CN113106438A - 铁铬合金表面铜涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，属于金属涂层技术领域。一种铁铬合金表面铜涂层的制备方法，包括：将表面成功沉积铜涂层的铁铬合金基体在300‑800℃、惰性气体气氛下热处理2‑4h，铜涂层通过气体动力喷涂法沉积而得。本申请将气体动力沉积得到的铜涂层的铁铬合金基体在惰性气氛下热处理有助于促进界面元素扩散，从而提高铜涂层与铁铬合金基体的结合强度。热处理过程中，涂层内部发生组织再结晶，使涂层内部晶粒更加均匀，提高了铁铬合金表面铜涂层的导热性和稳定性。通过适合温度及保温时间退火处理得到的铜涂层具有较高的结合强度和导热性能。
Description
技术领域
本申请涉及金属涂层技术领域，且特别涉及一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法。
背景技术
铁铬合金由于其优异的耐腐蚀性能，在工业生产应用十分广泛，随着航空航天、汽车、电器行业的不断发展，一些机械工件的功能需求越来越高，铁铬合金相对于铜而言其导热性能已无法满足市场需求，所以在铁铬合金上附着一层铜涂层对现代工业的发展具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请实施例的目的包括提供一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，以改善铁铬合金表面铜涂层的结合强度较低、导热性能不佳的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种铁铬合金表面铜涂层的制备方法，包括：将表面沉积有铜涂层的铁铬合金基体在300-800℃、惰性气体气氛下热处理2-4h，铜涂层通过气体动力喷涂法沉积而得。
本申请将气体动力沉积得到的铜涂层的铁铬合金基体在惰性气氛下热处理有助于促进界面元素扩散，从而提高铜涂层与铁铬合金基体的结合强度。热处理过程中，涂层内部发生组织再结晶，使涂层内部晶粒更加均匀，提高了铜涂层的导热性和稳定性。通过适合温度及保温时间退火处理得到铜涂层具有较高的结合强度和导热性能。
在本申请的部分实施例中，在铁铬合金基体表面沉积铜涂层的步骤包括：将铜粉在非氧化性气流束中加速后喷涂至铁铬合金基体，非氧化性气流束的温度为300-800℃，非氧化性气流束的气体压力为3-10MPa。在本申请的部分实施例中，非氧化性气流束的温度为500-800℃，非氧化性气流束的气体压力为6-10MPa。
将非氧化性气体加热至上述温度、上述压力，再携带铜粉喷涂基体，使得铜粉撞击基体的过程中能够击碎基体表面致密的钝化膜，能够促进粉末颗粒与基体的结合。并且铜粉在该温度和压力的气流中不易被氧化，几乎不会对生成的铜涂层产生影响。
在本申请的部分实施例中，气体动力喷涂的喷涂间距为20-40mm。气体动力喷涂的扫描速率为200-400mm/s，送粉量为200-400g/min。
在上述喷涂条件下能够形成致密、孔隙率低的涂层，有助于提高铁铬合金表面铜涂层的结合强度。
在本申请的部分实施例中，铜粉在进料前还包括：在80℃-100℃的条件下进行预热。
本申请采用的预热温度不易过高，是由于铜粉高温下容易发生氧化，使得铁铬合金表面铜涂层的性能降低。该预热温度能够保障铜粉不被氧化。
在本申请的部分实施例中，铜粉的粒径小于100μm。
该粒径大小铜粉有助于提高涂层的致密性，降低涂层的孔隙率。
在本申请的部分实施例中，气体动力喷涂的送料气体为He或N2。
该气体较易获得，且成本低。
在本申请的部分实施例中，对表面沉积有铜涂层的铁铬合金基体进行热处理的温度为500-800℃。
该热处理温度有助于获得性能较好的铜涂层。
第二方面，本申请实施例提供了一种铁铬合金表面铜涂层，由上述铁铬合金表面铜涂层的制备方法制备而得。
制得的铜涂层致密、孔隙率低，与铁铬合金基底的结合强度高，导热性能好。
本申请的有益效果包括：
本申请采用气体动力沉积方法，利用压缩气体携带粉末颗粒通过laval喷嘴(拉瓦尔喷管)产生超音速气固双相流，铜粉末经加速后在完全固态下撞击基体，由于粒子撞击基底时速度高，会产生较大的塑性变形，使得涂层内部以及涂层与基体之间结合紧密，孔隙率低。
将通过气体动力沉积方法沉积有铜涂层的铁铬合金基体在惰性气氛下退火有助于促进界面元素扩散，从而提高涂层与基体的结合强度。退火过程中，涂层内部发生组织再结晶，使涂层内部晶粒更加均匀，提高了涂层的导热性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的工艺流程示意图；
