冷喷涂Cu基复合涂层的沉积行为与耐腐蚀性能

张梦清 乔玉林 张仲 张伟 于鹤龙

摘   要：以商用Cu基复合粉末为原料，采用冷喷涂技术在紫铜基体上制备了Cu-Ti-B4C复合涂层。利用场发射环境扫描电镜、X射线衍射仪、三维形貌仪表征了涂层的微观组织、物相分布及耐腐蚀性能。

关键词：冷喷涂;Cu涂层;盐雾腐蚀

铜合金具有良好的导电、导热及抗腐蚀特性，在电子电路、航天、航海、汽车等领域应用广泛[1]。常用的铜基涂层制备技术包括电沉积、热喷涂、冷喷涂、激光熔覆、等离子熔覆等[2]。冷喷涂技术通过超低温保护性气体将颗粒加速至高速（300～1 200 m/s），并沉积在基板上。与其他技术相比，冷喷涂由于具有低温和高冲击速度的特点，可以制备厚而致密的涂层，且具有低孔隙率和低氧化性特征[3-4]。利用冷喷涂技术制备铜基功能涂层，用于零件增材制造及再制造，近年来成为相关领域研究热点[5]。

本文采用冷喷涂方法在紫铜基体上制备了Cu-Ti-B4C复合涂层，研究了涂层微观结构、物相组成及中性盐雾腐蚀条件下的耐腐蚀性能。

1    实验材料与方法

1.1  材料与方法

冷喷涂粉末为商用Cu基复合粉末，粉末成分为Cu=81.99%，Ti=14.64%，B4C=3.37%，粒度为325 目。基体采用未经任何热处理的紫铜，尺寸为100 mm×100 mm。喷涂前对基体进行喷砂处理，用乙醇清洗后，压缩空气吹干。

冷喷涂设备为CS2000型冷喷涂控制单元，喷涂参数如表1所示。实验时，将基体用夹具固定，采用ABB Foundry Plus机械手控制夹具移动，在基体上制备纯Cu涂层打底，而后在纯Cu涂层上继续制备Cu-Ti-B4C复合涂层。

1.2  表征

冷喷涂实验结束后，将涂层线切割并热镶，机械打磨抛光后制得复合涂层金相分析试样。采用FEI Nova NanoSEM 450型场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscope，FESEM）及自带能谱仪对涂层金相样品进行形貌和微观组织分析，采用Bruker D8型X射线衍射仪对熔覆后涂层表面进行物相分析（Cu靶λ=0.154 06 nm），采用YMX-150型盐雾腐蚀试验箱测试涂层在中性盐雾条件下的抗腐蚀性能（3.5%NaCl溶液，盐雾腐蚀500 h）。

2    结果与讨论

2.1  显微结构与成分

图1为Cu-Ti-B4C粉末與喷涂后制得复合涂层的XRD图谱。可以看出，Cu-Ti-B4C复合涂层的衍射峰与涂层粉末成分基本一致，说明冷喷涂过程中Cu-Ti-B4C复合涂层未发生反应。涂层中未发现氧化物峰的存在，说明冷喷涂过程中粉末未发生明显的氧化。

图2为Cu-Ti-B4C复合涂层的截面形貌SEM照片。可以看出，涂层内部结合致密，孔隙率较低。涂层厚度约为500 μm，与基体总体结合良好，用图像法计算涂层的孔隙率约为1.02%，说明冷喷涂Cu-Ti-B4C复合涂层具有良好的致密性。为确定涂层内部各组织的成分构成，对涂层截面进行EDS线扫描，其结果如图3所示。从图中可以看出，涂层中主要元素为Cu，Ti，C。涂层EDS扫描中未发现O，说明冷喷涂过程中粒子氧化烧蚀较少。涂层内部深色颗粒为Ti，呈弥散均匀分布趋势。由于选区原因，涂层线扫描中未发现明显的B元素衍射峰，这可能与涂层中B元素量较低有关。

2.2  抗盐雾腐蚀性能

图4为Cu-Ti-B4C复合涂层的中性盐雾腐蚀500 h前后涂层表面的SEM及EDS面扫描对比。从图4a中可以看出，盐雾腐蚀前涂层表面光滑洁净，可以看到明显的塑性成形沉积特征。EDS结果表明（见图4c），此时涂层中主要成分以Cu、Ti为主，含O量很少。经过500 h，中性盐雾腐蚀后，涂层表面形貌发生明显变化，涂层变暗，表面存在点蚀痕迹，并附着有晶体。对盐雾腐蚀后的涂层表面进行EDS分析，结果如图4d所示，涂层成分以Cu，O，Na为主，含O量大大增加，说明涂层表面发生了明显的氧化。用称重法计算涂层中性盐雾腐蚀500 h前后重量变化，取5组数据的平均值，涂层平均质量增加约0.138 6 g。

3    结语

（1）采用冷喷涂方法在紫铜基体上制备了Cu-Ti-B4C复合涂层。涂层内部结合致密，孔隙率约为1%，与基体界面结合良好，喷涂中未发生明显的氧化。

（2）Cu-Ti-B4C复合涂层的中性盐雾腐蚀500 h后，涂层表面出现点蚀和氧化物，涂层平均质量增加约0.138 6 g。

[参考文献]

[1]徐滨士.再制造工程基础及其应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.

[2]陈正涵，孙晓峰，李占明，等.镍铝青铜基冷喷涂Cu4O2F与Cu涂层的力学性能[J].材料导报，2018，32（10）：1 618-1 622.

[3]陈正涵，孙晓峰，李占明，等.冷喷涂Cu4O2F涂层激光重熔表面改性后摩擦学行为[J].表面技术，2017，46（10）：161-167.

[4]孙晓峰，陈正涵，李占明，等.用于大型船舶螺旋桨再制造的冷喷涂Cu4O2F涂层[J].中国表面工程，2017，30（3）：159-166.

[5]丁   锐，李相波，王   佳，等.冷喷涂Cu-Cu2O涂层防污机理研究—机理讨论[J].涂料工业，2014，44（7）：5-12.