爆炸壓涂制備銅涂層的性能＊

杜長星，趙 錚，陶 鋼，王金相

（1.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京210094；2.南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇 南京210094）

涂層制備技術(shù)是表面工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，目前各種耐磨、耐高溫、耐燒蝕、光敏、氧敏、絕緣涂層廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、機(jī)械、電子、船舶、汽車、建筑等領(lǐng)域。現(xiàn)有涂層制備技術(shù)主要為熱噴涂［1－2］、冷噴涂［3］、激光熔覆［4］、化學(xué)沉積［5］等，這些方法均需專用設(shè)備且噴涂效率較低，大面積涂層制備成本高昂，限制了材料的進(jìn)一步應(yīng)用。爆炸壓涂是一種全新的爆炸加工技術(shù)，它是利用炸藥爆轟產(chǎn)生的高壓驅(qū)動金屬板高速撞擊粉末，使粉末在得到壓實(shí)的同時牢固地附著在金屬板表面形成涂層的加工技術(shù)［6－7］。

銅具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，在電氣和制冷工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。另外，銅具有很好的延展性，是典型的韌性金屬。本文中，對銅涂層進(jìn)行爆炸壓涂研究，介紹爆炸壓涂技術(shù)的具體實(shí)施工藝，利用爆炸壓涂技術(shù)在銅基板上制備銅涂層，測量涂層的孔隙率、硬度和氧化程度。

1 爆炸壓涂技術(shù)

爆炸壓涂與現(xiàn)有的爆炸加工技術(shù)如爆炸焊接［8］、爆炸噴涂和爆炸壓實(shí)［9］，有著本質(zhì)上的不同：爆炸焊接是實(shí)現(xiàn)金屬板之間的結(jié)合，而爆炸壓涂是實(shí)現(xiàn)粉末與板之間的結(jié)合；爆炸噴涂需要噴槍等專用設(shè)備，而爆炸壓涂不需專用設(shè)備；爆炸壓實(shí)是將粉末制成塊體材料，而爆炸壓涂是將粉末制成涂層。

爆炸壓涂的實(shí)驗裝置非常簡單，如圖1所示。粉末裝在鐵槽內(nèi)，放置在堅實(shí)的地面上，利用支架將金屬板支撐在粉末上方，使金屬板與粉末平行，兩者之間的間隙稱為炸高。炸藥平鋪在金屬板上表面，雷管安裝在炸藥左端中心位置。起爆后爆轟波向右側(cè)傳播，金屬板在爆轟產(chǎn)物驅(qū)動下向下方飛行，與粉末高速撞擊后，將粉末壓實(shí)，同時粉末涂覆在金屬板下表面，形成涂層。

爆炸壓涂屬于冷噴涂，不需要對金屬板和粉末進(jìn)行預(yù)加熱。這不僅簡化了工藝，而且避免了熱噴涂技術(shù)預(yù)加熱粉末造成的晶粒長大或氧化，所以爆炸壓涂不但可以制備常規(guī)的金屬或非金屬涂層，還適合制備納米、非晶和氧敏涂層。爆炸壓涂利用炸藥爆轟驅(qū)動金屬板飛行，撞擊速度可達(dá)幾千米每秒，而其他冷噴涂技術(shù)利用高壓氣體驅(qū)動粉末飛行，撞擊速度不超過一千米每秒，因此爆炸壓涂在制備難結(jié)合的高硬度涂層時比現(xiàn)有冷噴涂技術(shù)更具優(yōu)勢。

圖1 爆炸壓涂裝置示意圖Fig.1 Arrangement of explosive compaction－coating

2 銅涂層爆炸壓涂實(shí)驗

采用膨化硝銨炸藥，密度為1.0g／cm3，爆速為3 200m／s，裝藥厚度為25mm。銅板為工業(yè)T2紫銅板，尺寸為400mm×200mm×2mm。銅粉為霧化法制取的球狀銅粉，粒度為100～150μm，厚度為2mm。通過爆炸壓涂實(shí)驗［10］得出碰撞速度為900m／s時，銅涂層品量最優(yōu)，因此設(shè)置炸高為10mm。爆炸壓涂前銅板表面進(jìn)行了打磨處理，使其表面具有一定的粗糙度，有利于與銅粉的結(jié)合。銅粉的表面形貌如圖2所示。粉末的表面形貌直接影響粉末的松裝密度，影響粉末顆粒之間的結(jié)合及涂層的整體性能。從圖2中可以看出，粉末顆粒球形度較好，粒度較均勻。

