基于冷喷涂固态增材Al/Cu的高压电缆铝护套高质量修复

High quality reparation of Al sheath of high- voltage cable with Al/Cu by cold spray solid-state additive manufacturing

摘要

冷固态增材技术以其较低的沉积温度和较高的现场适用性成为高压电缆表层铝基密封层高效连接与修复的潜在有效方案。然而低压冷固态喷涂铝沉积体内较弱的粒子间结合、较高的孔隙率导致沉积体表现出较低的结合强度与电导率和有限的密封性，导致其难以满足高压电缆的长期服役安全性对密封结构的需求。对此，本工作提出采用Al/Cu 混合粉末作为原材料的新思路，利用冷喷涂沉积时 Cu 粒子对Al 粒子的原位锤击锻造作用，在较低的气体压力条件下实现沉积体致密度、结合强度与导电性能的显著提高。结果表明，由于 Cu 的沉积效率高于 Al，因此 Al/Cu 复合沉积体内的 Cu 含量高于相应混合粉末中的 Cu 含量。沉积过程中，Cu 粒子对 Al粒子的锻造效应使得复合沉积体内的孔隙率显著降低，当粉末中 Cu 的体积分数从0%提高到50%时，孔隙率从14.4%降低到0.2%，结合强度由 24.2 MPa提高到53.4 MPa，电导率由 25% IACS 提高到 53% IACS，高于被连接构件。为解决复合沉积体中 Cu-Al 间的电偶腐蚀问题，提出了复合底层与纯 Al 顶层的双层结构设计，并验证了该方法在高压电缆铝护套密封层修补的可行性。

Abstract

Cold solid-state additive manufacturing is a potential solution for surface Al sheath layer connecting and repairing for the high-voltage cable due to its low processing temperature and high flexibility. However， the poor inter-particle bonding quality and high porosity makes the Al deposits present low adhesion strength and electrical conductivity. In this work， mechanically mixed Al/Cu powders are used as the feedstock powders. It is attempted to enhance the plastic deformation of the deposited Al particles through the in-situ hammering or forging of the Cu particles and thus decrease the porosity and increase the adhesion and electrical conductivity of the deposits. To study the effect of Cu content on microstructure and properties including adhesion， electrical conductivity and salt-fog corrosion resistance of the deposits， pure Al powder， Al/Cu mixed powders with Cu volumetric content of 10%， 30% and 50% are cold sprayed. Results show that the deposits have more Cu particles than the corresponding feedstock powder due to the higher deposition efficiency of Cu. As the Cu content in the feedstock powders increases from 0% to 50%， the porosity of the Al/Cu composite deposits decreases from 14.4% to 0.2%， and the adhesion strength of the deposits increases from 24.2 MPa to 53.4 MPa. Significant increments in electrical conductivity of the deposits are achieved due to the inclusion of Cu and enhanced inter-particle bonding quality. However， it is found that due to galvanic corrosion between Cu particles and adjacent Al particles， the Cu-Al composite deposits experienced much more severe corrosion as compared with the pure Al deposit. To solve this problem， a bilayer deposit construction composed of Cu-Al composite bottom layer and pure Al top layer is proposed. The optimized bilayer deposit reveals comparable adhesion and electrical conductivity with the Cu-Al composite deposit while the salt-fog corrosion resistance is similar to that of the pure Al deposit.

Graphical abstract

关键词

高压电缆 / 铝护套 / 附件修复 / 冷喷涂固态增材技术 / Al/Cu复合沉积体 / 结合强度 / 电导率

Key words

high-voltage cable / Al sheath / accessories reparation / cold spraying solid-state additive manufacturing / Cu-Al composite deposit / adhesion strength / electrical conductivity

