本發(fā)明屬于異質(zhì)材料連接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高界面結(jié)合強(qiáng)度的CuW/CuCr的制備方法。

背景技術(shù)：

CuW/CuCr整體觸頭材料同時(shí)具有CuW端良好的耐電弧侵蝕性、抗熔焊性和高的強(qiáng)度以及CuCr端優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性而被廣泛應(yīng)用于各種高壓斷路器、負(fù)荷開關(guān)和變壓器轉(zhuǎn)換開關(guān)的元件等場合。隨著超特高壓、大容量遠(yuǎn)距離輸電成為節(jié)能輸電的發(fā)展趨勢，要求新型高壓斷路器的容量增大，體積縮小。在有限的空間中，其核心部件CuW/CuCr整體電觸頭承擔(dān)的熱載荷和機(jī)械載荷更大，在觸頭的反復(fù)開斷過程中更容易發(fā)生CuW觸頭的脫落，因而對CuW/CuCr整體材料界面的結(jié)合強(qiáng)度提出了更高的要求。

目前異質(zhì)材料連接已得到廣泛的研究，主要是在結(jié)合面引入合金元素，通過合金元素在互不相溶也不反應(yīng)的材料間發(fā)生相互溶解和擴(kuò)散，形成冶金結(jié)合，來提高異質(zhì)材料界面的結(jié)合強(qiáng)度。在CuW/CuCr材料中，由于Cu、W兩相之間不發(fā)生任何的溶解和反應(yīng)，Cu/W相界面為機(jī)械結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度很低；同時(shí)在高溫服役過程中，觸頭的反復(fù)插拔以及本身Cu、W兩相熱膨脹系數(shù)大的差異，都容易在界面產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。上述兩方面都易在結(jié)合面處發(fā)生應(yīng)力集中并產(chǎn)生裂紋沿相界面擴(kuò)展，導(dǎo)致CuW觸頭脫落失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高界面結(jié)合強(qiáng)度的CuW/CuCr的制備方法，用以提高材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種高界面結(jié)合強(qiáng)度的CuW/CuCr的制備方法，具體按以下步驟實(shí)施：

步驟1，制備CuCrZr合金坯體：

稱取Cr、Zr、Cu三種元素粉末，加入過程控制劑混合均勻，然后將混合粉末壓制成CuCrZr合金坯體，清洗CuCrZr合金坯體，烘干備用；

步驟2，結(jié)合面準(zhǔn)備：

根據(jù)CuW/CuCr整體電觸頭的產(chǎn)品尺寸，選取合適長度的CuW合金，采用機(jī)加工車平預(yù)結(jié)合的端部，并在端部中心部位加工凹槽，清洗CuW合金，烘干備用；

根據(jù)CuW/CuCr整體電觸頭的產(chǎn)品尺寸，截取合適長度的CuCr合金棒材，選擇截取的機(jī)加工面做為預(yù)結(jié)合面，打磨平整，清洗后晾干備用；

步驟3，燒結(jié)熔滲整體材料：

將步驟1、2得到的材料自下而上依次按照CuW合金、CuCrZr合金坯體和CuCr合金棒材的順序疊放在石墨坩堝中，CuCrZr合金坯體置于CuW凹槽中，隨后置于氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行熔滲燒結(jié)為整體材料；

步驟4，整體材料的熱處理

將步驟3中得到的整體材料置于熱處理爐中依次進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，最后對熱處理后的整體材料進(jìn)行機(jī)加工即為成品。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

步驟1中CuCrZr合金坯體中Cr含量為15wt％，Zr含量為0.1～2wt％。

步驟1中過程控制劑為無水乙醇、丙三醇、丁二醇或硬脂酸中的任意一種。

步驟2中凹槽的尺寸與步驟1中CuCrZr合金坯體的尺寸相適應(yīng)。

步驟2中CuW合金中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～30％，CuCr合金棒材中Cr的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.6～1.2％。

步驟3中熔滲燒結(jié)，具體為：首先通入氫氣以排空爐內(nèi)空氣，然后加熱、保溫，在保溫過程中逐漸將氫氣氛轉(zhuǎn)換為氮?dú)夥?；隨后升溫并保溫，最后關(guān)閉加熱電源使材料隨爐冷卻降至室溫。

