CN107815634B - 一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法 - Google Patents

一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107815634B
CN107815634B CN201711024782.2A CN201711024782A CN107815634B CN 107815634 B CN107815634 B CN 107815634B CN 201711024782 A CN201711024782 A CN 201711024782A CN 107815634 B CN107815634 B CN 107815634B
Authority
CN
China
Prior art keywords
powder
tio2
coating
collector ring
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711024782.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107815634A (zh
Inventor
王海斗
马国政
王译文
何鹏飞
陈书赢
刘明
邢志国
王海军
徐滨士
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Original Assignee
Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Academy of Armored Forces Engineering of PLA filed Critical Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority to CN201711024782.2A priority Critical patent/CN107815634B/zh
Publication of CN107815634A publication Critical patent/CN107815634A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107815634B publication Critical patent/CN107815634B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/08—Slip-rings

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

本发明涉及一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法，针对水轮发电机长期工作后集电环磨损严重导致性能下降等问题，提供了一种新型的具有Cu‑TinO2n‑1复合涂层的集电环。按质量百分含量计，所述涂层成分为：Ti4O7 60‑75％；Cu 12‑25％；TixO2x‑1 8‑12％；TiO2 3‑8％；其中5≤x≤10。本发明通过等离子喷涂技术直接在现有集电环表面制备耐磨耐蚀的高性能复合涂层作为工作层，使用磨损后可对涂层进行增材再制造，重新喷涂修复涂层，解决了现有技术中因打磨抛光而引起的尺寸不匹配的问题，实现水轮发电机集电环高质量修复和再制造延寿的技术方案，具有良好的应用前景。

Description

一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法
技术领域
本发明涉及水轮发电机集电环制备领域，具体涉及一种高性能长寿命可修复的集电环及其制备方法。
背景技术
我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可开发的水能资源，在世界各国中均居第一位。水能作为一种可再生的清洁能源，取之不尽，用之不竭，水力发电不排放有害气体、烟尘等，带来巨大经济效益的同时，也带了相应的社会和生态效益，发展前景广阔，随着未来能源结构的调整，发展水力发电就显得特别重要而紧迫。水轮发电机能够将水能转换成电能输出，是开发利用水能资源的关键设备。
集电环和电刷是水轮发电机组中实现励磁电流高效传输的重要部件，集电环的耐磨性能和导电性能直接影响着发电机的安全性和效率。现在常用的集电环材质主要为钢质。一般来说，钢质集电环的耐磨性好，机械强度高，因此大多用于因极性引起集电环磨损差较大的同步电机上；同时，钢可以加工成复杂的结构，是一种容易得到而又价廉物美的材料，因而钢质材料被广泛用于圆周速度较低的水轮发电机。对耐蚀性有较高要求时，可选用不锈钢作为集电环的主要材质，但不锈钢的滑动特性不稳定，与电刷组不合适时往往会使电刷产生跳动，造成电刷温升过高或异常磨损，使用时必须倍加注意。
