一种原位自生二硼化钛强化CuW合金的方法与流程

本发明属于电工材料技术领域，具体涉及一种原位自生二硼化钛强化cuw合金的方法。

背景技术：

cuw材料综合了钨高熔点、高硬度、高的抗烧蚀性和抗熔焊性、低的热膨胀系数以及铜的高导电、高导热率、良好的塑性，因此被广泛被用做各种高压开关中的电触头。随着特高压电网的实施建设，要求cuw电触头触头材料具备更大分断电流的能力、更高的耐电压强度以及超长的使用寿命。触头在开断过程中，将承受高压电弧的烧蚀。尤其是在超、特高压的断路器中使用时，由于电容量更大，电弧热量更为集中，更容易引起电触头的失效，导致触头材料强度降低。最终将导致cuw电触头材料失效而不能成功分断电路。因此，随着高压开关的发展，需要进一步提高其耐电弧烧蚀性能。

已有研究表明，cuw合金电击穿首先发生在逸出功较低的铜相上，普通熔渗法制备的cuw合金通常存在一些富铜区域，因此电弧的击穿位置往往选择在富铜区域，引起铜液的大面积飞溅，造成cuw电触头的集中烧蚀。采用原位生成二硼化钛强化cuw材料，避免了增强颗粒表面污染，制备过程较外加法更加方便，减少了加入混合的过程从而节省时间和成本。由于陶瓷相tib2的逸出功低于cuw合金中的cu、w两相，所以陶瓷相tib2的弥散分布有助于分散电弧，增强cuw材料的耐电弧烧蚀性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种原位自生二硼化钛强化cuw合金的方法，用以提高cuw材料的耐电弧烧蚀性能。

本发明所采用的技术方案是，一种原位自生二硼化钛强化cuw合金的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，混粉、压坯：

将w粉、b粉以及诱导铜粉混合均匀，并压制成型，得到钨压坯；

步骤2，烧结：

将步骤1得到的钨压坯放入气氛烧结炉中烧结，获得钨骨架；

步骤3，熔渗：

将干净的cuti合金放在钨骨架上方后放入铺有石墨纸的石墨坩埚内，在烧结炉中进行熔渗，即得到原位自生二硼化钛强化cuw合金。

本发明特点还在于，

步骤1中b粉添加量为w粉质量的0.1～0.8％，诱导铜粉的添加量为w粉质量的5～10％，步骤3中cuti合金的ti与b的摩尔比为1:2。

步骤1中w粉的粒径为4～15μm，b粉的粒径为100～500nm，诱导铜粉的粒径为10～50μm。

步骤1中压制压力300～500mpa，保压时间40～70s。

步骤2中烧结过程中，烧结温度为800～1200℃，保温时间为1～2h。

烧结过程中升温速度为5～20℃/min。

步骤3熔渗过程中，熔渗温度为1200～1400℃，保温时间为1～3h。

熔渗过程中先以5～20℃/min的升温速度升至800～1200℃，保温1～2h，然后升温到1200～1400℃，保温1～3h。

步骤3中cuti合金通过采用cu块和ti片进行真空感应熔炼得到，ti用量为熔炼所用cu质量的0.5～4.0％，厚度0.5～2mm。

熔炼过程中，首先调节电流至15a～25a，将材料加热至1000～1150℃，保温3～10min，再将电流调至25a～30a，升温至1300～1500℃，保温15～30min，最后随炉降温。

本发明的有益效果是，本发明一种原位生成二硼化钛强化cuw合金的方法，通过采用原位生成二硼化钛强化cuw材料，避免了增强颗粒表面污染，制备过程较外加法更加方便，减少了加入混合的过程从而节省时间和成本。

附图说明

图1是本发明制备方法的工艺流程图；

图2是不同ti添加量材料的硬度和电导率测试结果；

图3是对不同tib2含量的cuw合金进行50次电击穿后的sem烧蚀边缘形貌，其中图a为未添加tib2的cuw合金，图b为1.5％ti含量原位生成tib2的cuw合金。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种原位自生二硼化钛强化cuw合金的方法，其流程如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，熔炼cuti合金

将准备好的cu块和计算称取的ti片(其中ti用量为所用cu质量的0.5～4.0％，ti片纯度＞99.9％，厚度0.5～2mm)，打磨并采用酒精超声震荡清洗减少原材料表面杂质，按照cu块在上，ti片在下的顺序放置在大小适当的刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放置在石墨坩埚中。将感应熔炼炉抽真空到4×10^-3pa以上，然后通氩气作为保护气体。在真空感应熔炼过程中，首先调节电流至15a～25a，将材料加热至1000～1150℃，保温4～10min，再将电流调至25a～30a，升温至1300～1500℃，保温15～30min，最后随炉降温。

