CN112553616A - 一种隔离开关电触头的表面保护方法 - Google Patents

一种隔离开关电触头的表面保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种隔离开关电触头的表面保护方法，包括：将碳基粉末的表面包覆铜层得到碳基/铜复合粉末；通过超音速激光沉积方式将所述碳基/铜复合粉末在隔离开关电触头的表面沉积形成复合涂层；其中，所述超音速激光沉积方式采用半导体激光，激光功率为500～3000W，喷涂距离为30mm，扫描速率为10mm/s，送粉量为30～60g/min，载气预热温度为400℃，载气压力为4MPa，载气为压缩空气或氮气中的一种。本发明可提高高压隔离开关电触头的导电、导热、抗拉、耐磨、耐腐等性能，延长电触头的使用寿命。

Description

一种隔离开关电触头的表面保护方法
技术领域
本发明涉及高压隔离开关保护技术领域，尤其涉及一种隔离开关电触头的表面保护方法。
背景技术
高压隔离开关触头材料是一种电接触导体触头的功能性材料，开关触头材料选择的合理性直接关系到设备运行的机械寿命与安全可靠性。在电力系统中，高压隔离开关触头是在电气开关电路中，通过机械动作对电路进行断开、闭合的元器件，其广泛运用于各种高低压电器中。在变电站中高压隔离开关是非常重要的电力元件，在运行过程中开关触头主要存在着金属锈蚀，过热回路导致烧蚀断裂，接触电阻过大，操作失灵等严重问题。因此在高压、超高压电路系统中，对电触头材料提出很高的服役条件要求是势在必行，如材料的抗电弧烧蚀性能、导电性能、较低的接触电阻、良好的镀层结合性能等。
铜基电触头材料是当前的主流触头材料。铜基体具有导电性能好、适中的强度和硬度以及很高的导热性。目前应用较多的铜基电触头材料主要有Cu-W系、Cu-Bi系、Cu-Cr系等，虽然提升了硬度、耐高压等力学性能，但降低了材料的导热、导电性能。
碳纳米管与石墨烯独特的准一维结构使它具有优良的力学、电学、热学和催化性能和低的密度，石墨、金刚石可提供抗高温性、耐蚀性、润滑性、导电性、导热性以及化学稳定性。因此，碳纳米管、石墨烯、石墨、金刚石这些碳基材料无疑是是理想的复合材料增强体。将碳基材料与铜复合有望制备出高的导电、导热、高力学性能、高耐磨、高稳定性、高润滑性和低的热膨胀系数的铜基复合材料。
冷喷涂(cold spray，CS)是一种基于空气动力学与高速碰撞动力学原理的涂层制备方法，其原理是将细小粉末颗粒(5～50μm)送入高速气流(300～1200m/s)中，经拉瓦尔喷嘴加速，在完全固态下高速撞击基体，产生较大的塑性变形后沉积于基体表面，从而形成涂层。相对于激光熔覆、热喷涂等高热输入的涂层制备技术而言，冷喷涂技术由于其低热输入的特性对基体与粉末材料的热影响小，制备涂层的化学成分及显微组织结构可与原材料保持一致，特别适用于制备温度敏感、氧化敏感及相变敏感材料涂层(如纳米材料、非晶材料、Ti、Cu等)。但由于其涂层的沉积完全依靠喷涂颗粒的塑性变形，故目前文献报道的冷喷涂涂层主要以低硬度材料为主。在利用冷喷涂技术沉积高硬度材料时，必须以氦气为工作载气，成本较高，且沉积层的致密性较差，结合强度较低。
发明内容
本发明实施例提供一种隔离开关电触头的表面保护方法，以解决现有技术的冷喷涂技术制备的涂层致密性较差，结合强度较低的问题。
本发明实施例公开如下的技术方案：