在发电机运行过程中，由于集电环环面和电刷之间的接触面长期相对运动而产生机械磨损，现有的集电环材料以碳钢为主，耐磨性能弱。同时，碳刷中存在较粗的颗粒结构，分布又不均匀，质量难以满足要求，碳块在碳刷刷握内弹簧的压力下，与滑环进行高速摩擦的过程中，较粗的碳粒结构在接触面上冲击而出现划痕，久而久之，形成了划槽。长期运行后，水轮发电机组经常出现集电环腐蚀，集电环表面会出现条痕、磨损、凹痕、麻点等缺陷。对于大型水轮发电机而言，集电环安装部位通常位于水轮机和发电机的上方，且相对空间较为狭小，在该空间内，充满了潮湿的空气。在潮湿的大气环境中，集电环表面会形成一种微电池，也称腐蚀电池，集电环可作为阳极，碳刷可作为阴极，发生氧化反应，所以滑环的磨损形式中会出现非全接触面整体磨损的划痕形状。形成划痕后，由于划痕内铁与碳的接触面增大，更容易形成水膜而具备氧化的条件，所以划痕将加深，比接触平面磨损得更快。在水轮发电机组工作一段时间后，由于集电环环面和电刷之间的接触面相对运动产生物理磨损，集电环外圆与碳刷的接触面会出现较深的划槽，为减少碳刷产生火花、环火，恢复碳刷与滑环接触面的大小，机组大修时往往将滑环外圆接触面重新上车床车圆并打磨光滑以满足粗糙度的要求，导致数次大修后滑环的外圆半径大幅缩减，增加了碳刷刷握与滑环之间的距离，碳刷可使用长度缩短，行程的增大引起弹簧压力不够，碳刷与滑环之间的接触压力达不到设计要求，接触电阻增加，影响导电效率。因此，现有的废旧集电环采用的是低端修理和减法再制造模式，可再制造的次数有限，而且经过尺寸修理后其服役性能不断下降。
由上可知，集电环过度磨损，会造成电刷磨损加快，而电刷产生火花、环火，又加快了集电环的电腐蚀，严重时会引起发电机组停机，甚至在运行中发生集电环烧损的事故。在水轮发电机的常见故障中，励磁系统故障约占1/3，而转子集电环、碳刷烧损事故约占励磁系统故障的26％。因此，集电环和碳刷装置的寿命和可靠性直接影响发电机的工作性能和安全性。其中集电环的成本高昂、制造工艺复杂，开展集电环的高质量维修和再制造延寿具有重要经济价值和社会效益。
为了解决上述问题，研究者多从结构方面对集电环进行了改进，例如CN104934835A提供一种集电环，其包括：环氧树脂本体、铜环、接线柱、以及环氧树脂绝缘环；所述环氧树脂本体包括内圈和面板，所述面板为环形，其位于所述内圈的边缘，并与所述内圈相垂直；所述铜环为多个，多个铜环与所述环氧树脂本体相配合，并位于所述内圈的外侧；所述接线柱穿过所述面板，与多个铜环相焊接，并将多个铜环固定连接；所述环氧树脂绝缘环套装于所述铜环的外侧。此外，针对集电环环面与电刷之间的接触面相对运动产生的磨损，现阶段的解决方案为在机组大修时将集电环外圆接触面在车床上车圆并打磨抛光，除去表面出现的条痕、麻点、凹痕等缺陷。然而这导致集电环外圆半径大幅缩减，增加了碳刷与滑环之间的距离，碳刷的可使用长度缩短，行程的增大导致弹簧压力不够，碳刷与滑环之间的接触压力减小，接触电阻增加，降低了导电效率。
目前，利用复合涂层实现废旧集电环的高质量修复和再制造延寿相关技术国内外尚未见到报道。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高性能长寿命可修复的集电环及其制备方法，通过等离子喷涂技术在集电环基体表面原位制备耐磨、耐蚀、可修复的Cu-TinO2n-1复合涂层(4≤n≤10)，延长了集电环的使用寿命，同时实现了水轮发电机集电环高质量修复和再制造延寿的技术方案，具有良好的应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种集电环，所述集电环包括集电环基体(1)和Cu-TinO2n-1复合涂层(2)；所述Cu-TinO2n-1复合涂层(2)包覆在集电环基体(1)表面上，其中4≤n≤10。
根据本发明，所述Cu-TinO2n-1复合涂层中4≤n≤10，例如可以是4、5、6、7、8、9或10，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及处于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述Cu-TinO2n-1复合涂层包括：Ti4O7 60-75％；Cu 12-25％；TinO2n-1 8-12％；TiO2 3-8％；其中5≤n≤10。
根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中Ti4O7的含量为60-75％，例如可以是60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％或75％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中Cu的含量为12-25％，例如可以是12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中TixO2x-1的含量为8-12％，例如可以是8％、9％、10％、11％或12％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，上述TixO2x-1中，x的范围为5≤x≤10，例如可以是5、6、7、8、9或10，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述复合涂层中TiO2的含量为3-8％，例如可以是3％、4％、5％、6％、7％或8％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述集电环基体为钢质。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的集电环的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)制备核壳结构的Cu-TiO2复合粉体；