图2为本申请实施例1制得的铜涂层的合金基体的实物图；
图3为本申请实施例1制得的铜涂层的横截面的光镜图；
图4为本申请实施例1制得的铜涂层的横截面的场发射扫描电镜图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
目前在铁铬合金基体上附着的铜涂层大多采用电镀的方式制得，由于铁铬合金表面存在一层致密的钝化物保护性膜，导致镀层与基体结合力降低，所以在电镀前需要对其进行预处理，并在基体表面镀镍层作为中间层，该方法提高了工件的制作成本和周期。同时，在电镀的过程中伴随着氰化物的产生，这些氰化物的工业废水处理工艺复杂且成本高，对环境和人们的生活都会产生影响。
针对现有技术的不足，本申请发明人对铁铬合金基体上的铜涂层的制备工艺进行研究，提出了一种利用超音速气体动力沉积技术和热处理工艺制备铜涂层的方法。下面对本申请实施例的一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法进行具体说明。
请参照图1，本申请实施例提供了一种铁铬合金表面的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，包括：
本申请以铜粉为原料，在铁铬合金基体的表面沉积铜涂层。
在沉积涂层之前，先对铜粉进行筛粉，筛取一定粒径范围内的铜粉。本申请实施例中的铜粉的粒径小于100μm。该粒径大小铜粉有助于提高涂层的致密性，降低涂层的孔隙率。可选地，铜粉的粒径为80μm、70μm、50μm、40μm、30μm或20μm。
采用气体动力沉积装置对铜粉进行预热，对送料气体进行加温和加压。再通过laval喷嘴(拉瓦尔喷管)产生超音速气固双相流，在基底表面扫描喷涂形成涂层。示例的，喷嘴在基底表面来回各扫描一次得到涂层。具体的扫描方式和次数可以根据涂层的厚度等需要进行调整。
在本申请的部分实施例中，铜粉的预热温度为80℃-100℃。本申请采用的预热温度不易过高，是由于铜粉高温下容易发生氧化，使得铁铬合金表面铜涂层的性能降低。预热温度达到预热目的即可，温度过高会增加工艺成本。可选地，铜粉的预热温度为80℃、90℃或100℃。
本申请实施例中，送料气体为非氧化性气体，如He或N2。
在本申请的部分实施例中，非氧化性气体的加热温度为300-800℃，即非氧化性气流束的温度为300-800℃，非氧化性气体的压力为3-10MPa，即非氧化性气流束的气体压力为3-10MPa。进一步地，非氧化性气流束的温度为500-800℃，非氧化性气流束的气体压力为6-10MPa。可选地，非氧化性气流束的温度为300℃、400℃、500℃、600℃、700℃或800℃。非氧化性气流束的气体压力为3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa或10MPa。
本申请将非氧化性气体加热至上述温度、上述压力，再携带铜粉喷涂基体，使得铜粉撞击基体的过程中能够击碎基体表面致密的钝化膜，能够促进粉末颗粒与基体的结合。并且铜粉在该温度和压力的气流中不易被氧化，几乎不会对生成的铜涂层产生影响。若非氧化性气体的温度和压力中的至少一个较高或较低，则会影响粉末颗粒的运动速度，影响粉末颗粒与基体的结合效果，进而影响涂层的结合强度。
在本申请的部分实施例中，气体动力喷涂的喷涂间距为20-40mm，气体动力喷涂的扫描速率为200-400mm/s，送粉量为200-400g/min。可选地，扫描速率为200mm/s、300mm/s或400mm/s，送粉量为200g/min、300g/min或400g/min。
在上述喷涂条件下，喷嘴以该喷涂距离进行喷涂能够形成致密、孔隙率低的涂层。若喷涂间距较小，容易损坏喷嘴，若喷涂间距较大，会影响涂层的性能。可选地，喷涂间距为20mm、30mm或40mm。喷涂距离指喷嘴与铁铬合金基体之间的距离。
本申请采用超音速气体动力沉积方法，利用压缩气体携带粉末颗粒通过laval喷嘴(拉瓦尔喷管)产生超音速气固双相流，铜粉末经加速后在完全固态下撞击基体，通过塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。需要说明的是，本申请实施例中的超音速为300-1400m/s。
