Разработка новых нанокристаллических градиентных материалов на основе псевдосплавов для электротехнических приложений (заключительный)

Сочетанием методов непродолжительной высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО) и искрового плазменного спекания (ИПС) получены наноструктурированные механокомпозиты из несмешивающихся между собой металлов Cu, Cr и W (от 5 до 70 мас. %), наноструктурированные консолидированные материалы на их основе и наноструктурированный градиентный материал с переходом от чистой меди к псевдосплаву Cu/Cu-Cr-W (5%)/Cu-Cr-W (15%)/Cu-Cr-W (70%). Для получения механокомпозитов Cu-Cr-W с различным содержанием вольфрама проводили ВЭМО порошковых смесей Cu + Cr + W (5, 10, 15 и 70 мас. %) в шаровой планетарной мельнице «Активатор-2S» при скорости вращения барабанов мельницы 1388 об./мин и планетарного диска - 694 об./мин в среде аргона. Продолжительность ВЭМО составила до 150 мин. Результаты сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показали, что до 60 мин ВЭМО происходит формирование слоистой структуры в материале, состоящей из чередующихся слоев исходных компонентов, а более длительная обработка (60 - 150 мин) приводит к образованию однородной структуры и равномерному распределению тугоплавких частиц Cr и W в пластичной матрице меди на субмикронном и наноуровнях. По данным рентгеноструктурного анализа увеличение времени ВЭМО до 150 минут приводит к уширению дифракционных пиков W (110), (200), Cu (200), Cr (200) и снижению их интенсивности, в то время как основные пики Cu (111) и Cr (110), а также пики W (221) и Cu (220) становятся очень широкими и частично перекрываются, образуя один общий ассиметричный пик. Консолидацию механокомпозитов Cu-Cr-W проводили в интервале температур 800 - 1000ºС при давлении 50 МПа в течение 10 мин. Наноструктурированный градиентный материал на основе Cu-Cr-W псевдосплавов запрессовывали послойно в следующей последовательности (от чистой меди к псевдосплаву с увеличением массовой доли вольфрама): Cu/Cu-Cr-W (5%)/Cu-Cr-W (15%)/Cu-Cr-W (70%) и спекали на установке Labox 650 (SinterLand, Япония) при температуре 800°C в течение 10 мин. Показано, что наноструктура, сформированная в механокомпозитах на стадии непродолжительной ВЭМО (до 150 мин), сохраняется после ИПС для всех составов Cu-Cr-W (от 5 до 70 мас. %). По данным СЭМ и энергодисперсионного анализа (ЭДС) тугоплавкие частицы W и Cr, размер которых не превышает 100 нм (W ~20 - 100 нм, Cr ~20 - 50 нм), равномерно распределены в объеме материала (в медной матрице). С увеличением массовой доли вольфрама в слое наноструктурированного консолидированного градиентного материала наблюдается тенденция к уменьшению размеров зерен W и Cr. Переходная зона между слоями материала отсутствует. Сочетание методов ВЭМО и ИПС позволяет получить высокоплотный (91%) наноструктурированный консолидированный композит Cu-Cr-W, твердость которого достигает 9,5 ГПа, а значения удельной электропроводности 27 - 28% IACS (International Annealed Copper Standard = 1,72 μΩ*cm) являются приемлемыми для использования его в качестве электроконтактного материала. Проведенные сравнительные исследования полученных наноструктурированных образцов на основе псевдосплавов Cu-Cr-W и коммерческих микрокристаллических аналогов показали, что в микрогетерогенных образцах после воздействия электрического разряда на поверхность материала наблюдаются области до сотен микрометров, в которых происходят интенсивное плавление, формирование каркасов из застывших струй жидкого металла и др., а в нанокристаллических образцах этого не происходит. Эрозия экспериментальных образцов происходит гораздо в меньших масштабах.Полученные наноструктурированные градиентные материалы на основе Cu-Cr-W-псевдосплавов, обладающие повышенными эксплуатационными свойствами, могут послужить заменой уже существующим микрокристаллическим композитам двухкомпонентного состава и быть использованы в качестве важнейших составных частей вакуумных дугогасительных камер выключателей электрических сетей с целью увеличения их срока службы, уменьшения рисков преждевременного выхода из строя из-за контактной сварки и снижения энергопотерь.