純銅觸頭表面激光熔覆銅基合金的性能試驗(yàn)研究

薛守洪， 李保坤， 葉海龍， 陳燕， 張書慧

（1. 內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2. 華北電力大學(xué)電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，東方電氣（天津）風(fēng)電葉片工程有限公司，北京 100000；3. 內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司巴彥淖爾供電分公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015099）

0 引言

隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中使用量最大、應(yīng)用范圍最廣的電氣設(shè)備之一，其故障的發(fā)生往往會導(dǎo)致大范圍的停電事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的運(yùn)營安全。電觸頭是高壓開關(guān)電器的關(guān)鍵部件，在開關(guān)閉合瞬間，觸頭間隙產(chǎn)生溫度高、能量大的電弧，燒蝕觸頭表面。每年由于觸頭發(fā)熱、過熱等缺陷造成隔離開關(guān)損壞、電網(wǎng)大面積停電的事故時(shí)有發(fā)生，這不但會造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，也會對變電站工作人員的生命安全造成巨大的威脅[1-2]。觸頭的損壞主要發(fā)生在電弧燒蝕過程中，主要由以下三個(gè)部分組成: 首先，表面已有的附著物與低熔點(diǎn)銅的揮發(fā)與濺射；其次，銅的熔化飛濺與冷卻凝固達(dá)到動態(tài)平衡；最后，表面凹凸不平和強(qiáng)烈燒蝕。但分?jǐn)嚯娀〔粫苯釉斐捎|頭的熔焊，因?yàn)榉謹(jǐn)嚯娀∠鄬r(shí)間長，能量大，會使接觸表面更加不平，侵蝕量大，使觸頭在下一次閉合時(shí)更易出現(xiàn)高能量的預(yù)放電電弧、彈跳電弧和熔焊現(xiàn)象[3-4]，即觸頭既要承受機(jī)械沖擊，還要被電弧腐蝕。此外還有制造過程中本身帶有的缺陷。

目前常用的是純銅觸頭，其具有良好的導(dǎo)電性能，但是在使用過程中會出現(xiàn)強(qiáng)度下降、抗變形能力低等情況而失效；銅表面易生成氧化膜，導(dǎo)致電阻變大溫升變快，且純銅在耐蝕性、溫度、強(qiáng)度等方面表現(xiàn)較差。國內(nèi)外對觸頭材料正進(jìn)行著大量的研究工作，從研究方向來看，主要有以下三個(gè)方面：其一，開發(fā)新型的觸頭材料；其二，在不改變材料的情況下，尋找新的制備工藝；其三，在主要材料不變的情況下，通過添加新的合金元素或非金屬化合物，提高材料的性能[5]。本研究主要通過后兩種途徑來提高觸頭材料的綜合性能。

激光熔覆是一種新型的表面技術(shù)，其原理是利用能量高度集中的激光束將置于基體表面的熔覆材料和基體同時(shí)融化和凝固，制備與基體達(dá)到冶金結(jié)合且稀釋率較低的具有熔覆材料特性的激光熔覆層。這種熔覆層往往具有基體所不具有的優(yōu)良性能，如良好的耐磨、耐腐蝕以及耐熱、抗氧化等性能[6]。激光熔覆技術(shù)在惡劣工況條件下使用但又要考慮經(jīng)濟(jì)因素而不能大面積使用性能優(yōu)異的材料制備的構(gòu)件上應(yīng)用潛力巨大。此外，根據(jù)王顏明等人[7]的研究，在相同的電流和電流擊穿次數(shù)下，銅鎢合金中鎢含量越高，銅鎢合金的耐電弧侵蝕能力越強(qiáng)。同時(shí)鎢含量越高，銅鎢合金在電弧侵蝕下，易發(fā)生裂紋。說明相比于鎢含量較低的銅鎢合金，鎢含量越高，銅鎢合金的脆性越大，越易產(chǎn)生開裂，與銅鎢合金的硬度變化相對應(yīng)。

