空氣超音速火焰噴涂、冷噴涂與電鍍制備電觸頭銀層的組織結(jié)構(gòu)與摩擦磨損性能對比

何學(xué)敏，王 欣，史皓峻，楊海亮，王貴山，秦加浩，所新坤

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006；2.寧波市江北九方和榮電氣有限公司，浙江 寧波 315033；3.寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 前 言

電觸頭是特高壓輸變電設(shè)備中起控制線路通斷作用的重要元器件[1, 2]，其表面涂覆有導(dǎo)電涂層，電觸頭涂層的壽命直接影響電觸頭的使用壽命[3, 4]?，F(xiàn)有的電觸頭涂層材料有鎢、鉬、銅、貴金屬銀及其合金等, 采用電鍍、粉末冶金、反應(yīng)合成等工藝方法在基體表面制備涂層[5-8]。目前，南方電網(wǎng)使用的電觸頭涂層主要為采用電鍍工藝(Electroplating, EP)制備的銀涂層[9]，目前主要存在涂層厚度薄、耐磨性能差等問題[10, 11]。研究表明，電觸頭的局部磨損將使電觸頭與隔離開關(guān)的機械配合程度變差，增大接觸點的接觸電阻[12]，使涂層局部溫度增加，加速涂層氧化，使銀涂層的耐磨性能進一步惡化，最終暴露出基體材料導(dǎo)致觸頭報廢[13, 14]。因此，采用新的涂層技術(shù)制備厚的、耐磨性好的觸頭銀涂層，是輸變電行業(yè)的共性需求。

熱噴涂技術(shù)可以在大面積基體表面高效率地制備較厚的涂層，并通過噴涂方法和工藝參數(shù)優(yōu)化，獲得高性能涂層，這為在電觸頭表面制備較厚的耐磨涂層打開了新思路[15-18]。近年來，空氣超音速火焰噴涂(High Velocity Air Fuel, HVAF)[19-22]和冷噴涂(Cold Spray, CS)[23-26]技術(shù)的大量研究，讓低成本制備高耐磨的厚涂層成為了可能。因此，本工作采用空氣超音速火焰噴涂和冷噴涂在銅觸頭表面制備了銀涂層，研究并比較了涂層的組織結(jié)構(gòu)與摩擦磨損性能，為電觸頭表面銀涂層的制備提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料

采用純銀粉末作為原材料，銀粉末呈球形，粒徑范圍為13～43 μm。采用尺寸為30 mm×40 mm×2 mm不銹鋼板作為基體，基體在噴涂之前，采用噴砂處理，去除表面氧化層并增大表面粗糙度。

1.2 涂層制備

采用Diamond Jet 2700-hybrid商用空氣超音速火焰噴涂系統(tǒng)和Kinetics 4000冷噴涂系統(tǒng)制備銀涂層，空氣超音速火焰噴涂和冷噴涂的示意如圖1所示。在空氣超音速火焰噴涂中(圖1a)，燃料和空氣燃燒產(chǎn)生高溫，使顆粒熔化或半熔化，同時高壓空氣通過拉法爾噴嘴產(chǎn)生高速，熔化或半熔化的顆粒被高速氣流加速，高速撞擊到基體表面形成涂層。冷噴涂的原理如圖1b所示，高壓氣體被加熱至300～1 100 ℃，高溫高壓氣體通過拉法爾管產(chǎn)生高速，固態(tài)粉末經(jīng)高速氣流加速后，高速撞擊到基體表面，通過塑性變形形成涂層?？諝獬羲倩鹧鎳娡抗に噮?shù)如下：O224.2 m3/h，C3H88.90 m3/h，載氣N21.13 m3/h，壓縮空氣29.3 m3/h，送粉速率 25.0 g/min。冷噴涂工藝參數(shù)如下：氣體溫度500 ℃，噴涂壓力3.2 MPa，噴涂距離 20.0 mm，送粉速率 2.8 r/min。采用目前電網(wǎng)采購的電鍍銀涂層作為對比。電鍍、空氣超音速火焰噴涂和冷噴涂分別縮寫為EP、HVAF和CS。

圖1 空氣超音速火焰噴涂和冷噴涂的示意[27]

1.3 測試分析

采用Quanta FEG250掃描電子顯微鏡(SEM)對涂層表面、橫截面以及摩擦磨損后涂層的表面形貌進行了觀察和表征，并采用能譜儀(EDS)對試樣磨損表面的主要元素組成進行測定。

