掺杂对钨铜触头性能的影响

钨铜触头又被称作钨铜触点，其是一些高压、高载荷电器断路器中的关键元件，主要是对电流起着接通和分断的作用，它的稳定性直接影响了电器整体运行的可靠性以及使用寿命。而钨铜材料是由W和Cu两相均匀分布的既不固溶又不会形成化合物的复合材料，其在具有W高密度、高熔点、高强度、优良的抗电蚀能力以及抗熔焊能力的同时，还具有Cu良好的导电导热率、可塑性极佳、易于加工等优点。不过其中最大的优势在于钨铜材料中是一种特殊的发汗热沉材料，其中的Cu在电弧高温下蒸发可吸收大量的电弧能量并有效降低电弧温度，从而达到改善使用条件和降低电蚀作用的效果。随着电网市场的飞速发展，高压开关设备逐渐向着高电压、大容量、小型化的方向发展，而相应的断路器容量也就不断增大，灭弧室空间逐渐缩小，这就使得触头单位面积上所承担的负荷增大，对钨铜触头材料性能有了更高的要求。

以W80-Cu20钨铜触头为例，分别添加0.3%B硼，2.0%Nb铌，1.5%Ce铈，利用高速摄影捕捉不用钨铜触头材料在高电压与大电流共同作用下的引弧、燃弧以及灭弧的过程，并计算各个阶段所消耗的时间，同时利用示波器记录放电时的截流值。通过观察可以发现添加了B和Nb元素的钨铜触头起弧时间约为未添加任何元素的W80-Cu20触头的1.5倍。此外，未掺杂元素的钨铜触头稳定燃烧时，弧根宽度较小、等离子云体积最小，颜色最深，这就说明了其电弧等离子云电子密度大而使得电离层温度升高；而掺杂其他元素的触头材料的弧根宽度较大，铺散面积大，电子的运动区域也较大，说明了掺杂元素可以起到分散电弧的作用。综上所述，掺杂元素的钨铜触头形弧时间更长，截流值较小，其能有效分散电弧，使其能量分散。

之后再进行抗电弧烧蚀试验，在惰性气体保护下进行氩弧焊、等离子切割，期间选取同样的工作电压和电流，每隔一定时间对触头的烧蚀质量损失进行称量，并采用扫描电镜对烧蚀后表面形貌进行观察。通过数据分析可以发现未添加任何组元的钨铜触头的烧蚀量最大，而掺杂一定比例的不同组元的触头烧蚀量都有明显的减少。这是由于未添加元素的钨铜触头，电击穿发生在富Cu区，电弧在该区域聚集并发生局部溶化，从而引起铜液的飞溅；而加入B和Nb元素后改善了铜相的分布，使铜相分布细小而均匀，在燃弧过程中电弧不会发生在富Cu区，而是均匀分布在材料表面，从而有效避免了电弧能量集中、局部烧蚀而导致触头材料的失效。另外，NB与W还能形成连续固溶体，起到固溶强化的作用，从而提高W在高温下的强度，且W-Nb合金在所有钨基合金中具有最好的强度、塑性配合和抗氧化性能。