W骨架連接度對W-Cu復合材料耐電弧燒蝕性能的影響

曹偉產，劉 楠，陳 錚，張 喬，肖 鵬，梁淑華

（1.西安西電開關電氣有限公司，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 復合材料是由W 和Cu 兩種互不固溶的金屬構成的假合金，它綜合了W 和Cu 的優點，既有良好的導熱、導電性，又有低熱膨脹系數和高耐電弧燒蝕性[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]。尤其在電觸頭領域，W-Cu 復合材料因其良好的耐電弧燒蝕、抗熔焊和耐電壓特性，廣泛應用在油斷路器、SF6斷路器、真空接觸器、變壓器轉換開關中[4,5]。

當W-Cu 復合材料作為觸頭工作時，在分合電路過程中往往會產生電弧放電現象，電弧向電觸頭輸入極高的能量，使電極在極短時間內迅速受熱、熔化，形成熔池。熔池形成后，熔池中的液態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。研究發現，W-Cu 復合材料的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。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復合材料電弧擊穿，并分析比較其電弧蝕燒行為，為W-Cu 復合材料的實際應用提供試驗依據和理論參考。

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，分級機轉速為40 Hz。氣流粉碎鎢粉設計為WM-050。將粒度為50 μm 的鎢粉和質量分數為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 ℃溫度下燒結熔滲2 h。使用商業粉末和氣流磨處理的粉末制備的鎢銅復合材料分別命名為WY-#Cu和WM-#Cu。

用Phenom Pureplus 和JEM-6700F 掃描電子電鏡分析W-Cu 復合材料熔滲態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）系統進行放電，通過改變兩極間距離（d），產生電弧擊穿現象。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，實現反復多次擊穿，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。

2 結果與分析

2.1 微觀組織

如表1 所示，WM-#Cu 復合材料的密度達到14.10 g/cm3，比WY-#Cu 復合材料的13.84 g/cm3高。圖1 為WY-#Cu 和WM-#Cu 復合材料的顯微組織。在WY-#Cu 復合材料中，有大量的小尺寸W 晶粒（圖1(a)），在WM-#Cu 復合材料中卻很少發現（圖1(b)）。WM-#Cu 復合材料的平均W 晶粒尺寸為7.29 μm，大于WY-#Cu 復合材料的5.30 μm。如表1所列，WM-#Cu 復合材料的W-W 連接度為0.324，遠低于WY-#Cu 復合材料的0.503。在WY-#Cu 復合材料中，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，并均勻地分散在連續網絡狀Cu基體中。

表1 所制備W-Cu復合材料的密度、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＜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＜30），WM-#Cu 的擊穿強度呈現隨著擊穿次數的增多而下降的趨勢，而WY-#Cu并未出現這種變化，這導致了WY-#Cu的平均擊穿強度較WM-#Cu大。

圖2 WY-#Cu與WM-#Cu復合材料的擊穿強度

2.3 燒蝕量

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

表2 WY-#Cu與WM-#Cu復合材料經30次燒蝕后的質量損失

2.4 擊穿形貌

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

圖3 復合材料在8 kV下的擊穿30次后的形貌

進一步對中心區域局部放大如圖4所示，從圖4中可以看出，WY-#Cu 和WM-#Cu 復合材料的中心區域均是多孔結構，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，電弧將弧根區域加熱到極高溫度，Cu相迅速熔化與氣化，同時液態Cu相在電弧的電磁攪拌作用下劇烈噴濺，導致W 骨架在氣態和液態Cu 相的沖刷下部分解體，同時發生熔化和氣化，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Cu含量(質量分數）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復合材料中Cu 相呈網絡狀結構，W 顆粒均勻分布在Cu 網絡之間。因而在電弧燒蝕過程中，WY-#Cu復合材料的W 骨架可以在Cu 相熔化后“吸”住液相Cu（虹吸效應），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構，W 顆粒僅有較低程度的熔化。相對地，WM-#Cu 復合材料中，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，導致燒蝕嚴重。因而圖4(d)中可以看出，W 骨架已經接近全部熔化，其燒蝕量也較WY-#Cu大。

3 結論

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

（2）WY-#Cu 復合材料經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。