Регистрация / Вход
Прислать материал

Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей

Номер контракта: 14.575.21.0046

Руководитель: Мукасьян Александр Сергеевич

Должность руководителя: Директор НИЦ "Конструкционные Керамические Наноматериалы"

Докладчик: Рогачев Александр Сергеевич, Заместитель директор НИЦ "Конструкционные Керамические Наноматериалы", НИТУ "МИСиС"

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
нанокомпозит, псевдосплав несмешивающихся металлов, высокоэнергичный шаровой размол, искровое плазменное спекание, вакуумное спекание, электроконтакт, дугогасительная камера, вакуумные переключатели

Цель проекта:
1. Разработка эффективных и надежных переключателей для коммутации мощных электрических сетей в энергетике, на транспорте, на промышленных редприятиях и во многих других областях экономики является актуальной задачей современности. Проблема состоит в том, что при размыкании таких сетей между контактными электродами возникает электрическая дуга, которая повреждает поверхность контакта. В результате при повторном замыкании контактное сопротивление переключателя резко повышается, что приводит к энергопотерям, а в некоторых случаях к выходу переключателя из строя и к авариям. Для решения проблемы необходимо объединить в одном материале достоинства тугоплавких и высокоэлектропроводных металлов. Решение затруднено тем, что указанные тугоплавкие и электропроводные металлы не смешиваются и не взаимодействуют между собой, поэтому получить их сплав традиционными методами невозможно. Использование высокоэнергетической механической обработки исходных смесей порошков металлов для получения нанодисперсной структуры и последующая их консолидация методом искрового плазменного спекания, которая позволяет сохранить, сформировавшуюся ранее наноструктуру материала, является принципиально новым подходом в практике создания наноструктурированных псевдосплавов. 2. Цель проекта: Разработка составов и технологии получения нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов несмешивающихся металлов (Cr-Cu, W-Cu) для применения в качестве контактов в переключателях мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений, с целью повышения их энергоэффективности, экономичности и надежности. Для достижения цели проекта решаются следующие задачи: 1. Провести комплексное исследование по определению оптимального состава и технологии получения нанокомпозитныхпсевдосплавов в системах Cr-Cu, W-Cu, Mo-Cu. Параметрами оптимизации выбраны твердость, электропроводность и размер кристаллитов (области когерентного рассеяния). 2. Изготовить серии электрических контактов из нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов оптимального состава, полученных по птимизированной технологии, и проведение их всестороннего лабораторного исследования. Исследовать влияние электрического искрового и дугового разряда на поверхность контакта в контролируемой газовой атмосфере, динамику возникновения и гашения разряда, движения и локализации пятна разряда на поверхности электроконтакта. Провести металлографическое и структурное исследование изменений материала контакта (приповерхностного слоя и объема), вызванных электрическим разрядом. 3. Испытать контакты, полученные по результатам решения первых двух задач проекта, в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы переключателей мощных электросетей.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Проведены комплексные исследования микро- нано- и атомно-кристаллической структуры экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов несмешивающихся металлов. Исследованы также плотность, твердость, и электропроводность полученных материалов. По результатам проведенных исследований сделан вывод, что наиболее перспективным для дальнейших исследований воздействия электрического искрового и дугового разрядов на поверхность электрического контакта являются образцы Cu-Cr, которые имеют электропроводность аналогичную промышленным, но обладают лучшими показателями по твердости (в 3 раза), а также более равномерную структуру.
2. Планируется провести исследования по изучению динамики возникновения и гашения разряда, движения и локализации пятна разряда на поверхности электроконтакта, сравнительные испытания механических свойств образцов материалов промышленных и разработанных в рамках данного проекта, эксплуатационные технологические испытания контактов на основе разрабатываемых материалов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В результате выполнения прикладных научных исследований должны быть достигнуты следующие характеристики экспериментальных образцов: остаточная пористость материала – не более 1%; твердость по Виккерсу – не менее 1,5 ГПа; удельное электрическое сопротивление – не более 10 мкОм*см; содержание тугоплавкого металла в диапазоне 30 – 70 масс. %; размеры структурных составляющих не более 30 нм; размеры экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов для лабораторных исследований – диски диаметром 15 мм, толщиной 4 – 6 мм; размеры экспериментальных образцов электрических нанокомпозитных контактов для технологических испытаний – диски диаметром от 29 до 56 мм и толщиной от 4 до 12 мм. Разрабатываемые экспериментальные образцы должны быть пригодны для установки их в качестве контактов в дугогасительные камеры вакуумных переключателей мощных электрических сетей. Полученные результаты и разработанные методы должны быть ориентированы на широкое применение в организациях, разрабатывающих новые материалы и наукоемкую продукцию для энергетики, транспорта, металлургической промышленности и других отраслей экономики, в которых используются мощные электрические сети.
2. Методом обработки в шаровой планетарной мельнице удается получать пересыщенные твердые растворы и нанокомпозиты Cu-Cr с размером зерен в несколько десятков нанометров; для этого время размола увеличивается до 50 часов или даже 80 часов. В данной работе подобраны условия для обработки порошков в течение 1 часа. Композиционные наноструктурированные порошки, полученные механическим сплавлением несмешивающихся реагентов, должны быть подвергнуты консолидации. В традиционных процессах порошковой металлургии для лучшей консолидации материала приходится повышать температуру и увеличивать время процесса, что неизбежно приводит к разрушению нанокристаллической структуры. Для решения этой проблемы можно использовать метод искрового плазменного спекания, который позволяет проводить компактирование порошковых материалов при относительно низких температурах, внося минимальные изменения в наноструктуру исходных порошков. Эффективность этого метода была показана, в частности, при получении наноструктурированныхинтерметаллидов системы Fe-Al из механически активированных порошковых смесей. Данных о применении SPS для получения псевдосплавовCu-Cr в литературе еще нет. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
3. Подобранные методики обработки исходных материалов позволяют сократить время обработки в планетарной мельнице до 1 часа, а время спекания до 10 минут при 700 °С. Благодаря такой комбинации методов механообработки в планетарной мельнице и искрового плазменного спекания удается достичь равномерной структуры материала с размером структурных составляющих 5-60 нм (фаза тугоплавкого материала) и 200-300 нм (матричная меди), что позволяет увеличить твердость материала в 3-4 раза, уменьшить износ при трении в 1,5 – 2 раза при сохранении достаточно высокой электропроводности. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
4. Для достижения заявленных результатов предлагаются следующий план исследований: комплексные исследования микро- нано- и атомно-кристаллической структуры экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов. Исследования твердости и зависимости электропроводности от температуры при нагреве до 500 K. экспериментальных исследований воздействия искрового и дугового электрических разрядов на поверхность электрического контакта. Проведение испытаний физико-механических свойств. Проведение комплекса лабораторных испытаний экспериментальных образцов электрических контактов для вакуумных переключателей (размыкателей) в качестве составной части серийного устройства – дугогасительной камеры. Проведение комплекса технологических испытаний дугогасительных камер с контактами нового типа с целью определения их эксплуатационных характеристик. Рабочая группа имеет доступ к необходимому оборудованию для проведения всех лабораторных исследований. Индустриальный партнер обладает возможностью проведения технологических испытаний. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. В результате на примере псевдосплавов на основе меди для электроконтактов будет разработана технология получения материала из взаимно не растворяющихся компонентов с заданными характеристиками, изучены особенности их структурообразования и свойства. Основные области применения ожидаемых результатов это энергетика (ЛЭП, электростанции, распределительные подстанции) и электрический транспорт (метро, троллейбусные и трамвайные электрические сети, железнодорожные электрические сети).
Ожидаемые результаты данного прикладного научного исследования могут найти применение также в авиакосмической технике и других отраслях промышленности и экономики, где имеется потребность в материалах, сочетающих высокую жаропрочность с высокой электро- и теплопроводностью. Например, разрабатываемые псевдосплавы типа W-Cu, Mo-Cu могут быть использованы для изготовления теплонапряженных деталей ракетных двигателей и других частей летательных аппаратов.
2. Новые типы электроконтактных материалов, обладающие повышенными эксплуатационными свойствами, долговечностью и надежностью, будут использованы в качестве важнейших составных частей вакуумных дугогасительных камер выключателей электрических сетей, работающих в условиях высокой разности потенциалов и протекания больших токов. Нанокомпозитные материалы на основе псевдосплавов послужат заменой микрокристаллических композитов аналогичного состава, так как обеспечат более высокие эксплуатационные характеристики и надежность переключающих устройств.
3. Полученные материалы позволят увеличить срок службы вакуумных дугогасительных камер выключателей электрических сетей. Разработанная технология получения псевдосплавов комбинацией механообработки и искрового-плазменного спекания позволит проектировать материалы из несмешивающихся компонентов для других целей и направлений.
4. Полученные результаты будут способствовать активному развитию технологии совмещения механообработки и искрового-плазменного спекания, ее интеграции как в научной, так и производственной сфере. Публикации в высокорейтинговых журналах и участие в российских и международных конференциях будут способствовать развитию системы демонстрации и популяризации науки.