本研究利用激光熔覆技術(shù)在純銅觸頭表面制備具有耐磨耐蝕性的銅基熔覆層來進(jìn)行防護(hù)，并對所制備的三種銅基熔覆層的微觀形貌、成分分布、硬度、導(dǎo)電性以及耐蝕性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基體為20 mm×20 mm×8 mm的純銅板材（與GW5-35高壓隔離開關(guān)觸頭材料相同）。熔覆材料成分如表1所示。粉末粒度為140目～325目。鎢銅合金電觸頭一般是高鎢低銅（鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～90%）型的。Cu具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，W具有高密度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)和低膨脹系數(shù)，兩者既不互溶也不能形成金屬間化合物。但是銅的增加顯著降低了合金的孔隙率，但銅的團(tuán)聚傾向也更明顯，W元素在銅中分布不均，合金與浸潤銅液的界面疏松。鎢銅復(fù)合材料是由高熔點(diǎn)、高硬度的鎢和高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率的銅所構(gòu)成的假合金。Cu-W材料同時(shí)具備了Cu、W的優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好、密度大、膨脹系數(shù)小，因而作為電觸頭材料得到廣泛應(yīng)用[8-11]。同時(shí)在銅鎢合金中加入少量的Ni，以增加材料的硬度及耐蝕性[12]。

表1 熔覆材料成分表 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試驗(yàn)方法

采用同步送粉的方式在純銅板材基體表面進(jìn)行激光熔覆。激光熔覆之前，純銅板材表面需進(jìn)行預(yù)處理，以免影響熔覆效果。預(yù)處理方法為：使用200目～600目砂紙打磨板材表面，以去除表面的雜質(zhì)和氧化皮，再用丙酮清洗，去除雜質(zhì)，最后將板材固定于熔覆工作臺上。采用板材固定，激光頭移動的方式進(jìn)行激光熔覆。將表1中三種成分的合金粉末在120 ℃下烘干1 h后填裝到送粉設(shè)備中。激光熔覆設(shè)備采用RFL-C3300W型激光器，各個(gè)熔覆層的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 各熔覆層相關(guān)制備參數(shù)

通過調(diào)整參數(shù)，單層熔覆層的厚度可以達(dá)到600 μm。按照相同的方式進(jìn)行三次熔覆，制備完成后熔覆層總平均厚度約為1200 μm～1400 μm。將制備完成的熔覆層打磨平整，并進(jìn)行拋光處理，以獲得形貌良好的耐蝕耐磨熔覆層。通過線切割，分別準(zhǔn)備硬度測試、鹽霧試驗(yàn)（按GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》）、導(dǎo)電率測試所需的試驗(yàn)樣品。

熔覆層截面顯微硬度的測試方法為“S型打點(diǎn)測試法”，從熔覆層表面開始，向基體方向打點(diǎn)，與熔覆層水平方向取三個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)間距為50 μm，與熔覆層垂直方向各點(diǎn)間距為150 μm，載荷為200 g/N，其中0處為基體位置。耐蝕性測試為根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 10125—2012）設(shè)計(jì)的中性鹽霧試驗(yàn)，配制5%的NaCl溶液（50 g/L），使鹽霧箱收集的噴霧溶液的pH值控制在6.5～7.2之間，并用新的沸騰水配置溶液，以減少溶液中的二氧化碳，避免pH值變化。鹽霧室內(nèi)溫度設(shè)置為35 ℃，壓力桶溫度設(shè)置為45 ℃，濕度大于95%，降霧量為1 mL/(h·cm2)，噴嘴壓力為70 kPa，連續(xù)噴霧，每隔24 h取出樣品進(jìn)行觀察與測試。試驗(yàn)總時(shí)長為120 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔覆層組織結(jié)構(gòu)

對熔覆層表面進(jìn)行測試，厚度均為1500 μm以上。其中，CuW10Ni3熔覆層表面光滑平整，整體厚度均勻，無明顯孔洞。隨著熔覆層中W元素含量的增加，其表面形貌逐漸變差，如圖1所示。與CuW10Ni3相比，其他兩種熔覆層表面開始出現(xiàn)少量孔洞，而CuW40Ni3表面形貌較差，孔洞較多。利用著色滲透探傷劑對三種熔覆層表面進(jìn)行無損探傷檢測，結(jié)果三種熔覆層表面均無裂紋存在。

圖1 三種熔覆層宏觀形貌

三種熔覆層與基體結(jié)合處形貌如圖2所示。從圖2可以發(fā)現(xiàn)三種熔覆層與基體均為冶金結(jié)合，二者結(jié)合緊密，基體為單一的灰色相，熔覆層內(nèi)包含白色和灰色兩相。隨著W元素含量增加，白色相含量逐漸增多。

