Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 10, стр. 1389-1393

ВВЕДЕНИЕ

Безопасность работы энергосистем, снижение потерь электроэнергии и экономия материальных ресурсов во многом определяются надежностью электрических контактов. Надежность контактов обуславливает эффективность эксплуатации энергетического и промышленного оборудования и мировой энергосистемы в целом. Из-за плохого качества изготовления контактов происходит их нагрев, возрастают потери электроэнергии и аварийные ситуации. По данным национальной ассоциации спасательных и экологических организаций 50% возгораний на промышленных предприятиях и в жилом фонде происходит из-за неисправности электроустановок, при этом 50% пожаров электрооборудования обусловлено отказами электрических контактов.

Реализовать в одном материале многообразный и противоречивый комплекс свойств, которыми должен обладать электроконтактный материал позволяет использование методов порошковой металлургии [1]. В настоящее время разработано большое количество электроконтактных материалов для их применения в разнообразных условиях эксплуатации. В их состав входит, как правило, матрица, обладающая высокой электропроводностью, и тугоплавкий компонент (наполнитель) с высокой износо- и электроэрозионной стойкостью [2]. Наиболее перспективными для изготовления контактов являются композиционные материалы на основе серебряной, медной, медно-никелевой, алюминиевой матрицы и тугоплавкого наполнителя. К ним относят следующие системы: W–Cu, Mo–Cu, W–C–Cu, Mo–C–Cu, Ti–B–Cu, TiB₂–Cu, TiB₂–Al, W–Ni–Cu, Mo–Ni–Cu, Cr–C–Cu, Cr–Cu, CdO–Ag, SnO₂–Ag, CuO–Ag, ZnO–Ag W–Ag, Mo–Ag, W–C–Ag и Mo–C–Ag и другие [3–8].

Поскольку процесс разрушения материала начинается с его поверхности, для ряда практических применений, например, упрочнения контактных поверхностей средне- и тяжелонагруженных выключателей и коммутационных аппаратов, перспективно формирование защитных покрытий, так как в этом случае важна электроэрозионная стойкость только поверхности контакта, а не всего объема. Экономически и технически целесообразно развивать подходы к созданию материалов, при которых механическая прочность детали обеспечивается применением экономичных подложек, а специальные свойства поверхности – сплошным или локальным формированием на ней композиционных покрытий, свойства которых соответствуют эксплуатационным требованиям. Экономия материала при таком подходе может достигать 90%. Экспертные оценки подтверждают эту тенденцию. Одним из приоритетных направлений физики конденсированного состояния является разработка методов повышения эксплуатационных характеристик различных материалов. С учетом этого упрочнение поверхности дугостойких электрических контактов, является актуальной задачей развития физики конденсированного состояния и новых современных технологий. В последнее время интенсивно развивается метод электровзрывного напыления покрытий различного назначения [9, 10].

Цель работы – исследование структуры, морфологии фаз электровзрывного покрытия системы CuO–Ag методами сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, а также проведение испытаний полученного материала на износостойкость.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являлись медные контакты контактора КПВ-604, на поверхностях которых электровзрывным методом [11] было сформировано покрытие в виде системы CuO–Ag. В качестве взрываемого токопроводящего материала была использована серебряная фольга массой 250 мг, на поверхность которой в область взрыва помещалась навеска порошка CuO массой 120 мг. Параметры эксперимента: время воздействия плазмы на поверхность образца ~100 мкс, поглощаемая плотность мощности на оси струи ~5.5 ГВт/м², давление в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности ~12.5 МПа, остаточное давление газа в рабочей камере ~100 Па; температура плазмы на срезе сопла ~10⁴ К, толщина зоны термического влияния ≈50 мкм. Режим напыления подбирается так, чтобы нагрев поверхности происходил вплоть до температуры плавления. Последующую электронно-пучковую обработку (ЭПО) электровзрывного покрытия осуществляли высокоинтенсивным импульсным электронным пучком на установке “СОЛО” Института сильноточной электроники СО РАН. Облучение проводили в режимах ЭПО, описание которых представлено в табл. 1.

