曹偉產(chǎn)，劉 楠，陳 錚，張 喬，肖 鵬，梁淑華

（1.西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077；2.西安理工大學 材料科學與工程學院，西安 710048）

引言

W-Cu 復(fù)合材料是由W 和Cu 兩種互不固溶的金屬構(gòu)成的假合金，它綜合了W 和Cu 的優(yōu)點，既有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，又有低熱膨脹系數(shù)和高耐電弧燒蝕性[1,2]。因此，長期以來被廣泛用于電觸頭材料、電極材料、熱沉材料和火箭噴嘴、飛機喉襯等部件[1,3]。尤其在電觸頭領(lǐng)域，W-Cu 復(fù)合材料因其良好的耐電弧燒蝕、抗熔焊和耐電壓特性，廣泛應(yīng)用在油斷路器、SF6斷路器、真空接觸器、變壓器轉(zhuǎn)換開關(guān)中[4,5]。

當W-Cu 復(fù)合材料作為觸頭工作時，在分合電路過程中往往會產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，電弧向電觸頭輸入極高的能量，使電極在極短時間內(nèi)迅速受熱、熔化，形成熔池。熔池形成后，熔池中的液態(tài)金屬便會在電弧機械力的作用下以小液滴的形式噴濺出去，從而造成材料損耗甚至失效。研究發(fā)現(xiàn)，W-Cu 復(fù)合材料的Cu 含量、W 顆粒大小、表面粗糙度、顯微組織等都與電弧的燒蝕過程密切相關(guān)。SLADE 等[6]研究了不同銅含量對于W-Cu 電觸頭電弧燒蝕性能的影響；王新剛等[7]研究了Cu 相分布對W-Cu 電觸頭電弧燒蝕性能的影響。但W 骨架連接度對W-Cu 復(fù)合材料耐燒蝕性能的影響鮮見報道。本研究通過試驗觀察不同W 骨架連接度的W-Cu復(fù)合材料電弧擊穿，并分析比較其電弧蝕燒行為，為W-Cu 復(fù)合材料的實際應(yīng)用提供試驗依據(jù)和理論參考。

1 試驗

試驗采用的W 粉購自廈門金鷺特種合金有限公司，粒度為5 μm，在高純氮氣氣氛下，采用裝有強制渦流分級機的QLMR150T 流化床氣流粉碎機進行氣流粉碎。研磨壓力為0.70 MPa，分級機轉(zhuǎn)速為40 Hz。氣流粉碎鎢粉設(shè)計為WM-050。將粒度為50 μm 的鎢粉和質(zhì)量分數(shù)為15%的銅粉在V 型混粉機中混合4 h。然后將混合粉末在300 MPa 的壓力下壓制成尺寸為φ21 mm×10 mm 的圓柱形壓塊。最后用無氧銅塊在1350 ℃溫度下燒結(jié)熔滲2 h。使用商業(yè)粉末和氣流磨處理的粉末制備的鎢銅復(fù)合材料分別命名為WY-#Cu和WM-#Cu。

用Phenom Pureplus 和JEM-6700F 掃描電子電鏡分析W-Cu 復(fù)合材料熔滲態(tài)及電擊穿后的微觀組織。用阿基米德法測量熔滲樣品的密度。使用圖像分析軟件（Nano-measurer）分析W-Cu復(fù)合材料中W顆粒的平均尺寸，每個樣品測量500個以上顆粒。

本試驗利用RC 充放電原理來模擬真空滅弧室中電弧燒蝕過程。在5×10-3Pa 真空度下，先對電容器充電，再使電容器對W 針陽極（固定不動）與測試材料陰極（上下移動）系統(tǒng)進行放電，通過改變兩極間距離（d），產(chǎn)生電弧擊穿現(xiàn)象。通過探頭連接兩極與示波器，捕捉電弧擊穿時的放電電壓與電流曲線，測量擊穿瞬間極間距離，計算耐電壓擊穿強度：E=U/d。固定放電電壓，控制測試材料進給量，實現(xiàn)反復(fù)多次擊穿，模擬其作為觸頭材料多頻次開合燒蝕過程。平均耐電壓強度計算公式為：