高压电缆包括芯部起传输电流作用的铜缆，中间绝缘层以及外部起密封和接地功能的铝质金属护套。长距离输电线路中高压电缆的连接需要将各层逐一对应连接，其中铝质金属护套的密封工艺尤其对电力电缆各类终端与中间接头的保护有着极重要的作用，不仅可以作为电缆的金属护层的电气延续与其他电气设备连接形成低阻接地，其金属密封层还杜绝了可能出现的高湿度空气侵入导致绝缘性能下降等危害系统安全运行的问题^［1-2］。目前行业内普遍采用的金属护套封铅密封工艺，主要是以铅合金为密封连接材料，采用火焰熔融钎焊的方式将两端高压电缆的铝护套进行连接，并实现对绝缘层的密封。然而，国内近期开展的金属接地检测工作发现，大量的铅封部位出现异常状态，典型的故障问题包括裂纹、孔洞、开裂等导致的密封失效与接地电阻增大^［3-4］。上述结果表明，尽管现有的铅基合金火焰钎焊工艺可利用铅基合金低熔点的特征避免对绝缘层造成热影响，但铅基合金自身强度低且与铝存在明显电位差是导致其可靠性差的根本原因，且施工作业时一方面采用动火工艺存在火灾风险，另一方面作业时产生的重金属烟尘易对人体健康和生态环境造成危害。综上所述，亟待一种环境友好型可现场作业的低温金属固态修复新技术。

冷喷涂是一种基于微米尺度固态粒子（5~70 μm）高速撞击（300~1200 m/s）产生的剧烈塑性变形，在固态下与基材实现结合的材料沉积方法^［5］，与基于热源熔化材料并凝固的材料沉积工艺相比，沉积温度低是冷喷涂最大的特点^［6-7］。冷喷涂同时还具备现场施工性好与可喷涂铝合金的特点，因此是高压电缆铝质金属密封层低温固态连接的潜在有效方法^［8］。冷喷涂沉积层内粒子间的结合质量、沉积层孔隙率等组织特征与结合强度、自身强度、导电率与耐腐蚀等性能受到粒子碰撞速度的显著影响。粒子碰撞速度越高，粒子间结合越好，沉积体孔隙率越低，力学性能及导电性能越高^［9-10］。一方面，提高加速气体的压力和温度是提高粒子碰撞速度的常规方法，但过高的气体温度会导致铝基粉末堵塞喷嘴，可在高气体压力条件下工作的大型高压冷喷涂装备现场灵活性不足且耗气量较大；另一方面，低压冷喷涂制备的铝基沉积体存在孔隙率高、结合强度、自身强度与导电率低的问题，难以满足密封与导电需求^［11］。

针对上述问题，本工作提出采用 Al/Cu 混合粉末作为原材料的新思路，利用冷喷涂沉积时 Cu 粒子对 Al 粒子的原位锤击锻造作用，在较低的气体压力条件下实现沉积体致密度、结合强度与导电性能的显著提高，以期为高压电缆铝密封层的高性能连接提供新型低成本策略。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

选用如图1（a）所示的氩气雾化纯铝粉末作为冷喷涂粉末，粉末呈球形，粒径介于25~64 μm之间，平均粒径为40 μm。选用如图1（b）所示的雾化球状纯铜粉末作为添加相，粒径介于14~65 μm之间，平均粒径为 34 μm。为了研究Cu粒子原位锤击锻造效应的变化对复合沉积体组织和性能的影响规律，喷涂前按照混合粉末中纯铜粉末体积分数为10%、30%和50%的比例进行充分机械混合，对应的质量分数分别为 26.8%、58.5%和76.7%。冷喷涂过程中，粉末束流内的粒子依次碰撞沉积，Al/Cu混合粉末沉积时，理论上当每个沉积的铝粒子都被Cu粒子碰撞、锤击锻造时，沉积体致密度达到最高。由于Al粒子能够沉积的临界碰撞速度高于Cu粒子，即相同工艺条件下Al比Cu 更难沉积，因此只有混合粉末Al粉体积分数大于Cu粉时，才有可能达到最佳效果。因此，将混合粉末中 Cu 粉的含量设置为10%、30%和50%。为了得到充分混合的粉末，将两种粉末称量后置入滚筒式混料机内混合2 h，以3种机械混合粉末和纯Al粉末作为喷涂粉末，喷涂前将喷涂粉末置入真空烘箱内在温度为 100 ℃条件下对粉末进行2 h烘干处理。

