CN112663040A - 一种隔离开关的表面修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种隔离开关的表面修复方法，包括：将隔离开关的待修复表面进行预处理；伴随激光照射，通过冷喷涂的方式依次在预处理后的所述待修复表面喷涂过渡增强涂层和表面增强涂层；其中，所述过渡增强涂层为铜钨复合涂层或铜铬合金涂层，所述表面增强涂层为银石墨复合涂层或铜石墨复合涂层；所述冷喷涂的载气种类为氮气或氦气，载气压强为3～4MPa，载气预热温度为500℃，以及，送粉器转速为1.5rpm/min，激光功率为500W～2000W。本发明通过激光辅助冷喷涂技术在已失效的隔离开关的待修复表面喷涂高性能的功能型复合涂层，在恢复原有性能的同时赋予更优良的导电导热能力、耐磨损和抗氧化性能，提高复合涂层综合性能。

Description

一种隔离开关的表面修复方法

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的表面修复方法。

背景技术

高压隔离开关作为电力系统中最重要的电气设备之一，常用在发电站和变电站的电气系统中，与高压断路器配套使用，保证电力系统安全输电，其主要用于断开和接通高压线路，因而在运行过程中高压隔离开关的频繁使用同样会造成电接触材料的损耗，在损耗过程中出现触头锈蚀、触头氧化、触头镀层脱落、触头镀层开裂脱落等现象使得接触头表面电阻过大(接触电阻)，容易引起电接触局部过热导致回路过热，继而影响整个线路的可靠性供电和电网的安全稳定运行。高压电触头使用量大，失效后需更换，成本高且资源浪费严重，因此对高电触头进行表面修复是实现循环经济发展和资源高效利用的重要方式。

对高压隔离开关而言，理想的触头材料必须具有良好的导电/导热性能、耐电弧灼伤、抗熔焊、耐电磨损、低接触电阻、有一定的强度和易于机械加工等特性。目前常用的高压触头材料主要为铜基合金，该类合金虽然具有良好的导热/导电以及机械加工性能，但其耐磨损、抗氧化性能较差，为了减少接触电阻，一般会在开关触头部分会镀上一层银，防止触头的氧化和提高其导电性。镀层需要一定的硬度和耐磨性，由于高压开关在合闸过程中会经过强烈的摩擦，银镀层很容易会脱落，此外暴露在空气容易因电流的热作用造成氧化。

冷喷涂技术是一种新兴的涂层制备技术，其原理是颗粒在固体状态下，被加热的压缩气体加速为超音速射流后，撞击基体并通过发生强烈的弹性形变和机械咬合作用，在基体表面形成涂层，冷喷涂技术是一种完全基于气体动力学原理的喷涂技术。冷喷涂技术最显著的特征是在喷涂全过程中，颗粒一直处于固体状态，并以固体状态在基体表面堆积形成涂层，颗粒不发生熔化、相变及氧化现象，沉积后的涂层可以最大限度地保留初始材料的本征性能，适合制备镍、铝、铜、钛及银等易相变氧化金属涂层。然而目前利用现有的冷喷涂技术制备涂层整体沉积效率低，结合强度差，孔隙率高，这严重制约了复合材料的导电、导热等综合性能。

发明内容

本发明实施例提供一种隔离开关的表面修复方法，以解决现有技术的冷喷涂技术制备的涂层整体沉积效率低，结合强度差，孔隙率高的问题。

本发明实施例公开如下的技术方案：

一种隔离开关的表面修复方法，包括：将隔离开关的待修复表面进行预处理；伴随激光照射，通过冷喷涂的方式依次在预处理后的所述待修复表面喷涂过渡增强涂层和表面增强涂层；其中，所述过渡增强涂层为铜钨复合涂层或铜铬合金涂层，所述表面增强涂层为银石墨复合涂层或铜石墨复合涂层；所述冷喷涂的载气种类为氮气或氦气，载气压强为3～4MPa，载气预热温度为500℃，以及，送粉器转速为1.5rpm/min，激光功率为500W～2000W。

进一步：所述激光的发射器的发射中心线与所述冷喷涂的喷嘴的喷涂中心线之间的夹角为30°。

进一步：所述冷喷涂的喷嘴与所述待修复表面的距离为30mm。

进一步：所述冷喷涂的喷嘴的扫描速率为10mm/s。

进一步：喷涂过渡增强涂层的载气压强为4MPa。

进一步：喷涂表面增强涂层的载气压强为3MPa。

进一步：喷涂过渡增强涂层的激光功率为1200W。

进一步：喷涂表面增强涂层的激光功率为800W。

进一步：所述过渡增强涂层的厚度为2mm。

进一步：所述表面增强涂层的厚度为0.5mm。

本发明实施例的隔离开关的表面修复方法，通过激光辅助冷喷涂技术在已失效的高压隔离开关的待修复表面喷涂高性能的功能型复合涂层，通过激光的辐照作用，软化而不熔化粉末颗粒，降低粉末的临界沉积速度，提高粉末的沉积效率，提高涂层的结合力，在恢复原有性能的同时赋予更优良的导电导热能力、耐磨损和抗氧化性能，极大提高复合涂层的综合性能。

