不锈钢表面冷喷涂铜涂层制备及性能研究

目的通过工艺的匹配优化,采用冷喷涂技术在不锈钢表面制备高结合强度铜涂层,并研究热处理工艺对不锈钢表面冷喷涂铜涂层组织及性能的影响规律。方法分别以高纯氮气和氦气作为加速气体,通过冷喷涂技术,在1 mm厚的304不锈钢基体表面制备铜涂层。采用光学显微镜(OM)对涂层的孔隙率及微观组织结构进行表征。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对涂层拉伸断面结构进行分析。借助维氏显微硬度仪、万能拉伸试验机和涡流导电仪测试分析退火热处理工艺对不锈钢基体表面冷喷涂铜涂层硬度、结合强度和电导率的影响规律。结果利用氮气作为加速气体,在薄304不锈钢基体上获得铜涂层困难,涂层形成后,易发生整体剥落。使用氦气作为加速气体,可在薄304不锈钢板表面成功制备结合强度高于81.7 MPa、硬度为99.6HV0.1、孔隙率小于0.1%的高致密铜涂层。退火热处理引起涂层组织再结晶,可显著消除冷喷涂过程中的加工硬化影响。随着热处理温度从300℃上升到500℃,涂层硬度由99.6HV0.1下降至63.7HV0.1。退火温度为400℃时,涂层导电率最优(93.94%IACS)。当热处理温度升高到500℃,涂层导电率异常下降(89.02%IACS),分析认为过高的热处理温度会造成涂层内部氧扩散偏聚,缺陷增加,导致涂层电导率下降。结论相较于氮气作为加速气体,采用氦气作为加速气体进行冷喷涂,可在薄不锈钢基体上制备的涂层具有高致密度、高结合强度的铜涂层。退火热处理对铜涂层硬度和导电性能的影响较大,涂层经过退火热处理后,电导率可以达到和铸态铜电导率相当的水平。

高压开关静电接触面冷喷涂铜涂层的电性能分析

为验证高压开关静电接触面冷喷涂铜涂层替代银镀层的可行性,采用电子万能试验机对经过镀银、冷喷涂铜涂层2种表面处理的试验样件施加一定压力,并通过微电阻测试仪对其接触电阻进行测量,分析不同表面处理对样件的接触电阻的影响,然后对经过2种不同表面处理的导体在252 kV GIL样机上进行了温升试验验证。试验结果表明:冷喷涂铜涂层电接触面的接触电阻较小,温升试验的温升值也比镀银电接触面的低,表明冷喷涂铜涂层可替代静电接触面镀银处理,降低高压开关的制造成本。

超音速冷喷涂铜涂层特性分析

介绍了超音速冷喷涂技术特点及工艺原理,测试了铜涂层的显微硬度、结合强度等重要指标,利用扫描电镜、X衍射、EDX测试手段观察了铜涂层组织形貌,分析了涂层相结构、残余应力状况和微区成分等特性。超音速冷喷涂铜涂层试验研究的结果表明,铜涂层的平均显微硬度高于铸态铜块体材料,涂层结合强度高;X衍射表明铜涂层无相结构变化,完全没有氧化现象,具有“性质的遗传性”;涂层的应力主要为压应力,有利于提高结合强度;试样热处理后,涂层与基体的界面处出现了微区扩散层,局部界面微晶化甚至消失。

Al_2O_3陶瓷表面机械合金化制备铜涂层研究

采用机械合金化方法于Al2O3陶瓷表面制得Cu涂层,研究了不同球磨时间的工艺条件下,陶瓷表面金属涂层的微观组织形貌,并对机械合金化过程中陶瓷表面金属化的过程作了相关探讨。实验结果表明,在磨球撞击和摩擦的反复作用下,铜粉首先附着在陶瓷基体表面并填充表面的凹坑,然后在进一步球磨过程中冷焊到基体表面,最终在陶瓷表面形成Cu涂层;涂层与基体之间基本无扩散,结合机制主要为机械结合;适当延长球磨时间,有利于涂层厚度、致密度的增加。划痕法测试表明,涂层与陶瓷基体结合较为紧密且并无起翘剥落。

