双连续梯度铜钨合金钨骨架构建及渗流行为研究

To solve the problem of insufficient electrical life cause of poor high - temperature strength, wear resistance and the ability of arc ablation resistance under high frequeny and high voltage switching of copper tungsten contacts, in order to achieve enhanced strength of tungsten skeleton, improve the skeleton ability of copper liquid flow in tungsten, improve the overall performance of wear resistance of the copper tungsten alloy, the purpose of uniform arc ablation on surface and long-term stability in service. In this project, optimization design of dimensional structure of double continuous gradient tungsten skeleton, rapid precision forming, flow behavior of copper fluid in continuous gradient pore will be studied. The design and construction techniques of double continuous gradient tungsten skeleton, the interaction mechanism between high-energy beam and tungsten powder, the microscopic interaction mechanisms between liquid copper and tungsten channel will be systematic studied, and forming technology of tungsten skeleton with graded pore structure also will be developed. Clarify the forming mechanism of double continuous gradient tungsten skeleton by high-energy beam, and mechanism between liquid copper and the surface of tungsten, combining comprehensive performance evaluation. The association mechanism among design of pore structure, the forming process and seepage behavior, combination property will be built. It has important scientific significance and reference value for improve the performance and applicationof such materials.

针对铜钨触头在高频次高压开合服役条件下,高温强度低、耐磨性及耐电弧烧蚀能力差,导致电气寿命不足的问题，以增强钨骨架强度、提高铜液在钨骨架中渗流能力、改善铜钨合金整体耐磨损性能为目标，实现电弧在合金表面均匀烧蚀和长期稳定服役的目的。本项目从双连续梯度钨骨架立体结构优化设计、快速精密成形、梯度连续孔隙中铜液渗流行为三个方面展开研究。系统研究具有双连续梯度铜钨合金钨骨架孔结构设计和构建技术、高能束与钨粉末相互作用机理、铜液与钨通道表面之间交互作用微观机制，开发梯度孔结构钨骨架精密成形技术。结合铜钨触头综合性能评价，阐明高能束作用下双连续梯度铜钨合金三维连续钨骨架的成形机理，揭示铜液在梯度孔隙中渗流规律；建立孔结构设计—成型工艺及渗流行为—综合性能三者之间的关联机制。研究结果对提高该类材料性能和推广应用具有重要科学意义和参考价值。

双连续梯度铜钨合金钨骨架构建及渗流行为研究项目主要涉及以下内容：采用喷雾干燥技术开发适宜于EBM技术的专用金属钨粉末，并分析不同形貌、粒径及粒度分布钨粉末在电子束快速成形过程中粉末选配原则；建立典型孔径及孔径渐变立体结构和力学分析模型，优化孔径尺寸和孔径渐变分布形态，并分析不同孔形貌及孔洞连接方式对多孔钨骨架力学性能的影响。同时开展以电子束为热源梯度连续孔结构钨骨架精确快速成形技术，研究分析不同束斑直径、扫描速度和扫描路径对孔结构、空间三维网络结构精确成形的影响规律，开发适宜的成形工艺参数解决成形过程中钨骨架变形、开裂、层间分离、残余应力水平高的问题等内容；通过有限元体积法分析铜液在不同孔结构钨骨架通道中的渗流行为，计算在连续梯度孔径多孔钨骨架中铜液充足与不充足两种渗流条件下渗流规律，明确骨架内部的压力分布、阻力系数的演变及残余孔隙形成机理，检测和分析钨骨架经渗铜得到双连续梯度铜钨合金的微观组织和性能。研究表明喷雾干燥技术获得的球形钨粉为多孔结构，粉末粒度为15～63μm，并且化学成分中杂质含量低,其致密度适中，有利于通过电子束增材制造制备出多孔钨骨架。粉末原料采用球形团聚多孔结构，进一步形成“多级孔”结构新型钨骨架，使得整体孔隙率不变，孔的连续性改善，更有利于渗铜；采用粉床电子束增材制造技术制备的钨骨架，其密度15.48g/cm3，抗压强度为1025Mpa，维氏硬度是215Gpa；熔渗铜后钨铜合金，其抗压强度为1770Mpa，弹性模量是12750Mpa，测定的导电率是33.5%IACS; XRD应力分析，得出EBM制备的钨骨架经过650℃~700℃去应力退火后其残余应力在两个不同方向上由398.672MPa和199.236MPa变为10.547MPa和14.861MPa。本项目的研究成果奠定了开发日趋迫切需求的新型增材制造原料的基础，丰富了瞬态熔化条件下线能量密度、凝固结晶、有序梯度孔形成过程蕴含着全新的科学内涵与机理，为解决快速成形时构件材料成分、组织和性能控制面临的关键共性科学问题提供参考。