步骤2，混粉：

将粒度为4～15μm的w粉，100～500nm的b粉以及10～50μm的诱导铜粉，放入v型混料机中，50r～80r/min下混料4～8h，混合均匀。

其中b粉添加量为w粉质量的0.1～0.8％，纯度＞99.9％。诱导铜粉的添加量为w粉质量的5～10％。步骤1中ti与步骤2中b的摩尔比为1：2。

步骤3，压制成型：

将经步骤2混合好的粉体充填于刚性模具内，采用液压机压制成型，压制压力300～500mpa，保压时间40～70s，得到钨压坯。

步骤4，烧结：

将步骤3压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后开始升温，以5～20℃/min的升温速度升至800～1200℃，保温0.5～2h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。

步骤5，熔渗：

将步骤1熔炼得到的cuti合金进行机加工去除铸造缺陷，之后清洗表面油污和杂质，烘干后放在钨骨架上方后放入事先铺好石墨纸的石墨坩埚内，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开电源开始加热，以5～20℃/min的升温速度加热到800～1200℃，保温1～2h，然后升温到1200～1400℃，保温1～3h。随炉冷却至室温，获得原位生成tib2的cuw合金。

本发明采用烧结熔渗法制备原位自生tib2的cuw材料，避免了增强颗粒表面污染，减少了加入混合的过程从而节省时间和成本。同时由于低逸出功的tib2相有效分散电弧，从而提高了cuw触头材料的耐电弧烧蚀性能；同时cuw触头材料还具有较高的硬度。另外，本发明的方法工艺简单，制备过程较外加法更加方便。

实施例1

将打磨干净的ti片(厚度0.5mm)、cu块由下至上依次放入真空感应熔炼炉中，其中ti用量为使用cu质量的0.5％，然后抽真空到4×10^-3pa以上，充入少量氩气保护气，开始熔炼。首先将电流以2a/min升至25a，升温至1000℃，保温4min，再升至电流25a，温度1300℃，保温15min，随炉冷却，得到cuti合金。称取平均粒径为10μm的w粉，与添加ti摩尔比为1：2的b粉(平均粒径在100nm)，b粉添加量为w粉质量的0.1％，以及w粉质量5％的诱导铜粉(平均粒径在10μm)，在80r/min的v型混料机上进行混料4小时，混好后采用液压机压制成型，得到w压坯。压制压力500mpa，保压时间40s。将w压坯置于石墨坩埚中，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以5℃/min的升温速度升温，当烧结温度为900℃时，保温1h后，随炉自然冷却到室温，获得w骨架。再将清理过表面的cuti叠放合金到w骨架上方，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以5℃/min的升温速度升温，当熔渗温度为900℃时，保温2h后，再加热至1200℃，保温3小时，随炉自然冷却到室温，获得含tib2相的cuw合金。

实施例2

将打磨干净的ti片(厚度1.2mm)、cu块由下至上依次放入真空感应熔炼炉中，其中ti用量为使用cu质量的1.0％，然后抽真空到4×10^-3pa以上，充入少量氩气保护气，开始熔炼。首先将电流以2a/min升至20a，升温至1100℃保温5min，再升至电流28a，温度1350℃，保温25min，随炉冷却，得到cuti合金。称取平均粒径为15μm的w粉，与添加ti摩尔比为1：2的b粉(平均粒径在200nm)，b粉添加量为w粉质量的0.3％，以及w粉质量8％的诱导铜粉(平均粒径在20μm)，在50r/min的v型混料机上进行混料8小时，混好后采用液压机压制成型，得到w压坯。压制压力400mpa，保压时间50s。将w压坯置于石墨坩埚中，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以10℃/min的升温速度升温，当烧结温度为1000℃时，保温1h后，随炉自然冷却到室温，获得w骨架。再将清理过表面的cuti叠放合金到w骨架上方，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以10℃/min的升温速度升温，当熔渗温度为950℃时，保温1.5h后，再加热至1300℃，保温2小时，随炉自然冷却到室温，获得原位自生tib2的cuw合金。