(2)利用等离子喷涂在集电环基体表面制备复合涂层。
在上述等离子喷涂过程中，等离子焰流中氢的等离子体和氢气会与TiO2中的氧发生化学反应(见式1,2)，夺走Ti-O键中的氧，产生氧空位，使TiO2发生脱氧，生成具有缺氧相的亚氧化钛Ti4O7，从而获得高含量的Ti4O7，进而在集电环基体表面得到复合涂层。
TiO2+H2→Ti4O7+H2O (1)
TiO2+H+→Ti4O7+H2O (2)
本发明选用本领域常用的手段制备Cu-TiO2复合粉体，对其具体的方法并不做特殊限定，只要制备得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体即可。如图2所示，所述Cu-TiO2复合粉体中Cu为核，TiO2包裹在Cu周围，形成壳体。采用核壳结构的Cu-TiO2复合粉体作为原料，能够将Cu包覆在粉体内部，可有效减少Cu与空气的接触面积，抑制Cu的氧化；此外，TiO2作为壳体，可与等离子体射流中的H2充分接触并发生脱氧反应，从而提高亚氧化钛的转化效率。
本发明在步骤(1)中采用超声分散和喷雾干燥法制备所述核壳结构的Cu-TiO2复合粉体，但非仅限于此，具体操作为：
(a)按质量百分含量计，将15-30％的Cu粉和70-85％的TiO2粉混合，将所得混合粉末与去离子水和粘结剂混合搅拌，得到混合浆料；
(b)将步骤(a)所得混合浆料进行超声分散；
(c)将步骤(b)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
本发明选择将Cu粉的粒径范围控制为10-30μm，例如可以是10μm、13μm、15μm、18μm、20μm、23μm、25μm、28μm或30μm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
本发明选择的TiO2粉的粒径为纳米级别，一般控制在1-100nm之间。
根据本发明，本发明最终制备得到的核壳结构的Cu-TiO2复合粉体的粒径为25-70μm，例如可以是25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm或70μm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
对于本发明而言，若复合粉体的粒径过小，粉体质量轻，喷涂过程中会产生烧损和飞扬等问题，送粉困难，涂层的沉积效率差。若粉体粒径过大，则送粉器送粉困难，在等离子射流中加速困难，且融化程度不充分，在基体上的沉积效率低，涂层空隙较多，涂层质量较差。
根据本发明，按质量百分含量计，步骤(a)所述混合浆料中含有：20-38％混合粉末；60-78％去离子水；1-3％聚乙烯醇。
根据本发明，步骤(b)所述超声分散的时间为2-5h，频率为35-60Hz，温度为40-60℃。
本发明为了减少纳米TiO2粉末的团聚现象，选择在步骤(b)所述超声分散过程中向混合浆料中加入浆料总重量0.1-1％的阴离子型聚羧酸盐电解质(SND6800)。
等离子喷涂技术为本领域应用较普遍的技术，本发明对于等离子喷涂设备的具体结构，机理等不再赘述，只限制了对本发明产生影响的关键参数。
所述步骤(2)的具体操作为：将核壳结构的Cu-TiO2复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，以Ar和H2为工作气体，控制电压电流，利用等离子焰的温度使等离子焰流中氢的等离子体和氢气与TiO2中的氧发生化学反应生成Ti4O7，喷射到集电环基体表面后形成复合涂层。
根据本发明，所述Cu-TiO2复合粉体的送粉速度为15-30g/min，例如可以是15g/min、17g/min、20g/min、23g/min、25g/min、27g/min或30g/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述工作气体中H2的含量为Ar的20-30％，例如可以是20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
对于本发明而言，H2的比例必须控制在上述范围内，当H2的比例过大时，会加速喷嘴和阴极的烧蚀，降低喷枪的寿命，同时H2的电离度小，热晗较高，含量过高存在安全隐患。而当H2的比例过小时，则会降低TiO2脱氧反应的效率，降低产物中亚氧化钛的生成。
