合金夹层对CuW/CuCr整体材料界面组织与性能的影响

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CuW/CuCr整体电触头材料由粉末冶金法制备的CuW 复合材料和CuCr岔金两种异质材料连接而成。作为功能结构一体化材料它兼有CuW复合材料优异的耐电弧烧蚀性能与CuCr合金良好的导热导电性能,因而被广泛应用于高压断路器中。随着高压断路器向特高压、高频次开断、大容量及小型化方向发展,CuW/CuCr界面必将承受更大的机械应力和热应力,因此对CuW/CuCr整体材料界面结合强度提出了更高的要求。本文通过在CuW与CuCr结合面处引入合金夹层,采用合金浸渗技术制备CuW/CuCr整体材料。首先研究了 CuFe合金夹层对整体材料界面组织与性能的影响。在此基础上,结合高混合熵的设计理念以及高熵合金抑制脆性金属间化合物形成的特性,研究了 CuCrFeCoNixTi(x=0,0.5,1.0,1.5,2)系高熵合金组织与性能的变化规律,着重研究了高熵合金夹层浸渗CuW/CuCr界面后,合金夹层成分、厚度以及浸渗时间对CuW/CuCr界面微结构的影响。通过以上研究得到如下结论:1.随着CuFe合金夹层中Fe含量的增加,整体材料CuCr侧的导电率逐渐降低。合金夹层为Cu-3wt%Fe时,界面处的Cu/W相界面上出现了厚度为2-3μm的冶金扩散层;整体材料界面结合强度达到401MPa,相比于无夹层的整体材料提高了 15.26%;而当合金夹层为Cu-15wt%Fe时,界面处的W骨架边缘上生成了 Fe7W6相并且出现了微裂纹,整体材料的界面结合强度为263MPa。2.CuCrCoFeNixTi系高熵合金组织均由简单结构的固溶体相组成。随着Ni含量的增加,合金的结构从hcp+bcc+fcc向着单一的fcc结构过渡,Ni元素促进了该合金系fcc结构的形成。随着合金中Ni含量的增加,高熵合金的熔点稍有增高,而硬度却逐渐降低。3.在CuW/CuCr界面引入高熵合金夹层后,在最佳浸渗熔接工艺下,CuCrCoFeNixTi(x=0.5,1.0,1.5,2.0)高熵合金夹层引入界面后,夹层能够完全溶解,并向界面两侧扩散,且向Cu-W侧的扩散溶解量大于向CuCr侧的扩散量,同时界面附近的Cu-W侧的W骨架边界的冶金扩散层上Cr、Fe、Ti三种合金元素含量高于其它区域,但界面上并没有新相生成。随着合金夹层中Ni含量的增加,CuW侧冶金扩散层的深度逐渐扩大。当合金夹层为CuCrCoFeNi2Ti时,合金元素对界面上W骨架造成过度的溶解与侵蚀,致使界面上W骨架发生溃散。4.随着CuCrCoFeNixTi(x=0.5,1.0,1.5,2)合金夹层中Ni含量的增加,经固溶时效处理后的整体材料界面结合强度呈现出先增加后降低的趋势。合金夹层为CuCrCoFeNi1.5Ti时,界面结合强度最大为484.5MPa,而此时CuCr侧的导电率为71.6%IACS。相比较于无夹层的整体材料,界面结合强度提高了 43.1%,CuCr侧的导电率仅损失了 17%;整体材料的断裂位置明显向着CuW侧移动,断口形貌主要由发生韧性撕裂后留下的Cu相网状结构以及发生解理断裂的W颗粒所构成,解理断裂的W颗粒上留下了河流状花样。
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