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Cu-Co-W合金通过机械合金化与火花等离子烧结制备，系统研究钴含量对微观结构、力学性能及真空电接触性能的影响。研究发现2 at%钴含量可实现最佳致密化与硬度，但高钴含量因晶界密度增加和电导率下降影响导电性。实验证实钴能促进熔体流动和界面结合，但过量添加会降低电导率。研究揭示了钴含量调控微结构的机制及其对电接触性能的协同作用，为高性能电接触材料设计提供理论依据。
Xiuqing Li|Zengye Ning|Qingxia Yang|Shizhong Wei|Liujie Xu
河南省科学技术大学国家金属材料磨损控制与成型联合工程研究中心，洛阳 471003，中国
摘要
本研究通过机械合金化结合火花等离子烧结技术制备了不同钴含量的Cu-Co-W合金，系统研究了钴含量对合金微观结构、力学性能和真空电接触性能的影响。采用JF04C测试系统评估了电接触性能，而微观结构和电弧侵蚀形态则通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子背散射衍射和三维共聚焦激光扫描显微镜进行了分析。结果表明，钴促进了铜向钨颗粒间隙中的渗透，从而增强了材料的致密度。当钴含量为2原子%时，达到了最佳的致密度和硬度。在烧结过程中形成了Cu0.4W0.6和Co0.9W0.1固溶体，这些固溶体细化了铜晶粒。然而，由于钴导致的晶界密度增加及其本身较高的电阻率，使得电导率降低。添加钴显著降低了电弧能量和电弧时间，其中含2原子%钴的合金在电弧能量耗散方面表现出最高的效率。此外，提高测试电压会导致电弧能量和电弧时间显著增加。本研究阐明了钴在Cu-Co-W合金中的微观结构调控机制，并为高性能电接触材料的成分设计提供了理论基础。
引言
在当代科学技术快速发展的背景下，军事工程、航空航天、电子、电气工程和机械等行业对材料的性能和服务行为提出了越来越严格的要求[1]、[2]、[3]、[4]。这些领域的设备通常在极端条件下运行，要求材料不仅具有较高的比强度以承受外部载荷，还必须具备优异的热导率和电导率，以确保设备的高效稳定运行。
Cu-W合金结合了铜的高热导率和电导率以及钨的高熔点和比强度，成为满足这些行业需求的有希望的候选材料[5]、[6]、[7]、[8]。然而，铜和钨之间较差的润湿性导致了传统Cu-W合金中出现异质微观结构和界面结合力弱的问题。在电弧侵蚀作用下，这些合金容易出现选择性烧蚀和接触电阻不稳定的问题，从而限制了其在高端电接触应用中的使用[9]、[10]、[11]。为了解决这些问题，研究人员广泛探索了引入各种增强相来优化Cu-W合金的微观结构和性能。
许多研究表明，添加微量元素或化合物可以显著调节Cu-W材料的某些性能[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。为了优化电接触性能，掺杂改性也成为研究的重点；例如，Ding等人[17]报道Al?O?颗粒可以引导电弧根部并提高抗烧蚀能力，但陶瓷相不可避免地会降低整体电导率。Hu等人[18]合成了Ce增强的Cu-W合金，发现稀土元素细化了微观结构并增强了电弧稳定性，但润湿性的改善有限，且“元素分布与动态再结晶”之间的关联机制尚不清楚。Yang等人[19]将TiB?引入Cu-W合金，进一步提高了击穿强度并降低了切割电流，但复合增强相仍然对电导率产生不利影响。Shang等人[20]显示，添加纳米HfC和TaC颗粒分别使Cu-5W复合材料的质量损失减少了27%和28.6%，电弧能量减少了11.1%和14.8%，其增强机制归因于碳化物颗粒的高熔点和稳定性。Guo等人[21]发现，掺入1原子% TaC的W-Cu复合材料在5000次电接触循环后，平均电弧能量降低了63.7%，烧蚀质量损失仅为6.1毫克，核心机制是TaC促进了电弧分散并增加了熔融铜相的粘度。
除了碳化物增强相外，多元合金化和其他类型的增强相也显示出优化Cu-W基材料性能的潜力。Ren等人[22]通过氢烧结制备了Mo-W-Cu三元复合材料，发现当钨含量为30原子%时，材料的质量损失比Mo-20Cu低35.3%，并且在24伏电压下表现出最佳的电弧能量和接触电阻稳定性。增强机制与钨促进微观结构细化和形成保护性表面层有关。Hoelzer等人[23]通过高能机械合金化结合挤压和轧制工艺制备了纳米晶Cu-Ta合金。这些合金同时具有高机械强度、优异的热导率和电导率以及微观结构稳定性，分散的Ta颗粒有效抑制了晶粒生长，为电接触材料的多元合金化提供了新的方向。
与复合增强相不同，金属元素可以在保持Cu-W合金热导率和电导率优势的同时改善界面结合力。钴（Co）作为一种具有优异加工性和热导率的过渡金属，与铜和钨都具有良好的润湿性[20]、[24]，理论上可以在烧结过程中促进致密化并改善Cu-W界面结合。然而，现有文献缺乏关于钴含量与Cu-W合金电接触性能之间定量关系的系统研究，钴如何调节高电流电弧侵蚀下的表面微观形貌演变、熔池行为和接触电阻稳定性的详细机制也尚未完全阐明。
本研究旨在阐明钴添加与Cu-W材料电接触性能之间的内在关联。通过机械合金化结合火花等离子烧结（SPS）技术制备了不同钴含量的Cu-Co-W合金，系统研究了钴浓度对微观结构演变、电弧侵蚀行为和接触电阻稳定性的影响。通过对材料表面局部细节特征的分析，阐明了电弧烧蚀后微观形貌的演变规律。实验分析和探索遵循了“成分调控—微观结构演变—电接触性能提升”的内在关联，为高性能Cu-W基电接触材料的设计提供了理论基础和技术参考。
实验部分
材料制备
本实验选择了平均粒径为1微米的铜粉和median粒径为300纳米的钨粉，然后将它们按Cu-6原子%W的比例混合（以下简称Cu-W）。同时，选择平均粒径为100纳米的钴粉作为增强相，其含量分别设置为0原子%、1原子%、2原子%和3原子%。将不同含量的钴粉加入到Cu-W复合粉中。
结果与讨论
图S1展示了含2原子%钴的Cu-W复合粉和铜粉的微观形态及元素分布。图S1(a)显示了铜粉的低倍率形态，纯铜粉主要以长条状和少量不规则块状存在。其放大视图见图S1(b)。在铜颗粒表面有“沟槽”，其中一些呈树枝状。这种特殊形态在粉末混合过程中形成。
结论
本研究系统研究了钴含量对通过粉末机械合金化结合SPS制备的Cu-Co-W合金的微观结构、力学性能和电接触性能的影响。研究阐明了烧结过程中固溶体的形成机制，揭示了钴含量与合金性能之间的内在关系，并确定了实现优异综合性能的最佳钴含量。
作者贡献声明
Liujie Xu：撰写——审稿与编辑，概念构思。Shizhong Wei：撰写——审稿与编辑，概念构思。Qingxia Yang：撰写——审稿与编辑，概念构思。Zengye Ning：撰写——初稿，软件使用，数据管理。Xiuqing Li：撰写——审稿与编辑，方法学研究，实验设计，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了河南省软科学研究计划重点项目（项目编号242400411010）、河南省科学技术大学青年骨干教师培训计划（项目编号13450023）和天津市自然科学基金科技计划（项目编号22JCYBJC01660）的财政支持。