利用HXD-1000TMC/LCD顯微硬度計對涂層的硬度進行表征，測試載荷為2 N，加載時間15 s，每個樣品測試5個點，取平均值，以確保結(jié)果的可重復(fù)性。

利用HSR-2M球盤式高速往復(fù)摩擦磨損試驗機評價了涂層的摩擦磨損性能，選用直徑為5 mm的Si3N4球作為摩擦副。測試環(huán)境溫度為27 ℃，濕度為65%，磨損時間為30 min，載荷1～5 N，摩擦振幅為5 mm，往復(fù)頻率5～15 Hz。試驗前采用去離子水和乙醇分別超聲清洗涂層表面10 min。每組樣品重復(fù)3次，以確保結(jié)果的可重復(fù)性。摩擦系數(shù)由儀器自動記錄，磨損量采用UP-Lambda2型3D光學(xué)輪廓儀直接測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)

電鍍銀層、空氣超音速火焰噴涂銀層和冷噴涂銀層的橫截面SEM形貌如圖2所示。從圖2a中可以看出，電鍍法制備的銀鍍層與基體間界面清晰，界面處結(jié)合致密，無缺陷，說明銀鍍層與基體結(jié)合較好；同時銀鍍層具有較為平整的表面和緊密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從圖2b中可以看出，空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層與基體有著明顯的界面，結(jié)合緊密，無空洞和裂紋；界面處基體存在一定形變，并可發(fā)現(xiàn)黑色多角形區(qū)域，這分別是由噴砂造成基體表面粗化和噴砂顆粒殘留造成的[28]。空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的孔隙，這說明空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層內(nèi)部結(jié)合較好。與電鍍和空氣超音速火焰噴涂不同，冷噴涂層受涂層與基體材料熱膨脹系數(shù)和塑性變形能力的制約，需要在銀涂層與基體之間制備一層過渡層，過渡層為30 μm的鎳涂層，如圖2c所示。從圖2c中可以看出，Ag與Ni及Ni與基體之間存在著明顯的界面，且界面處存在裂紋。Ag層內(nèi)部較為致密，無明顯空隙和裂紋[29]。圖2中還可以看出，電鍍銀層的厚度最薄，僅為8 μm，而空氣超音速火焰噴涂和冷噴涂制備的銀涂層厚度均超過100 μm。

圖2 電鍍、空氣超音速火焰噴涂和冷噴涂制備的銀層橫截面SEM形貌

圖3為3種涂層的表面形貌。從圖中可以看出，電鍍銀層表面光潔度最好，而HVAF和CS試樣表面均存在不同程度的凹凸結(jié)構(gòu)。從圖3b中可以看出，空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層表面存在2種結(jié)構(gòu)，一種為小的球形顆粒，一種為凸起結(jié)構(gòu)，分別如粗箭頭和細箭頭所示，這說明噴涂過程中顆粒發(fā)生部分熔化，半熔化的銀顆粒撞擊基體形成涂層[28]。從圖3c中可以看出，冷噴涂制備的銀涂層表面銀粒子呈現(xiàn)典型的塑性變形結(jié)構(gòu)，說明冷噴涂工藝的溫度沒有達到銀的熔點，并未使銀粒子發(fā)生熔融，銀顆粒依靠塑性變形形成涂層[30]。

圖3 3種銀層的表面SEM形貌

2.2 涂層顯微硬度

對3種涂層進行顯微硬度表征，結(jié)果表明冷噴涂層具有最高的硬度，其表面平均硬度達到了137.2 HV2 N，與純銀塊材相比，硬度有較大提升。冷噴涂過程中，銀顆粒隨氣流高速撞擊基體而產(chǎn)生劇烈的塑性形變，使涂層發(fā)生了加工硬化，硬度提高[31]；電鍍銀層的平均硬度為100.9 HV2 N；空氣超音速火焰噴涂制備的涂層呈現(xiàn)最低的顯微硬度，平均硬度僅有 66.8 HV2 N，這可能是由于空氣超音速火焰噴涂工藝在制備涂層過程中，較高的工藝溫度使涂層發(fā)生了原位退火，造成涂層硬度下降[19]。

