热喷涂 Ag/Cu 复合触头涂层组织及性能
李文生，李亚明，王大锋，刘 毅，张 杰
粉末冶金技术
摘 要: 分别采用等离子和高速电弧喷涂系统制备了 Ag/Cu 复合触头涂层，利用扫描电镜、划痕试验仪、显微硬度仪、双电桥法以及真空电弧烧蚀仪等分析测试了 Ag/Cu 复合触头涂层的组织及性能。结果表明: DH-X2 等离子喷涂制备的 Ag / Cu 复合触头涂层孔隙、裂纹少，显微硬度范围 89. 7 ～ 106. 1 HV，涂层与基体结合的临界载荷 79. 2 N，电导率 68. 5%IACS，截流值 1. 0A、燃弧时间 2. 6ms; 而 QD8 高速电弧喷涂制备的涂层组织结构疏松，涂层内部有较大裂纹，并出现银氧化物相，显微硬度范围为 58. 3 ～74. 6 HV，涂层与基体结合的临界载荷 57. 2 N，电导率 53. 7%IACS，截流值 1. 4A、燃弧时间 2. 7ms。DH-X2 等离子喷涂制备 Ag/Cu 复合触头 Ag 涂层比 QD8 高速电弧喷涂制备的涂层组织及性能更加优异。
关键词:热喷涂; 显微组织; 结合强度; 导电性; 电弧烧蚀
热喷涂是一种迅速发展的表面强化技术，通过热源将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，喷射到经预处理的基体表面，形成优于基体的涂层，从而使工件具有更优异的表面性能。热喷涂涂层的性能取决于涂层粒子的层间结合和粒子内部的组织结构，而粒子与基体碰撞后的过程主要受粒子碰撞速度、熔化状态等因素的制约，于是提高热喷涂射流和粒子的速度成为当今国内外热喷涂技术发展的新趋势，相继出现了气体爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、高速电弧喷涂及等离子喷涂技术，其中以等离子喷涂( PS) 和高速电弧喷涂( HVAS) 应用范围较广［1 －2］。
Ag 具有良好导电性能及低接触电阻，是非常理想的触头材料; 但 Ag 是稀有贵金属，价格昂贵。最好单质替代材料是紫铜，但其在空气中极易氧化形成一层氧化膜使触头的导电性、接触电阻升高，触头性能下降。结合两种材料优缺点，以 Cu 为基体覆以贵金属制备 Ag/Cu 复合电接触材料在电气开关、真空继电器、真空断路器等电力控制设备中有着广泛的应用［3 －4］。目前，Ag/Cu 复合电接触材料制备工艺主要有两种，电镀和热喷涂。电镀生产周期长、污染大; 而热喷涂生产周期短、成本低、绿色环保，但热喷涂技术也存在缺陷，喷涂涂层结合性不好，一般采用高速电弧喷涂、等离子喷涂来提高涂层结合性［4］。本文作者分别采用 DH-X2 等离子喷涂( PS)和 QD8 高速电弧喷涂( HVAS) 制备 Ag/Cu 复合触头涂层，通过对涂层的显微组织、结合强度、显微硬度、导电性测试以及电弧烧蚀试验对比，研究等离子、高速电弧喷涂涂层性能，探讨等离子喷涂对改进Ag / Cu 复合触头涂层组织和性能的影响。
1 试验
1. 1 材料制备
试验制备 Ag/Cu 复合触头涂层，基体选用轧制T2纯 Cu。喷涂前对 T2纯 Cu 表面进行喷砂和清洗处理，分别利用 DH-X2 等离子喷涂系统( 喷涂粉末采用纯度 99. 99%、平均粒度 74μm 的 Ag 粉) 及QD8 高速电弧喷涂系统; 喷涂丝材直径 0. 2 mm 银丝，在其表面喷涂 Ag 基涂层，完成后用线切割加工成 10mm × 10mm × 5mm 的试样。等离子喷涂工艺参数如表 1 所示。
1. 2 试验方法
