本發(fā)明涉及冷噴涂和微弧氧化表面改性，具體涉及一種基于五元復(fù)合體系的多層結(jié)構(gòu)抗電弧燒蝕涂層、制備方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、電磁導(dǎo)軌作為高電流承載與滑動(dòng)接觸的核心部件，其基體材料通常采用導(dǎo)電性優(yōu)異的銅合金（如鉻鋯銅或鎢銅），但銅合金自身硬度低、耐電弧燒蝕性差的特性，使其在長(zhǎng)期服役中面臨嚴(yán)重磨損與電弧燒蝕問題。傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)如等離子噴涂、激光熔覆等因工藝溫度高，易引發(fā)銅基體氧化、晶粒粗化及熱應(yīng)力開裂；超音速火焰噴涂雖能制備高致密金屬陶瓷耐磨涂層，但其高溫焰流直接作用于銅合金時(shí)仍會(huì)導(dǎo)致基體熱損傷。此外，針對(duì)電磁導(dǎo)軌長(zhǎng)期處于高頻電磁場(chǎng)、機(jī)械磨損及電弧沖擊的復(fù)合作用環(huán)境中，單一材料或傳統(tǒng)雙層涂層結(jié)構(gòu)難以滿足導(dǎo)電性、耐磨性和抗電弧燒蝕等多重功能協(xié)同要求。例如，單一導(dǎo)電耐磨層往往因與基體熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度不足，在交變電磁載荷下易發(fā)生剝離失效；而僅采用導(dǎo)電層與耐磨層的簡(jiǎn)單疊加結(jié)構(gòu)，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)層間應(yīng)力梯度的有效調(diào)控，同時(shí)缺乏對(duì)電弧燒蝕的針對(duì)性防護(hù)。
2、冷噴涂技術(shù)憑借其低溫高速沉積特性，可在基體表面形成致密的粘接過渡層。該層通過金屬顆粒的機(jī)械嵌合與冶金結(jié)合雙重作用，顯著提升表面功能層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)其梯度成分設(shè)計(jì)可緩解高硬度功能層與金屬基體間的應(yīng)力集中問題。通過添加自潤(rùn)滑相和導(dǎo)熱/導(dǎo)電增強(qiáng)相可有效分散摩擦熱并抑制磨損失效，保障導(dǎo)軌在高速滑動(dòng)條件下的電接觸性能。然而，金屬陶瓷復(fù)合涂層在極端電弧作用下仍可能因局部溫升導(dǎo)致熔融損傷，通過微弧氧化技術(shù)在其表面制備陶瓷化改性層，形成高熔點(diǎn)氧化物屏障能顯著提升其抗電弧燒蝕能力。相較于傳統(tǒng)單層或雙層結(jié)構(gòu)，這種冷噴涂多層涂層結(jié)合微弧氧化表面改性層形成的復(fù)合體系才能滿足電磁導(dǎo)軌表面特殊工況下的性能需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中常見涂層制備方法和單層/雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以在銅合金電磁導(dǎo)軌材料表面制備兼具高結(jié)合強(qiáng)度、優(yōu)良導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能以及耐磨損、抗電弧燒蝕功能的防護(hù)涂層的問題，提供了一種基于五元復(fù)合體系的多層結(jié)構(gòu)抗電弧燒蝕涂層、制備方法及其應(yīng)用。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種基于五元復(fù)合體系的多層結(jié)構(gòu)抗電弧燒蝕涂層，依次包括純cu粘接層、cu-zrn/zrb2過渡層、cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts功能層、cuo-al2o3-y2o3改性層。
3、所述純cu粘接層厚度為45-60μm，所述cu-zrn/zrb2過渡層厚度為65-80μm，所述cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts功能層厚度為125-175μm，所述cuo-al2o3-y2o3改性層厚度為0.5-1μm。
4、本發(fā)明還公開了上述基于五元復(fù)合體系的多層結(jié)構(gòu)抗電弧燒蝕涂層的制備方法，包括以下步驟：
5、s1，在噴砂處理后的基體表面采用冷噴涂純cu粉末，噴涂道次1-2次，制備得到純cu粘接層；
6、s2，在純cu粘接層表面采用冷噴涂cu-zrn/zrb2復(fù)合粉末，噴涂道次2-3次，制備得到cu-zrn/zrb2過渡層；
7、s3，在cu-zrn/zrb2過渡層表面冷噴涂cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts復(fù)合粉末，噴涂道次5-8次，制備得到cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts功能層；