基材材质为1060铝，用于金相观察和盐雾腐蚀的试样的基材为板材（60 mm×20 mm×5 mm），用于结合强度测试的试样的基材为带内螺纹的圆柱（Φ25.4 mm）。喷涂前采用 25 目刚玉砂在压缩空气压力为 0.5 MPa 条件下对基材表面进行喷砂处理，用以去除基体表面污染及氧化膜，同时获得较高的表面粗糙度，从而保证沉积层与基材间的有效结合，基材表面的平均粗糙度 R_a 为 5.7 μm。

1.2 实验方法

1.2.1 沉积体制备

采用西安交通大学自研的小型化冷喷涂系统制备 Al/Cu 复合沉积体，喷枪外观如图2所示，该系统的最高气体温度为800 ℃，最高气体压力为5 MPa。用于加速粉末的 De-Laval 喷管长度为 150 mm，喉部直径为 2 mm，出口直径为 5.4 mm。该系统的气体加热器（Gas heater）长度为 150 mm，较商用高压冷喷涂装备的加热器尺寸（>400 mm）显著减小，同时配备了用于手持作业的手柄，可用于复杂外形金属构件表面喷涂的手持作业。以氮气作为加速气体，其他冷喷涂参数如表1所示。同时，使用纯铝金属粉末为原料在相同冷喷涂参数条件下制备纯Al沉积体来进行对比。

1.2.2 沉积体显微组织表征

采用扫描电镜（SEM，MIRA3 LMH）对沉积体的断面组织和盐雾腐蚀后的表面形貌进行表征。采用图像法对沉积体中Cu的含量占比进行了测量，每种沉积体在背散射电子模式且放大倍数为500倍的条件下拍摄10张照片，利用Cu与Al和孔隙的颜色衬度差异，通过面积比例统计沉积体内的Cu含量与孔隙率。

1.2.3 性能测试

沉积体与基材的结合强度是保证密封 Al 层连接强度的重要指标，本工作依照 GB/T 8642—2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》标准，采用胶粘拉伸法对两种涂层的结合强度进行测试。首先采用喷砂工艺对直径为 25.4 mm的 1060 铝对偶件端面进行喷砂处理以提高其表面粗糙度；其次，使用 E7 环氧树脂胶将试样与喷砂后的对偶件进行粘接，置于烘箱中100 ℃保温3 h使其固化；最后使用 INSTRON 1195 拉伸试验机对涂层进行结合强度测试，拉伸速度为 1 mm/min。测试过程中记录发生断裂时的最大载荷，除以端面面积即为断裂强度，若断裂发生在沉积体与基材界面，断裂强度即为结合强度。对于每种涂层测试 3 个试样，并对结合强度结果取平均值。

沉积体的导电性是保证密封Al层良好接地的重要指标，本工作依照国际标准BS EN 16813：2016《热喷涂-用涡流法测量热喷涂非铁金属沉积体的导电性》，采用涡流法对沉积体的电导率进行测量，测量前采用标样对仪器进行校准。为避免沉积体厚度不足时基材对测试结果造成影响，所有表面抛光处理后的沉积体厚度均大于2.5 mm，频率探头选用 60 kHz，每种样品测试3个试样，并对电导率结果取平均值。

良好的耐腐蚀性能是冷喷涂连接处长期服役安全的重要保障，本工作采用5.0%的 NaCl 中性盐雾腐蚀实验加速测试了不同沉积体的耐腐蚀性能，腔室温度为 35 ℃，腐蚀时长为24 h。采用SEM与激光共聚焦显微镜表征腐蚀后沉积体的表面形貌。