圖2 銅粉的表面形貌Fig.2 Morphology of copper powder

2.1 涂層樣品的組織形貌

圖3為光學(xué)顯微鏡下和掃描電鏡下的涂層斷面形貌。涂層有明顯的層次結(jié)構(gòu)，大概由6層顆粒組成，厚度均勻，為約280μm。銅粉與銅板結(jié)合緊密，無明顯孔隙和裂紋。爆炸壓涂時，炸藥爆炸形成的高壓驅(qū)動銅板高速撞擊銅粉，銅粉顆粒發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，流動堆垛，形成了機(jī)械咬合。銅粉顆粒整體尺寸仍保持100～150μm，說明銅粉顆粒在爆炸壓涂時既沒有整體熔化，也沒有長大。

圖3 涂層斷面顯微結(jié)構(gòu)Fig.3 Cross－sectional metallographs of coating

2.2 涂層的孔隙率

圖4為掃描電鏡下的涂層表面形貌，可見涂層表面分布著少量的微小孔洞和裂紋，孔隙的數(shù)量直接反映涂層的密實(shí)程度。涂層的孔隙率高，則表示密實(shí)程度小。另外，涂層的孔隙率是衡量涂層表面品量和力學(xué)性能的重要參數(shù)之一，通常可以用定量截線法［11］在顯微結(jié)構(gòu)圖上得到。在圖3（b）上用截線法測得銅涂層的平均孔隙率為約2%。常規(guī)冷噴涂方法在預(yù)熱330℃下，制備的銅涂層孔隙率在1%～15%［12－13］。由此可見，爆炸壓涂制備的銅涂層比冷噴涂制得的銅涂層更致密。這是因為，爆炸壓涂時炸藥驅(qū)動銅板的速度可以達(dá)到900m／s，而冷噴涂時噴槍加速粉末顆粒的速度一般只有600m／s［14］。粉末與基板的碰撞速度越高，粉末顆粒的變形就越大，就能更好地填充粉末間的空隙，涂層的孔隙率也就越低。如果對爆炸壓涂制備的銅涂層進(jìn)行后續(xù)熱處理，可以進(jìn)一步消除孔隙，得到幾乎無孔隙的優(yōu)質(zhì)涂層。

圖4 涂層表面形貌Fig.4 Morphology of coating

2.3 涂層的硬度

涂層的硬度也是衡量涂層品量和性能的重要參數(shù)。為了測量涂層斷面的顯微硬度，在距離涂層表面50～150μm，隨機(jī)選取4點(diǎn)進(jìn)行測量，取平均值作為顯微硬度。采用兩對面角為136°的正四棱角錐體的金剛石壓頭進(jìn)行測試，通過測量壓痕的對角線長度，計算顯微維氏硬度。根據(jù)壓痕尺寸，選取載荷為50g，加載時間為15s，觀察的放大倍數(shù)為500。對于冷軋銅板的硬度，也用相同的方法進(jìn)行測試，兩者的結(jié)果對比見表1。表中，hV0.05，coating和hV0.05，plate分別為涂層和銅板的顯微硬度。

涂層的硬度與孔隙率密切相關(guān)，涂層的硬度越大，孔隙率越小。由表1可見，銅涂層的硬度已經(jīng)接近冷軋銅板的硬度，說明制備的銅涂層非常致密，孔隙率很低。這也驗證，截線法測得的孔隙率較準(zhǔn)確。

表1 涂層和銅板的顯微硬度Table 1 Microhardness of coating and copper plate

2.4 涂層的氧化程度

表2顯示了銅粉和涂層表面的能譜分析結(jié)果。銅粉中銅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.11%，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.53%，涂層中銅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.03%，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.48%。在制備涂層前后，氧元素增加了0.95%，由于能譜分析是半定量的測試手段，對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%的元素，其測量誤差在±3%，所以可以認(rèn)為氧元素并未增加。涂層中氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，說明在爆炸壓涂過程中銅粉沒有發(fā)生氧化。其原因有：（1）碰撞前銅粉沒有進(jìn)行預(yù)加熱，所以不會發(fā)生氧化；（2）碰撞時雖然沖擊波和塑性變形會使銅粉升溫，但是碰撞過程是瞬時的，銅粉來不及氧化就形成了涂層。爆炸壓涂方法制備的涂層不會發(fā)生氧化現(xiàn)象，所以可以使用這種技術(shù)制備氧敏感特性涂層［15］（如TiO2）。

表2 銅粉末和涂層的元素組成Table 2 Element composition of powder and coating

3 結(jié) 論

通過對爆炸壓涂制備的銅涂層進(jìn)行測試分析，得出如下結(jié)論：

（1）銅涂層厚度均勻，孔隙率為約2%，顯微硬度接近軋制銅板的硬度，表明爆炸壓涂制備的銅涂層具有較好的致密性。

（2）銅粉在形成涂層的過程中氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有增加，表明爆炸壓涂時銅粉沒有發(fā)生氧化，說明爆炸壓涂技術(shù)適用于制備氧敏感韌性金屬涂層。

［1］Kim J H，Yang H S，Baik K H，et al.Development and properties of nanostructured thermal spray coatings［J］.Current Applied Physics，2006，6（6）：1002－1006.

