超高压CuW/CuCr整体电触头材料的研究

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。

目录

摘要

Abstract

1. 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 钨铜复合材料应用领域和研究方向

1.3 钨铜复合材料制备技术研究现状与发展趋势

1.3.1 常规CuW合金的制备工艺及其特点

1.3.2 新型CuW合金制备工艺

1.4 熔渗体系中润湿性的研究

1.4.1 润湿性的表征和测定方法

1.4.2 改善润湿性的途径

1.4.3 电场在材料制备中的应用研究

1.5 CuW/CrCu整体材料的研究现状

1.5.1 CuW/CrCu整体材料制备工艺

1.5.2 CuW/CuCr整体材料的界面结合强度研究

1.6 电弧作用下CuW/CuCr整体电触头温度场模拟

1.7 热循环作用下CuW/CuCr整体材料的界面强度研究

1.7.1 热循环实验在材料研究中的应用

1.7.2 对CuW/CuCr触头材料进行热循环研究的意义

1.8 CuW材料的电烧蚀性能

1.8.1 开关电器对CuW触头材料的基本要求

1.8.2 触头材料的电烧蚀机理

1.8.3 阴极斑点的研究进展

1.8.4 电极材料对真空电弧和阴极斑点特性的影响

1.9 本文的研究目的及研究内容

2. Cu/W界面润湿性及其结合特性研究

2.1 研究方法

2.1.1 研究技术路线及实验方法

2.1.2 接触角的测量

2.1.3 接触角分析系统

2.1.4 界面微观分析

2.2 合金元素Ni,Cr对Cu/W间润湿性的影响

2.2.1 Ni,Cr含量对润湿性的影响

2.2.2 温度对Cu(Ni,Cr)/W润湿性的影响

2.2.3 界面的微观结构与成分分析

2.2.4 CuNi/W和CuCr/W系界面润湿的机理

2.3 合金元素Fe对Cu/W间润湿性的影响

2.3.1 Ar气气氛下Fe含量对Cu/W间润湿性的影响

2.3.2 CuFe/W界面微观分析

2.3.3 Fe元素影响Cu/W界面润湿及其界面结合的机理

2.4 施加电场对Cu/W间润湿性的影响

2.4.1 电场下的润湿实验方法

2.4.2 电场对Cu/W润湿性的影响

2.4.3 电场对CuFe/W润湿性的影响

2.5 本章小结

3. CuW/CuCr整体材料界面结合强度及界面合金层设计

3.1 CuW材料强度计算模型的建立

3.2 CuW/CuCr整体材料结合面强度计算模型

3.2.1 CuW/CuCr整体材料结合面的确立

3.2.2 结合面单元面积中Cu、W两相的面积分数计算

3.2.3 CuW/CuCr整体材料界面强度计算

3.3 不同牌号CuW材料强度的理论计算与实验结果

3.4 不同牌号CuW合金的Cu相面积分数理论计算与实验结果

3.5 不同牌号CuW/CuCr整体材料界面强度理论计算与实验结果

3.6 含合金夹层的CuW/CuCr整体材料的界面强度

3.6.1 制备与研究方法

3.6.2 CuW/CuCr整体材料界面显微组织

3.6.3 显微硬度

3.6.4 整体材料界面拉伸强度

3.6.5 结果分析与讨论

3.7 本章小结

4. CuW/CuCr整体电触头在电弧作用下的温度场模拟

4.1 有限元法与有限元软件

4.2 温度场的分析理论

4.2.1 传热学经典理论

4.2.2 温度场的基本方程

4.2.3 非线性瞬态温度场的有限元求解

4.3 材料热物性参数计算

4.3.1 CuW材料的密度

4.3.2 CuW材料的比热容

4.3.3 CuW材料的热导率

4.4 触头表面对流换热系数计算

4.5 相变潜热的处理

4.6 电弧能量计算

4.7 Ansys模拟电弧作用下CuW/CrCu整体静弧触头的温度场

4.7.1 建模及网格划分

4.7.2 热载荷的施加

4.7.3 模拟结果分析

4.7.4 CuW尺寸对整体电触头界面温度的影响

4.8 本章小结

5. 热循环作用下CuW/CuCr整体材料界面结合强度

5.1 热循环研究技术路线及实验方法

5.2 测试分析方法

5.3 热循环作用下CuW/CuCr整体材料界面强度

5.4 不同热循环条件下CuW/CuCr整体材料的断裂方式

5.5 热循环作用下CuW/CuCr整体材料结合面组织

5.6 热循环条件下整体材料CuCr合金端的宏观硬度

5.7 热循环作用下CuCr端合金的组织演变

5.7.1 热循环作用下CuCr合金的再结晶

5.7.2 热循环作用下CuCr合金组织中Cu基体的显微硬度

5.7.3 热循环对CuCr合金析出相的影响

5.7.4 结果分析与讨论

5.8 本章小结

6. 添加相对CuW材料电击穿性能的影响

6.1 含添加相的CuW材料的制备

6.2 含添加相的CuW材料的真空电击穿实验

6.2.1 耐电压强度的测量方法

6.2.2 截流值和电弧寿命的测量方法

6.3 添加金属碳化物的CuW材料的静态性能与组织

6.3.1 金属碳化物的物理性能及其添加目的

6.3.2 添加TiC,WC的CuW材料的性能与组织

6.4 添加碳化物的CuW材料的电击穿性能与烧蚀形貌

6.4.1 添加碳化物的CuW材料的耐电压强度

6.4.2 添加碳化物的CuW材料电击穿后的形貌

6.4.3 添加碳化物的CuW材料的截流值和电弧寿命

6.5 添加稀土氧化物的CuW材料静态性能与组织

6.5.1 稀土氧化物的物理性质及其在钨材料中的应用

6.5.2 含CeO_2,Y2O_3的CuW材料静态性能与组织

6.6 添加稀土氧化物的CuW材料的电击穿性能与烧蚀形貌

6.6.1 添加稀土氧化物的CuW材料的耐电压强度

6.6.2 添加稀土氧化物的CuW材料的截流值和电弧寿命的影响

6.7 含合金元素Fe的CuW材料的静态性能与组织

6.8 CuFeW材料的电烧蚀形貌与电击穿性能

6.9 本章小结

7. 结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果