其中，铜粉末在热的非氧化性气流束中加速，涂层基本无氧化现象且孔隙率低。由于粒子撞击基底时速度高，会产生较大的塑性变形，使得涂层内部以及涂层与基体之间结合紧密，不易开裂，达到了灵活弯曲的状态。沉积过程中，后续粒子的冲击对在前粒子形成的涂层起到了夯实作用，体积收缩不明显，保证很低的孔隙率，粒子在高温加速的过程中内部也产生了局部的热处理，使组织内部晶粒跟均匀，提高了涂层与基体的结合强度。
将表面成功沉积有铜涂层的铁铬合金基体在300-800℃、惰性气体气氛下热处理2-4h。在本申请的部分实施例中，热处理为退火工艺。
将通过气体动力沉积方法沉积有铜涂层的铁铬合金基体在惰性气氛下退火有助于促进界面元素扩散，从而提高涂层与基体的结合强度。退火过程中，涂层内部发生组织再结晶，使涂层内部晶粒更加均匀，提高了涂层的导热性和稳定性。
本申请发明人通过研究得出，经过上述温度及保温时间的热处理而得的铁铬合金基体的铜涂层具有较高的结合强度和导热性能。可选地，热处理的温度为500-800℃，热处理的温度可以为300℃、400℃、500℃、600℃、700℃或800℃。热处理时间为2-3h。
本申请提供的制备方法操作简便，制备过程中无酸洗，无毒害，无刺激气味等有机溶剂和气体的参与和排放，有利于工业生产中环境的保护。
第二方面，本申请实施例提供了一种铁铬合金表面铜涂层，由铁铬合金表面铜涂层的制备方法制备而得。通过上述方法制得的铜涂层致密、孔隙率低，与铁铬合金基底的结合强度高，导热性能好。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，主要包括：
将铜粉筛粉后置于气体动力沉积装置的送粉器内，设定工艺参数如下：铜粉的粒径为100μm，喷涂距离为30mm，送料气体为N2、气体压力5MPa、气体温度为800℃；扫描速率为400mm/s，送粉量为200g/min。
对铜粉在80℃下进行预热，对送料气体进行加温和加压。
启动气体动力沉积装置向1mm的铁铬合金基底进行沉积粉末，喷嘴在基底表面来回各扫描一次得到铜涂层的初级板材，铜涂层的厚度约为0.2-0.4mm。
将沉积有铜涂层的初级板材置于箱式炉中，使箱式炉内充满惰性气体，在惰性气体气氛下，控制箱式炉内温度为300℃，使附有铜涂层的初级板材在箱式炉内退火4h。
实施例2
本实施例提供一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，主要包括：
将铜粉筛粉后置于气体动力沉积装置的送粉器内，设定工艺参数如下：铜粉的粒径为80μm，喷涂距离为30mm，送料气体为N2、气体压力5MPa、气体温度为800℃；扫描速率为400mm/s，送粉量为200g/min。
对铜粉在80℃下进行预热，对送料气体进行加温和加压。
启动气体动力沉积装置向1mm的铁铬合金基底进行沉积粉末，喷嘴在基底表面来回各扫描一次得到铜涂层的初级板材，铜涂层的厚度约为0.2-0.4mm。
将沉积有铜涂层的初级板材置于箱式炉中，使箱式炉内充满惰性气体，在惰性气体气氛下，控制箱式炉内温度为400℃，使附有铜涂层的初级板材在箱式炉内退火4h。
实施例3
本实施例提供一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，与实施例1的区别仅在于：
退火温度为500℃，保温时间为4h。
实施例4
本实施例提供一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，与实施例1的区别仅在于：
工艺参数为：送料气体为He、气体压力3MPa、气体温度为600℃。
实施例5
本实施例提供一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，与实施例2的区别仅在于：
工艺参数为：送料气体为He、气体压力3MPa、气体温度为600℃。
实施例6
本实施例提供一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，与实施例3的区别仅在于：
工艺参数为：送料气体为He、气体压力3MPa、气体温度为600℃。
实施例7
本实施例提供一种铁铬合金表面铜涂层及其制备方法，与实施例1的区别仅在于：
工艺参数为：送料气体为He、气体压力7MPa、气体温度为700℃；扫描速率为300mm/s，送粉量为300g/min。
对比例1
本对比例提供一种铜涂层及其制备方法，与实施例1的区别仅在于：
喷涂铜粉后，不进行退火处理。
对比例2
本对比例提供一种铜涂层及其制备方法，与实施例4的区别仅在于：
喷涂铜粉后，不进行退火处理。