2 结果与分析

2.1 原始粉末中Cu含量对沉积体显微组织的影响

采用冷喷涂制备的纯Al与3种Al/Cu复合沉积体在背散射电子模式下的SEM断面组织如图3所示。其中暗色衬度区域为Al，亮色衬度为Cu。可以发现所有沉积体与基材结合良好，在沉积体与基材界面未观察到明显的裂纹等缺陷。一方面，沉积体中的 Cu 含量随着原始粉末中 Cu 的增加而增加，当喷涂粉末中铜粉的体积分数为 50%时，沉积体绝大多数区域呈现为亮色，Cu 含量远大于 50%。这主要是因为相同条件下 Cu 的沉积效率高于 Al。冷喷涂金属粒子的沉积存在临界速度，只有当粒子的速度高于临界速度时方能沉积，否则粒子将会反弹，同时对基材造成冲蚀。Assadi 等^［12］研究表明，室温下 Cu 粒子的临界速度约为 550 m/s，而Al粒子的临界速度高达 700 m/s，更难沉积。因此在相同条件下，粉末束流中会有更多的 Cu 粒子超过其临界速度，沉积效率更高，从而导致沉积体内含有更多的Cu。

另一方面，如高倍SEM组织照片所示，纯Al沉积体中含有大量孔隙，只要粉末中含有10%以上的Cu粉末时，沉积体的孔隙率显著下降。随着Cu含量的增加，沉积体内孔隙的数量及尺寸均逐渐减小。这主要是因为Cu的密度和弹性模量均远大于Al，因此在异种材料碰撞时，使得塑性变形主要发生在Al内^［13］，使得Al粒子的变形量显著增加，沉积体致密度显著提升。

为了定量考察粉末中的 Cu 含量对沉积体内 Cu 含量和沉积体的孔隙率的影响，采用图像法对沉积体内Cu的体积分数和孔隙率进行了统计，结果如图4所示。如图4（a）所示，当混合粉末中Cu粉的体积占比由10%提高到30%和50%时，沉积体内Cu的体积含量也呈上升趋势，分别为19.5%、51.5%和78.9%，均高于粉末中的含量。由图4（b）可以发现，纯Al沉积体的孔隙率高达14.4%，当混合粉末中Cu粉的体积占比由10%提高到30%和50%时，孔隙率显著降低到0.9%、0.5%和0.2%。

2.2 原始粉末中 Cu 含量对沉积体性能的影响

2.2.1 结合强度

图5为粉末中Cu含量对沉积体结合强度的影响。Cu含量的提高有助于沉积体结合强度的提高，有利于高压电缆铝护套密封层修补连接处可靠性的提升。与纯Al沉积体相比，当粉末中Cu的体积分数从0%提高到10%、30%和50%时，沉积体的平均结合强度由24.2 MPa显著提升到39.2、49.3 MPa和52.3 MPa。这主要是因为Cu粒子的密度和弹性模量远大于Al、Cu 粒子碰撞在Al基材表面时，可以有效嵌入Al基材表层，从而与Al基材形成较好的机械嵌合^［14］。

2.2.2 电导率

图6为纯Al及3种Al/Cu复合沉积体的电导率测试结果。经测试冷喷涂纯Al沉积体的电导率约为 25.7% IACS，低于1060铝基材（45% IACS）。这主要是因为冷喷涂纯Al沉积体内存在大量孔隙，粒子间接触面积较小，同时结合质量较差，导致粒子间存在接触电阻^［15］。随着沉积体中Cu体积比的提高，由于Cu本身电导率较高（退火态纯Cu电导率为100%IACS）并且沉积过程中Cu粒子对已沉积Al粒子的锻造效应^［16］使得沉积体致密度提高，粒子间接触电阻减小，因此沉积体的电导率显著提升，由约25% IACS提高到 53% IACS。从图6中可以推算出当原始粉末中Cu的体积比达到30%时，导电率约为41%IACS，可以获得相当于Al块体材料的电导率。

