一種鋁合金基復(fù)合材料、制備方法及應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋁合金基復(fù)合材料、制備方法及應(yīng)用，該鋁合金復(fù)合材料包括鋁合金基體，所述鋁合金基體表面從內(nèi)到外依次附著有粘結(jié)層和功能層，所述粘結(jié)層是由鋁包鎳復(fù)合粉末制成的鋁鎳合金層，所述功能層為銅涂層。本發(fā)明的鋁合金基復(fù)合材料，鋁合金基體表面從內(nèi)到外依次附著粘結(jié)層和功能層，實現(xiàn)了對鋁合金基體的表面改性，粘結(jié)層采用鋁包鎳復(fù)合粉末制成，具有較好的潤濕性，能與鋁合金基體及銅涂層良好結(jié)合，極大地提高了銅涂層與鋁合金基體的結(jié)合強度，保證銅涂層與鋁合金基體良好的結(jié)合性能；功能層為單質(zhì)銅涂層，保證了材料的使用性能，提高了其導(dǎo)電性能，適用于導(dǎo)通高電流的導(dǎo)體部件。
【專利說明】
一種鋁合金基復(fù)合材料、制備方法及應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于鋁合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋁合金基復(fù)合材料，同時還涉及 一種鋁合金基復(fù)合材料的制備方法及在制備導(dǎo)電部件方面的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金由于密度小、導(dǎo)熱好等優(yōu)點在航空、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但其耐 磨性差、熔點低等缺點也限制了其進一步的發(fā)展?，F(xiàn)有技術(shù)在鋁合金材質(zhì)零部件表面附著 銅合金層，用作耐熱涂層或者耐磨涂層。如王維夫等在《鋁合金表面激光熔覆銅基合金涂層 研究》(激光技術(shù)，2008年)一文中公開了 ：為了提高鋁合金的表面強度，根據(jù)銅合金的液相 分離性質(zhì)，采用C02激光熔覆方法，在鋁合金表面成功制備了銅基合金涂層;涂層的基體相 為銅基固溶體，強化相主要為彌散分布的Laves相；硬度測試表明，所獲涂層的硬度約為 270HV Q.Q5,比ZL104鋁合金提高了約2倍。在鋁合金材質(zhì)表面涂覆銅合金層，可以提高鋁合金 的耐熱性和耐磨性。
[0003] 目前，鋁合金零部件越來越多的應(yīng)用于導(dǎo)電部件。為了提高鋁合金的導(dǎo)電性能，現(xiàn) 有技術(shù)中鋁合金零部件多是采用電鍍銀方式制備導(dǎo)電層，但是鍍銀工藝的技術(shù)流程長，且 工藝流程使用硝酸屬于揮發(fā)性強酸，嚴重污染了環(huán)境。另外，除去極少量低電流應(yīng)用環(huán)境采 用無氰鍍銀技術(shù)之外，大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域仍舊采用傳統(tǒng)的氰化鍍銀方式進行處理，氰化物對 環(huán)境與人身也造成了嚴重的傷害。因此，在鋁合金表面噴涂制備銅單質(zhì)層用于大電流技術(shù) 領(lǐng)域目前已經(jīng)是研究工作者的一個研究熱點。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，CN104805392A公開了一種銅鋁復(fù)合材料，由以下方法制備而得:采用 電弧噴涂，在惰性氣體保護氣氛下向鋁合金基體表面噴涂銅形成銅涂層;所述電弧噴涂的 噴涂電壓為30-35V，噴涂距離為100-150mm，送絲速度為3-4m/min，電流為120-150A，壓縮氣 體壓力為0.65-0.75MPa，壓縮氣體流量為1.6-2.0m 3/min。所得復(fù)合材料中，銅涂層表面均 勻致密，導(dǎo)電性好，可用于高壓電器產(chǎn)品的制備。但是，現(xiàn)有技術(shù)中銅涂層與鋁合金基體的 結(jié)合力還不夠，銅涂層在制備過程中容易發(fā)生氧化，還不能滿足大電流導(dǎo)電部件的使用要 求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種鋁合金基復(fù)合材料，實現(xiàn)對鋁合金基體材料的改性處 理，提高了銅涂層與鋁合金基體的結(jié)合力及導(dǎo)電性能。
