純銅觸頭表面激光熔覆銅基合金的性能試驗研究

薛守洪， 李保坤， 葉海龍， 陳燕， 張書慧

（1. 內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，呼和浩特 010020；2. 華北電力大學電站能量傳遞轉化與系統教育部重點試驗室，東方電氣（天津）風電葉片工程有限公司，北京 100000；3. 內蒙古電力（集團）有限責任公司巴彥淖爾供電分公司，內蒙古巴彥淖爾 015099）

0 引言

隔離開關是電力系統中使用量最大、應用范圍最廣的電氣設備之一，其故障的發生往往會導致大范圍的停電事故，嚴重影響電網的運營安全。電觸頭是高壓開關電器的關鍵部件，在開關閉合瞬間，觸頭間隙產生溫度高、能量大的電弧，燒蝕觸頭表面。每年由于觸頭發熱、過熱等缺陷造成隔離開關損壞、電網大面積停電的事故時有發生，這不但會造成大量的經濟損失，也會對變電站工作人員的生命安全造成巨大的威脅[1-2]。觸頭的損壞主要發生在電弧燒蝕過程中，主要由以下三個部分組成: 首先，表面已有的附著物與低熔點銅的揮發與濺射；其次，銅的熔化飛濺與冷卻凝固達到動態平衡；最后，表面凹凸不平和強烈燒蝕。但分斷電弧不會直接造成觸頭的熔焊，因為分斷電弧相對時間長，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更易出現高能量的預放電電弧、彈跳電弧和熔焊現象[3-4]，即觸頭既要承受機械沖擊，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，其具有良好的導電性能，但是在使用過程中會出現強度下降、抗變形能力低等情況而失效；銅表面易生成氧化膜，導致電阻變大溫升變快，且純銅在耐蝕性、溫度、強度等方面表現較差。國內外對觸頭材料正進行著大量的研究工作，從研究方向來看，主要有以下三個方面：其一，開發新型的觸頭材料；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，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融化和凝固，制備與基體達到冶金結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]。激光熔覆技術在惡劣工況條件下使用但又要考慮經濟因素而不能大面積使用性能優異的材料制備的構件上應用潛力巨大。此外，根據王顏明等人[7]的研究，在相同的電流和電流擊穿次數下，銅鎢合金中鎢含量越高，銅鎢合金的耐電弧侵蝕能力越強。同時鎢含量越高，銅鎢合金在電弧侵蝕下，易發生裂紋。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，越易產生開裂，與銅鎢合金的硬度變化相對應。

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

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗基體為20 mm×20 mm×8 mm的純銅板材（與GW5-35高壓隔離開關觸頭材料相同）。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（鎢的質量分數為50%～90%）型的。Cu具有良好的導熱性和導電性，W具有高密度、高強度、高熔點和低膨脹系數，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。鎢銅復合材料是由高熔點、高硬度的鎢和高導電、導熱率的銅所構成的假合金。Cu-W材料同時具備了Cu、W的優點，其導熱導電性良好、密度大、膨脹系數小，因而作為電觸頭材料得到廣泛應用[8-11]。同時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 （質量分數，%）

1.2 試驗方法

采用同步送粉的方式在純銅板材基體表面進行激光熔覆。激光熔覆之前，純銅板材表面需進行預處理，以免影響熔覆效果。預處理方法為：使用200目～600目砂紙打磨板材表面，以去除表面的雜質和氧化皮，再用丙酮清洗，去除雜質，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后填裝到送粉設備中。激光熔覆設備采用RFL-C3300W型激光器，各個熔覆層的試驗參數如表2所示。

表2 各熔覆層相關制備參數

通過調整參數，單層熔覆層的厚度可以達到600 μm。按照相同的方式進行三次熔覆，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，分別準備硬度測試、鹽霧試驗（按GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》）、導電率測試所需的試驗樣品。