［2］Matthews S，James B，Hyland M.The role of microstructure in the mechanism of high velocity erosion of Cr3C2－NiCr thermal spray coatings：As－sprayed coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2009，203（8）：1086－1093.

［3］Klinkov S V，Kosarev V F，Sova A A，et al.Deposition of multicomponent coatings by cold spray［J］.Surface and Coatings Technology，2008，202（4）：5858－5862.

［4］Yue T M，Huang K J，Man H C.Laser cladding of Al2O3coating on aluminium alloy by thermite reactions［J］.Surface and Coatings Technology，2005，194（2／3）：232－237.

［5］Izumi H，Machida K，Iguchi M，et al.Zinc coatings on Sm2Fe17Nxpowder by photoinduced chemical vapour deposition method［J］.Journal of Alloys and Compounds，1997，261（1／2）：304－307.

［6］趙錚，陶鋼.雙金屬復(fù)合板的新制備工藝：爆炸壓涂［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2008，23（5）：48－51.Zhao Zheng，Tao Gang.Spray technology for preparation of double metal clad plate：Explosive compaction［J］.Development and Application of Materials，2008，23（5）：48－51.

［7］趙錚，杜長星，陶鋼，等.板－粉雙層復(fù)合材料的爆炸壓涂制備技術(shù)［J］.材料導(dǎo)報，2009，23（7）：95－97.Zhao Zheng，Du Chang－xing，Tao Gang，et al.Explosive compact－coating preparation technology of plate－powder double layer composites［J］.Materials Review，2009，23（7）：95－97.

［8］李曉杰，莫非，閆鴻浩，等.爆炸焊接斜碰撞過程的數(shù)值模擬［J］.高壓物理學(xué)報，2011，25（2）：173－176.Li Xiao－jie，Mo Fei，Yan Hong－h(huán)ao，et al.Numerical simulation of the oblique collision in explosive welding［J］.Chinese Journal of High Pressure Physics，2011，25（2）：173－176.

［9］張越舉，李曉杰，趙錚，等.納米γ－Al2O3陶瓷粉末的預(yù)熱爆炸壓實(shí)實(shí)驗研究［J］.爆炸與沖擊，2008，28（3）：220－223.Zhang Yue－ju，Li Xiao－jie，Zhao Zheng，et al.On the preheated explosive consolidation of nanometerγ－Al2O3ceramic powders［J］.Explosion and Shock Waves，2008，28（3）：220－223.

［10］Du C X ，Zhao Z，Tao G.Explosive compaction－coating manufacture large area coat［J］.Advanced Materials Research，2011，189：1014－1017.

［11］Diaz P，Edirisinghe M J，Ralph B.Microstructural changes and phase transformations in a plasma－sprayed zirconia－yttria－titania thermal barrier coating［J］.Surface and Coatings Technology，1996，82（3）：284－290.

［12］陳輝，鄭濤，代雙賀.鋼基冷噴銅涂層與軋制覆銅板性能對比［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，26（1）：180－183.Chen Hui，Zheng Tao，Dai Shuang－h(huán)e.Properties comparison between steel－based cold－sprayed copper coating and copper clad laminate［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2010，26（1）：180－183.

［13］Seo D，Ogawa K，Sakaguchi K，et al.Parameter study influencing thermal conductivity of annealed pure copper coatings deposited by selective cold spray processes［J］.Surface and Coatings Technology，2012，206（8／9）：2316－2324.

［14］郭輝華，周香林，巫湘坤，等.幾種金屬基板上冷噴涂銅涂層的試驗與模擬［J］.材料熱處理學(xué)報，2009，30（6）：158－163.Guo Hui－h(huán)ua，Zhou Xiang－lin，Wu Xiang－kun，et al.Preparation and simulation of cold sprayed copper coating on metal substrate［J］.Transactions of Materials and Heat Treatment，2009，30（6）：158－163.

［15］Sharma R K，Bhatnagar M C，Sharma G L.Mechanism of highly sensitive and fast response Cr doped TiO2oxygen gas sensor［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，1997，45（3）：209－215.