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的表面修复方法的流程图；

图2是本发明实施例的隔离开关的表面修复方法得到的复合涂层的示意图；

图3是本发明实施例采用的冷喷涂装置的结构示意图；

图4是采用本发明的隔离开关的表面修复方法得到的铜基石墨复合涂层微观组织形貌图一；

图5是采用本发明的隔离开关的表面修复方法得到的铜基石墨复合涂层微观组织形貌图二；

图6是采用现有的冷喷涂方法得到的铜基石墨复合涂层微观组织形貌图一；

图7是采用现有的冷喷涂方法得到的铜基石墨复合涂层微观组织形貌图二。

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的表面修复方法。该隔离开关是一种高压隔离开关。如图1所示，该表面修复方法包括如下的步骤：

步骤S1：将隔离开关的待修复表面进行预处理。

其中，预处理包括对待修复表面进行铣削、喷砂、清洗等处理。具体的，通过铣削将隔离开关的失效表面去除，随后用0.5～1.5mm喷料(喷料可为白刚玉、石英砂、金刚砂)在0.8MPa空气压强下进行喷砂处理，提高表面粗糙度，同时消除表面氧化膜对沉积涂层的不利影响；将喷砂后的隔离开关放入超声波清洗机里清洗除去表面残留的污渍和嵌入表面的喷料，将清洗完的基材用无水乙醇擦拭并晾干。

步骤S2：伴随激光照射，通过冷喷涂的方式依次在预处理后的待修复表面喷涂过渡增强涂层和表面增强涂层。

其中，过渡增强涂层为铜钨复合涂层或铜铬合金涂层。铜钨复合涂层由铜钨复合粉末喷涂得到。铜钨复合粉末为球形，粒径为300～500目，采用非真空气雾法生产得到铜包钨的球形复合粉末，具体将铜钨复合粉末与铜粉充分混合，铜钨复合粉末质量占比为20wt.％，避免过高的质量占比的铜钨复合粉末对涂层产生撕裂效果，降低其导电导热能力。铜铬合金涂层由铜铬合金粉末喷涂得到。铜铬合金粉末为球形，粒径为300～500目，采用粉末冶金技术生产得到。过渡增强涂层的厚度为2mm。

铜钨复合涂层和铜铬合金涂层均具有很好的导电性、导热性和一定的高温强度，特别适用于高压隔离开关等要求导电性、导热性和高温使用的场合。

表面增强涂层为银石墨复合涂层或铜石墨复合涂层。银石墨复合涂层由银包石墨粉末喷涂得到。银粉为球形或类球形，粒径为300～500目。银包石墨粉末的粒径为300～500目，采用化学镀工艺生产得到银包石墨的球形复合粉末。铜粉为球形或类球形，粒径为300～500目。铜包石墨粉末的粒径为300～500目，采用化学镀工艺生产得到铜包石墨的球形复合粉末。表面增强涂层的厚度为0.5mm。具体将银包石墨粉末与银粉充分混合或铜包石墨粉末与铜粉充分混合，银包石墨粉末或铜包石墨粉末质量占比为10wt.％，避免过高的石墨含量导致导电和导热能力下降。银材料具有良好的导电性，导热性，低且稳定的接触电阻，不与服役环境发生显著化学反应，有一定的强度，易于机械加工，但耐磨损方面的性能较差，石墨的添加能够在保持银的原有的性能的同时赋予材料优异的自润滑性能，提高耐磨性。相较于银石墨复合涂层，铜石墨复合涂层的应用场合不同。由于铜石墨材料的成本明显低于银石墨材料的成本，所以在对接触电阻要求不高的场合下，一般考虑铜石墨材料。

图2示出了在待修复表面1喷涂得到的过渡增强涂层2和表面增强涂层3，表面增强层3中具有起到减摩作用的石墨4。

冷喷涂的载气种类为氮气或氦气，载气压强为3～4MPa。载气预热温度为500℃，载气预热温度过低，粉末塑性变形能力不够，载气预热温度过高则铜颗粒等容易产生氧化影响组织性能。送粉器转速(即送粉率)为1.5rpm/min。冷喷涂的喷嘴与待修复表面的距离(即喷涂距离)为30mm。冷喷涂的喷嘴的扫描速率为10mm/s。在上述的冷喷涂参数下，复合粉末的沉积效果最好，涂层致密度高，性能优异，润滑相石墨在涂层分布均匀。

