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申请/专利权人：西安理工大学

摘要：本发明公开了一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法,具体为：将W粉在模具中压制成型为钨压坯；然后放入氢气气氛烧结炉中烧结，随炉冷却至室温，获得钨骨架；最后将CuTi合金放于钨骨架上方，在氢气气氛烧结炉中，进行熔渗，随炉冷却至室温，即获得CuW合金。本发明通过使用CuTi合金进行熔渗而引入Ti元素使得CuW相界面实现了良好的冶金结合。经固溶时效处理的CuTiW合金，具有良好的硬度和导电性。Ti元素的引入可以很好强化弱击穿相‑Cu相，提高了电触头使用寿命的目的。

主权项：一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，压制钨压坯：将W粉在模具中压制成型，得到钨压坯；步骤2，烧结：将步骤1得到的钨压坯放入氢气气氛烧结炉中烧结，随炉冷却至室温，获得钨骨架；步骤3，熔渗：将CuTi合金放于步骤2得到的钨骨架上方，在氢气气氛烧结炉中，进行熔渗，随炉冷却至室温，获得CuW合金。

全文数据：一种使用CuTi合金熔渗制备GuW合金的方法技术领域[0001]本发明属于异质材料连接技术领域，涉及一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法。背景技术[0002]随着电力系统容量的不断增长以及电压等级的不断提高，对断路器的可靠性提出了更高的要求。在传统的高压输变体系中，触头材料的开断寿命较短，开断次数仅有几十次，而在超高f大容量的新型环境下，要求触头材料的开断次数能达到3000次。与常规高压开关相比，特高压系统用电容器组开关由于操作频次高，触头材料在开合的过程中经历了因高频次累积的“烧蚀一高温磨损一挤压”作用，导致弧触头变形并大量损失而失效，进而导致开关不能正常工作。[0003]常规的CuW触头材料在开断过程中，由于铜的逸出功低且熔点较低，在高温电弧作用下，铜相将发生熔化和喷濺，造成触头材料表面凹凸不平;再者，由于Cu、W两相润湿性差而不互溶，也不形成任何化合物，使其相界面难以实现冶金结合，进而出现大量孔洞和缺陷，使界面成为弱击穿点，造成CuW触头材料的失效。这将严重影响输电线路运行的稳定性和可靠性。[0004]Ti元素具有高熔点、低于Cu、w两相的逸出功等优异性能。根据Cu-Ti、Ti-ff二元相图可知，常温下Ti在Cu中溶解度很小，而在高温下Ti与W可以形成MTi-W固溶体。由于Ti在高温下容易与H、N和C等元素反应，且使用W粉中添加Ti粉烧结W骨架制备CuW合金的方法时，Ti颗粒不能完全熔化，这些都将严重影响CuW触头材料的电导率和强度。故采用CuTi合金进行熔渗，熔渗时，Ti向W中扩散，可达到强化CuW相界面的目的，使其转变为冶金结合，减少界面缺陷，提高界面强度，以及改善界面为弱击穿点的现象。经固溶时效处理后，Ti从Cu中析出，起到强化Cu相的作用。发明内容[0005]本发明的目的是提供一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，用以强化Cu相，并且提高CuW相界面结合强度。。[0006]本发明所采用的技术方案是，一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，具体按以下步骤实施：[0007]步骤1，压制钨压坯：[0008]将W粉在模具中压制成型，得到钨压坯；[0009]步骤2,烧结：[001°]将步骤1得到的钨压坯放入氢气气氛烧结炉中烧结，随炉冷却至室温，获得钨骨架；[0011]步骤3,熔渗：[0012]将CuTi合金放于步骤2得到的钨骨架上方，在氢气气氛烧结炉中，进行熔渗，随炉冷却至室温，获得CuW合金。[0013]本发明的特点还在于，[0014]步骤1中W粉用量按照所需制备的CuW合金中W的含量确定。[0015]步骤1中压制压力为200〜4〇〇MPa，保压时间为20〜40s。[0016]步骤2中烧结参数为:升温至800〜1000r保温0.5〜2h。[0017]步骤3中熔渗烧结参数为：先升温至800〜1000。：保温0.5〜2h，再升温至1200〜1400°C，保温1〜3h。[0018]步骤3中〇111合金中，〇1和以的质量比为1:〇.5〜2.0%。[0019]步骤3中CuTi合金通过将纯Cu块和Ti块放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中进行熔炼得到。[0020]溶炼过程中，首先以0.5〜l.OAmin的速率加电流至26〜30A，保温20〜30min，再以1〜2Amin的速率降电流至13A。[0021]本发明的有益效果是，本发明通过使用CuTi合金进行熔渗而引入Ti元素使得CuW相界面实现了良好的冶金结合。经固溶时效处理的CuTiW合金，具有良好的硬度和导电性。Ti元素的引入可以很好强化弱击穿相-Cu相，提高了电触头使用寿命的目的。附图说明[0022]图1是本发明制备方法的工艺流程图；[0023]图2是本发明方法熔炼CuTi合金时的坩埚装配示意图；[0024]图3是本发明方法制备的CuTiW合金的SEM照片；[0025]图4是本发明方法制备的CuTiW合金的线扫描图。[0026]图中，1•石墨坩埚，2•石墨纸，3•刚玉坩埚，4.Ti块，5.Cu块。具体实施方式[0027]下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。