CN105695982B - 一种增材制造铜钨功能梯度材料电触头的方法 - Google Patents

一种增材制造铜钨功能梯度材料电触头的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增材制造铜钨功能梯度材料电触头的方法，该方法通过控制铜粉和钨粉的送粉速率，将上述两种粉末经混粉器均匀混合并经过分粉器分流后，以高能束流为热源，在铜基材上融化沉积钨的质量分数随成形层的增加而增加，呈梯度变化的铜钨功能梯度材料电触头；铜钨功能梯度材料中钨含量随着成形高度可以是准连续式或阶梯式梯度变化的。本发明提高电触头零件的高压开断能力和使用寿命。

Description

一种增材制造铜钨功能梯度材料电触头的方法
技术领域
本发明涉及一种铜钨功能梯度材料的制备方法，基于增材制造技术原理，通过调节同步输送的铜粉和钨粉的送粉量比例，利用高能束流在铜基材上熔化沉积铜粉和钨粉的混合粉末，实现在惰性气氛保护下无模直接成形铜钨功能梯度材料电触头的方法。
背景技术
自上世纪30年代钨基复合材料开始被研究以来，铜钨电触头如今被广泛应用于高压、超高压、特高压输变电行业及相关领域的核心部件中，是目前各类电力开关中应用最广泛的电触头材料，并且在高压SF6、空气和油介质、大电流断路器上用量较大。随着现代化工业和城市生活用电的增长，高压输变电网络的负荷逐渐增加，对铜钨电触头的要求也越来越高。用传统熔渗法或混粉烧结法生产的铜钨电触头在使用过程中存在的一个主要问题是掉渣现象，即抗电弧侵蚀能力较差。在高压分断过程中的高温电弧的热冲击侵蚀作用下，由于热量不能及时传导出去，电触头的温度骤升至铜的熔点以上，铜钨两相均有不同程度的蒸发和熔化，电触头表面在较大的热应力作用下出现掉渣和龟裂，且龟裂裂纹逐步加深，严重影响电触头的使用功能和使用寿命。而相关研究显示，铜钨功能梯度材料具有较好的导热导热性能。因此，制备铜钨功能梯度材料电触头可以提高电触头的抗电弧侵蚀能力，提高电触头的使用寿命。
以高能束流为热源，以同步输送金属粉末作为成形材料，可实现金属材料的无模成形。此外，由于该技术具有同步送粉以及逐层堆积的特点，适用于制备功能梯度材料。因此，运用高能束流熔化沉积同步输送粉末来制备铜钨功能梯度材料电触头，来提升电触头的导热能力、电学性能、力学性能和高温机械性能，从而提高电触头的高压开断次数和使用寿命，具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的铜钨电触头的高压开断能力差，使用寿命短的问题，提供一种增材制造铜钨功能梯度材料电触头的方法，提高电触头零件的高压开断能力和使用寿命。
本发明技术方案的实现包括以下步骤：
在气氛保护工作室内，以高能束流为热源，在铜基材上连续熔化沉积由双筒式送粉器输送的，先经过混粉器混粉后经过分粉器分流的铜钨混合粉末，无模成形钨的质量分数随成形层的增加而增加，呈梯度变化的铜钨功能梯度材料电触头，包括以下步骤：
1)将粒度为-140～+325目的铜粉放入送粉器左边的送粉筒中，将粒度为-200～+325目的钨粉放入送粉器右边的送粉筒中；
2)将铜基材放入气氛保护工作室中并固定铜基材在气氛保护工作室工作台上，使铜基材在成形过程中相对工作室的位置不发生改变；
3)将纯度为99.99％～99.999％的高纯氩气或氮气冲入气氛保护工作室中，使气氛保护工作室中氮气或氩气的浓度达到99.9％～99.999％；
4)调节送粉器的两个送粉筒中铜粉的送粉速率为0.2～15g/min，钨粉的送粉速率为0～25g/min，开启高能束流，并同步开启送粉器开始送粉，开始在铜基材上熔融沉积层厚为1～50mm，钨的质量分数为0～99％的第一梯度层；
5)成形完第一梯度层后，根据下一梯度层的钨的质量分数比例，重新调节送粉器的两个送粉筒中铜的送粉速率为0.2～15g/min，钨的送粉速率为0～25g/min，再开启高能束流，并同步开启送粉器开始送粉，在第一层上熔融沉积层厚为1～50mm，钨的质量分数为0～99％的第二梯度层；
6)重复第5)步，直到成形完1～50层梯度层，获得所需铜钨功能梯度材料电触头零件。
高能束流是激光束、电子束或等离子束；铜基材是铜基板或铜棒材。
铜钨功能梯度材料中钨含量随着成形高度是准连续式或阶梯式梯度变化。
本发明提供一种增材制造铜钨功能梯度材料电触头的方法，无模成形钨的质量分数随成形层的增加而增加，呈梯度变化的铜钨功能梯度材料电触头，使成形的铜钨功能梯度材料电触头与传统方法生产的铜钨电触头相比，具有较好的导热性、导电性、力学性能和高温机械性能，可提高铜钨电触头零件的高压开断能力和使用寿命，满足高压输电负荷增长的需求，节约经济成本。
附图说明
图1圆柱形5梯度层铜钨功能梯度材料电触头零件示意图。
图2是制备铜钨功能梯度材料电触头的示意图。
图中：1.铜基材 2.熔化沉积部分 3.粉末流 4.气氛保护工作室 5.高能束流 6.分粉器 7.送粉管 8.混粉器 9.送粉筒 10.送粉器
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参考图1-图2，在双筒式送粉器10的两个送粉筒9中的铜粉和钨粉是通过送粉管7输送的，且输送的铜粉和钨粉先经过混粉器8混合均匀后再经过分粉器6分成4～8路粉末流。在增材制造铜钨梯度材料的过程中，高能束流5在气氛保护工作室4中在铜基材1上熔化沉积铜粉和钨粉的混合粉末；气氛保护工作室4中冲的气体可以是氮气或氩气，其目的是为了防止增材制造的铜钨功能梯度材料电触头发生氧化。通过调节铜粉和钨粉的送粉速率，可以改变各个梯度层中钨的质量分数；通过高能束流将粉末熔化沉积在铜基材上，无模成形钨的质量分数随成形层的增加而增加，呈梯度变化的铜钨功能梯度材料电触头。
本发明中成形的铜钨功能梯度材料电触头中钨的质量分数随成形高度可以是准连续式或阶梯式梯度变化的，可以根据电触头的性能要求和实际需求，控制成形铜钨功能梯度材料电触头中钨的质量分数的梯度变化范围和变化规律。
圆柱形5梯度层铜钨功能梯度材料电触头成形实验。
I.将粒度为-140～+325目的铜粉放入送粉器左边的送粉筒中，将粒度为-200～+325目的钨粉放入送粉器右边的送粉筒中；
II.将直径为25mmd的圆柱形铜棒材放入气氛保护工作室中并固定铜棒材在气氛保护工作室工作台上，使铜棒材在成形过程中相对工作室的位置不发生改变；
III.将纯度为99.999％的高纯氩气或氮气冲入气氛保护工作室中，使气氛保护工作室中氮气或氩气的浓度达到99.9％～99.999％；
IV.调节送粉器的两个送粉筒中铜粉的送粉速率为3.53g/min，钨粉的送粉速率为3.53g/min，开启高能束流并同步开启送粉器开始送粉，开始在圆柱形铜棒材上熔融沉积层厚为5mm，钨的质量分数为50％的第一梯度层；
V.成形完第一梯度层后，关闭高能束流并同步关闭送粉器，重新调节送粉器的两个送粉筒中铜粉的送粉速率为3.05g/min，钨粉的送粉速率为4.58g/min，开启高能束流并同步开启送粉器开始送粉，开始在圆柱形铜棒材上熔融沉积层厚为5mm，钨的质量分数为60％的第二梯度层；
VI.重复第V步，直到分别成形完钨的质量分数为70％、80％和90％的第三、第四和第五梯度层，获得如附图1所示的铜钨功能梯度材料电触头零件。