根据本发明，所述Ar的流量为120-140L/min，例如可以是120L/min、122L/min、124L/min、126L/min、128L/min、130L/min、132L/min、134L/min、136L/min、138L/min或140L/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
当Ar的流量过高时，不利于粉末的加热，粉末熔化不均匀，喷涂效率降低，涂层组织疏松，孔隙率增加。当Ar的流量过低时，会使喷枪工作电压下降，使焰流软弱无力，容易引起喷嘴烧蚀。
根据本发明，所述H2的流量为30-40L/min，例如可以是30L/min、31L/min、32L/min、33L/min、34L/min、35L/min、36L/min、37L/min、38L/min、39L/min或40L/min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
当H2的流量过高或过低时，其带来的后果与上述H2含量过高或过低类似，均不利于复合涂层的制备，制备过程中应尽力避免。
根据本发明，所述等离子喷涂时电压为130-150V，例如可以是130V、132V、134V、136V、138V、140V、142V、144V、146V、148V或150V，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述等离子喷涂时电流为440-460A，例如可以是440A、443A、445A、448A、450A、453A、455A、458A或460A，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
上述电压和电流是制备过程中的重要参数，电压与电流的乘积就是喷涂功率。当喷涂功率过大时，可能会使喷涂材料气化并引起涂层成分改变，蒸汽凝聚会引起涂层粘结不良，还会使喷嘴和电极加剧烧蚀。当喷涂功率过小时，则会引起喷涂粒子加热不足，涂层的粘结强度、硬度和沉积效率都降低。
根据本发明，所述等离子喷涂时喷嘴与集电环表面的距离为70-90mm，例如可以是70mm、73mm、75mm、78mm、80mm、83mm、85mm、88mm或90mm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
当喷嘴与集电环基体表面的距离过远时，会使已经加热到熔融状态的粉末冷却，飞行速度降低，影响涂层与基体的结合，喷涂效率降低，涂层孔隙率增加。当距离过近时，会导致粉末加热不充分，影响结合强度，同时使基体温度过高，造成热变形。
本发明选择在等离子喷涂前对集电环基体表面进行预处理，所述预处理为：使用丙酮对集电环基体表面进行超声波清洗，以去除表面的污染物；然后对清洗后的表面进行喷砂预处理，在外表面上形成清洁的粗糙表面，增强熔融的喷涂粒子与基体表面的机械结合力，以提高涂层的结合强度。
本发明在步骤(2)所述等离子喷涂结束后，根据预定的集电环截面尺寸，对所得集电环表面的复合涂层进行打磨抛光，打磨抛光后复合涂层的厚度降低了80-100μm，为300-320μm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明在集电环钢基体上喷涂得到Cu-TinO2n-1复合涂层(4≤n≤10)，在工作运行过程中，钢基体在涂层保护下不会与碳刷接触，只有表面的复合涂层进行磨损，有效地保护了钢基体。涂层中的陶瓷材料Ti4O7具有很高的机械强度，硬度较高，减磨性和耐磨性能好，在运行过程中不易发生磨损，可延长集电环的使用寿命。
(2)涂层中的陶瓷材料Ti4O7在强酸强碱环境中都非常稳定，具有很强的化学稳定性，在水轮发电机高速运行过程中也不易被腐蚀。同时，复合涂层会将钢基体与外界潮湿空气隔绝，能有效防止基体被腐蚀，从而保护了基体。
(3)集电环经过长时间工作磨损后，可对涂层进行增材再制造，使用等离子喷涂法对破损涂层重新喷涂，并进行打磨抛光等机械加工处理，使其恢复原有尺寸，修复了集电环表面，不会对内部钢基体的尺寸造成影响。再制造后的滑板性能与新品一致，一方面，保证了集电环的工作性能，解决了因尺寸问题而产生的故障，另一方面，这种结构的集电环可无限修复使用，有效地节约了资源能源。
(4)喷涂原料为Cu-TiO2粉末，其中主要组分TiO2资源丰富，来源广泛，而Cu的含量少，原料的成本低，生产采用等离子喷涂的方法，工艺简单，制备的成本低。
(5)在陶瓷材料TiO2中加入金属材料，喷涂粒子的导热系数大幅度提高，有利于粒子的充分熔化，可改善涂层的孔隙缺陷，有效提高涂层与基体的结合强度。
附图说明
图1是本发明制备的集电环的结构示意图，其中，1-集电环基体，2-Cu-TinO2n-1复合涂层；
图2是核壳结构的Cu-TiO2复合粉体的扫描电镜图，其中，1为Cu；2为TiO2。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
(1)采用超声分散和喷雾干燥法制备Cu-TiO2复合粉体
1)按质量百分含量计，取20％平均粒径为15μm的Cu粉与80％平均粒径为60nm的纳米TiO2粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；
2)按质量百分含量计，分别取30％混合粉末，68.5％去离子水和1.5％的粘结剂PVA混合后进行搅拌，得到混合浆料；