具体的，喷涂过渡增强涂层的载气压强为4MPa，粉末颗粒塑性变形能力强，涂层致密度高。由于过高的气压容易导致石墨破碎，对性能产生不良影响，因此，喷涂表面增强涂层的载气压强为3MPa。

此外，激光照射待修复表面时，激光的发射器的发射中心线与冷喷涂的喷嘴的喷涂中心线之间的夹角为30°，使得激光辐射范围与冷喷涂粉末束结合最集中。激光器可采用光纤激光器或半导体激光器。激光功率为500W～2000W。优选的，喷涂过渡增强涂层的激光功率为1200W，喷涂表面增强涂层的激光功率为800W，对于过渡增强涂层，其粉末所需要的软化的温度更高，所需激光功率更高，所以确定激光功率为1200W；而表面增强涂层，其粉末不需要那么高的温度就可以软化，并且过高的激光功率容易导致石墨表面的银和铜氧化，所以确定激光功率为800W。

本发明实施例采用的冷喷涂装置如图3所示。通过气体供应设备5来提供设定的载气压强，气体从气体供应设备5流出后分成两路，一路用于气体预热装置7，另外一路用于送粉器6作为送粉载气，气体预热装置7将喷涂气体加热到预热温度，送粉器6中的粉末通过载气送入冷喷涂喷嘴8中，冷喷涂喷嘴8与激光器9通过夹具固定在机械臂，通过机械臂实现路径规划，在冷喷涂和激光的共同作用下，能够将复合粉末沉积到待修复的高压隔离开关电触头11的表面上，得到功能型涂层。

在本发明一具体实施例中，通过本发明实施例的方法将激光与冷喷涂技术结合喷涂形成铜石墨复合涂层的具体工艺参数如下：载气种类为氮气，载气压强为3MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷涂距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为800W，喷涂的铜石墨复合涂层如图4和5所示。在相同的工艺参数下，在不引入激光的情况下，利用冷喷涂得到铜石墨复合涂层，如图6和7所示。通过对比可以观察，引入激光得到的图4的涂层厚度为344.82μm，涂层宽度为3970μm；仅通过冷喷涂得到的图6的涂层厚度369.93μm，涂层宽度2964μm。图4的涂层厚度略小于图6的涂层厚度，图4的涂层宽度大于图6的涂层的宽度，图4的涂层整体的沉积面积大于图6的涂层整体的沉积面积。这是由于激光的引入，能起到软化粉末颗粒的作用，提高粉末的塑性变形能力，一定程度上能对涂层起到夯实的作用，从而提高涂层致密度和沉积效率，从图7中可以明显看出，仅通过冷喷涂得到的涂层存在大量的空隙，石墨大量脱落，未能与粘结相铜之间形成良好的结合，而从图5中可以看出，引入激光后的涂层致密度高于仅通过冷喷涂得到的涂层的致密度，石墨均匀分布，与粘结相铜之间形成良好的结合。因此将激光与冷喷涂技术结合获能够得更优性能的涂层组织。

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

首先将预处理后的隔离开关固定在冷喷涂装置的工作台上。将铜钨复合粉末与铜粉充分混合(铜钨复合粉末质量占比为20wt.％)，烘干处理(温度120℃下烘干1小时)后，装入送粉器。通过冷喷涂装置的控制面板设置冷喷涂参数，其中，载气种类为氮气，载气压强为4MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷嘴与待修复表面的距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为1200W。喷涂形成铜钨复合涂层(过渡增强涂层)的厚度为2mm。

将银包石墨粉末与银粉充分混合后(银包石墨粉末质量占比为10wt.％)，装入送粉器，通过冷喷涂装置的控制面板设置冷喷涂参数，其中，载气种类为氮气，载气压强为3MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷嘴与待修复表面的距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为800W。喷涂形成银石墨复合涂层(表面增强涂层)的厚度为0.5mm。

喷涂过程中，激光的发射器的发射中心线与冷喷涂的喷嘴的喷涂中心线之间的夹角为30°。

实施例2

首先将预处理后的隔离开关固定在冷喷涂装置的工作台上。将铜钨复合粉末与铜粉充分混合(铜钨复合粉末质量占比为20wt.％)，烘干处理(温度120℃下烘干1小时)后，装入送粉器。通过冷喷涂装置的控制面板设置冷喷涂参数，其中，载气种类为氮气，载气压强为4MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷嘴与待修复表面的距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为1200W。喷涂形成铜钨复合涂层(过渡增强涂层)的厚度为2mm。