2.2.3 盐雾腐蚀性能

由于高压电缆的铝护套密封层长期暴露在大气中，空气中的湿度以及污秽将有可能造成表面的腐蚀，当高压电缆及其附件处于沿海环境时，大气腐蚀将进一步加剧，因此本工作采用中性盐雾腐蚀对沉积体的耐腐蚀性能进行了加速实验。24 h 盐雾腐蚀前后的不同样品宏观形貌对比如图7所示。对比可以发现，纯Al沉积体在腐蚀前后均呈现为银白色金属色泽，而Al/Cu复合沉积体在腐蚀24 h后色泽均比腐蚀前颜色更红，这主要是 Al 优先发生腐蚀所致。盐雾腐蚀后的纯Al与30%Cu 沉积体SEM表面形貌如图 7（b），（c）所示，纯Al沉积体表面形成了结合良好且无裂纹的钝化膜，而30%Cu沉积体内Al区域的钝化膜厚度更厚，且出现大量裂纹，表现出更为严重的腐蚀。这主要是因为Al区和Cu区由于电位差异，在盐雾环境下会形成数量众多的微区原电池^［17］，电偶腐蚀效应导致沉积体中的Al区域被加速腐蚀，沉积体快速出现缺陷。

由上述结果可知，随着混合粉末中Cu的体积分数由10%增加到50%，沉积体的质量即致密度、结合强度和导电率均逐渐升高。当混合粉末中Cu粉体积分数为10%时，导电率即可达到与1060Al基材相当的水平，同时结合强度也可从24.2 MPa提高到39.2 MPa，与现有铅连接时铅的抗拉强度接近。但在工业实践中，通常还需考虑制造成本，由于相同体积的Cu粉的价格约为Al粉的6倍，随着混合粉末中Cu含量的增加，粉末原材料成本将会逐渐升高。因此，在采用混合粉末方法提升冷喷涂沉积体性能时，需要针对特定的应用场景进行综合考量。

2.3 Al/Al-Cu 双层结构沉积体

为了解决Al/Cu复合沉积体内Al与Cu间的电偶腐蚀问题，提出了一种底层为Al/Cu复合沉积体，表层覆盖约50 μm厚度纯Al层的双层结构沉积体。由于粉末中Cu体积含量为30%的复合沉积体具有高于Al基材的电导率和较高的结合强度，因此以该复合层作为底层，进行了双层结构涂层的制备。由图8（a），（b）所示，Al表层厚度均匀，与Al/Cu复合层结合良好。在相同条件下对纯Al沉积体与双层结构沉积体进行了中性盐雾腐蚀实验，测试后的宏观照片分别如图8（c），（d）所示。腐蚀后两种样品表面特征相似，未出现Al/Cu复合沉积体中 Al被优先腐蚀的现象，表明双层结构沉积体可有效避免电偶腐蚀效应出现。

进一步对双层结构沉积体的电导率和结合强度进行了测试并与单层 Al/Cu 复合沉积体进行了对比，结果如表2所示。可以发现，与单层结构沉积体相比，导电率和结合强度虽有小幅下降，但下降幅度不超过 10%，导电率与结合强度约为纯Al沉积体的2倍。

最后，按照 Al-Al/Cu 双层结构沉积体连接的策略，采用两端不等径，具有较大实施难度的高压电缆 Al 波纹管密封层与附件尾管进行了连接验证，连接后的样件如图9所示，连接处结合良好，Al层覆盖完整，任何区域未出现开裂、剥落等现象，证实了冷喷涂在高压电缆护套密封层连接的可行性与有效性。

3 结论

（1）冷喷涂沉积中 Cu 粒子对 Al 粒子的原位锻造效应可显著降低沉积体的孔隙率、提高结合强度与导电性能。与纯Al沉积体相比，当机械混合粉末中的Cu粉体积分数达到30%时，孔隙率从14.4%降低到0.5%，结合强度由24.2 MPa提高到49.3 MPa，导电率由 25% IACS提高到约41% IACS，达到与基材相当水平。

（2）与纯Al沉积体相比，Al/Cu复合沉积体中异种金属的微区原电池效应会显著降低沉积体的抗盐雾腐蚀性能。Al面层+Al/Cu复合层的双层结构设计既可避免Al/Cu沉积体中的严重电偶腐蚀效应，同时电导率和结合强度与复合沉积体相当。

（3）依照双层结构沉积层设计策略，验证了冷喷涂在连接压电缆铝护套密封层与附件尾管的可行性与有效性。

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