高压处理诱导的CuCr真空接触器中的梯度微结构

《Vacuum》：Gradient microstructures in CuCr vacuum contacts induced by high-voltage conditioning

高电压条件处理显著影响CuCr40接触材料的微观结构演变，Cu基体内部形成高密度孪晶界，Cr相表面发生纳米晶化与梯度重构，同时Cu/Cr界面元素扩散加速，表面氧溶解度降低，这些微观结构变化有效提升了材料抗电弧侵蚀能力与接触性能。

　　

刘建奇|齐志旭|李西尧|李凯|苗晓军|龙卫阳|朱志远|王江伟|宋克星

中国河南省科学院材料研究所，郑州450002

摘要

老化处理是提高接触材料击穿电压的关键步骤，这一过程通常归因于电弧引起的表面改性。然而，这些材料的内部微观结构也会受到电弧的影响，并不可避免地发生特定变化，尤其是在高压老化条件下，这些变化仍不甚明了。本文研究了高压老化对CuCr₄₀接触材料微观结构的影响，重点关注了Cu基体和Cr相的不同响应。老化处理对表面Cu基体的影响较小，但使内部Cu基体中产生了大量孪晶界。相比之下，表面Cr相更容易受到老化作用的影响，形成了明显的梯度结构。具体来说，表面Cr相发生了显著的破碎和纳米晶化；而次表面Cr相则促进了Cu颗粒通过奥斯特瓦尔德熟化作用的形成。此外，施加电压的增加加速了Cu/Cr界面处的元素互扩散，减少了表面Cr相中的溶解氧，并进一步细化了表面Cr相。这些发现为了解接触材料在电压老化条件下的微观结构演变提供了全面的见解。

引言

真空断路器是电力系统中重要的电流切断装置，通过上下电极的移动来控制高压电流的切换[1]、[2]。通常，这些电极由CuCr₄₀电接触材料制成，特别是在中高压真空断路器中，因为它们具有出色的抗电弧侵蚀能力、高抗焊接性和优异的电流切断性能[3]、[4]、[5]。在工业应用之前，需要进行一个称为“老化处理”的关键工序，以确保长期运行的可靠性。该过程通过施加特定电压来诱导接触点之间的可控电弧击穿，从而显著提高承受高压的能力[6]、[7]、[8]。

老化处理是一种复杂的表面冶金过程，由此产生的电弧击穿本质上是动态的，涉及极高的能量密度，导致瞬时的局部熔化、非平衡扩散和快速固化[9]、[10]、[11]。这些现象显著改变了接触表面的形态和微观结构特征，包括表面粗糙度的平滑以及次表面的纳米晶化[12]、[13]。此外，老化处理通过反复的熔化-固化循环有效抑制了微观偏析，并细化了局部区域的微观结构[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。例如，CuCr₂₅中最初的粗大Cr颗粒（70-100 μm）在多次电压击穿后细化到了100-200 nm的大小。此外，由于热流引起的温度梯度，从底部到表面Cr颗粒尺寸有逐渐增大的趋势[19]。老化处理后，Cr相中观察到微观尺度的树枝晶和纳米球形结构，而Cu基体在表面热影响区内形成了柱状晶体，延伸深度可达200 μm[20]。尽管在低压老化条件下的表面微观结构演变已有详细记录，但在高压条件（通常≥10 kV）下，增强的热电耦合效应不仅影响表面，还影响接触材料的整体内部，可能导致整个截面的梯度异质结构的发展。然而，在这种高压条件下控制微观结构演变的机制仍不完全清楚。

本文研究了CuCr₄₀接触材料在真实服役条件下的截面微观结构演变，老化电压分别为12 kV和40.5 kV。Cu基体和Cr相表现出不同的结构演变特征：Cu基体表面形成了少量Cr沉淀物，而其内部形成了高密度的孪晶界；Cr相则形成了具有表面破碎或纳米晶化Cr和次表面异常粗化Cu沉淀物的梯度截面结构。此外，施加电压的增加加速了Cu/Cr界面处的元素互扩散，减少了表面Cr相中的溶解氧，并进一步细化了表面Cr相。这些观察结果为理解通过电压老化调节接触材料的宏观电性能提供了基础。

材料与方法

本研究中使用的CuCr₄₀复合材料由平高电气有限公司（中国平顶山）提供。这些样品是通过按6:4的重量比混合Cu粉末和Cr粉末后，采用真空电弧熔炼技术制备的。由于这些材料用于直接接触制造并组装成完整的真空断路器，因此它们经过了行业内常用的标准电压老化处理过程。

表面电弧侵蚀特性

图1显示了两种接触样品的老化处理表面。它们的老化电压分别为12 kV和40.5 kV，直径分别为40 mm和75 mm。表面观察到了许多电弧侵蚀坑，这些坑分布不规则，材料损失程度不一。从几何上看，这些坑的直径在0.5到5.5 mm之间，明显大于典型的电弧尺寸（约200至800 μm）[12]。定量分析表明...

接触表面优化

作为预处理过程，电压老化处理在接触表面的脆弱区域诱导多次电弧击穿，从而在这些位置形成侵蚀坑（图1）。在侵蚀坑区域内，Cr相发生破碎和纳米晶化（图5），并在Cu基体内均匀分布。这种独特的强化机制提高了局部区域的硬度，从而增强了薄弱区域的抗侵蚀能力。

结论

本研究阐明了CuCr₄₀接触材料在高压老化条件下的微观结构演变。研究表明，提高老化电压显著增强了热电耦合效应，促进了表面和材料内部的微观结构变化，具体如下：

(1)

高压老化处理显著促进了侵蚀区域Cu/Cr界面处的元素互扩散，从而

作者贡献声明

宋克星：指导与资金获取。王江伟：指导与资金获取。李凯：资源支持。苗晓军：资源支持。龙卫阳：数据管理。朱志远：指导。刘建奇：撰写——初稿，实验研究。齐志旭：撰写——审稿与编辑，方法学设计。李西尧：撰写——审稿与编辑，指导，资金获取，概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52401009）、河南省科技研发计划联合基金（编号231100240200）、HAST青年精英科学家资助计划（2025HYTP044）以及河南省科学院的创业研究基金（编号231817064、232017011和242017002）的支持。作者还要感谢河南省科学院材料创新基地在FIB和TEM表征方面的支持。