机械合金化-放电等离子烧结纳米晶铜铬复合材料的研究

摘要

随着真空断路器向着高电压、大容量、小型化方向的发展,提高真空触头材料性能的研究成为人们的研究热点之一。铜铬合金具有耐电压水平高、分断容量大、吸气能力强、耐损蚀特性好、截流值较低等特点,是一种理想的触头材料。然而,由于铜和铬基本不互溶,采用常规工艺制得的材料中,Cr的偏析严重,组织粗大,导致电弧在富Cr的区域聚集,烧蚀倾向严重,限制了该材料在大功率真空断路器上的应用。因此,提高Cr在Cu基体中的均匀性及细化组织是有效提高CuCr触头材料性能的一个重要途径。
　　本文将机械合金化法和放电等离子烧结技术结合起来,开展了纳米晶CuCr触头块体复合材料的研究。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDX)等分析测试技术对材料的物相结构、组织形貌和成分分布等进行了表征,并检测了块体材料的致密度、显微硬度、电导率等相关物理性能。研究了机械合金化和放电等离子烧结过程中关键工艺参数对材料的结构、组织、形貌和性能的影响,研究了机械合金化过程中固溶扩展情况,探讨了放电等离子烧结过程。主要研究成果如下:
　　采用高质量的硬质合金球有利于增强机械合金化效果。在球料比为30:1,球磨时间为50 h条件下,复合粉末的平均晶粒尺寸为26 nm,Cu(Cr)固溶度为1.0065 wt.％。
　　适量的过程控制剂(Process Control Agent,简称PCA)可以有效提高粉末的出粉率和分散性。PCA含量范围为5-15wt.％时,球磨效果较佳,出粉率达到90％以上,平均晶粒尺寸为26.1-35 nm。
　　采用级配法球磨有利于粉末的细化和提高组分的均匀性。制得的烧结体中,Cr以细小颗粒状均匀弥散分布于Cu基体中,其平均尺寸小于3μm。
　　适当延长球磨时间,可细化晶粒,增大Cr在Cu中的固溶度,复合粉末的形态呈球状。使用球磨70 h的粉末进行SPS烧结,烧结体中,Cr颗粒的平均尺寸为100nm,弥散分布在Cu基体中。
　　升温速率和温度是影响烧结体性能的关键因素。当烧结温度为900℃,升温速率为100℃/min时,材料烧结方式为固液相混合烧结,烧结体中,Cr颗粒细小、均匀,弥散分布在Cu基体中,其致密度为97.35％,硬度为282 HV,电导率为12.2 MS/m,达到最佳性能。

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1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 铜铬触头材料的国内外研究概况和发展趋势

1.3 铜铬触头材料的制备工艺

1.4 课题的研究目的及研究内容

2 实验工艺及测试方法

2.1 实验试剂

2.2 实验方案

2.3 样品的检测与表征

3 机械合金化法制备CuCr复合材料

3.1 引言

3.2 磨球材质的影响

3.3 过程控制剂含量的影响

3.4 磨球级配的影响

3.5 球磨时间的影响

3.6 本章小结

4 放电等离子烧结CuCr块体材料

4.1 引言

4.2 升温速率的影响

4.3 烧结温度的影响

4.4 放电等离子烧结与传统烧结工艺的比较

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间获得的奖励