CN105970147B - 一种铝合金基复合材料、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金基复合材料、制备方法及应用，该铝合金复合材料包括铝合金基体，所述铝合金基体表面从内到外依次附着有粘结层和功能层，所述粘结层是由铝包镍复合粉末制成的铝镍合金层，所述功能层为铜涂层。本发明的铝合金基复合材料，铝合金基体表面从内到外依次附着粘结层和功能层，实现了对铝合金基体的表面改性，粘结层采用铝包镍复合粉末制成，具有较好的润湿性，能与铝合金基体及铜涂层良好结合，极大地提高了铜涂层与铝合金基体的结合强度，保证铜涂层与铝合金基体良好的结合性能；功能层为单质铜涂层，保证了材料的使用性能，提高了其导电性能，适用于导通高电流的导体部件。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种铝合金基复合材料，同时还涉及一种铝合金基复合材料的制备方法及在制备导电部件方面的应用。
背景技术
铝合金由于密度小、导热好等优点在航空、汽车等领域得到了广泛的应用，但其耐磨性差、熔点低等缺点也限制了其进一步的发展。现有技术在铝合金材质零部件表面附着铜合金层，用作耐热涂层或者耐磨涂层。如王维夫等在《铝合金表面激光熔覆铜基合金涂层研究》(激光技术，2008年)一文中公开了：为了提高铝合金的表面强度，根据铜合金的液相分离性质，采用CO2激光熔覆方法，在铝合金表面成功制备了铜基合金涂层；涂层的基体相为铜基固溶体，强化相主要为弥散分布的Laves相；硬度测试表明，所获涂层的硬度约为270HV0.05，比ZL104铝合金提高了约2倍。在铝合金材质表面涂覆铜合金层，可以提高铝合金的耐热性和耐磨性。
目前，铝合金零部件越来越多的应用于导电部件。为了提高铝合金的导电性能，现有技术中铝合金零部件多是采用电镀银方式制备导电层，但是镀银工艺的技术流程长，且工艺流程使用硝酸属于挥发性强酸，严重污染了环境。另外，除去极少量低电流应用环境采用无氰镀银技术之外，大多数应用领域仍旧采用传统的氰化镀银方式进行处理，氰化物对环境与人身也造成了严重的伤害。因此，在铝合金表面喷涂制备铜单质层用于大电流技术领域目前已经是研究工作者的一个研究热点。
现有技术中，CN104805392A公开了一种铜铝复合材料，由以下方法制备而得：采用电弧喷涂，在惰性气体保护气氛下向铝合金基体表面喷涂铜形成铜涂层；所述电弧喷涂的喷涂电压为30-35V，喷涂距离为100-150mm，送丝速度为3-4m/min，电流为120-150A，压缩气体压力为0.65-0.75MPa，压缩气体流量为1.6-2.0m3/min。所得复合材料中，铜涂层表面均匀致密，导电性好，可用于高压电器产品的制备。但是，现有技术中铜涂层与铝合金基体的结合力还不够，铜涂层在制备过程中容易发生氧化，还不能满足大电流导电部件的使用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金基复合材料，实现对铝合金基体材料的改性处理，提高了铜涂层与铝合金基体的结合力及导电性能。
本发明的第二个目的是提供一种铝合金基复合材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种上述铝合金基复合材料在制备导电部件方面的应用。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种铝合金基复合材料，包括铝合金基体，所述铝合金基体表面从内到外依次附着有粘结层和功能层，所述粘结层是由铝包镍复合粉末制成的铝镍合金层，所述功能层为铜涂层。
所述粘接层的厚度为50～100μm，功能层的厚度为50～200μm。
所述粘接层是在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末制成的；所述功能层是在铝合金基体的粘接层上等离子喷涂纯铜粉末制成的。等离子喷涂是采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，将金属或合金粉末加热到熔融或半熔融状态，并高速喷向经过预处理的基体表面而形成附着牢固的表面层的方法。等离子喷涂的方法喷射粒子的速度高，所得涂层致密，粘接强度高。