一种隔离开关电触头的表面保护方法，包括：将碳基粉末的表面包覆铜层得到碳基/铜复合粉末；通过超音速激光沉积方式将所述碳基/铜复合粉末在隔离开关电触头的表面沉积形成复合涂层；其中，所述超音速激光沉积方式采用半导体激光，激光功率为500～3000W，喷涂距离为30mm，扫描速率为10mm/s，送粉量为30～60g/min，载气预热温度为400℃，载气压力为4MPa，载气为压缩空气或氮气中的一种。
进一步：所述复合涂层包括依次沉积在所述隔离开关电触头表面的第一复合涂层和第二复合涂层，所述第一复合涂层采用的碳基粉末包括：碳纳米管和石墨烯中的至少一种，所述第二复合涂层采用的碳基粉末包括：石墨和金刚石中的至少一种。
进一步：所述铜层的厚度不大于20μm。
进一步：所述碳基/铜复合粉末的密度为8～10g/cm3。
进一步：所述铜层与所述碳基粉末的质量比为100～200:1。
进一步：激光功率为500～600W。
进一步：送粉量为40～50g/min。
本发明实施例的隔离开关电触头的表面保护方法，运用新型的超音速激光沉积技术，在高压隔离开关原有的铜基电触头材料表面制备碳基/铜复合涂层，使得碳基粉末能够均匀、高效、完整、整齐地分布在高压隔离开关电触头表面的复合涂层中，对高压隔离开关电触头进行修复，提高其导电、导热、抗拉、耐磨、耐腐等性能，延长电触头的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的隔离开关电触头的表面保护方法的流程图；
图2是本发明实施例的超音速激光沉积装置的结构示意图；
图3是本发明实施例1的复合涂层的示意图；
图4是本发明实施例2的复合涂层的示意图；
图5是本发明实施例3的碳纳米管/铜基涂层50X金相图；
图6是本发明实施例3的碳纳米管/铜基涂层500X金相图；
图7是对比例的碳纳米管/铜基涂层50X金相图；
图8是对比例的碳纳米管/铜基涂层500X金相图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种隔离开关电触头的表面保护方法。该隔离开关为一种高压隔离开关。此外，除了高压隔离开关电触头，本发明实施例的复合涂层还可以应用在高电导、高耐磨等方面的零部件的表面进行修复或再制造。如图1所示，该表面保护方法包括如下的步骤：
步骤S1：将碳基粉末的表面包覆铜层得到碳基/铜复合粉末。
其中，碳基粉末均为高纯粉末，无任何杂质和缺陷，导电、导热、耐磨等性能均保持材料自身良好水平。铜层的厚度不大于20μm。铜层与碳基粉末的质量比为100～200:1。碳基/铜复合粉末的密度为8～10g/cm3。
表面包覆的方法可为电镀、化学镀、喷雾干燥、化学气相沉积(CVD)等。碳基粉末被均匀包裹在最中间，从而使得碳基粉末保存完整，不含有其他杂质，包覆的铜层均匀致密。
在碳基粉末表面均匀包覆铜层，从而在沉积过程中表面铜层发生塑性变形沉积，提高碳基材料与铜的润湿性，提高其界面结合力，维持了碳基粉末在涂层中的完整性、分散性，得到的碳基/铜复合粉末的流动性好。
步骤S2：通过超音速激光沉积方式将碳基/铜复合粉末在隔离开关的电触头表面沉积形成复合涂层。
其中，超音速激光沉积方式将冷喷涂与激光加热相结，在冷喷涂的过程中利用激光同步加热碳基/铜复合粉末和隔离开关电触头表面，使二者软化但不熔化，提高了碳基/铜复合粉末和隔离开关电触头表面的塑性变形能力，可将冷喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半，降低了成本和拓展了可应用材料的范围。具体的，超音速激光沉积方式采用半导体激光，激光波长为960～1100nm，功率密度300000～500000W/cm2，激光功率为500～3000W，喷涂距离(即喷嘴与隔离开关电触头表面的距离)为30mm，扫描速率为10mm/s，送粉量为30～60g/min，载气预热温度为400℃，载气压力为4MPa，载气为压缩空气或氮气中的一种。优选的，激光功率为500～600W，送粉量为40～50g/min。