[0028]本发明提供了一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其流程如图1所示，具体按以下步骤实施：[0029]步骤1，熔炼CuTi合金[0030]按照Ti块的用量为纯Cu块质量的〇•5〜2•0%，将〇28mm的纯Cu块5与批夬4表面打磨干净后放入®40mm刚玉坩埚3中，再将刚玉坩埚3放入铺有石墨纸2的石墨坩埚1中，防止两种坩埚粘连。装配示意图如图2所示，Ti块4位于两块Cu块5之间。将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以0.5〜l.OAmin的速率加电流至26〜30A，保温20〜30min，再以1〜2Amin的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质。[0031]步骤2,压制钨压坯[0032]按照所制备的铜钨合金中W的含量为65〜85wt.%，称取W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为200〜4〇〇MPa，保压20〜40s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。[0033]步骤3,烧结[0034]将步骤2得到的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至800〜1000°C保温0.5〜2h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。[0035]步骤4,熔渗[0036]根据W粉的用量和紧实率，所需渗入的CuTi合金的质量为15〜35wt.%，实际熔渗中CuTi合金用量应比计算值多40〜60%，以确保熔渗过程进行得较为充分和完全。将CuTi合金块叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至800〜1000°C保温0.5〜2h，再升温至1200〜1400°C，保温1〜3h，随炉冷却至室温，获得CuTiW合金。[0037]本发明通过在CuW合金中引入Ti元素，改善了Cu、W的润湿性，提高了CuW相界面结合强度。同时Ti元素的添加可以很好强化弱击穿相-Cu相，制得的CuTiW合金，具有良好的强度和导电性，提高了电触头使用寿命的目的。[0038]实施例1[0039]将表面杂质打磨干净的纯Cu块与Ti块质量为Cu块质量的0.5%放入①40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中。最后将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以0.5Amin的速率加电流至26A，保温20min，再以lAmin的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质，获得CuTi合金。按照所制备的铜钨合金中W的含量为70wt.%，将W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为200MPa，保压40s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。将压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至800°C保温lh，随炉冷却至室温，获得钨骨架。将30wt.%的CuTi合金理论值，实际应比理论多40-60%，以确保充分熔渗块叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至950°C保温1.5h，再升温至1350°C，保温lh，随炉冷却至室温，获得CuTiW合金。[0040]实施例2[0041]将表面杂质打磨干净的纯Cu块与Ti块质量为Cu块质量的1.0%后放入®40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中，防止两种坩埚粘连。最后将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以lAmin的速率加电流至26A，保温30min，再以2Amin的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质，获得CuTi合金。按照所制备的铜钨合金中W的含量为82wt.%，将W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为400MP，保压20s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。将压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至9〇〇°C保温lh，随炉冷却至室温，获得钨骨架。将i8wt.%的CuTi合金块理论值，实际应比理论多40-60%，以确保充分熔渗叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至85TC保温lh，再升温至120TC，保温3h，随炉冷却至室温，获得CuTiW合金。[0042]实施例3[0043]将表面杂质打磨千净的纯Cu块与Ti块质量为Cu块质量的1.5%后放入〇40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中，防止两种坩埚粘连。最后将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以lAmin的速率加电流至28A，保温23min，再以2Amin的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质，获得CuTi合金。按照所制备的铜鹤合金中W的含量为76wt.