2.3 涂層摩擦磨損性能

圖4顯示了3種涂層在5 Hz頻率、不同載荷(1.0，2.5，5.0 N)下的摩擦磨損性能。由于電鍍銀層在2.5 N載荷條件下被磨穿，故其摩擦系數(shù)及磨損量只保留載荷為1.0 N時的測試結(jié)果。電鍍銀層的失效說明了鍍層將在低頻、低載荷下發(fā)生快速失效而使器件報廢。在所選載荷范圍內(nèi)，銀涂層的摩擦系數(shù)隨著載荷的增大呈現(xiàn)輕微下降的趨勢，磨損量隨著載荷的增大而增大。當載荷較低時，冷噴涂銀層的摩擦系數(shù)高于空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層，這是因為冷噴涂層表面存在較大的粗糙度；而隨著載荷的升高，冷噴涂層的摩擦系數(shù)明顯降低，載荷為5.0 N時的摩擦系數(shù)(0.451)相對于載荷為1.0 N時(1.104)下降了59.13%，這說明當涂層表層被磨掉后，涂層硬度和內(nèi)部致密程度對摩擦系數(shù)起主要影響作用。從圖4b中可以看出，隨著載荷不斷升高，冷噴涂層和空氣超音速火焰噴涂層的磨損量都隨之增加。同時，在不同的載荷下，冷噴涂層的磨損量均小于空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層，這說明在低頻情況下，無論載荷大小，冷噴涂層都具有更優(yōu)異的耐磨性能，這可以歸結(jié)于冷噴涂層較高的硬度。

圖4 載荷對涂層摩擦系數(shù)和磨損量的影響

實際實用情況下，隔離開關(guān)發(fā)生快速關(guān)合，還需要考慮不同往復(fù)頻率對涂層摩擦磨損性能的影響。圖5呈現(xiàn)了在5.0 N載荷條件下、不同往復(fù)頻率(5，10，15 Hz)對涂層摩擦系數(shù)和磨損量的影響規(guī)律。從圖5中可以看出，隨著往復(fù)頻率的升高，摩擦系數(shù)降低，磨損量升高。從圖5a中可以看出，冷噴涂銀層的摩擦系數(shù)一直低于空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層的摩擦系數(shù)，這說明冷噴涂銀層在不同頻率下均表現(xiàn)出較為優(yōu)異的摩擦性能；當頻率達到15 Hz時，冷噴涂層的摩擦系數(shù)達到最小值0.40，僅為空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層(0.48)的83%，同時，冷噴涂層的磨損量為1.565×10-2mm2)，僅為空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層(6.581×10-2mm2)的24%。

圖5 往復(fù)頻率對涂層摩擦系數(shù)和磨損量的影響規(guī)律

圖6為電鍍銀層在2.5 N載荷、5 Hz頻率條件下、HVAF空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層在2.5 N載荷、10 Hz頻率條件下和冷噴銀涂層在5.0 N載荷、5 Hz頻率條件下的典型磨痕表面形貌。從圖6a中可以看出，在低速、低載荷條件下電鍍銀層磨痕較寬，并且在中心部位存在著大面積的黏著磨損特征。從圖6b，6c中可以看出，空氣超音速火焰噴涂層和冷噴涂層表面呈現(xiàn)垂直磨痕方向的裂紋，這說明空氣超音速火焰噴涂層和冷噴涂層都發(fā)生了疲勞磨損。由于摩擦副與涂層之間的作用，導(dǎo)致涂層不斷受到拉扯和擠壓，這一過程使涂層表面發(fā)生嚴重的脆性斷裂和分層，開始出現(xiàn)垂直于磨痕方向的裂紋，隨著摩擦過程的進一步進行，裂紋不斷擴展，進而引發(fā)明顯的表面疲勞現(xiàn)象[21]。

圖6 3種涂層的磨損形貌SEM形貌

3 結(jié) 論

(1)空氣超音速火焰噴涂和冷噴涂可制備厚涂層，涂層高厚度有利于涂層服役壽命的延長。

(2)與電鍍銀層相比，空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層和冷噴銀涂層呈現(xiàn)更好的耐磨性能。在高頻、高載荷條件下冷噴涂層比空氣超音速火焰噴涂層具有更低的摩擦系數(shù)和更小的磨損量。當載荷達到5.0 N，頻率達到15 Hz時，冷噴涂銀層的摩擦系數(shù)為空氣超音速火焰噴涂層的83%，磨損量為空氣超音速火焰噴涂層的24%。

(3)電鍍銀層的磨損失效機制主要為黏著磨損，空氣超音速火焰噴涂制備的銀涂層和冷噴銀涂層的磨損失效機制主要為疲勞磨損。