低温超音速火焰喷涂铜涂层断裂特性的研究

采用低温超音速火焰喷涂技术在不锈钢、防锈铝基体上制备了铜涂层，并采用拉伸试验研究了铜涂层在单轴拉伸应力下的断裂情况。结果表明，涂层的结合强度在10～20MPa分布，基体对涂层的结合强度有一定影响；喷涂过程中，塑性变形的粒子铺展沉积于涂层表面，粒子与基体、粒子与粒子之间的边界和微孔成为涂层断裂源，裂纹源沿粒子边界扩展造成断裂；涂层的断裂过程为弹性断裂，没有明显的塑性变形过程，表明涂层与基体、涂层内部的结合主要以机械结合为主。

低温超音速火焰喷涂铜涂层性能研究

在多功能超音速火焰喷涂的基础上,通过液料送粉器和氮气对喷涂焰流进行降温,实现低温超音速火焰喷涂制备了铜涂层,并进行了涂层X射线衍射、SEM形貌分析、能谱分析、结构分析和涂层导电性能研究。结果表明,涂层没有相变,结构稳定、致密性好、导电性能优良,体积电阻率达到7.6875×10-10Ω·m。

不锈钢表面冷喷涂铜涂层组织和性能研究

采用冷喷涂技术在不锈钢表面喷涂纯铜涂层;涂层的断面形貌和硬度分别通过光学金相显微镜观察和显微硬度计测试,同时研究了涂层的结合机理。结果表明,粉末在沉积过程中存在低速粒子,部分低速粒子沿原路径反弹后影响其他粒子的沉积;纯铜涂层与基体的结合为机械结合;涂层内部兼有部分冶金结合;涂层的硬度分布较均匀,且高于纯铜的硬度。

碳纤维复合材料金属铜涂层的制备及其导电性能研究

碳纤维复合材料在民用飞机上得到广泛应用,但是由于其差的导电性易受雷击损伤。采用化学镀的方法在碳纤维复合材料试样表面制备了导电金属铜镀层以提高复合材料抗雷击特性。利用扫描电子显微镜和X射线衍射分析了镀层的表面形貌与晶体结构,研究了硫酸铜的浓度对金属铜镀层的沉积速率与导电性能的影响。结果表明,随着硫酸铜浓度的增加,沉积速率逐渐升高,而镀层电阻值逐渐降低,导电性增加。当硫酸铜浓度为14g/L时,碳纤维复合材料表面铜晶粒均匀,结晶性好,电阻为19.8mΩ/sq,具有良好的导电性。

爆炸压涂制备铜涂层的性能

利用爆炸压涂技术在铜基板上制备了较大面积的铜涂层,详细阐述了爆炸压涂技术的工艺。利用光学显微镜、扫描电镜观察了铜涂层的微观组织结构,涂层的厚度为280μm,用截线法在涂层的显微结构图上测得其孔隙率为约2%,利用显微硬度计测量了涂层的显微硬度hV0.05=114,还利用能谱分析测量了粉末和涂层中各元素的质量分数,实验前后元素的组成成分基本没有发生变化。爆炸压涂制备的铜涂层具有较好的均匀性和致密性,铜粉末在形成涂层的过程中不会发生氧化现象。

2A12铝合金冷喷铜涂层的组织与性能

铝合金是常用的导电类零部件基材,工程上一般采用电镀铜或热喷涂铜技术在铝合金零部件表面制备单质铜涂层提高其导电性,但电镀铜层与基体结合不稳定,热喷涂铜涂层存在粗糙度大、易氧化的问题。以冷喷涂技术为手段在2A12铝合金基体上制备单质铜涂层,采用显微镜、扫描电镜、X-射线衍射、表面粗糙度测量仪、显微硬度计和划痕试验机进行涂层组织与性能研究。结果表明,涂层氧化率较低,粗糙度与电弧喷铜涂层相比明显减小,涂层组织过渡良好,未发现明显的疏松与空洞,结合力高于电弧喷涂涂层,电阻率约小于电弧喷涂。

