摻雜對鎢銅觸頭性能的影響

鎢銅觸頭又被稱作鎢銅觸點，其是一些高壓、高載荷電器斷路器中的關鍵元件，主要是對電流起著接通和分斷的作用，它的穩定性直接影響了電器整體運行的可靠性以及使用壽命。而鎢銅材料是由W和Cu兩相均勻分佈的既不固溶又不會形成化合物的複合材料，其在具有W高密度、高熔點、高強度、優良的抗電蝕能力以及抗熔焊能力的同時，還具有Cu良好的導電導熱率、可塑性極佳、易於加工等優點。不過其中最大的優勢在於鎢銅材料中是一種特殊的發汗熱沉材料，其中的Cu在電弧高溫下蒸發可吸收大量的電弧能量並有效降低電弧溫度，從而達到改善使用條件和降低電蝕作用的效果。隨著電網市場的飛速發展，高壓開關設備逐漸向著高電壓、大容量、小型化的方向發展，而相應的斷路器容量也就不斷增大，滅弧室空間逐漸縮小，這就使得觸頭單位面積上所承擔的負荷增大，對鎢銅觸頭材料性能有了更高的要求。

以W80-Cu20鎢銅觸頭為例，分別添加0.3%B硼，2.0%Nb鈮，1.5%Ce鈰，利用高速攝影捕捉不用鎢銅觸頭材料在高電壓與大電流共同作用下的引弧、燃弧以及滅弧的過程，並計算各個階段所消耗的時間，同時利用示波器記錄放電時的截流值。通過觀察可以發現添加了B和Nb元素的鎢銅觸頭起弧時間約為未添加任何元素的W80-Cu20觸頭的1.5倍。此外，未摻雜元素的鎢銅觸頭穩定燃燒時，弧根寬度較小、等離子雲體積最小，顏色最深，這就說明了其電弧等離子雲電子密度大而使得電離層溫度升高；而摻雜其他元素的觸頭材料的弧根寬度較大，鋪散面積大，電子的運動區域也較大，說明了摻雜元素可以起到分散電弧的作用。綜上所述，摻雜元素的鎢銅觸頭形弧時間更長，截流值較小，其能有效分散電弧，使其能量分散。

之後再進行抗電弧燒蝕試驗，在惰性氣體保護下進行氬弧焊、等離子切割，期間選取同樣的工作電壓和電流，每隔一定時間對觸頭的燒蝕品質損失進行稱量，並採用掃描電鏡對燒蝕後表面形貌進行觀察。通過資料分析可以發現未添加任何組元的鎢銅觸頭的燒蝕量最大，而摻雜一定比例的不同組元的觸頭燒蝕量都有明顯的減少。這是由於未添加元素的鎢銅觸頭，電擊穿發生在富Cu區，電弧在該區域聚集並發生局部溶化，從而引起銅液的飛濺；而加入B和Nb元素後改善了銅相的分佈，使銅相分佈細小而均勻，在燃弧過程中電弧不會發生在富Cu區，而是均勻分佈在材料表面，從而有效避免了電弧能量集中、局部燒蝕而導致觸頭材料的失效。另外，NB與W還能形成連續固溶體，起到固溶強化的作用，從而提高W在高溫下的強度，且W-Nb合金在所有鎢基合金中具有最好的強度、塑性配合和抗氧化性能。