铜基真空触头材料的SPS制备与性能研究

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CuCr合金具有优异的机械性能和物理性能,是一种广泛应用于真空电器元件的结构功能一体化材料,如中高压真空触头。高压输电向超高压方向发展对CuCr触头材料的机械性能和物理性能提出更高的要求。为此,本研究在CuCr合金中添加与Cr同一副族元素(W、Mo),通过放电等离子烧结(SPS)制备出兼顾机械性能和物理性能的Cu基复合材料。本文首先采用SPS固结成形CuCr混合粉末制备CuCr30合金。研究了烧结温度、保温时间、烧结压力对CuCr30合金组织和性能的影响。当升温速率为100℃/min,烧结温度为950℃,保温时间为15 min,烧结压力为40 MPa时,合金致密度高达99.5%,组织细小,两相分布均匀。采用机械混合、机械合金化(高能球磨)、增强相(Cr)球磨细化后与Cu粉机械混合制备三种不同初始形态的混合粉末,研究粉末初始形态对CuCr合金组织与性能的影响。当机械合金化工艺参数为添加1.0wt.%的PCA(硬脂酸),球料比10:1,转速300 r/min,球磨时间50 h时制备了亚微米级的CuCr复合粉末,烧结后CuCr合金的机械性能与机械混合CuCr粉末相比有大幅度提高,但是其电导率和热导率反而降低。Cr球磨细化后与Cu粉机械混合制备的粉末经SPS处理,成分组织均匀,致密度大于99.0%,显微硬度、电导率、热导率和抗拉强度分别提高了13.4%、3.0%、8.1%和4.8%。同样地,采用W先球磨细化再机械混合工艺制备的Cu W30粉末经SPS处理后Cu W30合金的各项性能(硬度、抗拉强度、电导率和热导率)与机械混合粉末相比均有明显改善。在保持Cu含量不变的情况下,在CuCr合金中添加W或W和Mo两种组元,制备了CuCr15W15和CuCr10W10Mo10合金。当SPS工艺参数为烧结温度990℃、烧结压力40 MPa和保温15 min时,CuCr15W15合金的致密度高达99.3%,且各项性能均优于CuCr30合金,其电导率、热导率、显微硬度和抗拉强度分别为29.5Ms/m、212.0 W/(m·K)、152 HV0.5和365.0 MPa。当SPS工艺参数为烧结温度1020℃,烧结压力40 MPa,保温时间15 min时,CuCr10W10Mo10合金各项性能均优于相同球磨工艺制备的CuCr30合金;且在保证电导率和热导率基本相同的情况下,其显微硬度和拉伸强度较CuCr15W15合金分别提高了36%和35%。通过设计、优化烧结模具(大尺寸烧结模具和一模多腔模具)再辅以SPS烧结,实现了大尺寸(直径>50mm、长径比大于1.0)、多规格CuCr30合金的SPS批量制备。大尺寸CuCr30合金组织成分均匀,轴向密度差小于2%,电导率最高可达29.9 Ms/m,满足工业需求标准。采用一模多腔烧结模具可短时、高效批量化制备组织成分均匀的CuCr30合金,致密度大于97.8%,电导率可达31.4 Ms/m,布氏硬度可达81.5 HB,批次稳定高。
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