权利要求
1.一种
铝基导电排表面功能层制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
基体预处理：通过乙醇超声清洗去除表面污染物;
制备过渡层：对
铜基复合粉末进行冷固态沉积，形成过渡层;
功能层冷喷涂：在过渡层表面构建功能性导电层;
制备防腐层：在功能性导电层表面构建复合防护体系;
致密化处理：在防腐层表面进行封孔致密化处理;
涂层质量检测。
2.根据权利要求1所述的一种铝基导电排表面功能层制备工艺，其特征在于：
所述基体预处理流程为乙醇超声清洗流程。
3.根据权利要求1所述的一种铝基导电排表面功能层制备工艺，其特征在于：
所述制备过渡层的流程采用压缩空气或者高压氮气作为介质，压力范围为0.5～1.0MPa，气体温度为200～500℃，铜基粉末粒径为5～90μm。
4.根据权利要求1所述的一种铝基导电排表面功能层制备工艺，其特征在于：
所述功能层冷喷涂流程中采用
镍或者
锡作为过渡层，功能层的电导率≥40%IACS。
5.根据权利要求1所述的一种铝基导电排表面功能层制备工艺，其特征在于：
所述制备防腐层流程中，
当功能层采用镍基时，防腐层为化镍铝合金涂层。
6.根据权利要求1所述的一种铝基导电排表面功能层制备工艺，其特征在于：
7.根据权利要求3所述的一种铝基导电排表面功能层制备工艺，其特征在于：
所述制备过渡层的流程中载气温度为380℃，喷涂距离为15mm，喷枪移动速度为300mm/s。
8.一种铝基导电排表面功能层处理系统，配合权利要求1～7所述的铝基导电排表面功能层制备工艺，其特征在于包括：供电单元、供粉单元、供气单元、冷增材主控设备、喷枪及姿态控制模块，所述冷增材主控设备连接供气单元，用于进行过渡层制备和功能层冷喷涂;所述供气单元通过汇流排与压缩空气及高压氮气相连以进行空气压缩，冷增材主控设备控制空气单元供气状态与供粉单元，所述喷枪及姿态控制模块连接操作台，控制喷涂状态。
9.一种铝基导电排表面功能层，采用权1～7中任一所述的工艺制备得到，其特征在于包括铝基层(1)、铜金属过渡层(2)、功能性导电层(3)及防腐层(4)，总厚度<4mm，所述铜金属过渡层厚度为0.2mm，所述功能性导电层(3)为铜导电层，厚度为0.2mm。
10.根据权利要求9所述的一种铝基导电排表面功能层，其特征在于：所述铜金属过渡层(2)晶粒尺寸为2～8μm。
说明书
技术领域
背景技术
[0002]在新能源汽车动力系统架构中，铝制导电排作为高压电气连接关键部件，主要用于承担充电接口至
动力电池包之间大电流传输功能。电动汽车充电系统需要满足800-1000A量级的传输及兆瓦级功率承载需求。铝基导电排在作为电气连接部件时需要满足三项核心指标：接触电阻稳定性、
电化学兼容性及机械振动可靠性均有要求。传统铜质导电排虽然具有优良的导电性，但存在重量密度大、成本高昂等固有缺陷。相比之下，
铝合金材料在保持足够导电率的同时，可实现40%以上的轻量化效果的同时大幅度降低成本，在采用铝材料进行铜材料替代时需要突破界面接触稳定性、多材料电偶腐蚀、动态机械可靠性等极大障碍，目前尚没有可构建具备低接触阻抗与高耐久性的复合功能层的方法。
发明内容
[0003]为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种铝基导电排表面功能层并提供其工艺以解决上述技术问题。
[0004]实现本发明目的的技术方案是：一种铝基导电排表面功能层制备工艺，包括以下步骤：
[0005]基体预处理：通过乙醇超声清洗去除表面污染物;
[0006]制备过渡层：对铜基复合粉末进行冷固态沉积，形成过渡层;
[0007]功能层冷喷涂：在过渡层表面构建功能性导电层;
[0008]制备防腐层：在功能性导电层表面构建复合防护体系;
[0009]致密化处理：在防腐层表面进行封孔致密化处理;
[0010]涂层质量检测。
[0011]采用上述铝基导电排表面处理工艺，在进入冷喷涂工艺之前进行了表面处理，在进行过渡层处理过程中进行了分层处理，其后续进行了封装。相比普通制备方法，本发明采用的表面增材技术在工艺选择上综合考量了涂层性能指标与工艺经济性参数，相比传统表面处理工艺，其VOC排放量更低、材料利用率显著提升、加工能耗显著降低且工艺流程上取消了模具开发、热处理等传统制造环节，其设备投资强度和人工成本均得到大幅度压缩、零部件数量显著降低，其设备维护成本优势十分明显。
[0012]除可以节约设备投入、节约加工时间外，本发明完全采用冷加工工艺，可以有效实现金属晶格畸变，实现材料表面位错密度的精确控制，提升导电排材料的比强度，实现导电排的轻量化。
[0013]进一步或可选的，所述基体预处理流程为乙醇超声清洗流程，具体在执行过程中采用乙醇超声清洗工艺(40kHz)，表面污染物清除率要求99.98%，符合SSPC-SP1标准要求。
[0014]在实践过程中发现，采用SSPC-SP1标准进行执行后，铝基体表面能提升至74mN·m-1,达到基体活化状态。
