CN110387541B - 钛合金表面铜包覆层的制备方法及冷喷涂工艺系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金表面铜包覆层的制备方法及冷喷涂工艺系统，该钛合金表面铜包覆层的制备方法包括如下步骤：提供钛合金基体；采用高压气体携带铜粉冷喷涂所述钛合金基体的表面，其中，所述铜粉与所述钛合金基体的撞击速度不低于1.5倍音速，沉积，形成铜包覆层。与现有技术相比，本发明的钛合金表面铜包覆层的制备方法不仅能够显著提高钛合金与铜包覆层的结合力，还能够提高生产效率，避免重金属电镀废液排放，且整体的生产成本较低，适应性更好，更环保。

Description

钛合金表面铜包覆层的制备方法及冷喷涂工艺系统

技术领域

本发明涉及钛合金表面铜包覆层的制备方法及冷喷涂工艺系统。

背景技术

钛合金具有很高的强度重量比、耐腐蚀性能优异、中温性能好等优点，已在航空、航天工业等领域中获得广泛应用。但是，钛合金存在耐磨性能差、表面易擦伤、咬死以及焊接性能差等缺点，又限制了钛合金的应用范围。

为了扩展钛合金的应用范围，需要改善其表面性能，例如可以在钛合金表面制备一层铜包覆层，可以有效防止出现零组件在结合面产生高温粘连、避免螺纹连结粘连咬死等情况，同时还可以降低材料表面摩擦系数、减小摩擦力等。

通常，在钛合金表面制备铜包覆层采用电镀铜工艺，但是采用电镀铜工艺会存在较多的问题，主要体现在以下几个方面：

(1)电镀铜层与钛合金表面的结合力差：

由于钛合金表面活性大，在空气、水及酸、碱、盐溶液中会迅速生成致密氧化膜，即使除去这一层氧化膜，在后续工序中又会迅速生成，导致铜镀层与钛合金表面的结合力差，出现起皮、鼓泡等缺陷，甚至还会出现铜镀层一擦即掉的情况。

(2)电镀过程中钛合金容易吸氢，导致零件性能下降，除氢成本高：

钛合金对氢敏感，在电镀过程中容易吸氢，降低基材性能。传统采用低温烘箱除氢工艺无法实现钛合金除氢，钛合金除氢需要真空高温除氢，成本高。

(3)污染环境：

电镀铜技术分为氰化镀铜技术和无氰镀铜技术。传统氰化镀铜工艺使用剧毒氰化物(镀液主要由铜氰络合物和一定量的游离氰化物组成)和重金属盐，会对环境造成较严重污染。尽管近年来有公开如焦磷酸盐镀铜、光亮硫酸盐镀铜、三乙醇胺镀铜等无氰镀铜工艺，其仍无法避免重金属离子污染，且电镀污水处理成本昂贵。

另外，现阶段也有采用PVD工艺制备高结合强度的铜镀层。其中，PVD指物理气相沉积，利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。

PVD工艺是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材(镀层材料)蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。PVD工艺的基本方法有真空蒸发、溅射、离子镀(空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀)，PVD工艺可用于钛合金镀铜。

但是，在现阶段，PVD工艺制备镀铜层需要高真空环境，设备使用维护成本高昂，效率较低，受到真空室尺寸及回转空间限制，尺寸较大的零件无法采用此工艺处理。

发明内容

基于此，有必要提供一种钛合金表面铜包覆层的制备方法及冷喷涂工艺系统，不仅能够显著提高钛合金与铜包覆层的结合力，还能够提高生产效率。另外，本发明的钛合金表面铜包覆层的制备方法无需采用真空条件，具有更高的效率和更大的尺寸适应性，钛合金基体也无需接触水及酸碱盐溶液，不产生有毒有害物质，避免了钛合金零件电镀吸氢脆化倾向，同时具备清洁、环保的技术特点，整体的生产成本较低。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种钛合金表面铜包覆层的制备方法，包括如下步骤：