[0006] 本發(fā)明的第二個目的是提供一種鋁合金基復(fù)合材料的制備方法。
[0007] 本發(fā)明的第三個目的是提供一種上述鋁合金基復(fù)合材料在制備導(dǎo)電部件方面的 應(yīng)用。
[0008] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種鋁合金基復(fù)合材料，包括鋁合金基體，所述鋁合金基體表面從內(nèi)到外依次附 著有粘結(jié)層和功能層，所述粘結(jié)層是由鋁包鎳復(fù)合粉末制成的鋁鎳合金層，所述功能層為 銅涂層。
[0010] 所述粘接層的厚度為50~100M1，功能層的厚度為50~200μπι。
[0011] 所述粘接層是在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末制成的;所述功能層 是在鋁合金基體的粘接層上等離子噴涂純銅粉末制成的。等離子噴涂是采用直流電驅(qū)動的 等離子電弧作為熱源，將金屬或合金粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并高速噴向經(jīng)過預(yù)處 理的基體表面而形成附著牢固的表面層的方法。等離子噴涂的方法噴射粒子的速度高，所 得涂層致密，粘接強度高。
[0012] 所述鋁包鎳復(fù)合粉末的粒度為300~400目；所述純銅粉末的粒度為325~1000目。 [0013] 所述鋁包鎳復(fù)合粉末中，Ni的質(zhì)量百分含量為60%~70%，其余為Α1和不可避免 的雜質(zhì)。優(yōu)選的，所述鋁包鎳復(fù)合粉末的規(guī)格為M66A134復(fù)合粉末，即兩種元素的質(zhì)量比 Ni : A1 = 66:34。鋁包鎳復(fù)合粉末作為粘接層材料，具有良好的自粘結(jié)性。
[0014] 本發(fā)明的鋁合金基復(fù)合材料，鋁合金基體表面從內(nèi)到外依次附著粘結(jié)層和功能 層，粘結(jié)層是由鋁包鎳復(fù)合粉末制成的鋁鎳合金層，功能層為銅涂層;該復(fù)合材料實現(xiàn)了對 鋁合金基體的表面改性，粘結(jié)層采用鋁包鎳復(fù)合粉末制成，具有較好的潤濕性，能與鋁合金 基體及銅涂層良好結(jié)合，極大地提高了銅涂層與鋁合金基體的結(jié)合強度，保證銅涂層與鋁 合金基體良好的結(jié)合性能;功能層為單質(zhì)銅涂層，保證了材料的使用性能，提高了其導(dǎo)電性 能，適用于導(dǎo)通高電流的導(dǎo)體部件。
[0015] 上述的鋁合金基復(fù)合材料是由以下方法制備的：鋁合金基體表面依次經(jīng)表面凈 化、噴砂粗化、等離子噴涂制得粘結(jié)層、等離子噴涂制得功能層。
[0016] -種上述的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，包括下列步驟：
[0017] 1)將鋁合金基體依次進行表面凈化和噴砂粗化；
[0018] 2)在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末制得粘結(jié)層；
[0019] 3)在鋁合金基體的粘結(jié)層上等離子噴涂純銅粉末制得功能層，即得。
[0020] 步驟1)中，采用化學(xué)脫脂的方法進行表面凈化。所述化學(xué)脫脂是指采用有機溶劑 清洗脫脂或使用堿性處理劑浸泡脫脂。
[0021] 步驟1)中，所述噴砂粗化的噴射壓力為0.5~0.75MPa，噴氣速度為1~2m3/min，噴 砂速度為l〇kg/h，處理時間為45~60s。
[0022] 所述噴砂粗化所用的砂為24目剛玉砂，噴射角度為75°~90°，噴射距離為30~ 50mm 〇
[0023]步驟2)和3)中，等離子噴涂所用的等離子氣體為氬氣。等離子噴涂過程中，氬氣作 為保護氣體，噴涂金屬或合金粉末不易被氧化。
[0024]步驟2)中，等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末過程中，氬氣流量為40~50L/min，送粉氣 流量為35~45L/min，工作電流為400~600A，送粉量為20~40g/min。
[0025]步驟3)中，等離子噴涂純銅粉末過程中，氬氣流量為40~60L/min，送粉氣流量為 35~45L/min，工作電流為400~600A，送粉量為20~40g/min。
[0026] 等離子噴涂過程中，噴涂距離為150mm，噴涂角度為85°~90°。