Текущие результаты проекта:
Выполнены экспериментальные и теоретические исследования, направленные на выбор оптимальных для дальнейших исследований составов экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов несмешивающихся металлов. Разработана лабораторная методика получения экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов для электрических контактов. Изготовлены партии экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов Cu-Cr, Cu-W, Cu-Mo для исследования их микроструктуры, фазового и химического состава, физических свойств.
2. Проведены комплексные исследования микро- нано- и атомно-кристаллической структуры экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов несмешивающихся металлов с использованием методов оптической, растровой электронной и просвечивающей электронной микроскопии, дифракционного рентгеноструктурного анализа и других. Исследованы также плотность, твердость, микротвердость и электропроводность полученных материалов. По результатам проведенных исследований сделан вывод, что наиболее перспективным для дальнейшей работы является состав медь – хром, с содержанием хрома 50% и 30%. Изготовлена партия экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов оптимизированного состава на основе псевдосплавов несмешивающихся металлов в количестве 57 шт, с использованием методов механического нанострутурирования и искрового плазменного спекания. Выполнены экспериментальные исследования твердости и температурных зависимостей до 500К образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов несмешивающихся металлов.
3. Разработана и изготовлена (при участии соисполнителя – ИСМАН) экспериментальная лабораторная установка для исследования влияния электрического искрового и дугового разряда на поверхность контакта в вакууме и в контролируемой газовой среде. Проведен второй этап комплексных исследований микро- нано- и атомно-кристаллической структуры экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов несмешивающихся металлов с использованием методов оптической, растровой электронной и просвечивающей электронной микроскопии, дифракционного рентгеноструктурного анализа и других. Произведена (совместно с индустриальным партнером – ООО «ИНТЕС») подготовка и передача образцов контактных материалов, используемых на производстве Индустриальным партнером, Исполнителю для проведения сравнительных исследований микроструктуры, состава и свойств. По результатам проведенных исследований микроструктуры, твердости и электросопротивления сделан вывод, что наиболее перспективным для дальнейших исследований воздействия электрического искрового и дугового разрядов на поверхность электрического контакта являются образцы Cu-Cr. Результаты исследования показали, что подобранная технология получения материала позволяет увеличить диаметр изготавливаемых образцов с сохранением свойств.