式中，Eˉ為平均耐電壓強度（V/m），Ei為第i次的耐電壓強度（V/m），n為擊穿總次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

如表1 所示，WM-#Cu 復(fù)合材料的密度達到14.10 g/cm3，比WY-#Cu 復(fù)合材料的13.84 g/cm3高。圖1 為WY-#Cu 和WM-#Cu 復(fù)合材料的顯微組織。在WY-#Cu 復(fù)合材料中，有大量的小尺寸W 晶粒（圖1(a)），在WM-#Cu 復(fù)合材料中卻很少發(fā)現(xiàn)（圖1(b)）。WM-#Cu 復(fù)合材料的平均W 晶粒尺寸為7.29 μm，大于WY-#Cu 復(fù)合材料的5.30 μm。如表1所列，WM-#Cu 復(fù)合材料的W-W 連接度為0.324，遠低于WY-#Cu 復(fù)合材料的0.503。在WY-#Cu 復(fù)合材料中，Cu 基體中存在大量聚集的W 顆粒，這是由于WY-050 粉末中的團聚顆粒。相比之下，近球形的W 晶粒具有“孤島”形態(tài)，并均勻地分散在連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀Cu基體中。

表1 所制備W-Cu復(fù)合材料的密度、平均晶粒尺寸及W-W連接度

圖1 WY-#Cu與WM-#Cu復(fù)合材料的微觀組織照片

2.2 擊穿強度

圖2為WY-#Cu與WM-#Cu復(fù)合材料擊穿30次的擊穿強度分布。從圖2 中可以看出，WY-#Cu 與WM-#Cu 復(fù)合材料的平均擊穿強度分別為(4.94±0.69)×107V/m 和(4.54±0.61)×107V/m，WY-#Cu 的平均擊穿強度較WM-#Cu 大。值得注意的是，在擊穿前期（擊穿次數(shù)＜15）時，WY-#Cu與WM-#Cu擊穿強度基本相同，但是在擊穿后期（15＜擊穿次數(shù)＜30），WM-#Cu 的擊穿強度呈現(xiàn)隨著擊穿次數(shù)的增多而下降的趨勢，而WY-#Cu并未出現(xiàn)這種變化，這導(dǎo)致了WY-#Cu的平均擊穿強度較WM-#Cu大。

圖2 WY-#Cu與WM-#Cu復(fù)合材料的擊穿強度

2.3 燒蝕量

表2為WY-#Cu與WM-#Cu復(fù)合材料經(jīng)30次燒蝕后的質(zhì)量變化。從表2中可以看出，WY-#Cu的燒蝕質(zhì)量損失僅為0.007 8%，顯著低于WM-#Cu 的0.047 9%。

表2 WY-#Cu與WM-#Cu復(fù)合材料經(jīng)30次燒蝕后的質(zhì)量損失

2.4 擊穿形貌

圖3為WY-#Cu和WM-#Cu復(fù)合材料在8 kV下的擊穿30 次后的形貌。圖3 中左邊為燒蝕坑中心區(qū)域，可以看出，WY-#Cu和WM-#Cu復(fù)合材料均被嚴重燒蝕。值得注意的是，WY-#Cu 和WM-#Cu 復(fù)合材料的中心區(qū)域的大小相差不大，但是WY-#Cu復(fù)合材料的影響區(qū)域較WM-#Cu 復(fù)合材料小很多。此外，圖中有明顯的兩種襯度，經(jīng)過分析，淺色為W相，深色為Cu 相。從圖中可以明顯看到，中心區(qū)域的Cu 相較少，主要為熔化-凝固的W 相，而在影響區(qū)域是中心區(qū)域中熔化-噴濺之后覆蓋在表面的Cu層。