Claims (3)

1.一种增材制造铜钨功能梯度材料电触头的方法，其特征在于：在气氛保护工作室内，以高能束流为热源，在铜基材上连续熔化沉积由双筒式送粉器输送的，先经过混粉器混粉后经过分粉器分流的铜钨混合粉末，无模成形钨的质量分数随成形层的增加而增加，呈梯度变化的铜钨功能梯度材料电触头，包括以下步骤：
1)将粒度为-140～+325目的铜粉放入送粉器(10)左边的送粉筒(9)中，将粒度为-200～+325目的钨粉放入送粉器(10)右边的送粉筒(9)中；2)将铜基材(1)放入气氛保护工作室(4)中并固定铜基材(1)在气氛保护工作室(4)工作台上，使铜基材(1)在成形过程中相对工作室的位置不发生改变；
3)将纯度为99.99％～99.999％的高纯氩气或氮气冲入气氛保护工作室(4)中，使气氛保护工作室(4)中氮气或氩气的浓度达到99.9％～99.999％；
4)调节送粉器(10)的两个送粉筒(9)中铜粉的送粉速率为0.2～15g/min，钨粉的送粉速率为0～25g/min，开启高能束流(5)，并同步开启送粉器(10)开始送粉，开始在铜基材(1)上熔融沉积层厚为1～50mm，钨的质量分数为0～99％的第一梯度层；
5)成形完第一梯度层后，根据下一梯度层的钨的质量分数比例，重新调节送粉器(10)的两个送粉筒(9)中铜的送粉速率为0.2～15g/min，钨的送粉速率为0～25g/min，再开启高能束流(5)，并同步开启送粉器(10)开始送粉，在第一层上熔融沉积层厚为1～50mm，钨的质量分数为0～99％的第二梯度层；
6)重复第5)步，直到成形完1～50层梯度层，获得所需铜钨功能梯度材料电触头零件。
2.根据权利要求1所述的铜钨功能梯度材料电触头制备方法，其特征在于：高能束流是激光束、电子束或等离子束；铜基材是铜基板或铜棒材。
3.根据权利要求1所述的铜钨功能梯度材料电触头制备方法，其特征在于：铜钨功能梯度材料中钨含量随着成形高度是准连续式或阶梯式梯度变化。
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