加熱溫度為900～950℃，保溫0.5～3h，加熱速度為5～25℃/min；升溫溫度為1100℃～1400℃，保溫0.5～4h，升溫速度為5～25℃/min。

步驟4中固溶處理溫度為800℃～1000℃，保溫1～4h。

步驟4中時(shí)效處理溫度為400℃～550℃，保溫2～6h。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明通過在CuW合金和CuCr合金之間加入CuCrZr合金坯體，使得Cr元素向Cu/W側(cè)擴(kuò)散，在Cu/W相界面產(chǎn)生冶金擴(kuò)散層，促使Cu/W機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合；同時(shí)Cr和Zr元素的添加導(dǎo)致Cu相合金化，使Cu相強(qiáng)度提高，在不影響材料導(dǎo)電率的情況下，大大提高了CuW/CuCr整體材料連接界面的強(qiáng)度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的工藝流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2制備的CuW/CuCr整體材料界面SEM圖片；

圖3是未添加合金夾層的CuW/CuCr整體材料斷口形貌；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2制備的CuW/CuCr整體材料拉伸試棒斷口形貌。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種高界面結(jié)合強(qiáng)度的CuW/CuCr的制備方法，其流程如圖1所示，具體按以下步驟實(shí)施：

步驟1，制備CuCrZr合金坯體

稱取Cr含量為15wt％，Zr含量為0.1～2wt％的CuCrZr粉末，加入過程控制劑并放入V型混料機(jī)混料8～15h，稱取混合粉末5～10g并使用壓力機(jī)壓制成尺寸為Φ21mm，高度1～2mm的壓坯。

過程控制劑為無水乙醇、丙三醇、丁二醇或硬脂酸中的任意一種。

步驟2，處理CuW結(jié)合面

根據(jù)CuW/CuCr整體電觸頭的產(chǎn)品尺寸，選取合適長度的商用CuW合金(其中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～30％)。采用機(jī)械加工車平預(yù)結(jié)合的端部，并在端部中心部位加工Φ23×2mm的凹槽。隨后放入超聲波振蕩器用酒精清洗15-30min后放入干燥箱烘干備用。

步驟3，清洗CuCrZr坯體

將步驟1中制備的CuCrZr坯體放入超聲波清洗儀中并依次用丙酮、酒精清洗15-30min，隨后放入干燥箱烘干備用。

步驟4，清洗CuCr合金棒預(yù)結(jié)合面

根據(jù)整體電觸頭的產(chǎn)品尺寸，截取合適長度的商用CuCr合金棒材(其中Cr的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.6～1.2％)，選擇截取的機(jī)加工面做為預(yù)結(jié)合面，打磨平整并用酒精清洗后晾干備用。

步驟5，燒結(jié)熔滲整體材料

將CuW材料、CuCrZr坯體和CuCr合金按照從下倒上的順序依次放入石墨坩堝中，CuCrZr坯體置于CuW凹槽中，隨后置于氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行整體熔滲燒結(jié)。首先通入氫氣30min以排空爐內(nèi)空氣，然后以5～25℃/min的加熱速度進(jìn)行加熱到900～950℃并保溫0.5～3h，通入氫氣的目的是還原燒結(jié)面上可能存在的氧化物雜質(zhì)。在保溫過程中逐漸將氫氣氛轉(zhuǎn)換為氮?dú)夥铡ｋS后以5～25℃/min速度升溫至1100℃～1400℃，保溫0.5～4h。隨后關(guān)閉加熱電源經(jīng)隨爐冷卻降至室溫，取出熔鑄好的整體材料。

步驟6，整體材料的熱處理

將步驟5中制備的試樣置于熱處理爐中進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為800℃～1000℃，保溫1～4h，隨后打開爐門對高溫整體材料進(jìn)行水淬。再將淬火后的整體材料置于熱處理爐內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效溫度為400℃～550℃，保溫2～6h后隨爐冷卻出爐即成；最后對熱處理后的整體材料進(jìn)行機(jī)加工即為成品。

本發(fā)明通過加入CuCrZr合金夾層使Cr元素向Cu/W側(cè)擴(kuò)散，在Cu/W相界面產(chǎn)生冶金擴(kuò)散層，促使Cu/W機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合；同時(shí)Cr和Zr元素的添加導(dǎo)致Cu相合金化，使Cu相強(qiáng)度提高。本發(fā)明通過形成冶金擴(kuò)散層同時(shí)強(qiáng)化Cu/W相界面和合金化Cu相，獲得了高界面結(jié)合強(qiáng)度的CuW/CuCr整體材料，且制備成本較低、操作工藝簡單。

實(shí)施例1

首先制備CuCrZr坯體，稱取Cr含量為15wt％，Zr含量為0.1wt％的CuCrZr粉末，滴入丙三醇并使用V型混料機(jī)混合8h，稱取混合粉末6g并使用壓力機(jī)壓制成尺寸為Φ21×1mm的壓坯。將CuCrZr坯體放入超聲波振蕩器中依次用丙酮、酒精清洗15min，隨后放入干燥箱烘干備用。