实施例3

将打磨干净的ti片(厚度1.5mm)、cu块由下至上依次放入真空感应熔炼炉中，其中ti用量为使用cu质量的2.0％，然后抽真空到4×10^-3pa以上，充入少量氩气保护气，开始熔炼。首先将电流以2a/min升至24a，升温至1110℃保温6min，再升至电流26a，温度1400℃，保温28min，随炉冷却，得到cuti合金。称取平均粒径为8μm的w粉，与添加ti摩尔比为1：2的b粉，(平均粒径在300nm)，b粉添加量为w粉质量的0.5％，以及w粉质量7％的诱导铜粉(平均粒径在30μm)，在60r/min的v型混料机上进行混料6小时，混好后采用液压机压制成型，得到w压坯。压制压力300mpa，保压时间70s。将w压坯置于石墨坩埚中，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以15℃/min的升温速度升温，当烧结温度为1200℃时，保温0.5h后，随炉自然冷却到室温，获得w骨架。再将清理过表面的cuti叠放合金到w骨架上方，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以15℃/min的升温速度升温，当熔渗温度为1200℃时，保温2h后，再加热至1400℃，保温1小时，随炉自然冷却到室温，获得原位自生tib2的cuw合金。

实施例4

将打磨干净的ti片(厚度1.7mm)、cu块由下至上依次放入真空感应熔炼炉中，其中ti用量为使用cu质量的3.0％，然后抽真空到4×10^-3pa以上，充入少量氩气保护气，开始熔炼。首先将电流以2a/min升至23a，升温至1130℃保温7min，再升至电流27a，温度1380℃，保温24min，随炉冷却，得到cuti合金。称取平均粒径为7μm的w粉，与添加ti摩尔比为1：2的b粉(平均粒径在400nm)，b粉添加量为w粉质量的0.6％，以及w粉质量9％的诱导铜粉(平均粒径在40μm)，在55r/min的v型混料机上进行混料7小时，混好后采用液压机压制成型，得到w压坯。压制压力450mpa，保压时间45s。将w压坯置于石墨坩埚中，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以18℃/min的升温速度升温，当烧结温度为850℃时，保温1.5h后，随炉自然冷却到室温，获得w骨架。再将清理过表面的cuti叠放合金到w骨架上方，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以18℃/min的升温速度升温，当熔渗温度为800℃时，保温2h后，再加热至1350℃，保温1.5小时，随炉自然冷却到室温，获得原位自生tib2的cuw合金。

实施例5

将打磨干净的ti片(厚度2mm)、cu块由下至上依次放入真空感应熔炼炉中，其中ti用量为使用cu质量的4.0％，然后抽真空到4×10^-3pa以上，充入少量氩气保护气，开始熔炼。首先将电流以2a/min升至15a，升温至1150℃保温10min，再升至电流30a，温度1500℃，保温30min，随炉冷却，得到cuti合金。称取平均粒径为4μm的w粉，与添加ti摩尔比为1：2的b粉(平均粒径在500nm)，b粉添加量为w粉质量的0.8％，以及w粉质量10％的诱导铜粉(平均粒径在50μm)，在70r/min的v型混料机上进行混料6小时，混好后采用液压机压制成型，得到w压坯。压制压力350mpa，保压时间60s。将w压坯置于石墨坩埚中，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以20℃/min的升温速度升温，当烧结温度为800℃时，保温2h后，随炉自然冷却到室温，获得w骨架。再将清理过表面的cuti叠放合金到w骨架上方，然后将坩埚放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始加热，以20℃/min的升温速度升温，当熔渗温度为1000℃时，保温1.5h后，再加热至1250℃，保温2.5小时，随炉自然冷却到室温，获得原位自生tib2的cuw合金。

将上述实施例制备得原位自生tib2的cuw合金，在改装的tdr-40a单晶炉内进行真空电击穿实验。试验证明，实施例的试样全部实现了电弧的有效分散。

图2是不同ti添加量材料的硬度和电导率测试结果。可以看出，通过使用cuti合金熔渗含b元素的w骨架，可以获得具有一定硬度和电导率的cuw合金，但是，过量的ti使用量不利于提高导电性。

图3是对未添加tib2的cuw合金(图a)和含1.5％tib2的cuw合金(图b)进行50次电击穿后的sem烧蚀边缘形貌。添加1.5％tib2的cuw合金(如图b所示)正对阳极钨针处烧蚀情况较轻微，烧蚀表面总体上比较平坦，且集中烧蚀面积较小。同时还发现，原位自生tib2的cuw材料的击穿边缘浅烧蚀坑分布的区域较大，表明电弧有向周围无规则运动的趋势，电弧有一定程度的分散。