超声场中电沉积纳米晶Co基W合金镀层的基础研究

The nanocrystalline of Co-based W alloy coating, for the potential prospect of application in engineering, is thought as a new coating of "replacement of Cr". However, most of studies about the new coating were on the composition of bath and supply method of cathodic current, as result that the hardness and corrosion-resistant performance of the new coating was not better than Cr coating. So we are proposing that the ultrasonic field is applied to the preparation process of electrodepositing both Co-W and Co-Ni-W alloy coating. By the ultrasonic field: ①to accelerate mass transferring of the W compounds in bath, for promoting the interfacial reaction about W precipitating and enhancing W content of the coating; ②to regulation the crystallization process of the coating, for control the nanocrystalline as single-phase structure of Co solid solution. Then, the Cr coating is enough substitute for nanocrystalline of Co-W and Co-Ni-W alloy coating which could be better for overall performance. Though the impedance - potential measurements and the analysis of Mott-Schottky theory to dectect the process of W precipitating.Finally, we would exactly clarify internal mechanism of ultrasonic field's effect to electrodepositing process about the two kinds of coating.

纳米晶Co基W合金镀层拥有潜在的工程应用前景，被看好为新一类"替代Cr"镀层。关于此类镀层，现有研究多局限于镀液成分设计和阴极电流供给方式，使镀层的硬度、耐腐蚀等性能尚不及Cr镀层。针对这一状况，本项目提出将超声场应用于电沉积Co-W和Co-Ni-W两种合金镀层的制备过程。通过超声场作用：①加速镀液中W化合物的传质，促进W析出的界面反应，提升镀层W含量；②调控镀层的结晶过程，控制镀层为纳米晶Co固溶体单相结构。从而获得总体性能足以替代Cr镀层的Co-W和Co-Ni-W纳米晶合金镀层。在W析出过程的研究中，通过阻抗-电位测量结合Mott-Schottky理论分析，探明界面反应过程中阴极表面W氧化物膜的状态变化。最终阐明超声场作用对两种镀层电沉积过程产生影响的内在机制。

Co基合金镀层拥有高硬度和高耐腐蚀等优良性能，因此将Co基合金镀层作为特殊器件表面的“替代Cr”镀层已引起广泛关注。Co基含W合金镀层表现出的优异的性能与其W含量、其他合金元素含量，晶粒大小，相结构等有着直接的联系。以往对Co基合金镀层的电沉积研究多致力于镀液成分的调控或者是电沉积方式的变化，如直流电沉积，脉冲电沉积，双脉冲电沉积，反向脉冲电沉积等。本项目将超声场应用到电沉积Co基含W合金镀层的制备过程，具体对Co-Ni、Co-W、Co-Ni-W等合金电沉积体系展开研究。研究表明：超声场作用可以改善Co基合金镀层电沉积过程中电流效率低、电流微观分布不均等问题。分析了超声场对Co-Ni异常共沉积过程的影响机制，归纳了Co基W合金诱导共沉积过程中W活性物质在超声场作用下的传质规律。发现超声场对Co-Ni合金体系的“异常共沉积”行为存在明显的抑制作用，可有效促进Co-Ni共沉积过程中Ni的析出。在Co-W和Co-Ni-W合金体系的电沉积过程中，超声场作用可加速W配合物的液相传质速率、促进W析出的界面反应发生。超声场作用下，Co-W和Co-Ni-W合金的W含量分别达到26.51atom.%和23.12 atom.%时，两类镀层均维持Co固溶体相纳米晶状态，并抑制了Co3W出现。超声场作用还有利于细化镀层晶粒(晶粒尺寸＜20nm)，降低镀层的内应力，镀层表面缺陷得到有效抑制。超声场对镀层组成、微结构和表面质量的优化作用，使得镀层的表面硬度(700-850HV)以及在3.5%NaCl溶液中耐腐蚀性获得显著提升。此外，通过电沉积手段制备了一系列多孔Co-W合金镀层，该镀层在碱性水溶液中的电催化析氢活性高于贵金属Pt，可作为贵金属催化电极的替代品应用于电解水制氢领域。项目研究成果为新型合金镀层的设计、制备，以及超声场在电沉积领域的合理应用提供有效参考依据。