圖2 熔覆層與基體結(jié)合處形貌

各熔覆層不同位置的成分如表3所示。圖3～5分別為三種熔覆層的截面形貌及元素分布圖。從圖3～5可知，白色相由W元素組成，灰色相由Cu、Ni兩種元素組成，Cu元素含量遠(yuǎn)高于Ni，熔覆層產(chǎn)生了W元素的偏聚，這是由于W熔點(diǎn)較高，熔覆層中的W顆粒呈現(xiàn)出被Cu和Ni元素包覆的現(xiàn)象。CuW10Ni3和CuW20Ni3兩種熔覆層中W含量較少，分別為10%和20%；對比來看，CuW20Ni3熔覆層中W元素分布最不均勻，既有小顆粒狀的偏聚，也有大的成團(tuán)狀的偏聚。而CuW40Ni3熔覆層中，W元素含量顯著提升且較為均勻地分布在灰色基體相中，與CuW20Ni3熔覆層類似，既有小顆粒狀的偏聚，也有大的成團(tuán)狀的偏聚。

圖3 CuW10Ni3熔覆層截面形貌及元素分布

圖4 CuW20Ni3熔覆層截面形貌及元素分布

圖5 CuW40Ni3熔覆層截面形貌及元素分布

表3 各相元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 XRD結(jié)果

圖6為三種熔覆層的XRD結(jié)果。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，三種熔覆層的衍射峰幾乎一致，熔覆層由Cu、W以及Cu-Ni固溶體組成。此外，在熔覆層中，均沒有檢測到氧化物的存在，這證明在激光熔覆過程中，氬氣在激光熔覆過程中起到了充分的保護(hù)作用，制備完成的熔覆層中并無氧化現(xiàn)象產(chǎn)生，這為材料耐蝕性能、導(dǎo)電性能的準(zhǔn)確檢測提供了保障。

圖6 三種熔覆層表面的XRD分析結(jié)果

2.3 硬度分析

圖7為熔覆層到基體的硬度曲線。從圖7可以看出，由基體到熔覆層方向，在過渡區(qū)域呈現(xiàn)一個(gè)硬度增長梯度；在熔覆層區(qū)域，整體的硬度值明顯高于基體位置。由基體的60 HV～70 HV增長到90 HV以上。而對比三個(gè)成分的熔覆層，隨著W含量的增加，熔覆層的硬度也增加，CuW40Ni3熔覆層平均硬度增加到約130 HV，與基體相比，熔覆層硬度增大了1.5倍～2倍。

圖7 基體到熔覆層的硬度曲線

根據(jù)XRD結(jié)果，由于Ni的存在，熔覆層中形成了Cu3.8Ni相，這在一定程度上對硬度的增加起到了作用[13]。并且發(fā)現(xiàn)CuW10Ni3、CuW20Ni3的硬度波動較大，結(jié)合掃描電鏡圖，W元素的富集以及分布不均可能導(dǎo)致了這一結(jié)果。另外，由于激光熔覆技術(shù)本身具有迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固（冷卻速率通常達(dá)到102℃/s～106℃/s）的特點(diǎn)，其熔覆層組織特征一般都非常細(xì)小致密，能有效提高熔覆層的硬度[7]。

2.4 導(dǎo)電性分析

表4展示了各熔覆層的導(dǎo)電率，整體來看，與純銅基體相比熔覆層導(dǎo)電率較低。通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著W含量的增加，導(dǎo)電率逐漸降低，結(jié)合截面掃描電鏡圖與XRD分析，熔覆層中少量孔洞的存在以及Ni、W元素的添加，在增加了耐蝕性和硬度的同時(shí)，也對表面導(dǎo)電性造成了很大的影響。

表4 三種熔覆層的導(dǎo)電率 （%）

2.5 鹽霧試驗(yàn)

通過鹽霧試驗(yàn)，對三種熔覆層進(jìn)行耐蝕性能測試。三種熔覆層鹽霧腐蝕試驗(yàn)過程中試樣失重與腐蝕時(shí)間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 失重曲線

