超高壓CuW-CuCr整體電觸頭材料的研究.pdf

1、隨著高壓斷路器向超高電壓、大容量方向發(fā)展,對其內(nèi)部的核心部件-弧觸頭提出了更高的要求,需要開發(fā)和研制新型高性能CuW/CrCu整體電觸頭材料,以滿足更嚴峻、苛刻環(huán)境下的使用要求。根據(jù)整體電觸頭常見的兩種失效方式,本文針對CuW/CuCr整體材料的界面結合強度和CuW材料的電燒損性能展開深入而系統(tǒng)的研究。添加合金元素對Cu/W間潤濕性和相界面結合特性影響的研究表明,Cu中添加少量的Cr、Ni、Fe等合金元素可改善Cu/W間的潤濕性,其潤濕

2、角隨合金元素添加量的增加而減小,同時升高溫度有利于進一步降低潤濕角。座滴合金與W板界面的微觀分析表明,合金元素Cr、Ni、Fe的添加使Cu/W界面間發(fā)生了一定程度的相互溶解與反應,形成一個界面合金過渡層；界面合金層的形成降低了固/液界面能,改善了Cu/W間的潤濕性。施加電場可以改善Cu/W間的潤濕性,電場促進了界面處Cu,Fe,W原子間的擴散與溶解,促進了界面過渡層的形成,使CuFe/W間的潤濕角更進一步降低。建立了CuW/CuCr整體

3、材料的界面結合強度計算模型,利用此模型可以在評價CuW端材料顯微組織的同時,對不同牌號CuW/CuCr整體材料的界面結合強度進行較好的預測。CuW/CuCr整體材料的界面強度取決于結合面處Cu、W兩相的分布和面積分數(shù)及CuCr合金的強度。采用立式燒結熔滲法制備了不同含F(xiàn)e合金夾層的CuW/CuCr整體材料,通過對界面附近的顯微組織和界面拉伸強度研究表明,合金夾層中的元素Fe向CuW側(cè)的擴散大于向CuCr合金中的擴散：少量元素Fe的添加,

4、使Cu/W相界面和CuW/CuCr整體材料界面實現(xiàn)了冶金結合,含Cu-5％Fe合金夾層的CuW/CuCr整體材料具有較高的界面強度。但若添加過多的元素Fe，則會造成界面W骨架被溶解侵蝕和CuCr合金一側(cè)組織中共晶相增多,最終導致CuW/CuCr整體材料界面強度下降。基于ANSYS軟件對CuW/CuCr整體電觸頭在高壓電弧作用下的溫度場進行有限元數(shù)值模擬.得到不同牌號CuW/CuCr整體材料在電弧作用下界面處溫度隨時間的變化曲線。結果表明

5、,CuW70/CuCr整體觸頭材料界面處溫度在電弧作用約11s后達到其峰值480℃。為后續(xù)進行熱循環(huán)作用下CuW/CuCr整體材料界面強度的研究提供了實驗依據(jù)。根據(jù)模擬結果設計熱循環(huán)實驗,模擬CuW/CuCr整體電觸頭材料的實際服役過程,研究了該整體材料在不同熱循環(huán)條件下界面結合強度的變化及其CuCr合金端組織的演變規(guī)律。研究表明,在450℃熱循環(huán)時,界面強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大,且斷裂位置偏向于CuW合金側(cè)。在500℃和550℃經(jīng)

6、過熱循環(huán)后,斷裂位置均發(fā)生在結合面處；隨著熱循環(huán)溫度的提高,斷裂位置有向CuCr合金端移動的趨勢。在600℃經(jīng)熱循環(huán)后,整體材料斷裂發(fā)生在CuCr合金端,且隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加,界面強度逐漸降低。熱循環(huán)作用下CuW/CuCr整體材料的界面強度與CuCr端合金組織密切相關。對CuCr端顯微組織的研究發(fā)現(xiàn),熱循環(huán)溫度為500℃時,經(jīng)26次循環(huán)后CuCr端合金組織中晶粒未發(fā)生再結晶長大,析出fcc的第二相Cr與Cu基體相保持完全共格關系；而在

7、600℃熱循環(huán)作用下,CuCr合金組織中的晶粒發(fā)生了再結晶,析出bcc的Cr相,并與Cu基體相失去共格關系,析出相Cr顆粒發(fā)生明顯的粗化。對CuW合金的電燒蝕研究表明,CuW合金電擊穿往往發(fā)生在富銅區(qū)域,銅液的噴濺較嚴重,且擊穿坑較大。對于在鎢骨架中添加少量WC,TiC,CeO2,Y2O3的CuW合金來說,由于這些添加相在W骨架中彌散分布,電擊穿發(fā)生在電子逸出功較低的各添加相上,材料表面的電弧得到了有效分散,Cu相的飛濺較小,陰極斑點細