根據(jù)CuW/CuCr整體電觸頭的產(chǎn)品要求選取合適尺寸的CuW80復(fù)合材料。采用機(jī)加工車平預(yù)結(jié)合的端部并加工Φ23×2mm的凹槽。隨后放入超聲波振蕩器中用酒精清洗15min后放入干燥箱中烘干備用。截取合適長度的商用CuCr1.2合金棒材，選擇截取的機(jī)加工面做為預(yù)結(jié)合面，使用砂紙打磨平整并用酒精清洗后晾干備用。

將CuW材料、CuCrZr坯體和CuCr合金按照從下倒上的順序依次放入石墨坩堝中，CuCrZr坯體置于CuW凹槽中，隨后置于氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行整體熔滲燒結(jié)。首先通入氫氣30min以排空爐內(nèi)空氣，然后以5℃/min的加熱速度加熱到910℃，通入氫氣的目的是還原燒結(jié)面上可能存在的氧化物雜質(zhì)。在910℃保溫3h并將氫氣氛轉(zhuǎn)換為氮?dú)夥?。隨后以5℃/min速度升溫至1200℃，保溫時(shí)間4h。隨后關(guān)閉加熱電源經(jīng)隨爐冷卻降至室溫，取出熔鑄好的整體材料。

將制備好的試樣置于熱處理爐中進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為800℃，保溫1h，隨后打開爐門對高溫整體材料進(jìn)行水淬。再將淬火后的整體材料置于熱處理爐內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效溫度為400℃，保溫3h后隨爐冷卻；最后對熱處理后的整體材料進(jìn)行機(jī)加工即為成品。

實(shí)施例2

首先制備CuCrZr坯體，稱取Cr含量為15wt％，Zr含量為0.8wt％的CuCrZr粉末，滴入無水乙醇并使用V型混料機(jī)混合10h，稱取混合粉末8g并使用壓力機(jī)壓制成尺寸為Φ21×2mm的壓坯。將CuCrZr坯體放入超聲波振蕩器中依次用丙酮、酒精清洗20min，隨后放入干燥箱烘干備用。

根據(jù)CuW/CuCr整體電觸頭的產(chǎn)品要求選取合適尺寸的CuW70復(fù)合材料。采用機(jī)加工車平預(yù)結(jié)合的端部并加工Φ23×2mm的凹槽。隨后放入超聲波振蕩器中用酒精清洗20min后放入干燥箱中烘干備用。截取合適長度的商用CuCr1.1合金棒材，選擇截取的機(jī)加工面做為預(yù)結(jié)合面，使用砂紙打磨平整并用酒精清洗后晾干備用。

將CuW材料、CuCrZr坯體和CuCr合金按照從下倒上的順序依次放入石墨坩堝中，CuCrZr坯體置于CuW凹槽中，隨后置于氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行整體熔滲燒結(jié)。首先通入氫氣30min以排空爐內(nèi)空氣，然后以10℃/min的加熱速度加熱到900℃，通入氫氣的目的是還原燒結(jié)面上可能存在的氧化物雜質(zhì)。在900℃保溫1h并將氫氣氛轉(zhuǎn)換為氮?dú)夥铡ｋS后以10℃/min速度升溫至1100℃，保溫時(shí)間2h。隨后關(guān)閉加熱電源經(jīng)隨爐冷卻降至室溫，取出熔鑄好的整體材料。

將制備好的試樣置于熱處理爐中進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為900℃，保溫4h，隨后打開爐門對高溫整體材料進(jìn)行水淬。再將淬火后的整體材料置于熱處理爐內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效溫度為500℃，保溫2h后隨爐冷卻；最后對熱處理后的整體材料進(jìn)行機(jī)加工即為成品。

實(shí)施例3

首先制備CuCrZr坯體，稱取Cr含量為15wt％，Zr含量為2wt％的CuCrZr粉末，滴入丁二醇并使用V型混料機(jī)混合15h，稱取混合粉末8g并使用壓力機(jī)壓制成尺寸為Φ21×2mm的壓坯。將CuCrZr坯體放入超聲波振蕩器中依次用丙酮、酒精清洗30min，隨后放入干燥箱烘干備用。