提供钛合金基体；

采用高压气体携带铜粉冷喷涂所述钛合金基体的表面，所述铜粉与所述钛合金基体的撞击速度不低于1.5倍音速，沉积，形成铜包覆层。

优选地，所述高压气体的压力不小于0.8MPa，所述高压气体的流量不小于20L/min。

优选地，所述冷喷涂中所采用的喷枪与所述钛合金基体的表面的相对进给速度0.6-2m/s。

优选地，所述冷喷涂中的搭接率为45-60％。

优选地，所述铜粉的粒度为10-45μm，球形度不小于85％，热处理状态为退火软态。

优选地，还包括对钛合金基体的表面喷砂至表面粗糙度值为5-13的步骤，提高涂层与基体结合牢固度。

优选地，所述的钛合金表面铜包覆层的制备方法还包括对所述铜包覆层进行抛光的工艺。

更优选地，抛光后的铜包覆层的表面粗糙度为0.3-1.6。

本发明还提供冷喷涂工艺系统，包括回转机床和冷喷涂机构；

所述回转机床用于放置钛合金基体等工件；

所述冷喷涂机构包括送粉器、高压气源、气压流量控制器和喷涂机器人，所述送粉器用于供应铜粉等喷涂粉末，所述喷涂机器人具有用于混合所述喷涂粉末和高压气体的喷枪，所述喷枪通过送粉管道连接所述送粉器，所述喷枪通过气流管道连接所述高压气源，所述气压流量控制器设于所述气流管道上，可用于向钛合金基体的表面冷喷涂铜粉以形成铜包覆层。

优选地，所述冷喷涂工艺系统还包括工控机，所述工控机分别连接所述回转机床、所述送粉器、所述气压流量控制器和所述喷涂机器人。

本发明的有益效果是：

(1)与常规电镀铜工艺相比，本发明的钛合金表面铜包覆层的制备方法采用冷喷涂工艺在钛合金零件表面喷涂形成铜包覆层，不仅可以形成结合牢固、致密的铜包覆层，还可以避免污染环境，避免真空除氢的工艺过程，提高生产效率。

(2)与常规PVD工艺制备镀铜层相比，本发明的钛合金表面铜包覆层的制备方法不需要采用真空条件，具有更高的效率和更大的尺寸适应性，整体的生产成本低。

(3)本发明的钛合金表面铜包覆层的制备方法通过大量试验筛选喷涂工艺参数，不仅提升了涂层的结合强度、致密性和完整性，还实现了工艺过程的稳定化。

(4)本发明冷喷涂工艺系统可与先进机器人数字化喷涂结合，便于实现复杂结构钛合金零件表面铜层快速制备；本发明冷喷涂工艺系统还可与移动平台结合，便于实现大型钛合金结构件表面铜涂层原位制备或修复。

附图说明

图1为实施例1的冷喷涂工艺系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、工控机，2、送粉器，3、高压气源，4、气压流量控制器，5、喷枪，6、回转机床，7、待喷涂工件，8、喷涂机器人，9、机器人示教编程器。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

请结合图1，本实施例提供一种冷喷涂工艺系统，包括冷喷涂机构和回转机床6。

其中，回转机床6用于放置钛合金基体等待喷涂工件7。

冷喷涂机构包括送粉器2、高压气源3、气压流量控制器4和喷涂机器人8。送粉器2用于供应铜粉等喷涂粉末。喷涂机器人8具有用于混合铜粉等喷涂粉末和高压气体的喷枪5，喷枪5通过送粉管道连接送粉器2，喷枪5通过气流管道连接高压气源3，气压流量控制器4设于气流管道上，用于向钛合金基体的表面冷喷涂铜粉以形成铜包覆层。

优选地，本实施例的冷喷涂工艺系统还包括设有PLC程序控制器的工控机1。工控机1分别连接回转机床6、送粉器2、气压流量控制器4和喷涂机器人8，便于实现反馈调控整个喷涂工艺过程。

使用时，工件7装夹在喷涂回转机床6上，喷涂回转机床6与冷喷涂工控机1以数据线进行连接。操作者在喷涂工控机1上写入机床转速参数，喷涂回转机床6按设定值调整机床转速，并将实际转速采样反馈给工控机1。操作者可以在工控机1上写入喷涂压力、气体流量等参数，工控机1通过数据线对气压流量控制器4写入设定值，气压流量控制器4按写入的参数对高压气源3提供的气体进行压力、流量调节，输出到喷枪5，同时气压流量控制器4对输出的气体压力、流量实测值进行采样，反馈给工控机1。

喷涂机器人8是相对独立的系统。喷枪5安装在喷涂机器人8的机械臂末端，喷涂机器人8由机器人示教编程器9编程控制，实现工艺参数要求的进给速度和搭接率。机器人示教编程器9还可以为手持编程，不用时放置在工控机1的机器人示教编程器9的支架上。

