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(duì)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(yán)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(duì)CuW/CuCr整體材料的界面結(jié)合強(qiáng)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(duì)Cu/W間潤(rùn)濕性和相界面結(jié)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(rùn)濕性,其潤(rùn)濕

2、角隨合金元素添加量的增加而減小,同時(shí)升高溫度有利于進(jìn)一步降低潤(rùn)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(yīng),形成一個(gè)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(rùn)濕性。施加電場(chǎng)可以改善Cu/W間的潤(rùn)濕性,電場(chǎng)促進(jìn)了界面處Cu,Fe,W原子間的擴(kuò)散與溶解,促進(jìn)了界面過渡層的形成,使CuFe/W間的潤(rùn)濕角更進(jìn)一步降低。建立了CuW/CuCr整體

3、材料的界面結(jié)合強(qiáng)度計(jì)算模型,利用此模型可以在評(píng)價(jià)CuW端材料顯微組織的同時(shí),對(duì)不同牌號(hào)CuW/CuCr整體材料的界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)。CuW/CuCr整體材料的界面強(qiáng)度取決于結(jié)合面處Cu、W兩相的分布和面積分?jǐn)?shù)及CuCr合金的強(qiáng)度。采用立式燒結(jié)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(duì)界面附近的顯微組織和界面拉伸強(qiáng)度研究表明,合金夾層中的元素Fe向CuW側(cè)的擴(kuò)散大于向CuCr合金中的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合,含Cu-5％Fe合金夾層的CuW/CuCr整體材料具有較高的界面強(qiáng)度。但若添加過多的元素Fe，則會(huì)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(dǎo)致CuW/CuCr整體材料界面強(qiáng)度下降?；贏NSYS軟件對(duì)CuW/CuCr整體電觸頭在高壓電弧作用下的溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬.得到不同牌號(hào)CuW/CuCr整體材料在電弧作用下界面處溫度隨時(shí)間的變化曲線。結(jié)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(dá)到其峰值480℃。為后續(xù)進(jìn)行熱循環(huán)作用下CuW/CuCr整體材料界面強(qiáng)度的研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)熱循環(huán)實(shí)驗(yàn),模擬CuW/CuCr整體電觸頭材料的實(shí)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(jié)合強(qiáng)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(shí),界面強(qiáng)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(jié)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(dòng)的趨勢(shì)。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(qiáng)度逐漸降低。熱循環(huán)作用下CuW/CuCr整體材料的界面強(qiáng)度與CuCr端合金組織密切相關(guān)。對(duì)CuCr端顯微組織的研究發(fā)現(xiàn),熱循環(huán)溫度為500℃時(shí),經(jīng)26次循環(huán)后CuCr端合金組織中晶粒未發(fā)生再結(jié)晶長(zhǎng)大,析出fcc的第二相Cr與Cu基體相保持完全共格關(guān)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(jié)晶,析出bcc的Cr相,并與Cu基體相失去共格關(guān)系,析出相Cr顆粒發(fā)生明顯的粗化。對(duì)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(yán)重,且擊穿坑較大。對(duì)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(diǎn)細(xì)