[0027] -種上述的鋁合金基復(fù)合材料在制備導(dǎo)電部件方面的應(yīng)用。
[0028] 本發(fā)明的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，通過等離子噴涂的方法在經(jīng)過表面凈 化、噴砂粗化的鋁合金基體表面噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末、純銅粉末分別依次形成粘接層和功 能層，實現(xiàn)對鋁合金材料的改性處理;粘結(jié)層采用鋁包鎳復(fù)合粉末制成，具有較好的潤濕 性，能與鋁合金基體及銅涂層良好結(jié)合，極大地提高了銅涂層與鋁合金基體的結(jié)合強度;功 能層為單質(zhì)銅層，具有較低的氧化率，保證了材料的使用性能，提高了其導(dǎo)電性能，適用于 導(dǎo)通高電流的導(dǎo)體部件。該制備方法工藝簡單，操作方便，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0029] 銅與銀的導(dǎo)電性比較接近，與現(xiàn)有技術(shù)相比本，發(fā)明的鋁合金基復(fù)合材料能夠獲 得氧化率比較低的銅單質(zhì)層，滿足大電流導(dǎo)電部件的使用需要;再者，銅的價格不到銀價格 的二十分之一，采用本發(fā)明的鋁合金基復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的鋁合金鍍銀工藝技術(shù)，經(jīng)濟效 益十分可觀，社會效益更是顯著。
【附圖說明】
[0030] 圖1為實施例1所得鋁合金基復(fù)合材料中涂層橫截面的形貌圖；
[0031] 圖2為實施例1所得鋁合金基復(fù)合材料中功能層(銅涂層)的XRD圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明。
【具體實施方式】 [0033] 中，等離子噴涂采用的是普萊克斯表面技術(shù)公司生產(chǎn)的PARAXAIR 3710型超音速等離子噴涂設(shè)備(Praxair Surface Technologies，TAFA)。
[0034] 實施例1
[0035] 本實施例的鋁合金基復(fù)合材料，包括鋁合金基體，所述鋁合金基體表面從內(nèi)到外 依次附著有粘結(jié)層和功能層，所述粘結(jié)層是由鋁包鎳復(fù)合粉末制成的鋁鎳合金層，所述功 能層為銅涂層。其中，所述粘接層是在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末制成的； 所述功能層是在鋁合金基體的粘接層上等離子噴涂純銅粉末制成的。粘結(jié)層的厚度為50μ m，功能層的厚度為50μηι。
[0036] 本實施例的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，包括下列步驟：
[0037] 1)采用化學(xué)脫脂的方法對鋁合金基體進行表面凈化后，對鋁合金基體表面進行噴 砂粗化;所述噴砂粗化所用的砂為24目剛玉砂，噴射壓力為0.5MPa，噴氣速度為lm 3/min，噴 砂速度為l〇kg/h，噴射角度為90°，噴射距離為30mm，處理時間為60s;
[0038] 2)在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末，等離子噴涂所用的等離子氣體 為氬氣，等離子噴涂過程中，氬氣流量為50L/min，送粉氣流量為40L/min，工作電流為400A， 送粉量為20g/min，噴涂距離為150mm，噴涂角度為85°，噴涂后在鋁合金基體表面形成粘結(jié) 層；
[0039] 3)在鋁合金基體的粘結(jié)層上等離子噴涂純銅粉末，等離子噴涂所用的等離子氣體 為氬氣，等離子噴涂過程中，氬氣流量為50L/min，送粉氣流量為40L/min，工作電流為400A， 送粉量為20g/min，噴涂距離為150mm，噴涂角度為85°，噴涂后在粘接層上形成功能層，即 得。
[0040] 本實施例中，所用的鋁包鎳復(fù)合粉末為Ni66A134復(fù)合粉末，粒度為400目，兩種元 素的質(zhì)量含量多99.5%，具有自粘結(jié)性;所用的純銅粉末是粒度為325目球狀粉末，純度達 99.95%〇