[0015]进一步或可选的，所述制备过渡层的流程采用压缩空气或高压氮气作为介质，压力范围为0.5～1.0MPa，气体温度为200～350℃，铜基粉末粒径为5～90μm，在沉积过程中，调整压力大小和气体温度及铜基粉末直径可调整涂层致密度和孔隙率，气体压力大、铜基粉末粒径小、气体温度高时，涂层趋近于更加致密，孔隙率更低。
[0016]进一步或可选的，当所述制备过渡层的流程中载气温度为380℃，喷涂距离为15mm，喷枪移动速度为300mm/s时，所述沉积层致密度可提升至99.2%，孔隙率显著降低至0.8%以下。
[0017]进一步或可选的，所述功能层冷喷涂流程中采用压力范围为0.5～1.0MPa，气体温度为300～450℃，铜基粉末粒径为5～85μm，在生产过程中，需要控制功能层的电导率≥40%IACS。上述结构中，过渡层的铜沉积层可以有效缓解导流排芯层与表层之间的应力梯度，防止应力差异过大导致表层脱落。
[0018]进一步或可选的，对于表层要求不同时，采用的防腐层基质也不相同，所述制备防腐层流程中，当功能层采用锡基时，防腐层为锡/铝合金层以实现防腐性能要求;当功能层采用镍基时，防腐层为镍铝合金层。
[0019]上述结构中，在铝和镍锡之间设置铜金属过渡层，其目的是为了铜位于铝和镍锡之间的小电位差降低电位梯度，减缓铝与镍锡之间的电偶腐蚀现象，上述冷固态增材处理，有利于提升界面之间的结合稳定性;铜与铝之间的扩散键合有利于降低界面电阻，有利于提升导电效率，减少传输中的能耗，从而减少铝排在大电流状态下得到发热现象。
[0020]进一步或可选的，为了减少使用过程中铝排表面可能残留的纳米-微米级空隙造成介质腐蚀，所述致密化处理过程中喷涂纳米硅烷封闭剂，纳米硅烷颗粒可渗透至微孔深处，通过毛细作用填充空隙，硅烷水解后形成的Si-O-Si网状结构可以材料表面进行羟基键合，进一步降低铝排表面的孔隙率。
[0021]进一步的，本发明还提供一种铝基导电排表面功能层处理系统，配合前述铝基导电排表面功能层制备工艺，包括供电单元、供粉单元、供气单元、冷增材主控设备、喷枪及姿态控制模块，所述冷增材主控设备连接供气单元，用于进行过渡层制备和功能层冷固态增材;所述供气单元通过汇流排与压缩空气及高压氮气相连以进行空气压缩，冷增材主控设备控制空气单元供气状态与供粉单元，所述喷枪及姿态控制模块连接操作台，控制喷涂状态。
[0022]在操作过程中，为了降低固态增材成本，采用压缩空气或高压氮气进行增材操作，操作过程中，气体经汇流排后经加速后经冷增材处理设备后与粉末进行混合，然后从喷枪喷出在铝排表面形成铜基冶金过渡层以及功能性导电层，随后在表面继续形成镍/锡基表面防腐层，最后将铝排从操作台上卸除，进入表面处理流程。
[0023]进一步的，本发明还提供一种铝基导电排表面功能层，前述工艺制备得到，包括铝基层、铜金属过渡层、导电层、镍基或者锡基防腐层，总厚度<4mm，所述铜金属过渡层厚度为0.2mm，所述镍基或者锡基导电层厚度为0.2mm。
[0024]采用上述参数下，经测试，采用该工艺的铝排的铜层电导率较铝合金基体提升38.2%，接触电位差可稳定控制在0.6～0.8V之间，通过SEM扫描分析可知，经过500次热循环后，铜铝界面之间无氧化物产生，且金属扩散层厚度仍小于3μm，有效抑制了Cu9Al4等金属间化合物的生成。
[0025]在上述条件下，铜与铝排基之间的界面电阻可维持在0.1mΩ以下，复合层与基体材料之间的维氏硬度匹配度高达93%，材料间的位错密度ρ达到1010m-2级别，较传统固态增材工艺降低两个数量级。
[0026]进一步或可选的，所述铜金属过渡层晶粒尺寸为2～8μm，此时铝排表面粗糙度Ra≤6.3μm，Cu层与Al层之间的结合强度大于40MPa，电导率达到58.5×106S/m，其表面硬度可达到纯铜标准，镍/锡层与铝层之间的应力集中系数降低至1.8以下，界面剪切强度提升至65MPa，在10～200Hz随机振动条件下，接触电阻剪切强度仅为热喷涂试样的32.7%。
[0027]采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
[0028](1)本发明的一种铝基导电排表面功能层制备工艺进入冷固态增材工艺之前进行了表面处理，在进行过渡层处理过程中进行了分层处理，其后续进行了封装。相比普通制备方法，本发明采用的表面增材技术在工艺选择上综合考量了涂层性能指标与工艺经济性参数，相比传统表面处理工艺，其VOC排放量更低、材料利用率显著提升、加工能耗显著降低且工艺流程上取消了模具开发、热处理等传统制造环节，其设备投资强度和人工成本均得到大幅度压缩、零部件数量显著降低，其设备维护成本优势十分明显。
[0029](2)本发明的一种铝基导电排表面功能层制备工艺采用乙醇超声清洗作为基体预处理流程，可有效提升铝基体的表面能，迅速达到基体活化状态，有利于后续处理流程中的层间结合。
[0030](3)本发明的一种铝基导电排表面功能层制备工艺的制备过渡层流程采用压缩空气与高压氮气混合气体作为介质，压力范围为0.5～1.0MPa，气体温度为200～500℃，铜基粉末粒径为5～75μm，在沉积过程中，调整压力大小和气体温度及铜基粉末直径可调整涂层致密度和孔隙率，气体压力大、铜基粉末粒径小、气体温度高时，涂层趋近于更加致密，孔隙率更低.
