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超高压CuW/CuCr整体电触头材料的研究

杨晓红  
【摘要】: 随着高压断路器向超高电压、大容量方向发展,对其内部的核心部件-弧触头提出了更高的要求,需要开发和研制新型高性能CuW/CrCu整体电触头材料,以满足更严峻、苛刻环境下的使用要求。根据整体电触头常见的两种失效方式,本文针对CuW/CuCr整体材料的界面结合强度和CuW材料的电烧损性能展开深入而系统的研究。 添加合金元素对Cu/W间润湿性和相界面结合特性影响的研究表明,Cu中添加少量的Cr、Ni、Fe等合金元素可改善Cu/W间的润湿性,其润湿角随合金元素添加量的增加而减小,同时升高温度有利于进一步降低润湿角。座滴合金与W板界面的微观分析表明,合金元素Cr、Ni、Fe的添加使Cu/W界面间发生了一定程度的相互溶解与反应,形成一个界面合金过渡层;界面合金层的形成降低了固/液界面能,改善了Cu/W间的润湿性。施加电场可以改善Cu/W间的润湿性,电场促进了界面处Cu,Fe,W原子间的扩散与溶解,促进了界面过渡层的形成,使CuFe/W间的润湿角更进一步降低。 建立了CuW/CuCr整体材料的界面结合强度计算模型,利用此模型可以在评价CuW端材料显微组织的同时,对不同牌号CuW/CuCr整体材料的界面结合强度进行较好的预测。CuW/CuCr整体材料的界面强度取决于结合面处Cu、W两相的分布和面积分数及CuCr合金的强度。采用立式烧结熔渗法制备了不同含Fe合金夹层的CuW/CuCr整体材料,通过对界面附近的显微组织和界面拉伸强度研究表明,合金夹层中的元素Fe向CuW侧的扩散大于向CuCr合金中的扩散:少量元素Fe的添加,使Cu/W相界面和CuW/CuCr整体材料界面实现了冶金结合,含Cu-5%Fe合金夹层的CuW/CuCr整体材料具有较高的界面强度。但若添加过多的元素Fe,则会造成界面W骨架被溶解侵蚀和CuCr合金一侧组织中共晶相增多,最终导致CuW/CuCr整体材料界面强度下降。 基于ANSYS软件对CuW/CuCr整体电触头在高压电弧作用下的温度场进行有限元数值模拟.得到不同牌号CuW/CuCr整体材料在电弧作用下界面处温度随时间的变化曲线。结果表明,CuW70/CuCr整体触头材料界面处温度在电弧作用约11s后达到其峰值480℃。为后续进行热循环作用下CuW/CuCr整体材料界面强度的研究提供了实验依据。 根据模拟结果设计热循环实验,模拟CuW/CuCr整体电触头材料的实际服役过程,研究了该整体材料在不同热循环条件下界面结合强度的变化及其CuCr合金端组织的演变规律。研究表明,在450℃热循环时,界面强度随着循环次数的增加而增大,且断裂位置偏向于CuW合金侧。在500℃和550℃经过热循环后,断裂位置均发生在结合面处;随着热循环温度的提高,断裂位置有向CuCr合金端移动的趋势。在600℃经热循环后,整体材料断裂发生在CuCr合金端,且随着热循环次数的增加,界面强度逐渐降低。热循环作用下CuW/CuCr整体材料的界面强度与CuCr端合金组织密切相关。对CuCr端显微组织的研究发现,热循环温度为500℃时,经26次循环后CuCr端合金组织中晶粒未发生再结晶长大,析出fcc的第二相Cr与Cu基体相保持完全共格关系;而在600℃热循环作用下,CuCr合金组织中的晶粒发生了再结晶,析出bcc的Cr相,并与Cu基体相失去共格关系,析出相Cr颗粒发生明显的粗化。 对CuW合金的电烧蚀研究表明,CuW合金电击穿往往发生在富铜区域,铜液的喷溅较严重,且击穿坑较大。对于在钨骨架中添加少量WC,TiC,CeO2,Y2O3的CuW合金来说,由于这些添加相在W骨架中弥散分布,电击穿发生在电子逸出功较低的各添加相上,材料表面的电弧得到了有效分散,Cu相的飞溅较小,阴极斑点细小且分散。同时,含添加相的CuW合金的耐击穿强度略有提高,截流值降低,电弧寿命延长,电弧稳定性提高。为了强化击穿弱相Cu,采用W骨架中熔渗CuFe合金的方法制备了CuFeW合金,纳米级的析出Fe相在富Cu区的弥散分布,电击穿由原来集中连续地发生在Cu/W相界面上或富Cu区,转变为非连续地选择性在Cu基体上击穿,产生的阴极斑点较小且分散,Cu液的飞溅现象减小。


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