熔盐电化学法制备W/Cu功能梯度材料的基础研究

由于W/Cu功能梯度材料具有许多特殊的性能和特殊的用途，近年来它的制备受到国内外众多专家的关注。但目前的制备方法均围绕粉末冶金或熔渗这两个核心展开，且均存在一定的不足。本项目拟在KCl-LiCl-NiCl2-CuCl2-WCl6熔盐体系中，以Cu为阴极，电沉积制备该材料。其研究内容包括：该熔盐体系的结构、物理化学性质；W、Cu、Ni电化学反应机理、电结晶机理和电极过程；电沉积工艺条件对功能梯度层厚度、组元含量分布、致密平整度、断面形貌、显微组织结构以及织构的形成及演化过程的影响；电沉积工艺条件对阴极沉积物纯钨的致密平整程度、显微组织结构及织构形成的影响；制备的梯度材料纯钨层厚度、显微组织结构、织构以及功能梯度层的厚度、梯度层组元含量分布、显微组织结构对梯度材料的导热性能、热膨胀性、耐热冲击和热疲劳性能的影响。通过上述研究，解决该法制备W/Cu功能梯度材料所涉及的基础问题。

课题组研究了NaCl-KCl-CuCl、NaCl-KCl-CuCl2熔盐体系中Cu的电化学还原机理和电结晶过程，研究了NaCl-KCl-NaF-Na2WO4、NaCl-KCl-NaF-WO3熔盐体系中W的电化学还原机理和电结晶过程，研究了NaCl-KCl-NaF-NiO熔盐体系中Ni的电化学还原机理和电结晶过程，并对熔盐体系中电沉积W进行了对比研究，确定使用NaCl-KCl-NaF-WO3体系电沉积W。随之在NaCl-KCl-NaF-CuCl-WO3熔盐体系中开展了W、Cu共沉积研究，结果证明W、Cu可以共沉积，但得不到致密的共沉积物，得到的只是粉状物质。鉴于以上原因,课题组经过大量的实验探索，决定采用以下的技术路线：在Cu基体上熔盐电沉积Ni，使Cu、Ni先形成梯度材料，然后在Ni一侧熔盐电沉积W，在温度和电场的双重作用下使W一边沉积一边在Cu、Ni梯度材料中扩散，最终形成Cu-Ni(少)-W梯度材料。. 研究了NaCl-KCl-Na2WO4、NaCl-KCl-NaF-Na2WO4、NaCl-KCl-NaF-WO3熔盐体系的初晶温度；研究了WO3、NiO在NaCl-KCl-NaF熔盐体系中的溶解特性；研究了NaCl-KCl-NaF-WO3熔盐体系的相转变熵和活化能、电导率、和相结构等；研究了电沉积工艺条件对功能梯度层厚度、组元含量分布、致密平整度、断面形貌、显微结构等的影响；研究了电沉积工艺条件对阴极沉积物纯钨的致密平整程度、显微结构的影响；测定了Cu/W梯度材料的导热性能、耐热冲击和抗弯性能。揭示了制备条件对Cu-Ni梯度材料、Ni-W梯度材料和Cu-Ni(少)-W梯度材料特性的影响规律，成功制备了结合强度高、抗热震性好、导热特性优良的Cu-Ni(少)-W梯度材料。. 对Ni、W、Cu的扩散进行了研究，结果表明：电沉积条件下Ni在W板中的扩散系数是W在Ni板中的扩散系数的5倍，是单纯温度场作用下Ni扩散系数的27倍，电场的作用提高了Ni的扩散速度；在Cu和W中加入少量的Ni，使原来不能形成合金的W、Cu可以形成合金，而且可使Cu和W的含量成梯度变化，形成Cu、W梯度功能材料。.课题组目前已发表论文16篇，其中被SCI收录4篇、EI收录10篇、核心期刊2篇；申请发明专利4项，已授权1项；培养硕士研究生4人，培养中青年骨干5人。