涂层显微组织特征观察在 JSM-6700F 型扫描电
镜及能谱仪上进行。HX-1000TM 型显微硬度计测试涂层表面显微硬度。利用 WS-97 涂层附着力划痕试验仪测试涂层结合性，选用切向力法测定涂层与基体结合力的表征值临界载荷 Lc; 每种涂层做 5道划痕，取其平均值为涂层与基体结合的临界载荷。
双电桥法测定试样电阻率 ρ，试样在测试前进行酸洗、碱洗除去表面氧化膜，利用公式 p =0. 017 241/ρ换算成电导率。电弧烧蚀试验在西安交大自制真空灭弧室进行，将电弧喷涂和等离子喷涂触头抛光成镜面后放在真空灭弧室中，以纯钨棒作阳极，真空室中真空度小于 1 × 10－ 5Pa，放电电阻为 900 Ω，电容为 1μF; 用自耦变压器在两极间加上 8 kV 的直流电压，阴极以0. 2m/s 的速度接近阳极; 用 TDS-2004 型泰克示波器记录每次击穿后的电流波形，从波形图上可以直接测量出截流值与燃弧时间。重复上述过程，作 100 次取统计平均值。
2 试验结果
2. 1 涂层的显微组织
图1( a) 和( b) 分别为DH-X2等离子喷涂和
QD8 高速电弧喷涂制备 Ag / Cu 复合触头涂层的扫描电镜照片。由图可见: DH-X2 等离子喷涂制备的涂层与基体结合紧密，涂层孔隙、裂纹较少; 而用QD8 高速电弧喷涂 Ag 涂层，涂层均匀性较差，组织结构疏松，涂层内部有较大的空隙和裂纹，且在组织表面及内部出现白色相( 黑色箭头所示) ，经 EDAX测定，其组成为 72% ( 原子数分数) Ag，24%O，可以认定为 Ag 的氧化物。
2. 2 涂层的显微硬度
涂层硬度测试结果如表 2 所示，DH-X2 等离子喷涂制备涂层显微硬度范围为 89. 7 ～ 106. 1HV，QD8 高速电弧喷涂涂层显微硬度 58. 3 ～ 74. 6HV。
2. 3 涂层的结合性
涂层与基体结合的临界载荷见表 3。从表 3 中可知，DH-X2 等离子涂层临界载荷平均值为 79. 2N，QD8 高速电弧涂层临界载荷平均值为 57. 2N。因此，DH-X2 等离子喷涂涂层具有更好的结合性。
2. 4 Ag /Cu 复合触头导电性测试结果
导电性测试结果( 见表 4) 表明，DH-X2 等离子喷涂制备的触头电导率的平均值为 68. 5% IACS，QD8 高速电弧喷涂 制 备 触 头 电 导 率 平 均 值 为53. 7% IACS，DH-X2 等离子喷涂制备的触头电导率优于 QD8 高速电弧喷涂触头。
2. 5 Ag /Cu 复合触头电弧烧蚀性测试结果
图 2( a) 和( b) 分别为 DH-X2 等离子喷涂和
QD8 高速电弧喷涂制备 Ag / Cu 复合触头放电电流曲线。从图中可以看出，2 种工艺制备触头材料的电弧稳定性、截流值、燃弧时间有明显的区别。首先，随着电流降低，QD8 高速电弧喷涂的触头，电流曲线出现高频的噪音信号，电流小于 3A 时，整幅变大、震荡加剧，说明这个阶段真空电弧不能连续燃烧，电弧不稳定。相比较而言，DH-X2 等离子喷涂触头电流曲线较为平滑，噪音信号弱，说明等离子喷涂触头在真空中电弧有较好的稳定性。另外，等离子喷涂制备的触头的截留值 1. 0A，燃弧时间 2. 6ms( 图 2( a) ) ，电弧喷涂制备的触头截留值 1. 4A、燃弧时间 2. 7ms( 图 2( b) ) 。
3 结果分析与讨论
3. 1 热喷涂对涂层力学及结合性能的影响
