14.575.21.0046

Разработка составов и технологии получения нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов несмешивающихся металлов (Cr-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.
Исследования по определению оптимального состава и технологии получения нанокомпозитных псевдосплавов в системе Cr-Cu. Решение этой задачи включает высокоэнергичный шаровой размол в лабораторной мельнице-активаторе «Активатор-2S». Консолидация полученных нанокомпозиционных порошков искровым плазменным спеканием под давлением. Исследование свойств проводилось следующими путями: твердость и микротвердость по Виккерсу; электропроводность – четырехточечным методом (в том числе при повышенной температуре); размер кристаллитов – рентгеновскими рентгеноструктурными методами.
Изготовлена серия электрических контактов из нанокомпозитных материалов, полученных по оптимизированной технологии, и проведено их всестороннее лабораторное исследование на сконструированной и изготовленной установке по исследованию влияния электрического искрового и дугового разряда на поверхность контакта в контролируемой газовой атмосфере.Исследована динамика возникновения и гашения разряда, движения и локализации пятна разряда на поверхности электроконтакта, проведено металлографическое и структурное исследование изменений материала контакта, вызванных электрическим разрядом. Для решения данной задачи была использована высокоскоростная видеосъемка.

Разработка эффективных и надежных переключателей для коммутации мощных электрических сетей в энергетике, на транспорте, на промышленных предприятиях 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. Проблемой является также явление сваривания контактов между собой, которое также может проявляться при прохождении больших токов через переключатель с поврежденной поверхностью. Для того, чтобы избежать указанных явлений, поверхность электрического контакта должна обладать большой твердостью, окалиностойкостью, высокой температурой плавления и малым парциальным давлением паров в вакууме. 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. Для получения требуемых свойств необходимо не просто изготовить композит из данных металлов (например, методами спекания смесей порошков), но добиться перемешивания этих несмешивающихся металлов на наноуровне, так как иначе не происходит объединение их свойств в одном материале. Актуальность создания таких материалов осознана
во всем мире, о чем свидетельствует большое количество публикаций в этой области.

В работе проводились исследования по определению оптимального состава и технологии получения нанокомпозитныхпсевдосплавов в системах Cr-Cu. Параметрами оптимизации были твердость, электропроводность и размер кристаллитов (области когерентного рассеяния). При решении задач использовался высокоэнергичный шаровой размол небольших партий порошковых смесей различного состава в лабораторной мельнице-активаторе «Активатор-2S», при различных скоростях вращения и различных соотношениях числа оборотов размольного барабана и водила (параметр К), в зависимости от времени обработки и соотношения масс материала и размольных шаров. Изучались гранулометрический состав порошков и морфология их поверхности. Из полученных нанокомпозиционных порошков изготовлены компактные материалы двумя методами: искровым плазменным спеканием под давлением, ИПС (SparkPlasmaSintering, SPS) и вакуумным спеканием. Показаны преимущества использования метода ИПС.
Исследование свойств проводилось следующими путями: твердость и микротвердость – по Виккерсу; электропроводность – четырехточечным методом (в том числе при повышенной температуре); размер кристаллитов – рентгеновскими рентгеноструктурными методами. На основании результатов определен диапазон составов, наиболее перспективных для дальнейшего исследования
и промышленного применения.
Изготовлена серия электрических контактов из нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов оптимального состава, полученных по оптимизированной технологии, и проведено их всестороннее лабораторное исследование. С этой целью была сконструирована и изготовлена установка по исследованию влияния электрического искрового и дугового разряда на поверхность контакта в контролируемой газовой атмосфере. Исследована динамика возникновения и гашения разряда, движения и локализации пятна разряда на поверхности электроконтакта, проведено металлографическое и структурное исследование изменений материала контакта (приповерхностного слоя
и объема), вызванных электрическим разрядом. Для решения данной задачи использовалась высокоскоростная видеосъемка процесса замыкания и размыкания мощной электрической цепи, методы оптической электронной микроскопии (растровой и просвечивающей) для исследования структурных изменений и другие современные методы исследования структуры. Выявлены контакты, наиболее
устойчивые к воздействию электрических разрядов (искрового и дугового).
Проведено испытание контактов, полученных по результатам предыдущих исследований, в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы переключателей мощных электросетей. Для этого изготовлена партия электрических контактов в соответствие с размерами и формой, заданной Индустриальным партнером Проекта. Данные контакты были вмонтированы в серийные вакуумные дугогасительные камеры и испытаны в условиях электрической сети. После испытаний исследована макро- и микроструктура поверхности контактов, выявлены изменения поверхности и сопоставлены с таковыми для современных контактов, используемых в настоящее время
(фирмы «SiRui» и «Полема»).

