添加LaB6的CuW70触头材料的电弧侵蚀行为

陈 娟，王献辉，成 军，杨晓红，邹军涛

(西安理工大学 材料科学与工程学院，西安 710048)

由于钨具有高的熔点和强度以及低的热膨胀系数，铜具有良好的导热导电性，且两者互不固溶，也不形成中间化合物[1-3]，所以，铜钨合金具有钨与铜的优点，呈现出优良的耐高温、耐烧蚀、高强度、高硬度等性能，被广泛应用于油断路器、真空接触器、负荷开关和变压器转换开关[4-8]。随着长距离大容量超高压电网的实施运行，苛刻的服役环境和大容量对触头材料提出了愈来愈高的要求，要求触头材料具有大的分断电流能力、高的耐电压强度、可靠的抗熔焊性能、高的导电率和导热率、低的电弧烧损率、低的截流值和超长使用寿命。表面侵蚀和开断过程中的机械磨损引起触头材料失效。常规的CuW触头材料在开断过程中，由于铜的逸出功低且熔点较低，在高温电弧作用下，铜相将产生熔化和喷溅，造成触头材料表面凹凸不平，严重影响输电线路运行的稳定性和可靠性，因此，如何提高触头材料的耐电弧侵蚀性能成为触头材料研究的关键问题。

目前，对熔渗CuW触头材料耐电弧烧蚀行为的研究主要集中在制备工艺的改进[9-11]和第三组元的添加[12-19]。大量研究表明：TiC、Al2O3和WC可以有效地提高合金的硬度，电击穿发生在相界面上，而熔点高、逸出功低的稀土氧化物(Y2O3、CeO2、La2O3)的添加可使击穿相从铜相转移到Y2O3、CeO2和La2O3颗粒上，改善了电弧烧蚀性能及电弧稳定性。由于LaB6具有良好的热稳定性和化学稳定性、高熔点、高温下蒸发率低、逸出功低、发射电流密度大以及抗离子轰击溅射能力强等优点[20-22]，因此LaB6的添加可望在高压真空击穿过程中，改善电弧运动特性，使电弧优先LaB6相上产生，实现主动引弧，避免高温电弧在铜相上的反复燃烧和熄灭，从而改善CuW70触头材料的耐电弧侵蚀性能，延长CuW70合金的使用寿命，提高电气系统的的可靠性和稳定性。本文作者采用粉末冶金-熔渗法制备了不同LaB6含量的CuW70合金，系统研究LaB6含量对CuW70触头材料组织、硬度、电导率、耐电压强度、截流值和电弧寿命等性能的影响，并探讨LaB6改善电弧侵蚀机理，且研究结果可对超高压触头材料的设计和制备提供指导。

1 实验

原材料采用粒度为4～7µm的钨粉(纯度大于99.8%，质量分数)和粒度为5～9µm的LaB6粉(纯度大于99.99%)。首先将含量为70%的钨粉(质量分数)和含量为0、1%、2%和3%的LaB6粉分别在V型混料机内混料4 h，然后将混合的粉末在WE-600型压力机上压制成直径21 mm、高度15 mm的钨骨架，压力为340 MPa，保压30 s。最后将熔渗金属铜块和钨压坯叠置在温度为1100～1400℃的H2气氛烧结炉内烧结熔渗4 h。采用排水法、HB-3000型布氏硬度计和7501型涡流电导仪分别测试材料的致密度、硬度和导电率。真空击穿实验在改造的TDR40A型单晶炉真空灭弧室进行，实验电路图如图1所示。

图1 真空电弧侵蚀实验电路图Fig.1 Circuit diagram of vacuum breakdown

将制备好的试样抛光后装入真空室内作为阴极，直径为3 mm的针尖状纯W棒为阳极，当真空度为5.0×10-3Pa时进行电击穿实验。用自耦变压器在两极间加上电压为8 kV的直流电，同时阴极以0.2 mm/min的速度接近阳极，直至电击穿在阴阳极间发生。采集击穿瞬间的击穿电压除以击穿距离计算材料的耐电压强度，并用TektronixTDS-2014击穿电压型示波器记录击穿电流，截流值等数据。重复上述过程，测量50个数据。利用Image Pro Plus 6.0软件和激光扫描显微镜分别测量了击穿区域的面积和蚀坑深度，采用OXFORD JSM-6700型扫描电镜和能谱仪对侵蚀烧蚀形貌和成分进行表征分析。

2 结果与讨论

2.1 LaB6的添加对CuW70合金组织的影响

图2(a)～(d)所示分别是添加0、1%、2%和3%LaB6的CuW70合金的显微组织，其中灰白色区域为W骨架，黑色区域为熔渗Cu相，而黑色球形小颗粒为LaB6。

