一种Cu／Ti3SiC2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法与流程

一种cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法
技术领域
1.本发明涉及金属基陶瓷复合材料制备技术领域，具体为一种冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基陶瓷复合块体材料或涂层的方法。


背景技术：

2.金属银、铜因具有优良的导电、导热性以及抗电弧侵蚀性能，被广泛应用于电接触材料中。而铜基材料成本低，具有很大的应用前景。目前，常用的铜基电接触材包括graphite/copper、carbon fiber/copper、cu/meo、cu/w等。ti3sic2做为一种max相陶瓷，具有高弹性模量、屈服强度和断裂韧性，高熔点、热稳定性、高温抗氧化性，具有良好的导电导热性，低的热膨胀系数，加上其独特的层状结构，使得它成为高强高导材料及电接触材料的理想增强相，引起了广泛的关注。
3.传统制备cu/ti3sic2复合材料的方法有热压烧结、sps烧结、热喷涂等。这些制备方法由于温度过高会导致ti3sic2的分解，引发相变、化学反应等现象，从而导致复合材料的导电性能降低。且上述制备过程复杂，成本高，尺寸有限制。
4.冷喷涂是近年来发展起来的新型喷涂技术，该方法通过高速固态粒子与基体发生碰撞产生塑性变形而形成涂层。利用低温预热的高压气体携带粉末颗粒经缩放型拉瓦尔喷管产生超音速气-固两相流，可使颗粒加速到非常高的速度；撞击过程中颗粒一部分动能在瞬间转化为热能，接触界面局域温度瞬间升高，发生绝热剪切失稳，产生金属射流及射流混合，然后迅速冷却产生冷焊作用；后续高动能颗粒重复这一过程并通过夯实作用最终形成致密材料。冷喷涂由于喷涂温度低，喷涂过程中材料不易氧化，制备的材料能够保持原始的设计成分，且制备的材料密度高，孔隙率低。