3)将步骤2)所得混合浆料置于超声反应器中，在45Hz的频率、50℃的温度下连续超声分散3小时，超声分散过程中，在浆料中加入占浆料总重的0.9％的分散剂SND 6800；
4)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤3)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如表1所示，喷雾造粒后得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
表1
空气进口温度 230℃ 浆料送给速率 60g/min
腔体空气温度 151℃ 雾化空气流量 12m<sup>3</sup>/h
空气出口温度 130℃ 高压空气压力 0.4Mpa
喷嘴旋转速度 13000r/min
(2)利用等离子喷涂在集电环基体表面制备复合涂层
1)喷涂前用丙酮对集电环基体表面进行超声波清洗，然后对清洗后的钢质表面进行喷砂处理；
2)将制备的核壳结构的Cu-TiO2复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，送粉速度为20g/min；以Ar和H2为工作气体，H2的含量为Ar的30％，控制Ar气体的流量为130L/min，H2气体的流量为39L/min；调节电压为140V，电流为450A，喷涂距离为80mm，利用等离子焰温度使粉体达到熔融状态并以极高的速度(平均速度超过340m/s)喷射到集电环基体表面，在表面上得到复合涂层。
(3)对集电环表面的复合涂层进行打磨处理
根据预定的集电环截面尺寸，将集电环涂层表面进行打磨抛光至规定粗糙度，抛光过程中涂层厚度下降了约80-100μm，最终所得的涂层厚度为300-320μm。如图1所示，最终加工得到的集电环由集电环基体1和包覆在基体上的复合涂层2组成。
实施例2
(1)采用超声分散和喷雾干燥法制备Cu-TiO2复合粉体
1)按质量百分含量计，取18％平均粒径为15μm的Cu粉与82％平均粒径为60nm的纳米TiO2粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；
2)按质量百分含量计，分别取30％混合粉末，69％去离子水和1％的粘结剂PVA混合后进行搅拌，得到混合浆料；
3)将步骤2)所得混合浆料置于超声反应器中，在48Hz的频率、55℃的温度下连续超声分散4小时，超声分散过程中，在浆料中加入占浆料总重的0.3％的分散剂SND 6800；
4)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤3)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如实施例1中表1所示，喷雾造粒后得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
(2)利用等离子喷涂在集电环基体表面制备复合涂层
1)喷涂前用丙酮对集电环基体表面进行超声波清洗，然后对清洗后的钢质表面进行喷砂处理；
2)将制备的核壳结构的Cu-TiO2复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，送粉速度为26g/min；以Ar和H2为工作气体，H2的含量为Ar的25％，控制Ar气体的流量为130L/min，H2气体的流量为35L/min；调节电压为145V，电流为455A，喷涂距离为75mm，利用等离子焰温度使粉体达到熔融状态并以极高的速度(平均速度超过340m/s)喷射到集电环基体表面，在表面上得到复合涂层。
(3)对集电环表面的复合涂层进行打磨处理
根据预定的集电环截面尺寸，将集电环涂层表面进行打磨抛光至规定粗糙度，抛光过程中涂层厚度下降了约80-100μm，最终所得的涂层厚度为300-320μm。
对比例1
(1)制备Cu-TiO2复合粉体；
1)按质量百分含量计，取20％平均粒径为15μm的Cu粉与80％平均粒径为60nm的纳米TiO2粉末进行掺杂混合，得到混合粉末；
2)按质量百分含量计，分别取30％混合粉末，68.5％去离子水和1.5％的聚乙烯醇混合后进行搅拌，得到混合浆料；
3)选用LGZ-25型离心式喷雾干燥机将步骤2)所得浆料进行喷雾造粒，选用的喷雾干燥参数如表1所示，喷雾造粒后得到非核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
(2)同实施例1步骤(2)；
(3)同实施例1步骤(3)。
经过检测，发现所得涂层中含有较多的CuO，且Ti4O7的含量不足，而TiO2的含量则过多，不能得到本发明所述的复合涂层。
性能测试
以本发明实施例1、2以及对比例1得到的具有复合涂层的集电环和市购的集电环为样品，采用微动摩擦磨损试验机(德国OPTIMOL公司生产)，在相同的条件下测试其涂层的摩擦学性能。采用球盘往复式的摩擦形式，在大气环境中，室温条件下进行测试。其中，载荷大小为20N，频率20Hz，往复行程1.5mm，时间60mim。对偶件是镀铬球，直径10mm。