从图 1( a) 、( b) SEM 形貌分析看出，2 种喷涂技术制备的涂层组织均匀，但试验证明 2 种涂层的显微组织、显微硬度、结合强度、导电性以及截流值、燃弧时间都存在较大的差异。根据热喷涂涂层成形原理，涂层形成过程中包括两个阶段: 第 1 阶段是喷涂粒子热能和动力积聚储备，以及喷涂材料发生相变过程; 第 2 阶段是沉积喷涂粒子与基体结合，以及冷却过程中体积相互作用过程。由 A. B. 尼古拉耶夫理论［5］可知，喷涂粒子热能集聚储备主要取决于在射流中的加热有效热功率，可表示为:
q ≈T·h·lv( 1)式中: T 为热喷涂体温度，h 为对流换热系统，l为热活性区长度，v 为喷涂速度。DH-X2 等离子喷涂改变了传统等离子喷枪结构，采用内送粉方式［6］( 将粉末在特定的位置以一定的角度射入喷嘴) ; 与 QD8 高速电弧喷涂使用传统电弧喷枪比较，喷涂粒子在射流中的加热时间基本相同，即两种喷涂的对流换热系统 h 和热活性区长度 l 对喷涂有效热功率 q 影响很小; 另外，QD8 高速电弧喷涂系统喷涂速度 250 ～ 300m/s，而 DH-X2等离子喷涂系统喷涂速度 300 ～ 400m/s，故速度对喷涂有效热功率 q 影响也较小。因此，热喷涂温度对两种喷涂射流中加热的有效功有主要影响。QD8高速电弧喷涂系统热喷涂体温度只有 4 000℃，粒子在射流中的加热有效热功率较小，Ag 粉末粒子的热能积聚不充分，故涂层中粒子组织均匀程度较差，甚至有可能部分出现较大的空隙。而 DH-X2 等离子喷涂系统热喷涂体温度达到 14 000℃，使得粉末粒子从阴极附近轴向载入等离子体射流中，它们能够获得更高射流温度，使粒子在射流中具有更好的加热有效热功率。因此，DH-X2 等离子喷涂制备的Ag / Cu 触头涂层裂纹、孔隙少，组织结构致密。
与 DH-X2 等离子涂层相比，QD8 高速电弧喷涂组织表面及内部出现氧化物。等离子喷涂有氩气保护，使得喷涂颗粒与空气隔离; 而高速电弧喷涂没有保护气体，故出现了氧化物相，氧化物相的出现对涂层导电性有很大影响。结合强度也是衡量涂层性能的一个重要指标。根据 B. A. 巴尔维克理论［7］，结合强度是个复杂的函数，其表达式为:σ = f( Tk，τk，pt) ( 2)式中: Tk为喷涂粒子与基体接触温度; τk为粒子撞击及凝结的持续时间; pt为撞击基体的压力。
从式( 2) 可以看出，涂层与基体的结合强度主要取决于熔融粒子的温度、速度以及碰撞时间。从上文的分析可知，DH-X2 等离子喷涂粒子速度为300 ～ 400m / s、热喷涂体温度 14 000℃ ，而 QD8 高速电弧粒子速度 250 ～ 300m/s、热喷涂体温度为4 000℃ ，因此，DH-X2 等离子喷涂使得 Ag 粒子到达基体表面前具有更高的速度和温度，粒子与基体之间将产生更大的撞击压力，从而有利于提高涂层的结合强度。QD8 高速电弧喷涂由于喷涂粒子的热能积聚较低，涂层中存在较大裂纹，涂层残余应力较大，也导致涂层的结合强度下降。因此，相对 DH-X2 等离子喷涂，QD8 高速电弧喷涂制备的涂层结合强度较低。
涂层显微硬度往往在一定程度上能够反应电触头的耐磨性能。DH-X2 等离子喷涂相对高速电弧喷涂制备涂层显微硬度有所提高，这是由于: DH-X2等离子喷涂涂层形成过程中熔滴温度较高，急冷快速凝固后产生冷作硬化，故涂层硬度有所提高。
3. 2 热喷涂对涂层电学性能的影响
导电性是衡量高压触头性能的一个重要指标，根据 Bueche［8 －9］等学者建立起的导电理论，导电性是个复杂的函数，其表达式为:p = f( nt，Rp，dm) ( 3)式中: nt为导电粒子的接触数目; Rp为导电粒子之间接触电阻; dm为导电粒子之间的间隙大小。
