Y掺杂PtIr电接触材料的电侵蚀性能及其材料转移机理研究

PtIr alloy is a classic electrical contact material in aviation and space industries due to its high hardness, high melting point, high chemical stability, high corrosion resistance and low contact resistance. However, development of times desperately needs developing a new kind of electrical contact materials with more excellent integrated performance and lower cost. This research project focuses on doping Y to Pt-Ir alloy. Links between microstructure, coupled physical field and electrical erosion will be described. The effects of Y on material microstructure will be explored. The light-thermal-electric-elastic coupling field during the electrical contacts is going to be described by finite element model to exploring connections between coupled physical field and erosion surface structure and electrical erosion. The characteristics of liquid bridge and arc will be discussed, combining with the erosion surface microstructure, morphology, component distribution and the erosion products. Material transfer type and direction will be discussed to explore material transfer mechanism. The effect of Y on electrical erosion and material transfer will be researched. The research results, on the other hand, will improve the theoretical system of rare metal electrical contact. On the other hand, they will offer theoretic guidance on performance improvements of existing material and development and application of new electrical contact materials.

PtIr合金因其具有高的硬度、熔点、化学稳定性、耐腐蚀能力和低上网接触电阻，成为航空航天领域的一种经典电接触材料。然而时代发展迫切需要开发出成本更低、综合性能更优异的电接触材料。本项目以掺杂微量Y(质量分数≤2%)的PtIr合金为研究对象，研究材料微观组织结构、物理耦合场变化和电侵蚀性能的关联，阐明掺杂Y对材料组织结构的影响机制，建立描述电接触过程中力、热、电耦合场分布和演化的有限元模型，探索多物理耦合场、侵蚀表面结构和电接触性能的关系，研究液桥和电弧的特性，分析侵蚀表面微观组织结构、形貌、成分分布和侵蚀产物，分析材料转移类型、方向等特性，研究合金的电侵蚀和材料转移机理，研究掺杂Y对材料转移和电侵蚀的影响规律。研究结果一方面完善了稀贵金属电接触理论体系，还可为改善现有材料电接触性能和开发、应用新型稀贵金属电接触材料提供理论指导和依据。

PtIr合金以其具有高硬度、高熔点、高耐腐蚀能力、高化学稳定性和低接触电阻等特点，其优异的性能使它在低电压、小电流和使用条件要求较高的领域成为一种经典的电接触材料。本项目通过对常用牌号PtIr10和PtIr25合金微掺杂稀土元素Y制备出新型电接触材料，并对其微观组织结构和性能特别是电接触性能展开研究。主要研究内容有（1）成功制备出PtIr10Y1和PtIr25Y1合金，获得其晶体结构和显微组织及部分力学、电学性能，分析发现掺杂Y使固溶体的晶格发生畸变，产生固溶强化作用，使显微组织晶粒尺寸变小，提高了材料的强度、硬度和电阻率，但降低了塑性。由于是微量掺杂，力学、电学性能的变化幅度不大，不影响材料的综合加工性能。（2）建立了电接触过程力-热-电耦合场的有限元模型，发现加入Y对耦合场分布形状基本没有影响，但使应力场、温度场、电流密度矢量场的最大值均有所增加，这是掺杂Y后材料强度、电阻率增加造成的。（3）进行了PtIr10和PtIr25及对应掺杂Y合金的电接触实验，发现掺杂Y直接改变了材料转移方向，材料转移量大幅上升；接触电阻在加入Y后任然保持较低水平，但稳定性降低，且随电流增大稳定性下降；燃弧能量平均值在掺杂Y后上升，能量波动幅度增大；燃弧时间呈现量子化的不连续变化，Y对其最高频数的分布有影响。PtIr10Y1和PtIr25Y1的侵蚀形貌特征均为小熔融区交叠而成，阳极小熔融区边缘出现明显Y偏聚，该区域更容易形成裂纹。本课题的研究结果为新材料的开发提供实验依据和理论指导。