%，将W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为3〇〇MPa，保压30s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。将压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至85〇°C保温2h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。将24wt.%的CuTi合金块理论值，实际应比理论多40-60%，以确保充分熔渗叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气4〇min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至900。：保温1.5h，再升温至1300°C，保温lh，随炉冷却至室温，获得CuTiW合金。[0044]实施例4[0045]将表面杂质打磨干净的纯Cu块与Ti块质量为Cu块质量的2.0%后放入①40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中，防止两种坩埚粘连。最后将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以〇•5Amin的速率加电流至30A，保温27min，再以lAmin的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质，获得CuTi合金。按照所制备的铜钨合金中W的含量为68wt.%，将化粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为350MPa，保压35s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。将压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至1000°C保温0•5h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。将22wt.%的CuTi合金块理论值，实际应比理论多40_6〇%，以确保充分熔渗）叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至100rC保温2h，再升温至1400°C，保温2h，随炉冷却至室温，获得CuTiW合金。[0046]图2为熔炼CuTi合金时坩埚装配示意图。高温下，Ti易与石墨发生反应，故用刚玉坩埚进行熔炼。将纯Cu块与Ti块后放入O40ram刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中，防止两种坩埚粘连。[0047]图3为本发明制备的CuTiW合金的SEM照片，从图片中可以看出，使用CuTi合金对W骨架进行熔渗制备的CuW合金，组织分布均匀，界面处无孔洞等结合不良的现象。[0048]图4为本发明制备的CuTiff合金的线扫描图。从图中可以看出熔渗时熔融Cu液中的Ti向W中扩散，最终使得Ti在Cu、W两相中均匀分布。起到强化CuW相界面，提高界面强度的目的。

权利要求：1.一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，压制钨压坯：将W粉在模具中压制成型，得到钨压坯；步骤2,烧结：将步骤1得到的钨压坯放入氢气气氛烧结炉中烧结，随炉冷却至室温，获得钨骨架；步骤3,熔渗：将CuTi合金放于步骤2得到的钨骨架上方，在氢气气氛烧结炉中，进行熔渗，随炉冷却至室温，获得CuW合金。2.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤1中W粉用量按照所需制备的CuW合金中W的含量确定。3.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤1中压制压力为200〜400MPa，保压时间为20〜40s。4.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金溶渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤2中烧结参数为:升温至800〜1000°C保温0.5〜2h。5.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤3中熔渗烧结参数为:先升温至800〜1000°C保温0.5〜2h，再升温至1200〜1400。：，保温1〜3h〇6.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备cuw合金的方法，其特征在于，所述步骤3中CuTi合金中，Cu和Ti的质量比为1:0.5〜2.0%。7.根据权利要求1或6所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤3中CuTi合金通过将纯Cu块和Ti块放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中进行熔炼得到。8.根据权利要求7所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述熔炼过程中，首先以〇_5〜l.OArain的速率加电流至26〜30A，保温20〜30min，再以1〜2Amin的速率降电流至13A。

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