8、s4，在打磨拋光處理后的cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts功能層表面進(jìn)行微弧氧化處理，獲得cuo-al2o3-y2o3改性層，最終得到基于五元復(fù)合體系的多層結(jié)構(gòu)抗電弧燒蝕涂層。
9、所述步驟s2中，cu-zrn/zrb2復(fù)合粉末的制備方法如下：首先將cu和zrb2混合粉末進(jìn)行20h的高能球磨，隨后加入zrn粉末并繼續(xù)球磨12h。
10、所述步驟s2中，cu-zrn/zrb2復(fù)合粉末中zrn的含量為3wt.%~5wt.%，粒徑為0.1μm以下，zrb2的含量為8wt.%~15wt.%，粒徑為1-3μm。
11、所述步驟s3中，cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts復(fù)合粉末的制備方法如下：首先將cucrzr和zrb2混合粉末進(jìn)行20h的球磨，隨后加入zrn粉末并繼續(xù)球磨12?h，再加入石墨烯@cuo和cnts粉末并繼續(xù)球磨8h。
12、所述步驟s3中，cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts復(fù)合粉末中zrn的含量為3wt.%~5wt.%，粒徑為0.1μm以下，zrb2的含量為8wt.%~15wt.%，粒徑為1-3μm，石墨烯@cuo的含量為2wt.%~6wt.%，長(zhǎng)度為4-6μm，cnts的含量為1wt.%~3wt.%，長(zhǎng)度為5-8μm。
13、所述步驟s1~步驟s3中，冷噴涂參數(shù)如下：以氮?dú)庾鳛榧铀贇怏w，壓力為3mpa、氣體預(yù)熱溫度為600℃、噴涂距離為30mm、步距為3mm、送粉率為20g/min。
14、所述步驟s4中，微弧氧化處理的具體工藝如下：將拋光、清洗后的步驟s3中得到的多層結(jié)構(gòu)涂層作為陽(yáng)極浸入工作液中，以316不銹鋼容器作為陰極，使用脈沖交流電源進(jìn)行先單相、后雙向微弧氧化處理，正向電壓為400-600v、負(fù)向電壓為120-150v，脈寬為2500-3000ms、脈間為800-1000ms，溫度為60-75℃，處理時(shí)間為5-10min，獲得cuo-al2o3-y2o3表面改性層；所述工作液包括：koh（4-6g/l）提供堿性環(huán)境、naalo2（20-40g/l）提供al2+、（10-15g/l）提供cu2+、y(no3)3（1-3g/l）提供y3+、na2sio3（10-14g/l）基礎(chǔ)電解質(zhì)，促進(jìn)al2o3生成、（5-10ml/l）絡(luò)合cu2+、kf（4-6g/l）改善膜層致密性、peg-400（0.5-1g/l）分散劑，防止團(tuán)聚。
15、本發(fā)明還公開了上述基于五元復(fù)合體系的多層結(jié)構(gòu)抗電弧燒蝕涂層在電磁導(dǎo)軌中的應(yīng)用。
16、與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于：
17、1、采用冷噴涂純cu作為粘接層，利用其優(yōu)異的塑性和導(dǎo)電性，能夠與銅合金基體形成良好的結(jié)合，有效增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)阻隔基體元素向功能層的擴(kuò)散，維持涂層的成分穩(wěn)定性；cu-zrn/zrb2過渡層中，cu與功能層中的cucrzr基體成分相近，能夠緩解界面熱應(yīng)力，降低熱膨脹系數(shù)梯度差，減少因熱循環(huán)導(dǎo)致的層間剝離風(fēng)險(xiǎn)。此外，納米zrn和微米zrb2構(gòu)成雙尺度增強(qiáng)相能分別起到細(xì)化晶粒、阻礙裂紋擴(kuò)展的作用，進(jìn)一步提升涂層的抗裂紋萌生及擴(kuò)展能力。此外，zrn/zrb2的高硬度和耐高溫性能可增強(qiáng)過渡層的承載能力，為功能層提供穩(wěn)定的支撐；
18、2、在cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts功能層中，石墨烯@cuo/cnts通過其高導(dǎo)電性和層狀結(jié)構(gòu)形成能顯著提升涂層的導(dǎo)熱/導(dǎo)電能力，有效降低摩擦界面電阻及焦耳熱累積，抑制電弧侵蝕；同時(shí)，其彌散強(qiáng)化與自潤(rùn)滑特性協(xié)同優(yōu)化摩擦副表面接觸狀態(tài)，減少黏著磨損與氧化剝落，從而在載流工況下實(shí)現(xiàn)低磨損率與長(zhǎng)壽命。微弧氧化制備的cuo-al2o3-y2o3表面改性層中，al2o3與y2o3形成高熔點(diǎn)復(fù)合陶瓷相，顯著提升抗高溫軟化能力，cuo的導(dǎo)電相彌散分布則促進(jìn)電弧能量耗散，抑制局部熔池形成，最終使得cucrzr-zrn/zrb2-石墨烯@cuo/cnts五元復(fù)合體系多層結(jié)構(gòu)涂層具有優(yōu)異的抗電弧燒蝕和載流摩擦磨損性能。