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，兩種熔覆層的失重曲線近似為拋物線的關(guān)系，這說明熔覆層在腐蝕過程中，表面生成了具有保護(hù)作用的腐蝕產(chǎn)物，從而降低了腐蝕速率。CuW10Ni3、CuW20Ni3兩種熔覆層相比，隨著W元素含量的提高，耐蝕性降低，總失重分別為CuW10Ni3熔覆層1.5621 mg/cm2，CuW20Ni3熔覆層3.7247 mg/cm2，CuW20Ni3熔覆層失重是CuW10Ni3熔覆層的2.4倍。

對CuW10Ni3和CuW20Ni3熔覆層的失重曲線進(jìn)行擬合，分別得到如表5所示的擬合公式。從表5可以看出，加入Ni元素后CuW10Ni3、CuW20Ni3兩種熔覆層的失重曲線相近，都是近似拋物線關(guān)系。通過XRD分析可以得知，在加入少量的Ni元素后，除了純Cu、W兩相外，熔覆層中出現(xiàn)了新的Cu3.8Ni相。Cu-Ni合金具有良好的耐蝕性能[12]，因此Ni元素的添加，Cu-W-Ni熔覆層的耐蝕性有較大的提高。

表6為三種熔覆層不同時(shí)間的鹽霧腐蝕后宏觀形貌。對比表6中CuW10Ni3、CuW20Ni3、CuW40Ni3三種熔覆層，明顯發(fā)現(xiàn)，隨著熔覆層W含量的提高，其表面形貌逐漸變差，尤其是CuW40Ni3熔覆層表面被腐蝕產(chǎn)物包覆，并且出現(xiàn)了十分明顯的孔洞。結(jié)合表5可以看出，CuW20Ni3、CuW40Ni3兩種熔覆層都出現(xiàn)不同程度的失重，但CuW40Ni3熔覆層由于表面孔洞較多，腐蝕產(chǎn)物難以清除等原因，產(chǎn)生了增重現(xiàn)象。

表6 三種熔覆層不同時(shí)間的鹽霧腐蝕后宏觀形貌

圖9為CuW40Ni3熔覆層經(jīng)過120 h鹽霧腐蝕后XRD結(jié)果。根據(jù)XRD卡片對比，Cu-W-Ni系熔覆層表面腐蝕產(chǎn)物主要有CuCl、Cu2O、Cu2Cl(OH)3、NiO。

圖9 鹽霧試驗(yàn)后CuW40Ni3熔覆層XRD結(jié)果

Cu-W-Ni系熔覆層的電化學(xué)腐蝕機(jī)理分析認(rèn)為[14]，在發(fā)生腐蝕的過程中，銅鎢鎳熔覆層中Ni元素會對材料起到保護(hù)作用，在其腐蝕初期階段，除了發(fā)生銅的腐蝕溶解反應(yīng)外，并伴隨發(fā)生反應(yīng)（1）、（2）、（3），生成Ni2+，隨著腐蝕的進(jìn)行，發(fā)生反應(yīng)（4）、（5），試樣表面生成一層鈍化膜。由于合金表面生成了NiO、Cu2(OH)3Cl和Cu2O等具有一定耐蝕性能的腐蝕產(chǎn)物，合金的耐蝕性得到了較大的提高。

3 結(jié)論及展望

（1）采用激光熔覆制備了CuW10Ni3、CuW20Ni3、CuW40Ni3熔覆層,熔覆層表面除了Cu、W兩相外，還出現(xiàn)了第三相Cu3.8Ni。熔覆層與基體均融合較好，呈冶金結(jié)合。熔覆層成分分布較均勻，W元素產(chǎn)生一定程度偏聚。

（2）三種Cu-W-Ni熔覆層的硬度相比于純銅基體有顯著提高，同時(shí)隨著W元素含量的增加，硬度值呈現(xiàn)上升趨勢。

（3）隨著W含量的增加，導(dǎo)電率逐漸降低，結(jié)合截面掃描電鏡圖與XRD分析，熔覆層中少量孔洞的存在以及Ni、W元素的添加，在增加了耐蝕性和硬度的同時(shí)，也對表面導(dǎo)電性造成了很大的影響。

（4）整體來看，CuW10Ni3熔覆層的綜合性能稍好于其他兩種Cu-W-Ni系熔覆層。