实施例2

本实施例提供一种钛合金表面铜包覆层的制备方法，采用实施例1的冷喷涂工艺系统，包括如下步骤：

S1，提供钛合金基体。

在本步骤中，预先将钛合金基体的需喷涂表面喷砂处理至表面粗糙度值Ra7，再将钛合金基体置于回转机床6上。

S2，采用高压气体(压缩空气)携带铜粉冷喷涂钛合金基体的表面，沉积，形成铜包覆层。

在本步骤中，所选用的铜粉的物理性质要求为：粒度为10-45μm，球形度不小于85％，热处理状态为退火软态。将对原材料铜粉进行真空退火处理，按使用量装入送粉器2。

在本步骤中，通过工控机设置冷喷涂工艺参数为：高压气体的压力为0.8Mpa，高压气体的流量为25±5L/min，铜粉与钛合金基体的撞击速度为600-800m/s，所采用的喷枪与钛合金基体的表面的相对进给速度1.0m/s，搭接率为50％。

喷涂结束后，先停止送粉，再停止高压气源3，再停喷涂机器人8，最后停止回转机床6，卸下工件7。

S3，对铜包覆层进行抛光处理，使抛光后的铜包覆层的表面粗糙度为Ra1.0，即得。

实施例3

本实施例提供一种钛合金表面铜包覆层的制备方法，采用实施例1的冷喷涂工艺系统，包括如下步骤：

S1，提供钛合金基体。

在本步骤中，预先将钛合金基体的需喷涂表面喷砂处理至表面粗糙度值Ra7，再将钛合金基体置于回转机床6上。

S2，采用高压气体(氮气)携带铜粉冷喷涂钛合金基体的表面，沉积，形成铜包覆层。

在本步骤中，所选用的铜粉的物理性质要求为：粒度为10-45μm，球形度不小于85％，热处理状态为退火软态。

在本步骤中，通过工控机设置冷喷涂工艺参数为：高压气体的压力为1.0Mpa，高压气体的流量为25±5L/min，铜粉与钛合金基体的撞击速度为800-1000m/s，所采用的喷枪与钛合金基体的表面的相对进给速度1.2m/s，搭接率为50％。

喷涂结束后，先停止送粉，再停止高压气源3，再停喷涂机器人8，最后停止回转机床6，卸下工件7。

S3，对铜包覆层进行抛光处理，使抛光后的铜包覆层的表面粗糙度为Ra1.0，即得。

实施例4

本实施例提供一种钛合金表面铜包覆层的制备方法，采用实施例1的冷喷涂工艺系统，包括如下步骤：

S1，提供钛合金基体。

在本步骤中，预先将钛合金基体的需喷涂表面喷砂处理至表面粗糙度值Ra10，再将钛合金基体置于回转机床6上。

S2，采用高压气体(氦气)携带铜粉冷喷涂钛合金基体的表面，沉积，形成铜包覆层。

在本步骤中，所选用的铜粉的物理性质要求为：粒度为10-45μm，球形度不小于85％，热处理状态为退火软态。

在本步骤中，通过工控机设置冷喷涂工艺参数为：高压气体的压力为2Mpa，高压气体的流量为30L/min，铜粉与钛合金基体的撞击速度为1000-1200m/s，所采用的喷枪与钛合金基体的表面的相对进给速度2m/s，搭接率为50％。

喷涂结束后，先停止送粉，再停止高压气源3，再停喷涂机器人8，最后停止回转机床6，卸下工件7。

S3，对铜包覆层进行抛光处理，使抛光后的铜包覆层的表面粗糙度为Ra1.0，即得。

实施例5

本实施例提供一种钛合金表面铜包覆层的制备方法，采用实施例1的冷喷涂工艺系统，包括如下步骤：

S1，提供钛合金基体。

在本步骤中，预先将钛合金基体的需喷涂表面喷砂处理至表面粗糙度值Ra10，再将钛合金基体置于回转机床6上。

S2，采用高压气体(氦气)携带铜粉冷喷涂钛合金基体的表面，沉积，形成铜包覆层。

在本步骤中，所选用的铜粉的物理性质要求为：粒度为10-45μm，球形度不小于85％，热处理状态为退火软态。

在本步骤中，通过工控机设置冷喷涂工艺参数为：高压气体的压力为2.5Mpa，高压气体的流量为40L/min，铜粉与钛合金基体的撞击速度为1000-1200m/s，所采用的喷枪与钛合金基体的表面的相对进给速度2m/s，搭接率为50％。