复合涂层包括依次沉积在隔离开关电触头表面的第一复合涂层和第二复合涂层。该两层复合涂层中的碳基粉末均分散均匀、保存完整，排列整齐。
第一复合涂层采用的碳基粉末为碳基纳米材料，包括：碳纳米管和石墨烯中的至少一种。应当理解的是，本发明实施例并不以此为限，还可以包括其他适合的碳基纳米材料。碳纳米管和/或石墨烯均匀分布在第一复合涂层中，且碳纳米管和/或石墨烯朝向各个方向排布。其中，碳纳米管在涂层中作为纤维增强材料，可细化晶粒，传递载荷，提高材料的抗拉、抗压、硬度等力学性能；由于碳纳米管具有优异的导电、导热等性能，使得电触头拥有更好的导电、导热性能。石墨烯具有高导电、高强度、高热导、优异的力学等性能，从而可提升电触头的性能。
第二复合涂层采用的碳基粉末包括：石墨和金刚石中的至少一种。应当理解的是，本发明实施例并不以此为限，还可以包括其他适合的碳基粉末。石墨和/或金刚石在第二复合涂层中分布均匀且排布方向一致。其中，石墨通过自身优异的润滑性、导电性、导热性、化学稳定性可减少高压隔离开关电触头在工作中的磨损，以及雨水等的影响，提高电触头的使用寿命。金刚石具有耐酸、耐碱、高硬度、较高的导热性能，可提高电触头的耐腐、耐磨、耐压、耐高温等性能。
超音速激光沉积方式采用的超音速激光沉积装置如图2所示，通过载气供应设备13来提供设定的载气压力，加热装置12对喷涂气体加热到设定的载气预热温度，送粉装置14中的碳基/铜复合粉末送入喷涂设备11中，通过温控装置15控制激光器10对粉末和基板进行加热，使得粉末微熔和基板软化，然后沉积到高压隔离开关电触头3的表面上，得到碳基/铜复合涂层。
下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
采用本发明实施例的方法制备得到碳纳米管/铜复合粉末和石墨/铜复合粉末，并在高压隔离开关电触头的表面依次沉积碳纳米管/铜复合粉末和石墨/铜复合粉末得到复合涂层。其中，碳纳米管/铜复合粉末和石墨/铜复合粉末中的铜层的厚度为10μm～20μm。超音速激光沉积方式采用半导体激光，激光功率为600W，喷涂距离为30mm，扫描速率为10mm/s，送粉量为40g/min，载气预热温度为400℃，载气压力为0.8MPa，载气为氮气。
图3示出了实施例1的复合涂层的结构。高压隔离开关电触头3的表面依次沉积有碳纳米管/铜复合涂层4和石墨/铜复合涂层5。碳纳米管/铜复合涂层4中均匀分散有碳纳米管1，且碳纳米管1朝向各个方向排布。石墨/铜复合涂层5中均匀分散有排布方向一致的石墨2。
实施例2
采用本发明实施例的方法制备得到石墨烯/铜复合粉末和金刚石/铜复合粉末，并在高压隔离开关电触头的表面依次沉积石墨烯/铜复合粉末和金刚石/铜复合粉末得到复合涂层。其中，石墨烯/铜复合粉末和金刚石/铜复合粉末中的铜层的厚度为5μm～20μm。超音速激光沉积方式采用半导体激光，激光功率为500W，喷涂距离为30mm，扫描速率为10mm/s，送粉量为50g/min，载气预热温度为400℃，载气压力为0.8MPa，载气为氮气。
图4示出了实施例2的复合涂层的结构。高压隔离开关电触头3的表面依次沉积有石墨烯/铜复合涂层6和金刚石/铜复合涂层7。石墨烯/铜复合涂层6中均匀分散有片状的石墨烯8，且石墨烯8朝向各个方向排布。金刚石/铜复合涂层7中均匀分散有金刚石9。
