去至室温的煮沸过的去离子水、无水乙醇冲洗，冷风吹干后充氮气密封保存。

本实施例电沉积得到的铝镁合金中，铝、镁主要以固溶体形式存在，镁的含量达到24.94%，铝镁合金薄膜均匀致密，与钨丝基底结合力良好。

Claims

1.一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1.配制低温无机熔盐电镀液：以无水氯化铝、无水氯化镁为主盐，氯化钠、氯化钾作为支持电解质，配制低温无机熔盐电镀液体系，各成分的重量百分比为60％～85％的无水氯化铝，3％～10％的无水氯化镁，12％～30％的氯化钠、氯化钾混合物，并通入惰性保护气体10～90分钟；

步骤2.电镀前电镀液预电解除杂：将经步骤1所得混合物在130～180℃下加热搅拌10～60分钟，插入两铝电极，在惰性气体保护氛围下进行预电解除杂，电流密度控制在0.1～1A/dm²，除杂时间为30～120分钟；

步骤3.电沉积镁铝合金薄膜：以铝电极为阳极，超细钨丝为阴极，步骤2所得的熔盐为电镀液，在惰性气体保护氛围下，控制电镀温度为200～250℃，电流密度为0.1～6A/cm²，电镀时间为10～90分钟，即在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜。

2.按权利要求1所述的一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于步骤1所述无水氯化铝、无水氯化镁、氯化钠、氯化钾需经过严格除水，氯化钠、氯化钾在300～600℃下干燥3～8小时，无水氯化镁在80～120℃下真空干燥6～48小时。

3.按权利要求1所述的一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于步骤2、3所述铝电极为圆筒状，电极直径为4～10mm，长度35～60mm，厚度0.05～0.2mm；同时需要经过打磨、去离子水洗、盐酸浸泡、去离子水洗、丙酮洗步骤的预处理，其中盐酸浓度为8％～30％，浸泡时间为5～35秒。

4.按权利要求1所述的一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于步骤3所述超细钨丝直径为4～10μm，长度为20～80mm，同时需要在碱性除油液中超声清洗10～60分钟，再依次用去离子水、无水乙醇清洗。

5.按权利要求1所述的一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于步骤1所述氯化钠、氯化钾混合物中氯化钠和氯化钾为任意质量比。

6.按权利要求1所述的一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于全程都通入对氯化铝和氯化镁呈化学惰性的气体进行保护，其中惰性保护气体是高纯氩气或高纯氮气。

7.按权利要求1所述的一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于步骤3所述电沉积铝镁合金，采用带电入槽的方式进行电沉积。

8.按权利要求1所述的一种在超细钨丝表面电沉积铝镁合金薄膜的方法，其特征在于步骤1中各成分的重量百分比为：无水氯化铝75％～80％，无水氯化镁3％～5％，氯化钠、氯化钾混合物共15％～25％。