Структуру и морфологию покрытия и прилегающего слоя подложки анализировали методами сканирующей электронной микроскопии (прибор Carl Zeiss EVO50 с приставкой для рентгеноспектрального анализа EDAX). Перед микроскопическими исследованиями шлифы подвергали химическому травлению раствором следующего состава: FeCl₃ – 3 г, HCl – 2.5 мл, С₂H₅OH – 100 мл. Для рентгенофазового анализа использовали рентгеновский дифрактометр ARLX’TRA. Трибологические свойства (износостойкость и коэффициент трения) покрытий изучали в геометрии диск-штифт с помощью трибометра (CSEM, Швейцария) при комнатной температуре и влажности.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Методами сканирующей электронной микроскопии проведены исследования структуры и элементного состава поверхности покрытия (рис. 1) и поперечного шлифа (рис. 2) системы “покрытие/подложка”, сформированной электровзрывным методом. Масштаб элементов структуры поверхности покрытия (рис. 1) изменяется в очень широком интервале – от десятков микрометров до десятков нанометров. Таким же неоднородным является и распределение элементов на поверхности покрытия. На качественном уровне этот факт выявляется при исследовании поверхности методом детектирования обратно-отраженных электронов. Неоднородный серый контраст с включениями округлых светлых частиц должен свидетельствовать о формировании неоднородного по составу покрытия. Медь имеет атомную массу 63.546 а.е.м., а серебро – 107.8682 а.е.м. и на фоне меди серебро должно быть хорошо различимо по фазовому контрасту. Методами микрорентгеноспектрального анализа различие элементного состава областей поверхности покрытия можно охарактеризовать на количественном уровне. Коэффициент неоднородности в распределении элементов на поверхности покрытия (отношение суммарного количества меди, кислорода и серебра в светлых и темных областях) достигает 2.8.

Рис. 1.

Структура поверхности облучения электровзрывного покрытия системы Ag–CuO, обработанного высокоинтенсивным импульсным электронным пучком по режиму 3.

Рис. 2.

Структура поперечного сечения поверхностного слоя электровзрывного композиционного покрытия системы CuO–Ag. а – без воздействия высокоинтенсивного импульсного электронного пучка, б – после воздействия импульсного электронного пучка (режим 3).

После электровзрывного напыления (ЭВН) структура поперечного шлифа (рис. 2а) представляет собой серебряную матрицу с расположенными в ней включениями оксидов меди с размерами от 0.5 до 2.0 мкм. В покрытии наблюдаются дефекты в виде микропор и микротрещин. Граница электровзрывного покрытия с медной подложкой не является ровной, что позволяет увеличить адгезию покрытия с подложкой. Импульсно-периодическая ЭПО поверхности электровзрывного покрытия приводит к выполаживанию рельефа поверхности до образования зеркального блеска.

При ЭВН покрытий с использованием плазменного ускорителя с коаксиально-торцевыми электродами формируется многофазная плазменная струя. При взаимодействии с подложкой высокоскоростного (до 10–15 км/с) фронта струи вблизи поверхности создается ударный слой плазмы с высокими давлением и температурой (порядка 10⁷ Па и 10⁴ К соответственно) [11]. Основная энергия емкостного накопителя энергии электровзрывной установки выделяется в первом полупериоде разрядного тока длительностью 50 мкс; при этом полностью накопитель разряжается в течение трех-четырех полупериодов. Конденсированные частицы продуктов взрыва и порошковых навесок, летящие в тылу струи со скоростью порядка 10²–10³ м/с, формируют плотное покрытие толщиной несколько десятков микрометров, характеризуемое высокой адгезией.

Согласно [12–16] распространение ударной волны в металлической пластине сопровождается возникновением в материале динамических ротаций (ДР). Такие ДР могут возникать и в электровзрывных покрытиях, определяя особенности их структурообразования. После ЭВН наблюдаются ротации с размерами от 1 до 4 мкм, обогащенные серебром (рис. 2а). Ротации имеют хорошо различимую оболочку толщиной от 0.1 до 0.2 мкм, отделяющую их от окружающего материала покрытия. Это говорит о том, что в данном случае они образованы материалом порошковых частиц, а их оболочка – материалом фольги. Внутри иерархической гетерогенной структуры присутствуют изолированные частицы оксидов меди субмикронных размеров. В областях ДР наблюдается сильное диспергирование порошковых частиц и материала взрываемой фольги.

Возникновение ДР в материале покрытий, удельный вес компонентов которых отличается почти в два раза, происходит в процессе разряда емкостного накопителя энергии электровзрывной установки и сопровождается импульсно-периодическим термо-силовым воздействием на подложку с формирующимся на ней покрытием. При этом слой покрытия, напыленного за время одного полупериода разряда, подвергается ударно-волновому воздействию многофазной плазменной струи во время следующего полупериода.

