真空等离子喷涂制备纳米Ag-SnO2涂层的微结构调控与界面行为研究

The preparation of Ag-SnO2 coating on Cu substrate by cladding technology to obtain Ag-SnO2 coating/Cu contact bridge assemblies can not only meet the requirement for various shapes of contact alloy, but also resolve the difficulty of large deformation processing when uses the conventional preparation methods and improve the preparation efficiency. In this study, nanostructure Ag-SnO2 coating on the Cu contact bridge will be prepared by vacuum plasma spraying. The nanostructure of SnO2 powders will be controlled using metal elements doping, and preparation process of spraying powder will be optimized to improve the dispersibility of SnO2 nanoparticles within Ag matrix. Meanwhile, the effect of the nanostructure, quantity and distribution of SnO2 nanoparticles on the microstructure and performance of the Ag-SnO2 coating will be studied. The simulation of transient temperature field combining with the thermal cycling test and contact test will be using to investigate the change regulation of microstructure of nano Ag-SnO2 coating and the interface behavior between the coating and substrate under arc erosion, and the purpose is to reveal the failure mechanism of Ag-SnO2 coating. Therefore, it is greatly significant for the industrial production and application of Ag-SnO2 contact alloy.

在Cu触桥表面制备一层Ag-SnO2涂层形成Ag-SnO2电接触涂层/Cu触桥组合件，不仅可以满足各类开关电器对触头合金形状的多样化要求，同时解决了常规方法制备Ag-SnO2触头合金时后续大变形加工困难的问题，并提高了制备效率。基于此研究思想，本项目拟采用真空等离子喷涂技术在Cu触桥表面制备纳米Ag-SnO2涂层，利用掺杂控制SnO2粉体的纳米结构，通过优化喷涂粉末制备工艺提高纳米SnO2颗粒在Ag基体中的分散性，同时研究第二相氧化物SnO2的纳米结构、数量和分布对涂层组织结构和性能的影响。采用瞬态温度场仿真模拟结合热循环试验、电接触试验两种手段，研究电弧热作用下纳米Ag-SnO2涂层与Cu触桥的界面行为以及涂层内部组织的变化规律，探讨纳米Ag-SnO2涂层的失效机制，为Ag-SnO2触头合金快速制备技术的研究奠定理论和技术基础。

于导电散热性能良好的Cu基材表面制备一层性能与Ag-CdO相近的Ag-SnO2涂层形成Ag-SnO2(涂层)/Cu(基体)复合触头，以替代耗银量大且有环保危害的块体Ag-CdO触头合金，不仅可以节约贵金属Ag资源降低制成成本，又避免了CdO毒性污染。基于此研究思想，本文首先通过化学共沉淀法制得试验所需的纳米级SnO2粉末，研究了Fe、La元素掺杂对纳米级SnO2粉末显微结构的影响，在获得性能优异的Ag-SnO2混合粉体的基础上，采用超音速等离子喷涂技术于纯Cu表面制备出一系列研究用Ag-SnO2涂层样品，并对其微观结构与电性能进行了系统研究，取得了如下研究结果：.对所制备Ag-SnO2涂层的组织结构分析发现，在喷涂过程中，虽然液态Ag与SnO2颗粒润湿性较差，但由于凝固界面的快速推进能够及时俘获SnO2颗粒，这些颗粒在凝固过程中仍然均布于固相之中，形成了Ag基底上弥散分布着SnO2颗粒的复合强化区。喷涂粉末中初始纳米晶SnO2粉体越细小，喷涂后所形成涂层的复合强化区内SnO2颗粒尺寸也越细小。无掺杂Ag-SnO2涂层复合强化区内的SnO2颗粒尺寸在100nm左右，含Fe或La元素掺杂涂层复合强化区的SnO2颗粒尺寸在50nm以下。.对Ag-SnO2/Cu触头合金电弧烧蚀速率的研究发现，随涂层厚度的增加，Ag-SnO2/Cu触头合金的电弧烧蚀速率明显增大，但仍然远低于常压烧结成型纳米Ag-SnO2合金块体，尤其是La掺杂涂层厚度为100μm的样品，其电弧烧蚀速率仅为常压成型块体的16.8%，具有优良的耐电弧侵蚀特性。对于Ag-SnO2/Cu电接触合金，尤其是掺杂Fe、La元素的Ag-SnO2/Cu合金，由于其涂层复合强化区中纳米氧化物的弥散分布，一方面可使相界小而密，形弧选择性增大，击穿点分散，因而电弧分散在较大的区域，增加了同时燃弧的阴极斑点数量和分布区域，降低了电弧电流密度；另一方面使触头材料在电弧作用下所形成的熔融体系具有较高的粘度，极大地降低了因喷溅引起的材料损耗，使触头合金的电弧侵蚀有从液态喷溅向蒸发侵蚀转变的趋势。