所述铝包镍复合粉末的粒度为300～400目；所述纯铜粉末的粒度为325～1000目。
所述铝包镍复合粉末中，Ni的质量百分含量为60％～70％，其余为Al和不可避免的杂质。优选的，所述铝包镍复合粉末的规格为Ni66Al34复合粉末，即两种元素的质量比Ni:Al＝66:34。铝包镍复合粉末作为粘接层材料，具有良好的自粘结性。
本发明的铝合金基复合材料，铝合金基体表面从内到外依次附着粘结层和功能层，粘结层是由铝包镍复合粉末制成的铝镍合金层，功能层为铜涂层；该复合材料实现了对铝合金基体的表面改性，粘结层采用铝包镍复合粉末制成，具有较好的润湿性，能与铝合金基体及铜涂层良好结合，极大地提高了铜涂层与铝合金基体的结合强度，保证铜涂层与铝合金基体良好的结合性能；功能层为单质铜涂层，保证了材料的使用性能，提高了其导电性能，适用于导通高电流的导体部件。
上述的铝合金基复合材料是由以下方法制备的：铝合金基体表面依次经表面净化、喷砂粗化、等离子喷涂制得粘结层、等离子喷涂制得功能层。
一种上述的铝合金基复合材料的制备方法，包括下列步骤：
1)将铝合金基体依次进行表面净化和喷砂粗化；
2)在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末制得粘结层；
3)在铝合金基体的粘结层上等离子喷涂纯铜粉末制得功能层，即得。
步骤1)中，采用化学脱脂的方法进行表面净化。所述化学脱脂是指采用有机溶剂清洗脱脂或使用碱性处理剂浸泡脱脂。
步骤1)中，所述喷砂粗化的喷射压力为0.5～0.75MPa，喷气速度为1～2m3/min，喷砂速度为10kg/h，处理时间为45～60s。
所述喷砂粗化所用的砂为24目刚玉砂，喷射角度为75°～90°，喷射距离为30～50mm。
步骤2)和3)中，等离子喷涂所用的等离子气体为氩气。等离子喷涂过程中，氩气作为保护气体，喷涂金属或合金粉末不易被氧化。
步骤2)中，等离子喷涂铝包镍复合粉末过程中，氩气流量为40～50L/min，送粉气流量为35～45L/min，工作电流为400～600A，送粉量为20～40g/min。
步骤3)中，等离子喷涂纯铜粉末过程中，氩气流量为40～60L/min，送粉气流量为35～45L/min，工作电流为400～600A，送粉量为20～40g/min。
等离子喷涂过程中，喷涂距离为150mm，喷涂角度为85°～90°。
一种上述的铝合金基复合材料在制备导电部件方面的应用。
本发明的铝合金基复合材料的制备方法，通过等离子喷涂的方法在经过表面净化、喷砂粗化的铝合金基体表面喷涂铝包镍复合粉末、纯铜粉末分别依次形成粘接层和功能层，实现对铝合金材料的改性处理；粘结层采用铝包镍复合粉末制成，具有较好的润湿性，能与铝合金基体及铜涂层良好结合，极大地提高了铜涂层与铝合金基体的结合强度；功能层为单质铜层，具有较低的氧化率，保证了材料的使用性能，提高了其导电性能，适用于导通高电流的导体部件。该制备方法工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。
铜与银的导电性比较接近，与现有技术相比本，发明的铝合金基复合材料能够获得氧化率比较低的铜单质层，满足大电流导电部件的使用需要；再者，铜的价格不到银价格的二十分之一，采用本发明的铝合金基复合材料取代传统的铝合金镀银工艺技术，经济效益十分可观，社会效益更是显著。
附图说明
图1为实施例1所得铝合金基复合材料中涂层横截面的形貌图；
图2为实施例1所得铝合金基复合材料中功能层(铜涂层)的XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式中，等离子喷涂采用的是普莱克斯表面技术公司生产的PARAXAIR3710型超音速等离子喷涂设备(Praxair Surface Technologies,TAFA)。
实施例1
本实施例的铝合金基复合材料，包括铝合金基体，所述铝合金基体表面从内到外依次附着有粘结层和功能层，所述粘结层是由铝包镍复合粉末制成的铝镍合金层，所述功能层为铜涂层。其中，所述粘接层是在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末制成的；所述功能层是在铝合金基体的粘接层上等离子喷涂纯铜粉末制成的。粘结层的厚度为50μm，功能层的厚度为50μm。
本实施例的铝合金基复合材料的制备方法，包括下列步骤：