В основе структурообразования в двухслойной системе “покрытие – подложка” лежит закон сохранения момента импульса. При этом поворотные моменты частиц покрытия создают встречные поворотные моды деформации в подложке, которые вызывают диспергирование частиц ЭВН-покрытия на более низких масштабных уровнях. Важной особенностью ЭВН-покрытий является формирование в них многоуровневых иерархически организованных структур. Принципиально важно, что такие многоуровневые структуры создаются не только в покрытии, но и верхних слоях подложки, диспергируя интерфейс в двухслойной системе. Это обусловливает не только высокую адгезию ЭВН-покрытий подложкой, но и его высокую релаксационную способность. Иерархически развитая кривизна кристаллической решетки в двухслойной системе “ЭВН-покрытие–подложка” содержит большую концентрацию бифуркационных межузельных структурных состояний. Это резко увеличивает число степеней свободы в ЭВН-покрытии, создает возможность развития пластической дисторсии, эффективно релаксирует концентраторы напряжений всех масштабных уровней и резко повышает трещиностойкость покрытия [14–16]. Неоднократное ударное воздействие на напыляемое покрытие высокоэнергетической плазменной струи вызывает деформацию материала покрытия, что существенно увеличивает ее механические характеристики и сопротивление изнашиванию [11].

Толщина модифицированных слоев после ЭПО изменяется в пределах от 20 до 40 мкм и незначительно увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов. ЭПО, сопровождающаяся переплавлением слоя покрытия, приводит к формированию композиционной наполненной [17] структуры (рис. 2б). Дефекты в виде микропор и микротрещин в ней не наблюдаются. Размеры включений оксидов меди в серебряной матрице распределены в пределах от 0.1 до 0.2 мкм. Импульсно-периодическая ЭПО поверхностного слоя приводит к формированию в нем более дисперсной и однородной структуры.

Данные рентгеноструктурного анализа покрытий системы CuO–Ag представлены в табл. 2. Видно, что основными фазами покрытия после ЭПО являются Ag, Cu, Cu₂O и метастабильный оксид меди Cu₆₄O. Анализируя результаты, представленные в табл. 2, можно отметить, что в поверхностном слое формируется структура, параметры кристаллической решетки которой несколько больше, чем табличные значения параметров кристаллической решетки серебра, Cu₂O и меди [18].

Проведенные трибологические испытания позволили проследить за изменением величины коэффициента трения. Представленные на рис. 3 результаты измерения коэффициента трения показывают, что на протяжении всего эксперимента (за исключением короткого начального момента) коэффициент трения практически не изменялся, оставаясь в пределах величины µ = = 0.36, параметр износа покрытия составил при этом 1.6 · 10^–5 мм³/Н · м. Для медного контакта без покрытия коэффициент трения µ = 0.26, а параметр износа 5.2 · 10^–5 мм³/Н · м. Износостойкость покрытия CuO–Ag в 3.25 раза выше износостойкости медного электрического контакта. Этот факт указывает на высокий уровень структурно-фазовой и механической однородности электровзрывного покрытия. Повышенные трибологические свойства электровзрывного покрытия обусловлены его фазовым составом и состоянием структуры.

Рис. 3.

Зависимость коэффициента трения µ (кривая 1) и силы трения F (кривая 2) от времени испытания (ЭПО по режиму 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом электровзрывного напыления и последующей электронно-пучковой обработки впервые получены электроэрозионно-стойкие покрытия системы CuO–Ag. Сформированные покрытия являются однородным по структуре композиционным материалом, состоящим из серебряной матрицы и расположенных в ней включений Cu₂O, Cu₆₄O и Cu. Размеры включений оксидов меди в серебряной матрице составляют от 0.1 до 0.2 мкм. Покрытия системы CuO–Ag имеют износостойкость более чем в 3 раза выше износостойкости меди, что обуславливается особенностями фазового состава и структуры.

Основой структурообразования в электровзрывных порошковых покрытиях системы CuO–Ag являются динамические ротации напыляемых частиц, которые формируют вихревую иерархически организованную структуру как в покрытии, так и в верхних слоях подложки, включая их интерфейс. Это вызывает диспергирование всех структурных элементов покрытия, их взаимное проникновение друг в друга и отсутствие резкого интерфейса между покрытием и подложкой. Неоднократное ударное воздействие на напыляемое покрытие высокоэнергетической плазменной струи при разряде накопителя энергии электровзрывной установки создает в материале деформационно-упрочненную структуру, которая характеризуется высокой прочностью, износостойкостью и релаксационной способностью.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 18-79-00013), а также в рамках государственного задания Минобрнауки РФ (№ 2017/113).