喷涂结束后，先停止送粉，再停止高压气源3，再停喷涂机器人8，最后停止回转机床6，卸下工件7。

S3，对铜包覆层进行抛光处理，使抛光后的铜包覆层的表面粗糙度为1.0，即得。

实施例6

本实施例提供一种钛合金表面铜包覆层的制备方法，采用实施例1的冷喷涂工艺系统，包括如下步骤：

S1，提供钛合金基体。

在本步骤中，预先将钛合金基体的需喷涂表面喷砂处理至表面粗糙度值7，再将钛合金基体置于回转机床6上。

S2，采用高压气体(氦气)携带铜粉冷喷涂钛合金基体的表面，沉积至预设厚度，形成铜包覆层。

在本步骤中，所选用的铜粉的物理性质要求为：粒度为10-45μm，球形度不小于85％，热处理状态为退火软态。

在本步骤中，通过工控机1设置冷喷涂工艺参数为：高压气体的压力为2.5Mpa，高压气体的流量为40L/min，铜粉与钛合金基体的撞击速度为1000-1200m/s，所采用的喷枪与钛合金基体的表面的相对进给速度2m/s，搭接率为50％。

喷涂结束后，先停止送粉，再停止高压气源3，再停喷涂机器人8，最后停止回转机床6，卸下工件7。

S3，对铜包覆层进行抛光处理，使抛光后的铜包覆层的表面粗糙度为1.0，即得。

对比例1

本对比例提供一种钛合金表面铜包覆层的制备方法，采用实施例1的冷喷涂工艺系统，包括如下步骤：

S1，提供钛合金基体。

在本步骤中，预先将钛合金基体的需喷涂表面喷砂处理至表面粗糙度值5，再将钛合金基体置于回转机床6上。

S2，采用高压气体(压缩空气)携带铜粉冷喷涂钛合金基体的表面，沉积，形成铜包覆层。

在本步骤中，所选用的铜粉的物理性质要求为：粒度为10-45μm，球形度不小于85％，热处理状态为退火软态。

在本步骤中，通过工控机设置冷喷涂工艺参数为：高压气体的压力为0.8Mpa，高压气体的流量为20L/min，铜粉与钛合金基体的撞击速度为400-550m/s，所采用的喷枪与钛合金基体的表面的相对进给速度0.6m/s，搭接率为50％。

S3，对铜包覆层进行抛光处理，使抛光后的铜包覆层的表面粗糙度为1.0，即得。

对实施例2至6以及对比例1制备的钛合金表面铜包覆层进行厚度、结合牢固度、致密度测试，结果统计见下表1：

表1实施例2至6以及对比例1的钛合金表面铜包覆层测试表

由表1可以看出，与对比例1相比，实施例3至6的钛合金表面铜包覆层的制备方法可获得致密度好、结合牢固高的铜喷涂层，尤其以实施例5的铜包覆层的致密性最好。

总的来讲，本发明的钛合金表面铜包覆层的制备方法通过筛选冷喷涂工艺参数，基材表面粗糙度Ra值大于5(优选7-13)，控制喷涂过程中的气压不小于0.8MPa(优选0.8-3.0MPa)，流量不小于20L/min(优选20-40L/min)，铜粉颗粒与钛合金基体的撞击速度不小于1.5倍音速(以涂层沉积效果判定)，喷枪与钛合金基体零件表面的相对进给速度0.6-2m/s，搭接率45-60％，可获得致密度好、结合牢固高的铜包覆层。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种钛合金表面铜包覆层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供钛合金基体；

采用高压气体携带铜粉冷喷涂所述钛合金基体的表面，所述高压气体的压力不小于0.8MPa，所述高压气体的流量不小于20L/min，所述铜粉与所述钛合金基体的撞击速度不低于1.5倍音速，所述冷喷涂中所采用的喷枪与所述钛合金基体的表面的相对进给速度0.6-2m/s，所述冷喷涂中的搭接率为45-60％，沉积，形成铜包覆层。

2.根据权利要求1所述的钛合金表面铜包覆层的制备方法，其特征在于，所述铜粉的粒度为10-45μm，球形度不小于85％。

3.根据权利要求1或2所述的钛合金表面铜包覆层的制备方法，其特征在于，还包括对所述钛合金基体的需喷涂表面喷砂至表面粗糙度值为5-13的步骤。

4.根据权利要求1或2所述的钛合金表面铜包覆层的制备方法，其特征在于，还包括对所述铜包覆层进行抛光的工艺。

5.根据权利要求1或2所述的钛合金表面铜包覆层的制备方法，其特征在于，抛光后的铜包覆层的表面粗糙度为0.3-1.6。

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