由式( 3) 可以看出，触头导电性主要取决于导电粒子的接触数目、接触电阻、导电粒子之间的间隙。接触数目越多，所形成的导电网链数目就越多，导电性也越好; 小的间隙可以使电子在分散于基体中的导电粒子的间隙中产生迁移，从而使导电颗粒间的绝缘隔离层成为导电层。DH-X2 等离子喷涂涂层裂纹、孔隙少( 图 1( a) ) ，涂层与基体结合强度高，涂层与基体、涂层内部各粒子之间接触紧密( 接触数目多、间隙小) ，所形成导电网链数目多，导电粒子更易在间隙中产生迁移，从而提高 Ag/Cu 复合触头的导电性。而 QD8 高速电弧喷涂组织及基体结合性较差，涂层组织结构疏松，涂层与基体、涂层内部各粒子接触尚不紧密，加之涂层中有部分氧化物( 图 1( b) ) ，使得涂层接触电阻变大，也将导致Ag / Cu 复合触头的导电性下降。因此，相对 DH-X2等离子喷涂，QD8 高速电弧喷涂制备的 Ag/Cu 复合触头涂层导电性较差。电弧烧蚀也是衡量高压触头性能的一个重要指标。根据 Beilis［10 －11］建立起的爆破电子发射模型理论，电弧烧蚀的两个重要参数截流值、燃弧时间是个复杂的函数，其表达式为:
( Ic，tc) = f( θb，λ，ρd，φe) ( 4)式中: θb为表面温度; λ 为热传导系数; ρd为电阻率; φe为电子逸出功。
由式( 4) 可以看出，触头截流值、燃弧时间主要取决于材料表面温度、热传导系数、电阻率、电子逸出功。而对于 Ag/Cu 复合电触头材料来说，触头截流值、燃弧时间主要受表面温度、电阻率的影响。电弧喷涂制备触头表面不平整，存在很多裂纹、突起点( 图 1( b) ) ，在真空间隙加很高的电压时，触头阴极表面上某些裂纹、突起点就会因场发射产生焦耳热;这些地方的温度迅速升高，导致爆发性的金属蒸发和火花( 电击穿) ，使触头表面电流波形发生振荡，截流值、燃弧时间增加，同时在等离子体压力的作用下形成‘火山口’状形貌［12］。另外，电弧喷涂触头表面出现氧化物( 图 1( a) 中白色相) ，使触头电阻率升高，也导致触头截流值、燃弧时间增加，故等离子制备 Ag/Cu 复合电触头截流值、燃弧时间性能参数要优于电弧喷涂制备的触头。
4 结论
1) 相对于 QD8 高速电弧喷涂，DH-X2 等离子喷涂系统有利于提高喷涂过程中射流的加热有效热功率，制备的 Ag/Cu 复合电触头涂层组织结构致密、均匀性好。
2) 相对于 QD8 高速电弧喷涂，DH-X2 等离子制备的 Ag/Cu 复合电触头涂层结合性、显微硬度更高，导电性也更好。DH-X2 等离子制备的涂层平均结合 强 度 为 71. 2N，显 微 硬 度 范 围 在 89. 7 ～106. 1HV，电导率为 68. 5% IACS; QD8 高速电弧制备的涂层平均结合强度为 57. 2N，显微硬度范围在58. 3 ～ 74. 6HV，电导率为 53. 7% IACS。
3) 相对于 QD8 高速电弧喷涂，DH-X2 等离子制备 Ag/Cu 复合触头耐电弧烧蚀性能更优越。DH-X2 等离子制备 Ag / Cu 复合触头放电电弧平稳，截流值为 1. 0A、燃弧时间为 2. 6ms; QD8 高速电弧喷涂制备的 Ag/Cu 复合触头放电电弧出现明显振动，截流值 1. 4A、燃弧时间 2. 7ms。
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