冷噴涂Cu基復(fù)合涂層的沉積行為與耐腐蝕性能

張夢清 喬玉林 張仲 張偉 于鶴龍

摘 ? 要：以商用Cu基復(fù)合粉末為原料，采用冷噴涂技術(shù)在紫銅基體上制備了Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層。利用場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡、X射線衍射儀、三維形貌儀表征了涂層的微觀組織、物相分布及耐腐蝕性能。

關(guān)鍵詞：冷噴涂;Cu涂層;鹽霧腐蝕

銅合金具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及抗腐蝕特性，在電子電路、航天、航海、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。常用的銅基涂層制備技術(shù)包括電沉積、熱噴涂、冷噴涂、激光熔覆、等離子熔覆等[2]。冷噴涂技術(shù)通過超低溫保護性氣體將顆粒加速至高速（300～1 200 m/s），并沉積在基板上。與其他技術(shù)相比，冷噴涂由于具有低溫和高沖擊速度的特點，可以制備厚而致密的涂層，且具有低孔隙率和低氧化性特征[3-4]。利用冷噴涂技術(shù)制備銅基功能涂層，用于零件增材制造及再制造，近年來成為相關(guān)領(lǐng)域研究熱點[5]。

本文采用冷噴涂方法在紫銅基體上制備了Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層，研究了涂層微觀結(jié)構(gòu)、物相組成及中性鹽霧腐蝕條件下的耐腐蝕性能。

1 ? ?實驗材料與方法

1.1 ?材料與方法

冷噴涂粉末為商用Cu基復(fù)合粉末，粉末成分為Cu=81.99%，Ti=14.64%，B4C=3.37%，粒度為325 目。基體采用未經(jīng)任何熱處理的紫銅，尺寸為100 mm×100 mm。噴涂前對基體進行噴砂處理，用乙醇清洗后，壓縮空氣吹干。

冷噴涂設(shè)備為CS2000型冷噴涂控制單元，噴涂參數(shù)如表1所示。實驗時，將基體用夾具固定，采用ABB Foundry Plus機械手控制夾具移動，在基體上制備純Cu涂層打底，而后在純Cu涂層上繼續(xù)制備Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層。

1.2 ?表征

冷噴涂實驗結(jié)束后，將涂層線切割并熱鑲，機械打磨拋光后制得復(fù)合涂層金相分析試樣。采用FEI Nova NanoSEM 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope，F(xiàn)ESEM）及自帶能譜儀對涂層金相樣品進行形貌和微觀組織分析，采用Bruker D8型X射線衍射儀對熔覆后涂層表面進行物相分析（Cu靶λ=0.154 06 nm），采用YMX-150型鹽霧腐蝕試驗箱測試涂層在中性鹽霧條件下的抗腐蝕性能（3.5%NaCl溶液，鹽霧腐蝕500 h）。

2 ? ?結(jié)果與討論

2.1 ?顯微結(jié)構(gòu)與成分

圖1為Cu-Ti-B4C粉末與噴涂后制得復(fù)合涂層的XRD圖譜。可以看出，Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層的衍射峰與涂層粉末成分基本一致，說明冷噴涂過程中Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層未發(fā)生反應(yīng)。涂層中未發(fā)現(xiàn)氧化物峰的存在，說明冷噴涂過程中粉末未發(fā)生明顯的氧化。

圖2為Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層的截面形貌SEM照片。可以看出，涂層內(nèi)部結(jié)合致密，孔隙率較低。涂層厚度約為500 μm，與基體總體結(jié)合良好，用圖像法計算涂層的孔隙率約為1.02%，說明冷噴涂Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層具有良好的致密性。為確定涂層內(nèi)部各組織的成分構(gòu)成，對涂層截面進行EDS線掃描，其結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，涂層中主要元素為Cu，Ti，C。涂層EDS掃描中未發(fā)現(xiàn)O，說明冷噴涂過程中粒子氧化燒蝕較少。涂層內(nèi)部深色顆粒為Ti，呈彌散均勻分布趨勢。由于選區(qū)原因，涂層線掃描中未發(fā)現(xiàn)明顯的B元素衍射峰，這可能與涂層中B元素量較低有關(guān)。

2.2 ?抗鹽霧腐蝕性能

圖4為Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層的中性鹽霧腐蝕500 h前后涂層表面的SEM及EDS面掃描對比。從圖4a中可以看出，鹽霧腐蝕前涂層表面光滑潔凈，可以看到明顯的塑性成形沉積特征。EDS結(jié)果表明（見圖4c），此時涂層中主要成分以Cu、Ti為主，含O量很少。經(jīng)過500 h，中性鹽霧腐蝕后，涂層表面形貌發(fā)生明顯變化，涂層變暗，表面存在點蝕痕跡，并附著有晶體。對鹽霧腐蝕后的涂層表面進行EDS分析，結(jié)果如圖4d所示，涂層成分以Cu，O，Na為主，含O量大大增加，說明涂層表面發(fā)生了明顯的氧化。用稱重法計算涂層中性鹽霧腐蝕500 h前后重量變化，取5組數(shù)據(jù)的平均值，涂層平均質(zhì)量增加約0.138 6 g。

3 ? ?結(jié)語

（1）采用冷噴涂方法在紫銅基體上制備了Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層。涂層內(nèi)部結(jié)合致密，孔隙率約為1%，與基體界面結(jié)合良好，噴涂中未發(fā)生明顯的氧化。

（2）Cu-Ti-B4C復(fù)合涂層的中性鹽霧腐蝕500 h后，涂層表面出現(xiàn)點蝕和氧化物，涂層平均質(zhì)量增加約0.138 6 g。

[參考文獻]

[1]徐濱士.再制造工程基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[2]陳正涵，孫曉峰，李占明，等.鎳鋁青銅基冷噴涂Cu4O2F與Cu涂層的力學(xué)性能[J].材料導(dǎo)報，2018，32（10）：1 618-1 622.

[3]陳正涵，孫曉峰，李占明，等.冷噴涂Cu4O2F涂層激光重熔表面改性后摩擦學(xué)行為[J].表面技術(shù)，2017，46（10）：161-167.

[4]孫曉峰，陳正涵，李占明，等.用于大型船舶螺旋槳再制造的冷噴涂Cu4O2F涂層[J].中國表面工程，2017，30（3）：159-166.

[5]丁 ? 銳，李相波，王 ? 佳，等.冷噴涂Cu-Cu2O涂層防污機理研究—機理討論[J].涂料工業(yè)，2014，44（7）：5-12.