实施例3
采用本发明实施例的方法在高压隔离开关电触头上沉积形成碳纳米管/铜复合涂层，如图5所示。采用激光功率为600W，喷涂距离为30mm，扫描速率为10mm/s，送粉量为50g/min，载气预热温度为400℃，载气为氮气，载气压力为0.8MPa。
对比例
采用现有的低压冷喷涂技术在高压隔离开关电触头上沉积形成碳纳米管/铜复合涂层，如图7所示。喷涂距离为30mm，扫描速率为10mm/s，送粉量为50g/min，载气预热温度为400℃，载气压力为0.8MPa，载气为氮气。
对比实施例3和对比例得到的碳纳米管/铜复合涂层：如图7所示为对比例的复合涂层的50倍金相图，可以观察到涂层的厚度只有153μm，粉末的沉积效率低，涂层表面坑坑洼洼，并且通过图8的对比例的500倍复合涂层金相图可以观察到，涂层的孔隙很多，涂层的致密度不好。而图5的本发明实施例的方法得到的实施例3的复合涂层的厚度达到了375μm，涂层的沉积率很高，且能看到一些黑色的碳纳米管粉末分布在涂层中，并且从图6可以看出实施例3的涂层致密度远高于对比例的仅采用冷喷涂得到的涂层的致密度。因此，采用本发明实施例的超音速激光沉积方式可以极大地提高碳基粉末的沉积效率、致密度、均匀分散性，能够在高压隔离开关电触头表面制备一系列碳基/铜复合涂层，提高高压隔离开关电触头的性能及使用寿命。
综上，本发明实施例的隔离开关电触头的表面保护方法，运用新型的超音速激光沉积技术，在高压隔离开关原有的铜基电触头材料表面制备碳基/铜复合涂层，使得碳基粉末能够均匀、高效、完整、整齐地分布在高压隔离开关电触头表面的复合涂层中，对高压隔离开关电触头进行修复，提高其导电、导热、抗拉、耐磨、耐腐等性能，延长电触头的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种隔离开关电触头的表面保护方法，其特征在于，包括：
将碳基粉末的表面包覆铜层得到碳基/铜复合粉末；
通过超音速激光沉积方式将所述碳基/铜复合粉末在隔离开关电触头的表面沉积形成复合涂层；
其中，所述超音速激光沉积方式采用半导体激光，激光功率为500～3000W，喷涂距离为30mm，扫描速率为10mm/s，送粉量为30～60g/min，载气预热温度为400℃，载气压力为4MPa，载气为压缩空气或氮气中的一种。
2.根据权利要求1所述的隔离开关电触头的表面保护方法，其特征在于：所述复合涂层包括依次沉积在所述隔离开关电触头表面的第一复合涂层和第二复合涂层，所述第一复合涂层采用的碳基粉末包括：碳纳米管和石墨烯中的至少一种，所述第二复合涂层采用的碳基粉末包括：石墨和金刚石中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的隔离开关电触头的表面保护方法，其特征在于：所述铜层的厚度不大于20μm。
4.根据权利要求1所述的隔离开关电触头的表面保护方法，其特征在于：所述碳基/铜复合粉末的密度为8～10g/cm3。
5.根据权利要求1所述的隔离开关电触头的表面保护方法，其特征在于：所述铜层与所述碳基粉末的质量比为100～200:1。
6.根据权利要求1所述的隔离开关电触头的表面保护方法，其特征在于：激光功率为500～600W。
7.根据权利要求1所述的隔离开关电触头的表面保护方法，其特征在于：送粉量为40～50g/min。
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