【摘 要】
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在工业中起着举足轻重作用的铜散热器由于资源匮乏等问题逐渐被铝散热器所取代,然而铝散热器却面临导热效率低下的问题。通过冷喷涂在铝表面喷涂纯铜涂层,可使喷涂后的材料兼具铝的轻便与铜的良好导热性,但由于纯铜涂层耐磨性能较差,在应用中损耗较高。因此,本文通过选择不同陶瓷相粉末制备冷喷涂铝基Cu/陶瓷相复合涂层,并通过对复合涂层进行热处理,研究热处理对复合涂层性能的影响,以获得兼具最优导热和耐磨性能的铝基C
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在工业中起着举足轻重作用的铜散热器由于资源匮乏等问题逐渐被铝散热器所取代,然而铝散热器却面临导热效率低下的问题。通过冷喷涂在铝表面喷涂纯铜涂层,可使喷涂后的材料兼具铝的轻便与铜的良好导热性,但由于纯铜涂层耐磨性能较差,在应用中损耗较高。因此,本文通过选择不同陶瓷相粉末制备冷喷涂铝基Cu/陶瓷相复合涂层,并通过对复合涂层进行热处理,研究热处理对复合涂层性能的影响,以获得兼具最优导热和耐磨性能的铝基Cu/陶瓷相复合涂层。本文采用Kinetic 3000冷喷涂设备和西北工业大学自主搭建的冷喷涂设备制备纯铜涂层、Cu/Si C复合涂层、Cu/Al2O3复合涂层和Cu/WC复合涂层。采用SEM、EDS、XRD、EBSD和白光干涉仪等仪器进行表征,通过Image J、Image pro plus和Fluent等软件进行性能分析与数值仿真,同时对几组涂层进行基本力学性能、导热性能和耐磨性能测试。结果表明,纯铜涂层经500℃热处理后,晶粒发生再结晶,变形减小,孔隙率降低,导热性能提高。复合涂层中陶瓷相Si C和Al2O3的加入后,涂层结合更为致密,其中Cu/Al2O3复合涂层中陶瓷相的沉积含量和威布尔分布形状系数分别为10.5vol.%和9.036,相比于Cu/Si C复合涂层,沉积效率更高,分布均匀性更好。当陶瓷相颗粒撞击基板速度达到临界速度值后,陶瓷相撞击的动能决定了陶瓷相颗粒的沉积效率,Si C和Al2O3两种颗粒的撞击动能分别为2.763×10-6J和9.164×10-6J,其中Al2O3颗粒的撞击动能更高,因此具有更高沉积效率。Cu/Si C复合涂层和Cu/Al2O3复合涂层的平均维氏硬度值相近,分别为166.8HV和164.4HV,明显高于其他涂层,同时Cu/Al2O3复合涂层纳米硬度值最高为2.247GPa,主要与Cu颗粒变形均匀性有关,Cu/Al2O3复合涂层中陶瓷相分布更为均匀,进而使复合涂层中Cu颗粒更加充分均匀变形,纳米硬度值更高。四组涂层的摩擦磨损过程均有初始阶段、磨合阶段和平稳阶段这三个阶段。耐磨性能的主要影响因素是磨损机制的不同,Cu/Al2O3复合涂层只有一般粘着磨损和第三体磨粒磨损,平均磨损率最低,为70.88(×10-6mm~3/Nm),通过EBSD可直观看出最表层磨损区域磨痕截面处铜颗粒在应力的作用下由长条状转变成细小颗粒。500℃热处理后的Cu/Al2O3复合涂层在平稳阶段的摩擦系数平均为0.61,相比于未经热处理时降低了0.17,平均磨损率由热处理前的70.88(×10-6mm~3/Nm)降为14.63(×10-6mm~3/Nm),其耐磨性是纯铜涂层的19.79倍,与热处理前相比,磨损机制并未发生改变,只是两种机制磨损程度得到减弱。而经过500℃热处理后,由于Cu发生再结晶,故热导率由156.911（W/（m·K））提升至213.482（W/（m·K））,高于未经热处理的纯铜涂层。因此500℃热处理后的Cu/Al2O3复合涂层在满足最高陶瓷相沉积效率和分布均匀性的前提下,具有最佳导热和耐磨性能,为铝散热器替换提供理论基础。
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