1)采用化学脱脂的方法对铝合金基体进行表面净化后，对铝合金基体表面进行喷砂粗化；所述喷砂粗化所用的砂为24目刚玉砂，喷射压力为0.5MPa，喷气速度为1m3/min，喷砂速度为10kg/h，喷射角度为90°，喷射距离为30mm，处理时间为60s；
2)在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末，等离子喷涂所用的等离子气体为氩气，等离子喷涂过程中，氩气流量为50L/min，送粉气流量为40L/min，工作电流为400A，送粉量为20g/min，喷涂距离为150mm，喷涂角度为85°，喷涂后在铝合金基体表面形成粘结层；
3)在铝合金基体的粘结层上等离子喷涂纯铜粉末，等离子喷涂所用的等离子气体为氩气，等离子喷涂过程中，氩气流量为50L/min，送粉气流量为40L/min，工作电流为400A，送粉量为20g/min，喷涂距离为150mm，喷涂角度为85°，喷涂后在粘接层上形成功能层，即得。
本实施例中，所用的铝包镍复合粉末为Ni66Al34复合粉末，粒度为400目，两种元素的质量含量≥99.5％，具有自粘结性；所用的纯铜粉末是粒度为325目球状粉末，纯度达99.95％。
本实施例所得铝合金基复合材料涂层横截面的形貌如图1所示，其中最上层为Cu涂层，中间为粘结层，最下方是铝合金基体，涂层与铝合金基体形成了十分良好的结合，经拉伸试验测得结合力约为20.3MPa。
图2为实施例1中，氩气作为喷涂气源条件下所得铝合金基复合材料中功能层(铜涂层)的XRD图。从图2可以看出，XRD图谱中主要有五个峰，第一个未标明微小的峰为Cu2O，几乎可以忽略，其他均是Cu，说明在氩气保护下，涂层极少被氧化，保证铜涂层的导电性能。
实施例2
本实施例的铝合金基复合材料，包括铝合金基体，所述铝合金基体表面从内到外依次附着有粘结层和功能层，所述粘结层是由铝包镍复合粉末制成的铝镍合金层，所述功能层为铜涂层。其中，所述粘接层是在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末制成的；所述功能层是在铝合金基体的粘接层上等离子喷涂纯铜粉末制成的。粘结层的厚度为50μm，功能层的厚度为100μm。
本实施例的铝合金基复合材料的制备方法，包括下列步骤：
1)采用化学脱脂的方法对铝合金基体进行表面净化后，对铝合金基体表面进行喷砂粗化；所述喷砂粗化所用的砂为24目刚玉砂，喷射压力为0.7MPa，喷气速度为1.5m3/min，喷砂速度为10kg/h，喷射角度为85°，喷射距离为40mm，处理时间为50s；
2)在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末，等离子喷涂所用的等离子气体为氩气，等离子喷涂过程中，氩气流量为40L/min，送粉气流量为35L/min，工作电流为500A，送粉量为30g/min，喷涂距离为150mm，喷涂角度为90°，喷涂后在铝合金基体表面形成粘结层；
3)在铝合金基体的粘结层上等离子喷涂纯铜粉末，等离子喷涂所用的等离子气体为氩气，等离子喷涂过程中，氩气流量为60L/min，送粉气流量为45L/min，工作电流为600A，送粉量为30g/min，喷涂距离为150mm，喷涂角度为90°，喷涂后在粘接层上形成功能层，即得。
本实施例中，所用的铝包镍复合粉末中Ni的质量百分含量为60％，其余为Al和不可避免的杂质，粒度为300目，两种元素的质量含量≥99.5％，具有自粘结性；所用的纯铜粉末是粒度为600目球状粉末，纯度达99.95％。
实施例3
本实施例的铝合金基复合材料，包括铝合金基体，所述铝合金基体表面从内到外依次附着有粘结层和功能层，所述粘结层是由铝包镍复合粉末制成的铝镍合金层，所述功能层为铜涂层。其中，所述粘接层是在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末制成的；所述功能层是在铝合金基体的粘接层上等离子喷涂纯铜粉末制成的。粘结层的厚度为100μm，功能层的厚度为150μm。
本实施例的铝合金基复合材料的制备方法，包括下列步骤：
1)采用化学脱脂的方法对铝合金基体进行表面净化后，对铝合金基体表面进行喷砂粗化；所述喷砂粗化所用的砂为24目刚玉砂，喷射压力为0.75MPa，喷气速度为2m3/min，喷砂速度为10kg/h，喷射角度为75°，喷射距离为50mm，处理时间为45s；