[0031](4)本发明的一种铝基导电排表面功能层制备工艺严格控制载气温度、沉积距离、喷枪移动速度等工艺参数，可有效提升沉积层的致密度并降低沉积层孔隙率。
[0032](5)本发明的一种铝基导电排表面功能层制备工艺采用两种固态铜沉积层作为过渡层，可有效缓解导流排芯层与表层之间的应力梯度，防止层间应力梯度差异过大导致的表层脱落问题。
[0033](6)本发明的一种铝基导电排表面功能层制备工艺在完成过渡层制备后采用纳米硅烷封闭剂进行表面喷涂，利用纳米硅烷的高渗透性与硅烷水解后与材料表面生成的Si-O-Si网状结构实现表面封闭从而降低铝排表面孔隙率。
[0034](7)本发明的一种铝基导电排表面功能层制备工艺生产过程中控制载气温度、喷涂距离及喷枪移动速度，有效提升沉积层致密度并显著降低孔隙率。
[0035](8)本发明还提供一种铝基导电排表面功能层处理系统，该系统采用压缩空气与高压氮气作为混合气体进行空气动力装置，其可控性好，且无需设置单独的防腐层制备产线，制备过程中采用气体作为载体，其成本较低，相比现有冷增材制备技术具有极大的成本优势。
[0036](9)本发明还提供了一种铝基导电排表面功能层，其采用铜基层、铜过渡层及防腐层多层设计，可有效提升铝排基体导电率及接触电位稳定性，界面间扩散厚度小，可有效抑制层间金属化合物的生成。
[0037](10)本发明的一种铝基导电排表面功能层选择了铜金属过渡层晶尺寸，有效控制了铝与铜之间的结合强度及层间电导率，有效降低界面间的应力集中系数，减少接触电阻的剪切强度。
附图说明
[0038]为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
[0039]图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的流程示意图。
[0040]附图中的标号为：
[0041]铝基层1、铜金属过渡层2、功能性导电层3、防腐层4。
具体实施方式
[0042]为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0043]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0044]对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0045]见图1的一种铝基导电排表面功能层，分为铝基层(1)、铜金属过渡层(2)、功能性导电层(3)及防腐层(4)。
[0046]如图2所示，制备系统包括供电单元、供粉单元、供气单元、冷增材主控设备、喷枪及姿态控制模块，在制备过程中采用压缩空气和高压氮气作为供气单元，压缩空气和高压氮气混合后经冷增材主控设备混合，然后连接供粉单元进行粉气混合，由姿态控制模块调节喷枪角度，经压缩空气加速的粉体喷射在完成预处理的铝排表面后形成铜金属过渡层，在完成铜金属过渡层制备后，更换供粉单元的粉体种类为功能性导电层需要的镍粉或者锡粉，然后进行喷涂，完成喷涂后在表层制备防腐层，完成防腐层制备后，在防腐层表面喷涂纳米硅烷封闭剂进行封孔处理。
[0047]在上述制备过程中，控制喷枪压力范围为0.5～1.0MPa，气体温度为200～500℃，铜基粉末粒径为5～90μm，具体根据表面处理要求控制粉末直径与压力实现过渡层和功能层的性能控制。
[0048]在喷涂过程中，控制总沉积层厚度为0.2～4mm，其中铜基层厚度控制为0.2mm，过渡层采用镍金属或者锡金属层，过渡层厚度设置为0.2±0.05mm。
[0049]实施例1
[0050]
[0051]实施例2
[0052]
[0053]采用X衍射(XRD)表征结果显示，涂层晶粒尺寸控制在2～8μm，位错密ρ达到1010m-2级别，相比热喷涂工艺降低两个数量级。
[0054]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(2)
声明：
“铝基导电排表面功能层及其制备系统和工艺” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：上海海能先源科技有限公司
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