表2
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (19)

1.一种集电环，其特征在于，所述集电环包括集电环基体(1)和Cu-TinO2n-1复合涂层(2)；所述Cu-TinO2n-1复合涂层(2)包覆在集电环基体(1)表面上，其中4≤n≤10；
按质量百分含量计，所述Cu-TinO2n-1复合涂层(2)包括：Ti4O7 60-75％；Cu 12-25％；TixO2x-1 8-12％；TiO2 3-8％；其中5≤x≤10；
所述复合涂层(2)的制备过程中以粒径25-70μm的核壳结构Cu-TiO2复合粉体为原料，其中内核Cu粉的粒径范围控制在10-30μm，包覆层为1-100nm TiO2粉体；利用等离子喷涂射流中的氢与复合粉体包覆层的TiO2反应，在导电环基体表面得到Cu-TinO2n-1复合涂层(2)。
2.如权利要求1所述的集电环，其特征在于，所述集电环基体(1)为钢质。
3.如权利要求1或2所述的集电环的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备核壳结构的Cu-TiO2复合粉体；
(2)利用等离子喷涂射流中的氢与复合粉体包覆层的TiO2反应，在集电环基体表面制备复合涂层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中采用超声分散和喷雾干燥法制备所述核壳结构的Cu-TiO2复合粉体，具体操作为：
(a)按质量百分含量计，将15-30％的Cu粉和70-85％的TiO2粉混合，将所得混合粉末与去离子水和粘结剂混合搅拌，得到混合浆料；
(b)将步骤(a)所得混合浆料进行超声分散；
(c)将步骤(b)超声分散所得浆料进行喷雾造粒，得到核壳结构的Cu-TiO2复合粉体。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，按质量百分含量计，步骤(a)所述混合浆料中含有：20-38％混合粉末；60-78％去离子水；1-3％聚乙烯醇。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(b)所述超声分散的时间为2-5h，频率为35-60Hz，温度为40-60℃。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(b)所述超声分散过程中向混合浆料中加入浆料总重量0.1-1％的阴离子型聚羧酸盐电解质。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)的具体操作为：将核壳结构的Cu-TiO2复合粉体通过送粉器输送到等离子喷涂设备的喷嘴前，以Ar和H2为工作气体，控制电压电流，利用等离子焰的温度使等离子焰流中氢的等离子体和氢气与TiO2发生化学反应生成Ti4O7，喷射到集电环基体表面后形成复合涂层。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述Cu-TiO2复合粉体的送粉速度为15-30g/min。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述工作气体中H2的含量为Ar的20-30％。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述Ar的流量为120-140L/min。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述H2的流量为30-40L/min。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述等离子喷涂时电压为130-150V，电流为440-460A。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述等离子喷涂时喷嘴与集电环表面的距离为70-90mm。
15.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述等离子喷涂前对集电环基体表面进行超声波清洗，然后对清洗后的表面进行喷砂预处理。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，使用丙酮进行超声波清洗。
17.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述等离子喷涂结束后，根据所需的集电环截面尺寸，对所得集电环表面的复合涂层进行打磨抛光。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述打磨抛光后复合涂层厚度降低了80-100μm。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述打磨抛光后复合涂层的厚度为300-320μm。