技术实现要素：

5.针对cu/ti3sic2金属基复合材料现有制备技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，开辟一种新的制备cu/ti3sic2复合材料的有效途径，以期取得广泛的实际应用。
6.本发明技术方案如下：
7.一种cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，主要步骤为：
8.(1)cu/ti3sic2粉末的制备
9.将金属铜粉和ti3sic2陶瓷粉末按照不同的质量配比混合均匀，将混合均匀的复合粉末置于烘箱中进行干燥；
10.(2)冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基陶瓷复合块体材料或涂层
11.喷涂前对金属铜或合金基体进行喷砂处理和超声波清洗，喷涂时将基体固定在三维数控移动工作平台上，喷枪固定在三维数控移动工作平台的正上方，然后进行冷喷涂制备得到cu/ti3sic2金属基陶瓷复合块体材料或者涂层；
12.冷喷涂工艺参数为：使用的载流气体为压缩空气，气体温度在200～600℃之间，气
体压力为1.0～2.5mpa，喷涂距离为10～60mm，制备块体材料或涂层的厚度取决于喷涂时间。
13.所述的cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，采用机械球磨法制备cu/ti3sic2混合粉末，金属铜粉和ti3sic2陶瓷粉末的质量配比为1:1～1:10。
14.所述的cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，采用机械球磨法制备cu/ti3sic2混合粉末时，采用滚动球磨机，球磨罐为聚酯罐，球磨介质为聚酯磨球，球料质量比1:1～1:10。
15.所述的cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，金属铜粉的粒度范围为1～40μm，ti3sic2陶瓷粉末粒度范围为1～50μm。
16.所述的cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料孔隙率低于2％，cu/ti3sic2金属基陶瓷复合块体材料厚度1～10mm，cu/ti3sic2金属基陶瓷复合涂层厚度为0.01～0.3mm。
17.本发明的设计思想是：
18.因为cu基复合材料因其良好的导电、导热性能，被广泛应用于电接触材料当中，而单一的铜并不能满足电接触材料的性能要求，而ti3sic
2 max相陶瓷具有高硬度、良好的导电性、导热性，因其独特的层状结构，能够起到减摩耐磨的作用，是一种良好的电接触材料的增强相。冷喷涂作为一种制备涂层和块体材料的一种方法，要求所需材料具有优异的塑性变形能力，且喷涂过程温度始终保持在熔点温度以下，不会引起材料的相变和氧化，而铜具有优良的塑型变形能力，且熔点不高，用其他制备方法容易引起铜与增强相的反应或者铜的氧化，而冷喷涂可以完美解决这个问题。另外，冷喷涂制备过程简单，成本低廉，可制备尺寸大的块体材料，便于量产以及后续的加工。综上所述，冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基复合材料具有广阔的应用前景。
19.本发明结合陶瓷与金属两种材料各自的本征优点，通过机械球磨将cu和ti3sic2粉末混合均匀，采用冷喷涂固态沉积技术，在纯铜基体或其他合金基体上制备cu/ti3sic2复合块体材料或涂层。
20.本发明的优点及有益效果为：
21.(1)本发明借助球磨技术得到由cu/ti3sic2混合均匀的金属基陶瓷粉体，仅使用压缩空气为载气，就能用冷喷涂制备厚度为1～10mm的cu/ti3sic2金属基陶瓷块体复合材料，或者在金属基体上制备厚度0.01～0.3mm的金属基陶瓷涂层复合材料。该方法沉积效率高，可根据实际使用情况随意调节cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的厚度，可以用来制备尺寸范围广泛的cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料。
22.(2)本发明工艺简单，适合工业化生产。
附图说明
23.图1为冷喷涂制备样品的xrd图谱。
24.图2为冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料涂层的截面显微结构。
25.图3为冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料宏观照片。
26.图4为冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料涂层的表面形貌。
27.图5为冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的显微微观形貌。
具体实施方式
28.在具体实施过程中，本发明cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，包括如下步骤：首先，将金属粉末和陶瓷粉末按照不同的质量配比混合均匀；其次，使用冷喷涂设备将混合粉末喷涂到基体上得到cu/ti3sic2块状复合材料或涂层。冷喷涂的条件为：使用压缩空气为载流气体，气体温度为200～600℃，气体压力为1.0～2.5mpa，喷涂距离为10～60mm。本发明所选用压缩空气为载流气体，成本低廉，并具有简单、快捷、高效的优势，能制备出厚度为1～10mm的cu/ti3sic2金属基陶瓷复合块体材料以及0.01～0.1mm的涂层，其制备的块体还是涂层取决于喷涂时间。该制备方法尺寸范围广，可根据实际应用随意选择复合材料制备厚度及其它尺寸。
29.下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
30.实施例1
31.本实施例中，cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，具体的制备步骤为：
32.(1)cu/ti3sic2混合粉末的制备
33.将金属铜粉(粒度为1～40μm)和ti3sic2粉(粒度为1～50μm)按照cu/ti3sic2(质量比为1:4)质量配比混合均匀；由机械球磨法制备完成，所用的球磨机为滚动式球磨机，球磨罐为聚酯罐，球磨介质为聚酯磨球，球料质量比1:1～1:10，将混合均匀的复合粉末置于烘箱中进行干燥。
34.(2)冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料
35.喷涂前对铜基体进行喷砂处理和超声波清洗，喷涂时将基体固定在三维数控移动工作平台上，喷枪固定在平台的正上方，然后将步骤(1)得到的cu/ti3sic2粉末进行冷喷涂到铜基体表面；冷喷涂工艺条件如下：载流气体为压缩空气，气体压力为2mpa，气体温度为500℃，喷涂距离为20mm。
36.如图1所示，喷涂后材料的xrd衍射结果，从图中可以看出喷涂后制备的复合材料中只有cu和ti3sic2两相，与原始混料成分一致。如图2所示，在铜基体上喷涂制备的复合涂层的扫描电镜形貌，从图中可以看出，涂层厚度约为240μm，致密度高，孔隙率低于2％，截面无明显缺陷，ti3sic2在材料中分布均匀。
37.实施例2
38.本实施例中，cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料的冷喷涂制备方法，具体的制备步骤为：
39.(1)cu/ti3sic2混合粉末的制备
40.将金属铜粉(粒度为1～40μm)和ti3sic2粉(粒度为1～50μm)按照cu/ti3sic2(质量比为1:10)质量配比混合均匀；由机械球磨法制备完成，所用的球磨机为滚动式球磨机，球磨罐为聚酯罐，球磨介质为聚酯磨球，球料质量比1:1～1:10，将混合均匀的复合粉末置于烘箱中进行干燥。
41.(2)冷喷涂制备cu/ti3sic2金属基陶瓷复合材料
42.喷涂前对铜基体进行喷砂处理和超声波清洗，喷涂时将基体固定在三维数控移动工作平台上，喷枪固定在平台的正上方，然后将步骤(1)得到的cu/ti3sic2粉末进行冷喷涂到铜基体表面；冷喷涂工艺条件如下：载流气体为压缩空气，气体压力为2mpa，气体温度为
500℃，喷涂距离为20mm。
43.如图3所示，喷涂制备的块体材料的宏观照片，块体复合材料厚度约为3mm，孔隙率低于2％。如图4所示，制备复合材料的显微微观结构，从图中可以看出，制备过程中粉末在撞击过程中产生塑性变形黏附于铜基体上，留下撞击产生的凹坑。如图5所示，材料抛光后的扫描照片，从图中可以看出，制备的复合材料致密度高，表面无明显缺陷，ti3sic2在材料中分布均匀。
44.实施例结果显示，用冷喷涂方法可以制备出cu/ti3sic2涂层或块体复合材料，制备的材料致密度高，表面无明显缺陷。该方法成本低廉，制备过程简单，适合于大规模生产。