[0041] 本實施例所得鋁合金基復(fù)合材料涂層橫截面的形貌如圖1所示，其中最上層為Cu 涂層，中間為粘結(jié)層，最下方是鋁合金基體，涂層與鋁合金基體形成了十分良好的結(jié)合，經(jīng) 拉伸試驗測得結(jié)合力約為20 · 3MPa。
[0042]圖2為實施例1中，氬氣作為噴涂氣源條件下所得鋁合金基復(fù)合材料中功能層(銅 涂層）的XRD圖。從圖2可以看出，XRD圖譜中主要有五個峰，第一個未標明微小的峰為Cu20， 幾乎可以忽略，其他均是Cu，說明在氬氣保護下，涂層極少被氧化，保證銅涂層的導(dǎo)電性能。 [0043] 實施例2
[0044] 本實施例的鋁合金基復(fù)合材料，包括鋁合金基體，所述鋁合金基體表面從內(nèi)到外 依次附著有粘結(jié)層和功能層，所述粘結(jié)層是由鋁包鎳復(fù)合粉末制成的鋁鎳合金層，所述功 能層為銅涂層。其中，所述粘接層是在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末制成的； 所述功能層是在鋁合金基體的粘接層上等離子噴涂純銅粉末制成的。粘結(jié)層的厚度為50μ m，功能層的厚度為100μπι。
[0045] 本實施例的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，包括下列步驟：
[0046] 1)采用化學(xué)脫脂的方法對鋁合金基體進行表面凈化后，對鋁合金基體表面進行噴 砂粗化;所述噴砂粗化所用的砂為24目剛玉砂，噴射壓力為0.7MPa，噴氣速度為1.5m 3/min， 噴砂速度為l〇kg/h，噴射角度為85°，噴射距離為40mm，處理時間為50s;
[0047] 2)在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末，等離子噴涂所用的等離子氣體 為氬氣，等離子噴涂過程中，氬氣流量為40L/min，送粉氣流量為35L/min，工作電流為500A， 送粉量為30g/min，噴涂距離為150mm，噴涂角度為90°，噴涂后在鋁合金基體表面形成粘結(jié) 層；
[0048] 3)在鋁合金基體的粘結(jié)層上等離子噴涂純銅粉末，等離子噴涂所用的等離子氣體 為氬氣，等離子噴涂過程中，氬氣流量為60L/min，送粉氣流量為45L/min，工作電流為600A， 送粉量為30g/min，噴涂距離為150mm，噴涂角度為90°，噴涂后在粘接層上形成功能層，即 得。
[0049]本實施例中，所用的鋁包鎳復(fù)合粉末中Ni的質(zhì)量百分含量為60%，其余為A1和不 可避免的雜質(zhì)，粒度為300目，兩種元素的質(zhì)量含量多99.5%，具有自粘結(jié)性;所用的純銅粉 末是粒度為600目球狀粉末，純度達99.95 %。
[0050] 實施例3
[0051 ]本實施例的鋁合金基復(fù)合材料，包括鋁合金基體，所述鋁合金基體表面從內(nèi)到外 依次附著有粘結(jié)層和功能層，所述粘結(jié)層是由鋁包鎳復(fù)合粉末制成的鋁鎳合金層，所述功 能層為銅涂層。其中，所述粘接層是在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末制成的； 所述功能層是在鋁合金基體的粘接層上等離子噴涂純銅粉末制成的。粘結(jié)層的厚度為?〇〇μ m，功能層的厚度為150μηι。
[0052]本實施例的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，包括下列步驟：
[0053] 1)采用化學(xué)脫脂的方法對鋁合金基體進行表面凈化后，對鋁合金基體表面進行噴 砂粗化;所述噴砂粗化所用的砂為24目剛玉砂，噴射壓力為0.75MPa，噴氣速度為2m3/min， 噴砂速度為l〇kg/h，噴射角度為75°，噴射距離為50mm，處理時間為45s;
[0054] 2)在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末，等離子噴涂所用的等離子氣體 為氬氣，等離子噴涂過程中，氬氣流量為50L/min，送粉氣流量為45L/min，工作電流為600A， 送粉量為40g/min，噴涂距離為150mm，噴涂角度為90°，噴涂后在鋁合金基體表面形成粘結(jié) 層；
[0055] 3)在鋁合金基體的粘結(jié)層上等離子噴涂純銅粉末，等離子噴涂所用的等離子氣體 為氬氣，等離子噴涂過程中，氬氣流量為40L/min，送粉氣流量為35L/min，工作電流為500A， 送粉量為40g/min，噴涂距離為150mm，噴涂角度為90°，噴涂后在粘接層上形成功能層，即 得。