CN201711024782.2A 2017-10-27 2017-10-27 一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法 Active CN107815634B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711024782.2A CN107815634B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711024782.2A CN107815634B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107815634A CN107815634A (zh) 2018-03-20
CN107815634B true CN107815634B (zh) 2019-12-06

Family

ID=61604398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711024782.2A Active CN107815634B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107815634B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110965011B (zh) * 2019-12-30 2022-05-17 格林美股份有限公司 一种电动机转子集电环修复装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN204810073U (zh) * 2015-07-23 2015-11-25 浙江德宏汽车电子电器股份有限公司 一种防静电腐蚀的发电机转子
CN105714235B (zh) * 2016-03-06 2018-10-19 中国人民解放军装甲兵工程学院 一种热喷涂用TiO2-CNTs纳米复合粉体及其涂层的制备方法
CN106735176B (zh) * 2017-01-18 2019-11-12 成都锦钛精工科技有限公司 亚氧化钛-金属复合球形或类球形粉末及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107815634A (zh) 2018-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111996435B (zh) 高熵合金复合粉末及超高速激光熔覆强化镁合金的方法
CN1932082A (zh) 在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺
CN111378965A (zh) 超音速激光沉积制备石墨增强的减磨导热导电涂层的方法
CN1962942A (zh) 等离子控制原位生成TiC/金属复合熔覆层的方法
CN107794486B (zh) 一种高性能长寿命空间装备精密导电滑环及其制备方法
CN107815634B (zh) 一种高性能长寿命可再制造延寿的集电环及其制备方法
CN104928617B (zh) 一种海洋平台用钢电弧喷涂铝涂层的激光重熔方法
CN104805450B (zh) 三相铝钛铜微米颗粒增强型铝合金防护涂层及制备方法
CN105714172B (zh) 一种耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料及其制备装置和方法
CN107839487B (zh) 一种新型高性能可修复的电力机车受电弓滑板及其制备方法
CN110438436B (zh) 一种适用于电厂水冷壁的高温耐磨防腐涂层及其制备方法
CN117305748B (zh) 一种高温自润滑可磨耗封严涂层及制备方法
CN105385978A (zh) 一种电弧喷涂方法
CN112548399B (zh) 一种不锈钢焊接用活性剂及其制备方法和应用
CN205528977U (zh) 一种耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料的制备装置
CN105483697A (zh) 一种微型轴及其制备方法
CN109930146A (zh) 一种基于低压冷喷涂技术修复埋弧焊导电嘴的方法
CN113787196B (zh) 一种高性能铝合金处理方法
CN110699627A (zh) 一种耐腐蚀电弧喷涂粉芯丝材及涂层制备方法
CN107856540B (zh) 一种长寿命无轨电车集电弓滑板及其制备方法
CN115449790A (zh) 一种螺旋桨再制造用耐磨耐蚀高熵合金熔覆层及制备方法
CN110777397A (zh) 一种电解槽强磁场带电铝母线的不停电修复工艺
CN114774828B (zh) 一种接地极表面的热喷涂长效耐蚀防护涂层及其制备方法
CN109536942A (zh) 一种电力连接金具用激光熔覆表面强化方法
CN113737120B (zh) 一种含铜石墨复合涂层、绝缘器滑轨及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant