CN115007848A - 一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于防腐涂层技术领域，公开了一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用，所述涂层的制备方法为：将铜粉A与铜粉B混合均匀，获得混合粉末，备用；将经除油处理后的铝合金试样，进行打磨处理，以除去表面杂质以及缺陷，获得表面平整光滑、厚度均匀的铝合金试样A；随后，对获得的铝合金试样A表面进行喷砂处理，获得铝合金试样B；采用冷喷涂法，将获得的混合粉末喷涂于所述铝合金试样B表面，即在铝合金试样B表面形成铜涂层；所述铜粉A为粒径为10～40μm的小颗粒铜粉；所述铜粉B为粒径为100～160μm的大颗粒铜粉。本发明方法制备成本、温度较低，有利于应用在大规模工业生产中，具有显著的经济和社会效益。

Description

一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及防腐涂层技术领域，尤其涉及一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用。
背景技术
地铁作为重要的交通方式在现代城市中的应用越来越广泛，其正常运行离不开供电系统，而刚性接触网由于其结构简单、便于安装和维修而被广泛应用在供电系统中，该刚性接触网常由6061铝合金材质的汇流排和铜接触线组成。然而地铁隧道内环境比较复杂，其中最为常见的就是污水较多，再加上刚性接触网是铝-铜接触导电，构件间存在较大电位差，因此极易发生电偶腐蚀。
铝合金汇流排若发生腐蚀，其机械性能会明显下降，极可能会引起铜导线脱槽、跳线，导致供电事故；另外，其导电性能也会显著降低，导电回路中的电阻增大从而使得电力损耗急剧增加，不仅会增加地铁运行时的成本，还会影响其运行安全。为了避免刚性接触网发生电偶腐蚀，需要降低接触金属间电位差，甚至将接触界面两端由异种材料接触变成同种材料接触，这样可以将界面两端的电位差大幅度减小甚至为零，进而减缓接触界面的腐蚀，提高铝-铜连接件的耐腐蚀性能，其中，最直接的方法就是在铝合金上制备铜涂层。
鉴于地铁供电系统中的铝-铜连接件的服役条件及环境，铝合金上制备的铜覆盖层要具有以下特点：低氧化物含量、低孔隙、涂层与铝合金基体结合要紧密、适宜的制备温度。而在众多表面涂层制备技术中，冷喷涂技术能最大限度地满足上述的涂层制备和使用要求。
对于冷喷涂涂层来说，沉积粒子的变形程度越大，涂层的结合性能和致密度越好。而为提高粒子的变形程度，现有技术一般通过两种途径：一是提高粒子速度；二是提高粒子温度让其更容易变形。然而这两种方法均存在缺陷：提高粒子速度成本太高且速度很难大幅度被提升；提高粒子温度容易导致堵枪、粒子氧化程度增加及基体变形等。
为此，本发明提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用。
本发明的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一个目的是提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将铜粉A与铜粉B混合均匀，获得混合粉末，备用；
步骤2，将铝合金试样经除油处理后，进行打磨处理，以除去表面杂质以及缺陷，获得表面平整光滑、厚度均匀的铝合金试样A；随后，对获得的铝合金试样A表面进行喷砂处理，获得铝合金试样B；
步骤3，采用冷喷涂法，将获得的混合粉末喷涂于所述铝合金试样B表面，即在铝合金试样B表面形成铜涂层；
所述铜粉A为粒径为10～40μm的小颗粒铜粉；
所述铜粉B为粒径为100～160μm的大颗粒铜粉。
进一步地，步骤1中，按体积分数计，所述铜粉A的用量为所述铜粉B的20v％～30v％。
进一步地，当所述铜粉A选用粒径为10～15μm的小颗粒铜粉时，对应的所述铜粉B选用粒径为100～120μm的大颗粒铜粉。
进一步地，当所述铜粉A选用粒径为16～30μm的小颗粒铜粉时，对应的所述铜粉B选用粒径为121～140μm的大颗粒铜粉；
进一步地，当所述铜粉A选用粒径为31～40μm的小颗粒铜粉时，对应的所述铜粉B选用粒径为141～160μm的大颗粒铜粉。
进一步地，步骤1中，所述球磨处理的球磨转速为300～500r/min，球磨时间为4～8h。
进一步地，步骤2中，所述除油处理通过以下步骤进行：
将铝合金于丙酮中浸泡3～10min，获得除油后的铝合金。
进一步地，步骤2中，所述打磨处理通过以下步骤进行：
依次采用140#、180#、240#、480#、800#的水砂纸对铝合金表面进行打磨，打磨至铝合金表面没有明显的缺陷且铝合金厚度均匀。
进一步地，步骤2中，所述喷砂处理采用的喷砂颗粒为10～30目的刚玉、喷砂角度为85°～95°、气体压力为0.2～0.3MPa、喷砂时间为3～8min。
进一步地，步骤3中，冷喷涂时采用的喷涂气体为N2，喷涂气体压力为2.5～3.0MPa，喷涂温度为25～35℃，喷涂距离为15～25mm，喷枪移动速度为250～350mm/s，送粉率为15～25g/min。
本发明的第二个目的是提供一种上述的方法制备的涂层。
本发明的第三个目的是提供一种上述涂层在减缓铝-铜连接体缝隙腐蚀方面的应用。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明通过在小尺寸铜粉中掺杂大尺寸铜粉，以不同粒径的铜粉混合物作为原料，使得在铝合金表面沉积铜涂层时，不同粒径的铜粉混合物通过“原位喷丸效应”，能够增加铝合金表面已沉积粒子的变形程度，进而进一步改善涂层中粒子间的结合，从而使得涂层材料之间具有良好的结合效果，进而使涂层具有良好的耐蚀性。
本发明的制备方法反应条件要求低，且制备成本低，有利于应用在大规模工业生产中，具有显著的经济和社会效益，实用性强。
附图说明
图1为本发明的基本流程示意图；
图2为实施例1-3的冷喷涂铜涂层的截面SEM图；其中，图2A、图2B、图2C分别为本发明实施例1、实施例2、实施例3的冷喷涂涂层的X射线衍射谱图；
图3为实施例4-6的冷喷涂铜涂层的截面SEM图；其中，图3A、图3B、图3C分别为本发明实施例4、实施例5、实施例6的冷喷涂涂层的X射线衍射谱图；
图4为本发明的冷喷涂铜涂层的XRD测试结果；其中，图4A、图4B、图4C分别为本发明实施例1、实施例2、实施例3的冷喷涂涂层的X射线衍射谱图；
图5为实施例1-3冷喷涂铜涂层的极化曲线图；其中，图5A、图5B、图5C、图5D分别为实施例1、实施例2、实施例3、以及未处理的铝合金试样的极化曲线图；
图6为实施例4-6的冷喷涂铜涂层的极化曲线图；其中，图6A、图6B、图6C、图6D分别为本发明实施例4、实施例5、实施例6、以及未处理的铝合金试样的极化曲线图；
图7为实施例1-3的冷喷涂铜涂层的附着力测试结果；
图8为实施例4-6的冷喷涂铜涂层的附着力测试结果。
具体实施方式
正如背景技术中所述，发明人发现常规冷喷涂技术制备的铜涂层中仍存在较多孔洞和接触缝隙，要提高涂层的致密度和结合性能，需要提高喷涂粒子的速度或者温度，通过这种途径制备涂层成本较高，且易发生堵枪现象，为此，本发明提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层及其制备方法和应用，本发明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。需要说明的是，本发明以下实施例中的铜粉A和铜粉B均为纯度≥99.9％的纯铜粉。
实施例1
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，请参阅图1，图1为本实施例的制备流程示意图，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法如下：
步骤1，选用粒径为10～15μm的小颗粒铜粉作为铜粉A，选用粒径为100～120μm的大颗粒铜粉作为铜粉B，按体积分数计，铜粉A的用量为铜粉B的30v％的用量比，将铜粉A与铜粉B经球磨处理混合均匀，获得混合粉末，备用；
需要说明的是，本发明不限制步骤1中铜粉A和铜粉B混合的具体方式，只要能够将铜粉A与铜粉B混合均匀即可。本实施例中，可选的采用滚筒球磨机进行干法球磨，且以400r/min的转速球磨6h，获得混合粉末。
步骤2，将铝合金试样进行除油处理后，进行打磨处理，获得表面平整光滑、厚度均匀的铝合金试样A；随后，对获得的铝合金试样A表面进行喷砂处理，获得铝合金试样B；
需要说明的是，本发明不限制除油处理的具体方式，只要能够将铝合金试样表面油脂除去即可。本实施例中，可选的采用丙酮作为除油剂，将铝合金试样浸泡于丙酮中3～10min，从而实现对铝合金试样的除油。
需要说明的是，本发明不限制打磨处理的具体方式，只要能够将铝合金试样表面的污物、氧化膜及缺陷等消除，并降低铝合金表面粗糙度，使其表面平整光滑、厚度均匀，便于后续涂层的沉积即可。本实施例中，可选的采用依次采用140#、180#、240#、480#、800#的水砂纸对铝合金表面进行打磨处理，且本实施例采用水砂纸磨出来的粉末较小，使用时有脱削，不易堵塞等优点，同时也可以避免砂纸褪色而影响工件的表面质量。由于每个铝合金表面积和粗糙度的不同，需要根据具体情况使用不同目的水砂纸进行打磨，打磨过程没有具体的时间。打磨过程中要将铝合金表面高低不平，有凸起的部分打磨干净，最后的效果除了磨痕之外其他地方应该看起来非常平滑，可以用手感受出来。本实施例将打磨处理后的铝合金再次浸于丙酮中除油4min后水洗，最后热风吹干后，再进行喷砂处理。
还需要说明的是，本发明不限制喷砂处理的具体方式，只要能够提高铝合金试样表面的涂层沉积率和结合强度即可。本实施例中，可选的采用的喷砂处理的喷砂颗粒为20目的刚玉、喷砂角度为90°、气体压力为0.25MPa、喷砂时间为5min。
步骤3，采用冷喷涂法，将获得的混合粉末喷涂于铝合金试样B表面，即在铝合金试样B表面形成铜涂层；
需要说明的是，本发明不限制冷喷涂的具体条件，只要能够将混合粉末喷涂于铝合金试样B表面，即在铝合金试样B表面形成铜涂层即可。本实施例中，可选的，冷喷涂时采用的喷涂气体为N2，喷涂气体压力为2.8MPa，喷涂温度为30℃，喷涂距离为20mm，喷枪移动速度为300mm/s，送粉率为20g/min。
实施例2
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
本实施例中，选用粒径为15～30μm的小颗粒铜粉作为铜粉A，选用粒径为120～140μm的大颗粒铜粉作为铜粉B。
实施例3
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
本实施例中，选用粒径为30～40μm的小颗粒铜粉作为铜粉A，选用粒径为140～160μm的大颗粒铜粉作为铜粉B。
实施例4
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
本实施例中，按照铜粉A的用量为铜粉B的20v％的用量比，将铜粉A与铜粉B经球磨处理混合均匀，获得混合粉末。
实施例5
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例4的区别仅在于：
本实施例中，选用粒径为15～30μm的小颗粒铜粉作为铜粉A，选用粒径为120～140μm的大颗粒铜粉作为铜粉B。
实施例6
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例4的区别仅在于：
本实施例中，选用粒径为30～40μm的小颗粒铜粉作为铜粉A，选用粒径为140～160μm的大颗粒铜粉作为铜粉B。
实施例7
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
步骤1中，球磨处理的球磨转速为300r/min，球磨时间为8h。
实施例8
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
步骤1中，球磨处理的球磨转速为500r/min，球磨时间为4h。
实施例9
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
步骤2中，喷砂处理采用的喷砂颗粒为10目的刚玉、喷砂角度为85°、气体压力为0.2MPa、喷砂时间为8min。
实施例10
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
步骤2中，喷砂处理采用的喷砂颗粒为30目的刚玉、喷砂角度为95°、气体压力为0.3MPa、喷砂时间为3min。
实施例11
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
步骤3中，冷喷涂时采用的喷涂气体为N2，喷涂气体压力为2.5MPa，喷涂温度为25℃，喷涂距离为15mm，喷枪移动速度为250mm/s，送粉率为15g/min。
实施例12
本实施例提供一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层，且本实施例的一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法与实施例1的区别仅在于：
步骤3中，冷喷涂时采用的喷涂气体为N2，喷涂气体压力为3.0MPa，喷涂温度为35℃，喷涂距离为25mm，喷枪移动速度为350mm/s，送粉率为25g/min。
实验部分
(一)SEM测试
本发明以实施例1-6制备的铜涂层为例，分别对其进行SEM测试，结果分别如图2和图3所示。其中，图2A、图2B、图2C分别为本发明实施例1、实施例2、实施例3的冷喷涂涂层的截面SEM图；图3A、图3B、图3C分别为本发明实施例4、实施例5、实施例6的冷喷涂涂层的截面SEM图。
由图2可以看出，本发明实施例1-3制备的铜涂层较为致密，并未出现缝隙、孔洞等明显缺陷，涂层整体较为平整。
由图3可以看出，本发明实施例4-6制备的铜涂层较为致密，并未出现缝隙、孔洞等明显缺陷，涂层整体较为平整。
(二)X射线衍射测试
本发明以实施例1-3制备的铜涂层为例，分别对其进行了X射线衍射测试，结果如图4所示。其中，图4A、图4B、图4C分别为本发明实施例1、实施例2、实施例3的冷喷涂涂层的X射线衍射谱图。
由图3可以看出：本发明制备的涂层均得到明显的面心立方(FCC)结构的纯铜的峰，说明本发明的制备方法通过冷喷涂在基体表面形成了纯铜层。
(三)极化测试
本发明以实施例1-6制备的铜涂层和未处理的铝合金试样为例，分别对其进行了X射线衍射测试，结果分别如图5和图6所示。其中，图5A、图5B、图5C、图5D分别为本发明实施例1、实施例2、实施例3、以及未处理的铝合金试样的极化曲线图；图6A、图6B、图6C、图6D分别为本发明实施例4、实施例5、实施例6、以及未处理的铝合金试样的极化曲线图。