熔覆層截面顯微硬度的測試方法為“S型打點測試法”，從熔覆層表面開始，向基體方向打點，與熔覆層水平方向取三個點，各點間距為50 μm，與熔覆層垂直方向各點間距為150 μm，載荷為200 g/N，其中0處為基體位置。耐蝕性測試為根據試驗標準（GB/T 10125—2012）設計的中性鹽霧試驗，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。鹽霧室內溫度設置為35 ℃，壓力桶溫度設置為45 ℃，濕度大于95%，降霧量為1 mL/(h·cm2)，噴嘴壓力為70 kPa，連續噴霧，每隔24 h取出樣品進行觀察與測試。試驗總時長為120 h。

2 試驗結果與分析

2.1 熔覆層組織結構

對熔覆層表面進行測試，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行無損探傷檢測，結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合處形貌如圖2所示。從圖2可以發現三種熔覆層與基體均為冶金結合，二者結合緊密，基體為單一的灰色相，熔覆層內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元素含量遠高于Ni，熔覆層產生了W元素的偏聚，這是由于W熔點較高，熔覆層中的W顆粒呈現出被Cu和Ni元素包覆的現象。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（質量分數，%）

2.2 XRD結果

圖6為三種熔覆層的XRD結果。從圖6可以發現，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作用，制備完成的熔覆層中并無氧化現象產生，這為材料耐蝕性能、導電性能的準確檢測提供了保障。

圖6 三種熔覆層表面的XRD分析結果

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，在過渡區域呈現一個硬度增長梯度；在熔覆層區域，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XRD結果，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]。并且發現CuW10Ni3、CuW20Ni3的硬度波動較大，結合掃描電鏡圖，W元素的富集以及分布不均可能導致了這一結果。另外，由于激光熔覆技術本身具有迅速熔化、擴展和迅速凝固（冷卻速率通常達到102℃/s～106℃/s）的特點，其熔覆層組織特征一般都非常細小致密，能有效提高熔覆層的硬度[7]。

2.4 導電性分析

表4展示了各熔覆層的導電率，整體來看，與純銅基體相比熔覆層導電率較低。通過對比發現，隨著W含量的增加，導電率逐漸降低，結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，也對表面導電性造成了很大的影響。

表4 三種熔覆層的導電率 （%）

2.5 鹽霧試驗

通過鹽霧試驗，對三種熔覆層進行耐蝕性能測試。三種熔覆層鹽霧腐蝕試驗過程中試樣失重與腐蝕時間的關系如圖8所示。

圖8 失重曲線

從圖8中可以發現，兩種熔覆層的失重曲線近似為拋物線的關系，這說明熔覆層在腐蝕過程中，表面生成了具有保護作用的腐蝕產物，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，明顯發現，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物包覆，并且出現了十分明顯的孔洞。結合表5可以看出，CuW20Ni3、CuW40Ni3兩種熔覆層都出現不同程度的失重，但CuW40Ni3熔覆層由于表面孔洞較多，腐蝕產物難以清除等原因，產生了增重現象。

表6 三種熔覆層不同時間的鹽霧腐蝕后宏觀形貌

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

圖9 鹽霧試驗后CuW40Ni3熔覆層XRD結果

Cu-W-Ni系熔覆層的電化學腐蝕機理分析認為[14]，在發生腐蝕的過程中，銅鎢鎳熔覆層中Ni元素會對材料起到保護作用，在其腐蝕初期階段，除了發生銅的腐蝕溶解反應外，并伴隨發生反應（1）、（2）、（3），生成Ni2+，隨著腐蝕的進行，發生反應（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物，合金的耐蝕性得到了較大的提高。

3 結論及展望

（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，還出現了第三相Cu3.8Ni。熔覆層與基體均融合較好，呈冶金結合。熔覆層成分分布較均勻，W元素產生一定程度偏聚。

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

（3）隨著W含量的增加，導電率逐漸降低，結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，也對表面導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。