圖3 復(fù)合材料在8 kV下的擊穿30次后的形貌

進一步對中心區(qū)域局部放大如圖4所示，從圖4中可以看出，WY-#Cu 和WM-#Cu 復(fù)合材料的中心區(qū)域均是多孔結(jié)構(gòu)，骨架主要為W 相，表面包覆少量熔化-凝固的Cu 相。WY-#Cu 和WM-#Cu 復(fù)合材料中都存在大量的凝固W 顆粒，且尺寸較大，甚至達到幾百微米。相對地，WY-#Cu 復(fù)合材料表面的凝固W 顆粒的尺寸較WM-#Cu 大，如圖4(a)和圖4(c)所示。但是，WY-#Cu 復(fù)合材料的殘余骨架上仍可以清晰地看到完整的W顆粒，且W顆粒之間有未揮發(fā)和噴濺的Cu（圖4(b)）。而WM-#Cu 的殘余骨架已看不到W顆粒的存在，為表面光滑的W骨架整體（圖4(d)）。

圖4 復(fù)合材料在8 kV下的擊穿30次后的局部形貌

2.5 W骨架連接度的影響

電弧擊穿時，電弧將弧根區(qū)域加熱到極高溫度，Cu相迅速熔化與氣化，同時液態(tài)Cu相在電弧的電磁攪拌作用下劇烈噴濺，導(dǎo)致W 骨架在氣態(tài)和液態(tài)Cu 相的沖刷下部分解體，同時發(fā)生熔化和氣化，造成材料燒蝕（如圖5 所示）。Cu 相的熔化和氣化會吸收大量的熱量，從而降低W 骨架的溫度。日本的NAKAGAWA 等[8]通過計算認為Cu 相氣化帶走的大量熱量是減少CuW 觸頭燒蝕的決定性因素，CuW 合金的最優(yōu)Cu含量(質(zhì)量分數(shù)）為40%～50%。PLANSEE 的研究則表明W-20Cu 的燒蝕速率最低。因此，Cu 相對于W-Cu 復(fù)合材料的耐燒蝕性能有決定性影響。

圖5 電弧燒蝕示意圖

對于本研究中所制備的W-#Cu 復(fù)合材料，WY-#Cu 的W 骨架連接度（即W-W 連接度）較WM-#Cu大很多，即WY-#Cu 復(fù)合材料中W 顆粒之間相互連接較多，Cu 相分布在W 骨架的孔隙中；而WM-#Cu復(fù)合材料中Cu 相呈網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，W 顆粒均勻分布在Cu 網(wǎng)絡(luò)之間。因而在電弧燒蝕過程中，WY-#Cu復(fù)合材料的W 骨架可以在Cu 相熔化后“吸”住液相Cu（虹吸效應(yīng)），減少因電磁攪拌作用引起的Cu 相濺射，這部分被“吸”住的Cu相在后續(xù)過程中會氣化并帶走大量的熱量，進而降低W 骨架的溫度，防止了W 骨架的熔化。因此，圖4(a)和(b)中的W 骨架還保留了較好的原始結(jié)構(gòu)，W 顆粒僅有較低程度的熔化。相對地，WM-#Cu 復(fù)合材料中，Cu 相在熔化后無完整的W 骨架將其“吸”住，因此液相Cu 會在電磁攪拌作用下很快被噴濺出去，W 骨架僅能靠Cu相的熔化和少量的氣化來降溫，迅速升溫的W 骨架會很快升溫，進而熔化、噴濺，導(dǎo)致燒蝕嚴重。因而圖4(d)中可以看出，W 骨架已經(jīng)接近全部熔化，其燒蝕量也較WY-#Cu大。

3 結(jié)論

（1）采用氣流磨處理W 粉制備的W-Cu 復(fù)合材料的W骨架連接度較傳統(tǒng)W-Cu復(fù)合材料低。

（2）WY-#Cu 復(fù)合材料經(jīng)30 次擊穿后的燒蝕損失量顯著低于WM-#Cu。

（3）高的W 骨架連接度可以增加對液相Cu 的虹吸作用，減少Cu相的噴濺，并通過大量Cu相的氣化降低W骨架的溫度，進而減少W骨架的熔化和材料的整體燒蝕量。