将铜包石墨粉末与铜粉充分混合后(铜包石墨粉末质量占比为10wt.％)，装入送粉器，通过冷喷涂装置的控制面板设置冷喷涂参数，其中，载气种类为氮气，载气压强为3MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷嘴与待修复表面的距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为800W。喷涂形成铜石墨复合涂层(表面增强涂层)的厚度为0.5mm。

喷涂过程中，激光的发射器的发射中心线与冷喷涂的喷嘴的喷涂中心线之间的夹角为30°。

实施例3

首先将预处理后的隔离开关固定在冷喷涂装置的工作台上。将铜铬合金粉末烘干处理(温度120℃下烘干1小时)后，装入送粉器。通过冷喷涂装置的控制面板设置冷喷涂参数，其中，载气种类为氮气，载气压强为4MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷嘴与待修复表面的距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为1200W。喷涂形成铜铬合金涂层(过渡增强涂层)的厚度为2mm。

将银包石墨粉末与银粉充分混合后(银包石墨粉末质量占比为10wt.％)，装入送粉器，通过冷喷涂装置的控制面板设置冷喷涂参数，其中，载气种类为氮气，载气压强为3MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷嘴与待修复表面的距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为800W。喷涂形成银石墨复合涂层(表面增强涂层)的厚度为0.5mm。

喷涂过程中，激光的发射器的发射中心线与冷喷涂的喷嘴的喷涂中心线之间的夹角为30°。

实施例4

首先将预处理后的隔离开关固定在冷喷涂装置的工作台上。将铜铬合金粉末烘干处理(温度120℃下烘干1小时)后，装入送粉器。通过冷喷涂装置的控制面板设置冷喷涂参数，其中，载气种类为氮气，载气压强为4MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷嘴与待修复表面的距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为1200W。喷涂形成铜铬合金涂层(过渡增强涂层)的厚度为2mm。

将铜包石墨粉末与铜粉充分混合后(铜包石墨粉末质量占比为10wt.％)，装入送粉器，通过冷喷涂装置的控制面板设置冷喷涂参数，其中，载气种类为氮气，载气压强为3MPa，载气预热温度为500℃，送粉器转速为1.5rpm/min，喷嘴与待修复表面的距离为30mm，喷嘴的扫描速率为10mm/s，激光功率为800W。喷涂形成铜石墨复合涂层(表面增强涂层)的厚度为0.5mm。

喷涂过程中，激光的发射器的发射中心线与冷喷涂的喷嘴的喷涂中心线之间的夹角为30°。

综上，本发明实施例的隔离开关的表面修复方法，通过激光辅助冷喷涂技术在已失效的高压隔离开关的待修复表面喷涂高性能的功能型复合涂层，通过激光的辐照作用，软化而不熔化粉末颗粒，降低粉末的临界沉积速度，提高粉末的沉积效率，提高涂层的结合力，在恢复原有性能的同时赋予更优良的导电导热能力、耐磨损和抗氧化性能，极大提高复合涂层的综合性能。

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 (10)

1.一种隔离开关的表面修复方法，其特征在于，包括：

将隔离开关的待修复表面进行预处理；

伴随激光照射，通过冷喷涂的方式依次在预处理后的所述待修复表面喷涂过渡增强涂层和表面增强涂层；

其中，所述过渡增强涂层为铜钨复合涂层或铜铬合金涂层，所述表面增强涂层为银石墨复合涂层或铜石墨复合涂层；

所述冷喷涂的载气种类为氮气或氦气，载气压强为3～4MPa，载气预热温度为500℃，以及，送粉器转速为1.5rpm/min，激光功率为500W～2000W。

2.根据权利要求1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：所述激光的发射器的发射中心线与所述冷喷涂的喷嘴的喷涂中心线之间的夹角为30°。

3.根据权利要去1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：所述冷喷涂的喷嘴与所述待修复表面的距离为30mm。

4.根据权利要求1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：所述冷喷涂的喷嘴的扫描速率为10mm/s。

5.根据权利要求1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：喷涂过渡增强涂层的载气压强为4MPa。

6.根据权利要求1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：喷涂表面增强涂层的载气压强为3MPa。

7.根据权利要求1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：喷涂过渡增强涂层的激光功率为1200W。

8.根据权利要求1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：喷涂表面增强涂层的激光功率为800W。

9.根据权利要求1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：所述过渡增强涂层的厚度为2mm。

10.根据权利要求1所述的隔离开关的表面修复方法，其特征在于：所述表面增强涂层的厚度为0.5mm。

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