对比例3
本对比例提供一种铜涂层及其制备方法，与实施例1的区别仅在于：
表面沉积有铜涂层的铁铬合金在退火中的温度为200℃，保温时间为1h。
对比例4
本对比例提供一种铜涂层及其制备方法，与实施例1的区别仅在于：
表面沉积有铜涂层的铁铬合金在退火中的温度为500℃，保温时间为1h。
试验例1
对实施例1-7、对比例1-4制得的涂层进行性能测试。测试前需要对涂层表面进行抛光处理。
采用设备为Dura Scan 70G5维氏显微硬度仪(载荷为100g，保压时间15s)对本实验制备的涂层进行硬度测试，测得涂层取平均值。
采用设备为万能拉伸试验机对本实验制备的涂层进行结合强度测试，测试方法为用环氧树脂粘结剂(测试范围约为1-86MPa)把涂层连接在拉伸棒中间，测试当涂层从基体上脱落时的结合强度数值。
采用设备为LFA467激光导热仪对本实验制备的涂层进行热扩散系数测试，计算出涂层的热导率。
采用沉积之前与沉积之后的铁铬合金基体的质量计算沉积效率。测试结果如表1：
表1性能测试结果
从上表能看出，经本申请各实施例提供的制备方法制得的铜涂层性能优异，均具有较高的结合强度和导热性能。采用对比例1-2制备得到的铜涂层性，在制备过程中没有经过退火，涂层的导热性能明显差于实施例。
试验例2
对实施例4制得的铜涂层进行表观和微观结构观察，得到图2、图3和图4。图3中，上部分为铜涂层，下部分为铁铬合金基体，图4中，上部分为铜涂层，下部分为铁铬合金基体。从图3和图4能够看出制得的铜涂层致密，涂层与基底之间结合紧密，不易开裂。
综上所述，本发明提供的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，在1mm的铁铬合金基体上经过冷喷涂得到铜涂层的初级板材后，再经过适合温度及保温时间的退火处理，得到的铜涂层具有较高的结合强度和导热性能。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (10)
1.一种铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，包括：
将表面成功沉积有铜涂层的铁铬合金基体在300-800℃、惰性气体气氛下热处理2-4h，所述铜涂层通过气体动力喷涂法沉积而得。
2.根据权利要求1所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，在铁铬合金基体表面沉积所述铜涂层的步骤包括：
将铜粉在非氧化性气流束中加速后喷涂至所述铁铬合金基体，所述非氧化性气流束的温度为300-800℃，所述非氧化性气流束的气体压力为3-10MPa。
3.根据权利要求2所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，所述非氧化性气流束的温度为500-800℃，所述非氧化性气流束的气体压力为6-10MPa。
4.根据权利要求2所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，所述气体动力喷涂的喷涂间距为20-40mm。
5.根据权利要求2至4任一项所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，所述气体动力喷涂的扫描速率为200-400mm/s，送粉量为200-400g/min。
6.根据权利要求2所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，所述铜粉在进料前还包括：在80℃-100℃的条件下进行预热。
7.根据权利要求2或6所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，所述铜粉的粒径小于100μm。
8.根据权利要求2所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，所述气体动力喷涂的送料气体为He或N2。
9.根据权利要求1至4任一项所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法，其特征在于，热处理的温度为500-800℃。
10.一种在铁铬合金表面制备的铜涂层，其特征在于，由如权利要求1至9任一项所述的铁铬合金表面铜涂层的制备方法制备而得。
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