铝合金基体等离子喷涂铜涂层试验研究

试验研究了采用等离子喷涂方法在铝合金基体表面喷涂纯铜涂层,并对铜涂层试样进行横截面形貌和X射线衍射分析。结果表明,选用Ni80Al20作为粘结层材料,在合适的喷涂电流下,涂层与铝合金基体能够实现良好的机械结合和局部冶金结合。

纳米氧化铝弥散强化铜涂层硬度的研究

采用大气等离子喷涂制备了氧化铝弥散强化铜涂层,对涂层2小时600℃真空热处理前后的硬度进行了对比,并对涂层显微组织进行了分析。结果表明,热处理前后涂层的硬度基本没有发生变化,宏观硬度平均值在83HR15Y～84HR15Y之间,显微硬度平均值在216HV0.05～219HV0.05之间。涂层中纳米氧化铝颗粒均匀分布,尺寸在40～200nm之间。纳米弥散强化颗粒对位错的阻碍作用是涂层硬度保持不变的主要原因,而影响弥散强化效果的主要因素是颗粒尺寸和弥散分布程度。

采用冷喷涂铜涂层做中间层的镁合金与钢共晶接触反应钎焊工艺及接头性能

采用厚度为50μm的冷喷涂铜涂层作为中间层,研究了连接温度和保温时间对AZ31B镁合金/钢异种金属接触反应钎焊接头剪切强度的影响规律.通过金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度和剪切强度试验,研究了AZ31B镁合金/钢钎焊接头界面微观组织和力学性能.结果表明,当连接温度为530℃,保温时间为60 min时,接头抗剪强度达到最大值36.9 MPa.AZ31B镁合金/钢钎焊接头界面反应产物主要为Mg2Cu,α-Mg固溶体和Mg-Cu-Al三元相.Mg-Cu-Al三元相的尺寸和分布,以及08F钢侧是否存在Mg2Cu共晶相共同决定了接头的强度.由钎焊接头断口可知,最佳工艺参数下断裂方式为脆性断裂与韧性断裂的混合方式.

化学气相沉积铜涂层及其对氧化铝复相陶瓷/铁复合材料界面的影响

采用化学气相沉积技术,用氢气还原氯化铜的方法在氧化铝复相陶瓷表面制备铜涂层,确定适宜工艺参数并研究铜涂层对氧化铝复相陶瓷/铁复合材料界面结合的影响。利用X射线衍射仪、扫描电镜等对样品的显微组织、物相和表面形貌进行分析。研究结果表明:采用化学气相沉积技术在氧化铝复相陶瓷表面制备铜涂层的适宜工艺参数为:沉积温度850℃,保温时间为40 min时,获得的铜涂层均匀致密,且纯度较高。涂层与氧化铝复相陶瓷之间由于热膨胀系数的差异,在界面结合处存在小裂缝。氧化铝复相陶瓷/铁复合材料由于在界面处发生元素的扩散互熔有利于界面的结合。氧化铝复相陶瓷/铁复合材料界面结合良好,无明显的孔洞及裂缝等缺陷。

铝合金表面冷喷涂铜涂层研究

目的进一步提高铝合金构件的散热能力。方法采用冷喷涂技术在铝合金试件表面上制备了纯铜涂层。借助光学显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验、三点弯曲试验和激光闪射法等试验,研究铝合金表面铜涂层微观组织和性能,并探究热处理铜涂层组织形貌、抗弯强度以及导热系数的影响。结果铜涂层与铝合金基体形成了良好的结合,纯铜涂层导热系数能达到纯铜块材50%的水平。结论经过热处理,铜涂层内颗粒发生静态再结晶,部分晶粒细化。涂层的抗弯曲强度下降,导热系数上升。

冷喷涂导热导电铜涂层的制备与研究

采用冷喷涂技术在6061铝合金上喷涂纯铜涂层,利用SEM、XRD等分析纯铜涂层的形貌及相组成;利用显微维氏硬度计对热处理前、后的涂层进行硬度分析;采用四点探针法测量冷喷涂态及热处理态纯铜涂层的电阻率,分析涂层的导电率;利用激光导热分析仪测试冷喷涂态及热处理态纯铜涂层的热扩散率,研究涂层的导热性能。