[0056]本實施例中，所用的鋁包鎳復(fù)合粉末中Ni的質(zhì)量百分含量為70%，其余為A1和不 可避免的雜質(zhì)，粒度為350目，兩種元素的質(zhì)量含量多99.5%，具有自粘結(jié)性;所用的純銅粉 末是粒度為900目球狀粉末，純度達99.95 %。
[0057] 實驗例
[0058]本實驗例對實施例1-3所得鋁合金基復(fù)合材料的電阻率進行檢測。采用四探針法 測量試樣的電阻率，儀器為ST2253型數(shù)字式四探針測試儀。結(jié)果如表1所示。
[0059]表1實施例1-3所得鋁合金基復(fù)合材料的電阻率檢測結(jié)果
[0061]從表1可以看出，實施例1-3所得鋁合金基復(fù)合材料中，功能層(銅涂層）的電導(dǎo)率 約為0.83πιΩ · cm。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明的鋁合金基復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性能，適合 用于制備大電流的導(dǎo)電部件。
【主權(quán)項】
1. 一種鋁合金基復(fù)合材料，其特征在于:包括鋁合金基體，所述鋁合金基體表面從內(nèi)到 外依次附著有粘結(jié)層和功能層，所述粘結(jié)層是由鋁包鎳復(fù)合粉末制成的鋁鎳合金層，所述 功能層為銅涂層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金基復(fù)合材料，其特征在于:所述粘接層是在鋁合金基體 表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末制成的;所述功能層是在鋁合金基體的粘接層上等離子噴 涂純銅粉末制成的。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁合金基復(fù)合材料，其特征在于:所述鋁包鎳復(fù)合粉末的粒度 為300~400目；所述純銅粉末的粒度為325~1000目。4. 一種如權(quán)利要求1所述的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：包括下列步 驟： 1) 將鋁合金基體依次進行表面凈化和噴砂粗化； 2) 在鋁合金基體表面等離子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末制得粘結(jié)層； 3) 在鋁合金基體的粘結(jié)層上等離子噴涂純銅粉末制得功能層，即得。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟1)中，所述 噴砂粗化的噴射壓力為0.5~0.75MPa，噴氣速度為1~2m 3/min，噴砂速度為10kg/h，處理時 間為45~60s。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述噴砂粗化所 用的砂為24目剛玉砂，噴射角度為75°~90°，噴射距離為30~50mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟2)和3)中， 等離子噴涂所用的等離子氣體為氬氣。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟2)中，等離 子噴涂鋁包鎳復(fù)合粉末過程中，氬氣流量為40~50L/min，送粉氣流量為35~45L/min，工作 電流為400~600A，送粉量為20~40g/min。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟3)中，等離 子噴涂純銅粉末過程中，氬氣流量為40~60L/min，送粉氣流量為35~45L/min，工作電流為 400~600A，送粉量為20~40g/min。10. -種如權(quán)利要求1所述的鋁合金基復(fù)合材料在制備導(dǎo)電部件方面的應(yīng)用。
【文檔編號】C23C4/134GK105970147SQ201610395487
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】李寶增, 張楠楠, 林生軍, 袁端鵬, 張柳麗, 李繼承, 羅軍, 張穎杰
【申請人】平高集團有限公司, 國家電網(wǎng)公司