由图5可以看出：铝合金的腐蚀电位为-1.2601V，腐蚀电流密度为9.5845×10-4A/cm2，实施例1、实施例2、实施例3试样的腐蚀电位分别为-0.67195V、-0.6629V、-0.6492V，而实施例1、实施例2、实施例3试样的腐蚀电流密度分别为4.3291×10-6A/cm2、3.7128×10-6A/cm2、3.9003×10-6A/cm2，相比于铝合金基体电位正移了近0.6V，腐蚀电流密度也下降了两个数量级，且各试样的腐蚀电流密度和腐蚀电位相近，说明各试样的耐腐蚀性能优异。
由图6可以看出：铝合金的腐蚀电位为-1.2601V，腐蚀电流密度为9.5845×10-4A/cm2，实施例4、实施例5、实施例6试样的腐蚀电位分别为-0.2911V、-0.2809V、-0.2607V，而实施例4、实施例5、实施例6试样的腐蚀电流密度分别为2.1096×10-6A/cm2、1.6346×10-6A/cm2、1.1436×10-6A/cm2，相比于铝合金基体电位正移了近1V，腐蚀电流密度也下降了近三个数量级，且各试样的腐蚀电流密度和腐蚀电位相近，说明各试样的耐腐蚀性能优异。
(四)附着力测试值
本发明使用WS-2005涂层附着力自动划痕仪测量本实施例1-6的涂层附着力。其中，采用标准洛氏金刚石压头(R＝0.2mm)划痕，加载速度50N/m，终止载荷100N，划痕长度4mm，往复次数为1次，测量方式为声发射，运行方式为动载。以首次出现明显声发射信号(涂层剥落)时对应的载荷即为涂层的附着力值。
本发明实施例1-实施例3附着力测试结果分别如图7中A、B、C所示，可以看出，三种涂层的附着力分别为136N、141N、140N，说明涂层与基体结合良好，且三种涂层结合性能优异。
本发明实施例4-实施例6附着力测试结果分别如图8中A、B、C所示，可以看出，三种涂层的附着力分别为168N、161N、164N，说明涂层与基体结合良好，且三种涂层结合性能优异。
基于上述，可以看出，本发明方法制备的铜涂层有着较好的耐蚀性和结合力。
显然，上述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种减缓铝铜连接体缝隙腐蚀的涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将铜粉A与铜粉B混合均匀，获得混合粉末，备用；
步骤2，将铝合金试样经除油处理后，进行打磨处理，以除去表面杂质及缺陷，获得表面平整光滑、厚度均匀的铝合金试样A；随后，对获得的铝合金试样A表面进行喷砂处理，获得铝合金试样B；
步骤3，采用冷喷涂法，将获得的混合粉末喷涂于所述铝合金试样B表面，即在铝合金试样B表面形成铜涂层；
所述铜粉A为粒径为10～40μm的小颗粒铜粉；
所述铜粉B为粒径为100～160μm的大颗粒铜粉。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，按体积分数计，所述铜粉A的用量为所述铜粉B的20v％～30v％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当所述铜粉A选用粒径为10～15μm的小颗粒铜粉时，对应的所述铜粉B选用粒径为100～120μm的大颗粒铜粉；
当所述铜粉A选用粒径为16～30μm的小颗粒铜粉时，对应的所述铜粉B选用粒径为121～140μm的大颗粒铜粉；
当所述铜粉A选用粒径为31～40μm的小颗粒铜粉时，对应的所述铜粉B选用粒径为141～160μm的大颗粒铜粉。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述混合方式采用球磨处理，且球磨转速为300～500r/min，球磨时间为4～8h。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述除油处理通过以下步骤进行：
将铝合金于丙酮中浸泡3～10min，获得除油后的铝合金。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述打磨处理通过以下步骤进行：
依次采用140#、180#、240#、480#、800#的水砂纸对铝合金表面进行打磨，打磨至铝合金表面没有明显的缺陷且铝合金厚度均匀。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述喷砂处理采用的喷砂颗粒为10～30目的刚玉、喷砂角度为85°～95°、气体压力为0.2～0.3MPa、喷砂时间为3～8min。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，冷喷涂时采用的喷涂气体为N2，喷涂气体压力为2.5～3.0MPa，喷涂温度为25～35℃，喷涂距离为15～25mm，喷枪移动速度为250～350mm/s，送粉率为15～25g/min。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的方法制备的涂层。
10.一种权利要求9所述的涂层在减缓铝-铜连接体缝隙腐蚀方面的应用。
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