2)在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末，等离子喷涂所用的等离子气体为氩气，等离子喷涂过程中，氩气流量为50L/min，送粉气流量为45L/min，工作电流为600A，送粉量为40g/min，喷涂距离为150mm，喷涂角度为90°，喷涂后在铝合金基体表面形成粘结层；
3)在铝合金基体的粘结层上等离子喷涂纯铜粉末，等离子喷涂所用的等离子气体为氩气，等离子喷涂过程中，氩气流量为40L/min，送粉气流量为35L/min，工作电流为500A，送粉量为40g/min，喷涂距离为150mm，喷涂角度为90°，喷涂后在粘接层上形成功能层，即得。
本实施例中，所用的铝包镍复合粉末中Ni的质量百分含量为70％，其余为Al和不可避免的杂质，粒度为350目，两种元素的质量含量≥99.5％，具有自粘结性；所用的纯铜粉末是粒度为900目球状粉末，纯度达99.95％。
实验例
本实验例对实施例1-3所得铝合金基复合材料的电阻率进行检测。采用四探针法测量试样的电阻率，仪器为ST2253型数字式四探针测试仪。结果如表1所示。
表1 实施例1-3所得铝合金基复合材料的电阻率检测结果
| 实施例 | 检测部位 | 电阻率(mΩ·cm) |
| 1 | 功能层(铜涂层) | 0.9 |
| 2 | 功能层(铜涂层) | 0.8 |
| 3 | 功能层(铜涂层) | 0.8 |
从表1可以看出，实施例1-3所得铝合金基复合材料中，功能层(铜涂层)的电导率约为0.83mΩ·cm。实验结果表明，本发明的铝合金基复合材料具有良好的导电性能，适合用于制备大电流的导电部件。
Claims (5)
1.一种铝合金基复合材料，其特征在于：包括铝合金基体，所述铝合金基体表面从内到外依次附着有粘结层和功能层，所述粘结层是由铝包镍复合粉末制成的铝镍合金层，所述功能层为铜涂层；
所述粘结层是在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末制成的；所述功能层是在铝合金基体的粘结层上等离子喷涂纯铜粉末制成的；
所述铝包镍复合粉末的粒度为300～400目；所述纯铜粉末的粒度为325～1000目；
所述铝包镍复合粉末中，Ni的质量百分含量为60%～70%，其余为Al和不可避免的杂质；
等离子喷涂铝包镍复合粉末过程中，氩气流量为40～50L/min，送粉气流量为35～45L/min，工作电流为400～600A，送粉量为20～40g/min；
等离子喷涂纯铜粉末过程中，氩气流量为40～60L/min，送粉气流量为35～45L/min，工作电流为400～600A，送粉量为20～40g/min；
等离子喷涂所用的等离子气体为氩气。
2.一种如权利要求1所述的铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
1）将铝合金基体依次进行表面净化和喷砂粗化；
2）在铝合金基体表面等离子喷涂铝包镍复合粉末制得粘结层；
3）在铝合金基体的粘结层上等离子喷涂纯铜粉末制得功能层，即得；
步骤2）中，等离子喷涂铝包镍复合粉末过程中，氩气流量为40～50L/min，送粉气流量为35～45L/min，工作电流为400～600A，送粉量为20～40g/min；
步骤3）中，等离子喷涂纯铜粉末过程中，氩气流量为40～60L/min，送粉气流量为35～45L/min，工作电流为400～600A，送粉量为20～40g/min；
步骤2）和3）中，等离子喷涂所用的等离子气体为氩气。
3.根据权利要求2所述的铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述喷砂粗化的喷射压力为0.5～0.75MPa，喷气速度为1～2m3/min，喷砂速度为10kg/h，处理时间为45～60s。
4.根据权利要求3所述的铝合金基复合材料的制备方法，其特征在于：所述喷砂粗化所用的砂为24目刚玉砂，喷射角度为75°～90°，喷射距离为30～50mm。
5.一种如权利要求1所述的铝合金基复合材料在制备导电部件方面的应用。
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