为了更清楚地说明添加LaB6的CuW70合金元素的分布，对LaB6含量为1%的CuW70合金进行了面扫描分析，其结果如图3所示。图3(a)所示为LaB6含量为1%的CuW70合金的显微组织，图3(b)～(d)分别为La、Cu和W在CuW70合金中的分布图。可以清楚地看出，图3(a)中灰白色区域为W相，黑色区域为熔渗Cu相，黑色球形小颗粒为LaB6相。

以上结果表明，细小的LaB6颗粒主要分布在W骨架的边界和Cu相中。且随着LaB6含量的增加，W颗粒尺寸变小，Cu相的分布更加均匀。

2.2 LaB6含量对CuW70合金致密度、导电率和硬度的影响

表1所列为不同LaB6含量CuW70合金的密度、电导率和硬度的测试结果。由表1可以看出，随着LaB6含量的增大，CuW70合金的导电率和致密度呈下降的趋势，而硬度则先上升后缓慢减小，当LaB6含量为2%时，CuW70合金硬度最大，212 HB。

图2 添加不同LaB6含量的CuW70合金显微组织Fig.2 Microstructures of CuW70 alloys with different LaB6contents:(a)0;(b)1%;(c)2%;(d)3%

图3 LaB6含量为1%的CuW70合金的显微组织和面扫描像Fig.3 Microstructure and SEM mapping of CuW70 alloy with 1%LaB6:(a)Microstructure of CuW70 alloy with 1%LaB6;(b)La;(c)Cu;(d)W

由图2可知，随着LaB6含量的增加，W颗粒明显细化，单位面积内晶粒数增多、晶界数目增加，从而增大了位错移动的阻力、提高了CuW70合金的硬度。但过多的LaB6添加降低了CuW70合金致密度和硬度。因此,随着LaB6添加量的增大，CuW70合金硬度呈先上升后下降的趋势。

随着LaB6含量的增加，CuW70合金的导电率呈先上升后下降的趋势。一方面，在压制混合粉末时，LaB6颗粒弥散分布在W生坯中，减少了W颗粒之间接触的几率和面积，在随后烧结过程中，阻碍了W原子的迁移，降低了W颗粒的聚集长大，使W骨架空间架构更加合理，从而保证了铜液能够连续渗入，提高了CuW70合金的导电性。另一方面，LaB6含量的增大，阻碍了材料致密化的过程，而且LaB6含量的增加，几何界面增多，对自由电子的散射加剧，导电能力下降。但由于LaB6颗粒具有良好的导电性，这些因素的综合作用导致CuW70合金的导电率降幅不大。

表1 不同LaB6含量的CuW70合金的致密度、导电率和硬度Table 1 Relative density,hardness and electrical conductivity of CuW70 alloys with different LaB6contents

表2 不同LaB6含量的CuW70合金电击穿实验结果Table 2 Electrical breakdown results of CuW70 alloys with different LaB6contents

2.3 LaB6含量对CuW70合金耐电击穿性能的影响

表2所列为不同LaB6含量的CuW70合金击穿50次后电性能平均值。从表2可以看出，随着LaB6含量的增加，CuW70合金耐电压强度和电弧寿命先升高后下降。当LaB6含量为2%时，耐电压强度和电弧寿命达最大值，分别为1.25×108V/m和15.67 ms，而截流值则持续下降。与未添加LaB6的CuW70合金相比，添加2%LaB6的CuW70合金的耐电压强度和电弧寿命分别增加了73.9%和15.8%。

耐电压强度主要取决于金属材料自身的性能，如金属材料功函数、电子发射、电导率、导热性、硬度、表面状态、气体含量等。由复合材料导热理论[23]可知

式中：Kc为复合材料的导热系数；Km为基体金属的导热系数(KCuW为175 W/m·K)；Ki为第二相颗粒的导热系数(6LaBK 为4.7 W/m·K)；Vi为颗粒的体积分数。由式(1)可计算出不同LaB6含量的CuW70合金的导热系数，其结果如表3所列。

表3 不同LaB6含量的CuW70合金的理论导热系数Table 3 Theoretical coefficient of thermal conductivity of CuW70 alloys with different LaB6contents

由表3可以看出，随着LaB6含量的增加，CuW70合金的导热系数降低。另外，由表1结果可知，当LaB6的含量超过2%时，CuW70合金的致密度降低，致密度的减小进一步降低了CuW70合金的导热性。因此，高温电弧产生的热量不能及时快速地传递出去，导致击穿区域热量的聚集，加剧了金属液蒸发，从而延长了燃弧时间。由于LaB6的逸出功较低，在相同的击穿条件下，极易在阴极表面造成材料的蒸发，提高了阴极区的金属蒸汽压，从而降低了截流值。