根據(jù)CuW/CuCr整體電觸頭的產(chǎn)品要求選取合適尺寸的CuW80復(fù)合材料。采用機(jī)加工車平預(yù)結(jié)合的端部并加工Φ23×2mm的凹槽。隨后放入超聲波振蕩器中用酒精清洗30min后放入干燥箱中烘干備用。截取合適長度的商用CuCr0.89合金棒材，選擇截取的機(jī)加工面做為預(yù)結(jié)合面，使用砂紙打磨平整并用酒精清洗后晾干備用。

將CuW材料、CuCrZr坯體和CuCr合金按照從下倒上的順序依次放入石墨坩堝中，CuCrZr坯體置于CuW凹槽中，隨后置于氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行整體熔滲燒結(jié)。首先通入氫氣30min以排空爐內(nèi)空氣，然后以15℃/min的加熱速度加熱到930℃，通入氫氣的目的是還原燒結(jié)面上可能存在的氧化物雜質(zhì)。在930℃保溫2h并將氫氣氛轉(zhuǎn)換為氮?dú)夥铡ｋS后以15℃/min速度升溫至1300℃，保溫時(shí)間3h。隨后關(guān)閉加熱電源經(jīng)隨爐冷卻降至室溫，取出熔鑄好的整體材料。

將制備好的試樣置于熱處理爐中進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為1000℃，保溫2h，隨后打開爐門對高溫整體材料進(jìn)行水淬。再將淬火后的整體材料置于熱處理爐內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效溫度為550℃，保溫6h后隨爐冷卻；最后對熱處理后的整體材料進(jìn)行機(jī)加工即為成品。

實(shí)施例4

首先制備CuCrZr坯體，稱取Cr含量為15wt％，Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2wt％的CuCrZr粉末，滴入硬脂酸并使用V型混料機(jī)混合10h，稱取混合粉末6g并使用壓力機(jī)壓制成尺寸為Φ21×1mm的壓坯。將CuCrZr坯體放入超聲波振蕩器中依次用丙酮、酒精清洗25min，隨后放入干燥箱烘干備用。

根據(jù)CuW/CuCr整體電觸頭的產(chǎn)品要求選取合適尺寸的CuW90復(fù)合材料。采用機(jī)加工車平預(yù)結(jié)合的端部并加工Φ23×2mm的凹槽。隨后放入超聲波振蕩器中用酒精清洗25min后放入干燥箱中烘干備用。截取合適長度的商用CuCr0.6合金棒材，選擇截取的機(jī)加工面做為預(yù)結(jié)合面，使用砂紙打磨平整并用酒精清洗后晾干備用。

將CuW材料、CuCrZr坯體和CuCr合金按照從下倒上的順序依次放入石墨坩堝中，CuCrZr坯體置于CuW凹槽中，隨后置于氣氛燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行整體熔滲燒結(jié)。首先通入氫氣30min以排空爐內(nèi)空氣，然后以25℃/min的加熱速度加熱到950℃，通入氫氣的目的是還原燒結(jié)面上可能存在的氧化物雜質(zhì)。在950℃保溫0.5h并將氫氣氛轉(zhuǎn)換為氮?dú)夥?。隨后以25℃/min速度升溫至1400℃，保溫時(shí)間0.5h。隨后關(guān)閉加熱電源經(jīng)隨爐冷卻降至室溫，取出熔鑄好的整體材料。

將制備好的試樣置于熱處理爐中進(jìn)行固溶處理，固溶溫度為880℃，保溫3h，隨后打開爐門對高溫整體材料進(jìn)行水淬。再將淬火后的整體材料置于熱處理爐內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效溫度為470℃，保溫4.5h后隨爐冷卻；最后對熱處理后的整體材料進(jìn)行機(jī)加工即為成品。

圖2為實(shí)施例2制備的CuW/CuCr整體材料結(jié)合面SEM電鏡圖片，從圖片中可以很清楚的看出添加合金坯體后的整體材料界面結(jié)合狀態(tài)良好，未出現(xiàn)任何夾雜、未溶解物。同時(shí)發(fā)現(xiàn)圖中灰色區(qū)域大量存在于界面上，經(jīng)能譜分析其為Cr的固溶體，表明Cu/W相界面和W顆粒之間存在冶金擴(kuò)散層。另外在Cu相中有Cr和Zr元素存在。

圖3為未添加合金夾層的CuW/CuCr整體材料斷口形貌，圖4為實(shí)施例2制備的CuW/CuCr整體材料斷口形貌。從圖中可以看出，添加CuCrZr坯體的斷口形貌中W顆粒的解離斷裂和Cu相的撕裂棱較未添加的明顯增多，表明界面結(jié)合強(qiáng)度提高了。