2A12铝合金基体制备导电铜涂层研究

随着工业的发展,铝合金高压电气开关应用愈发广泛。为提高接触面导电性,通常采用表面镀铜方法。但铝合金基体与氧有较高的亲和力,制备过程较为复杂。分别采用等离子喷涂、电弧喷涂和冷喷涂方法,在2A12铝合金基体上制备出导电铜涂层,并对涂层的微观组织形貌、相结构和导电性进行了分析。结果发现采用电弧喷涂方法,配合氮气或氩气进行气氛保护,更适合于导电用铜涂层的制备。X射线衍射分析证实涂层中几乎不存在氧化物,具有良好的导电性。

制粉工艺对铜基钨铜涂层复合散热材料性能的影响

采用超音速火焰喷涂工艺在无氧铜基材上制备粉末条件不同的钨铜涂层复合散热材料,利用超景深数码显微镜、显微硬度计、热膨胀仪、导热系数测试仪等表征分析涂层的微观形貌、显微硬度、热膨胀性能和散热性能等,研究了制粉工艺——气雾法、球磨法制备的钨铜复合粉对涂层的热导率、热膨胀系数、显微硬度的影响.研究结果表明,气雾粉末制备的钨铜涂层散热材料的热膨胀系数值比球磨粉末的要低2×10-6℃-1,制粉工艺对热导率性能的影响不大,两者的热导率都可以达到约320W/(m·K).气雾粉末制备的涂层的显微硬度值为240.38HV0.2,球磨粉末制备的涂层的显微硬度值为210.56HV0.2,相比较其基材无氧铜的显微硬度提高了约50%.

微束等离子喷涂电流强度对铜涂层的影响

采用微束等离子喷涂方法在功率小于1.5kW的条件下制备了铜涂层。研究了喷涂电流强度对涂层形貌、组织结构和性能的影响。用扫描电镜(SEM)观察涂层的形貌和组织结构,用X射线衍射仪(XRD)对涂层进行物相分析,用LECOTC316气体抽提仪测定涂层氧含量以及用SIGMATEST电导率测量仪测量涂层的电导率。结果表明,在实验条件下,喷涂电流对涂层的组织结构和性能产生较大的影响。随着电流的增加,涂层的颜色由橙色变为砖红色最后变为黑色。涂层的成分由铜转变为铜和铜的氧化物。涂层的氧含量和沉积率随着电流强度的增加而增加。涂层的电导率随着电流强度的增加先增加后减小,在喷涂电流为30A时涂层的电导率最好,为17%IACS。

电爆法制备石墨烯及其铜基复合涂层的性能研究

石墨烯与金属粉末混合后容易团聚,不能有效均匀分散,无法充分发挥其优异特性。为解决石墨烯在复合材料中的团聚问题,采用自主研制的电爆设备制备了石墨烯气溶胶,将其与铜粉混合得到石墨烯/铜复合粉体,并制备出石墨烯/铜复合涂层。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)对石墨烯气溶胶及复合材料进行表征分析,并测试涂层的硬度和耐磨性。结果表明,电爆法制备的石墨烯主要为小片径石墨烯,片径尺寸为5~40 nm,层数为3~7层。在浓度0.875 mg/L的石墨烯气溶胶中,衬底放置时间少于10 min时,单个的小片径石墨烯片碰撞吸附在衬底上,未发现凝并后的石墨烯气溶胶凝胶;衬底放置时间超过10 min后,许多小片径石墨烯堆叠在一起,形成石墨烯气溶胶凝胶,且衬底放置时间越长,凝并越严重,石墨烯气溶胶凝胶团也在不断长大。石墨烯/铜复合粉体中小片径石墨烯均匀吸附在铜粉表面,制备出的复合涂层其表面C元素分布均匀,有效解决了团聚问题。0.5 wt.%石墨烯/铜涂层平均硬度为74.8 HV0.05、摩擦系数为0.18,与纯铜涂层相比均有不同程度的提升。结果表明,电爆法制备的石墨烯气溶胶可用于制备石墨烯/铜复合涂层,提高涂层的硬度和耐磨性。该方法有望为制备高性能石墨烯/金属复合材料提供新的途径。