图4(a)～(d)所示分别为LaB6含量为0、1%、2%和3%的CuW70合金击穿50次后的烧蚀总体形貌，图4(a′)～(d′)所示分别为相应试样的烧蚀中心区域形貌。从图4可知，未添加LaB6的CuW70合金50次击穿后，击穿坑较为集中，烧蚀为点烧蚀，击穿坑较深，说明电弧分散性较差，如图4(a)和(a′)所示。随着LaB6含量的增大，CuW70合金的击穿面积显著增大，击穿坑变浅，击穿表面越来越平坦，如图4(b)～(d)所示。表4所列是分别采用Image Pro Plus 6.0软件和激光扫描显微镜对CuW70合金击穿区域的面积和蚀坑深度的测量结果。与未添加LaB6的CuW70合金相比，添加2%LaB6的CuW70合金蚀坑深度减少了37.6%；但当LaB6添加量大于2%时，蚀坑深度增大，击穿面积由4.41 mm2增加到15.38 mm2，增幅达249%。以上结果表明，适量LaB6的添加可明显改变CuW70合金电弧移动特性和分散性。

图4 不同LaB6含量的CuW70合金50次击穿后的SEM像Fig.4 Low magnification((a)-(d))and high magnification((a′)-(d′))SEM images of CuW70 alloy with different LaB6contents after vacuum breakdown 50 times:(a),(a′)Without LaB6;(b),(b′)1%LaB6;(c),(c′)2%LaB6;(d),(d′)3%LaB6

表4 不同LaB6含量的CuW70合金在击穿50次后烧蚀面积和蚀坑深度Table 4 Erosion area and pit depth of CuW70 alloys with different LaB6contents after vacuum breakdown 50 times

由于LaB6颗粒弥散分布在钨骨架中，且击穿分布在LaB6颗粒上，高的LaB6含量减小了粒子间距，减小了各个优先击穿微区间距，从而增强了电弧移动速率，减小了材料表面的集中烧蚀，使击穿表面较为光滑。另外，LaB6的熔点(2700℃)远高于铜的熔点(1083℃)，当铜相熔化时LaB6依然为固态，因此LaB6的添加增加了铜液的黏度，从而减少铜液的喷溅。但是，当LaB6含量过多时，粒子间距过小,各个击穿微区产生的电弧很容易汇聚成大电弧，大电弧能量较高，电弧运动所需要移动能量较大，运动性较差，易造成集中烧蚀。因此，当LaB6含量大于2%时，CuW70合金蚀坑深度增大。

根据场致发射特点，在击穿条件相同时，合金击穿的发生与逸出功的大小密切相关。未添加LaB6的CuW70合金的首击穿发生在Cu相上，在高温电弧作用下，电弧优先在阴极表面的Cu相上反复生成和熄灭，因此多次重复击穿的结果是在Cu相上形成严重的烧蚀坑，如图4(a′)所示。与Cu逸出功(4.36 eV)和W逸出功(4.55 eV)相比，LaB6逸出功较低，仅为2.26 eV，因此，在相同击穿条件下，LaB6更容易克服表面势垒逸出合金表面，在真空中发生放电并产生电弧，使真空间隙被击穿，实现主动引弧，减少在铜相上的击穿，从而大幅度减少铜相的熔化和飞溅，导致击穿表面愈来愈平坦。为了证实电弧优先在LaB6相上击穿，对LaB6含量分别为1%和2%的CuW70合金进行一次电击穿实验，击穿形貌及能谱分析结果如图5所示。由图5可以看出，在未击穿的区域La的含量较少，但是在击穿坑周围La的含量明显上升,说明添加LaB6的CuW70合金电击穿优先在LaB6相发生。

图5 不同LaB6添加量CuW70合金一次电击穿形貌及能谱分析Fig.5 Erosion morphology((a),(b))and EDS pattern((a′),(b′))of CuW70 alloys with different LaB6contents after first vacuum breakdown:(a),(a′)1%LaB6;(b),(b′)2%LaB6

3 结论

1)随着LaB6含量的增大，CuW70合金的致密度下降，硬度呈先急剧增大后缓慢减小，电导率先上升后缓慢下降。

2)LaB6的添加抑制了钨颗粒聚集长大，导致富铜区域变得更加分散。

3)与未添加LaB6的CuW70合金相比，添加LaB6的CuW70合金击穿由Cu相向LaB6相转移。适量LaB6的添加可改善CuW70合金的耐电弧侵蚀，击穿面积增大,蚀坑变浅。

4)含2%LaB6的CuW70合金具有最佳的耐电弧侵蚀性能，耐电压强度、截流值和电弧寿命分别为1.25×108V/m、2.62A和15.67 ms。

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