Индустриальным партнером проведены технологические испытания контактов из нанокомпозиционных материалов, в ходе которых определялась электропрочность материала, стойкость к пробоям, стойкость к различного рода сваркам, а также усилия для разрыва сварившихся пар контактов, изучены эмиссионные характеристики.

Оптимизированы условия получения нанокомпозиционных материалов путем варьирования параметров обработки в шаровой планетарной мельнице и параметров спекания методом искрового плазменного спекания с последующими комплексными исследованиями микро- нано- и атомнокристаллической структуры и таких свойств как электропроводность (как при комнатной температуре, так и зависимость удельного электросопротивления от температуры до 500 К) и твердость. Оптимальными условиями является помол в мельнице в течение 60 минут в атмосфере аргона с водяным охлаждением барабанов при соотношении скоростей К = 1.0 и скорости водила 694 об/мин. Последующее спекание проводится при 700 ºС в течение 10 минут. Скорость нагрева 100 º/мин. Разработана соответствующая лабораторная методика на получение оптимизированных образцов. Проведены сравнительные испытания физико-механических свойств разрабатываемых материалов. Результаты исследований показали, что экспериментальный материал обладает самыми высокими прочностными характеристиками и одними из лучших показателей износостойкости. Разработана и изготовлена экспериментальная лабораторная установка, а так же лабораторная методика для исследования влияния электрического искрового и дугового разряда на поверхность контакта в вакууме и в контролируемой газовой атмосфере. Проведены экспериментальные исследования воздействия искрового и дугового электрических разрядов на поверхность контакта, процесс зажигания и гашения электрического разряда и динамики его перемещения по поверхности. Высокоскоростная видеосъемка выявила различия в протекании электрического разряда между электродами из микрогетерогенных (промышленных) псевдосплавов по сравнению с наноструктурированными (экспериментальными) псевдосплавами, что подтверждает необходимость разработок наноструктурированных материалов. Микроскопические исследования изменений поверхностного слоя, вызванных электрическим разрядом, показали, что в промышленных микрогетерогенных образцах происходит эрозия сравнительно больших участков медной фазы, а в наноструктурированных экспериментальных материалах фазы меди и хрома настолько хорошо перемешаны, что отдельной эрозии меди не наблюдается. Изменения в местах воздействия электрического разряда на поверхность наноструктурированных псевдосплавов выражены, главным образом, в огрублении микроструктуры. Проведен комплекс лабораторных испытаний экспериментальных образцов в качестве составной части дугогасительной камеры. Результаты испытаний экспериментальных образцов электрических контактов в условиях вакуумного электрического пробоя показали, что форма плазменного облака и динамика его развития и погасания сходны у нано- и микроструктурированных образцов. При этом на поверхности материала, консолидированного из исходных порошков, образуются кратеры диаметром порядка микрометра и глубиной в десятки нанометров; на поверхности материалов из наноструктурированных порошков, кратеры не обнаружены. Проведен комплекс технологических испытаний Индустриальным партнером. Результаты комплекса технологических испытаний дугогасительных камер с контактами нового типа с целью определения их эксплуатационных характеристик показали, что по совокупности измеренных параметров экспериментальные образцы электрических контактов показали себя лучшими в исследованной линейке материалов, по сравнению с коммерческими изделиями. 

По результатам исследования можно сделать вывод, что разработанный материал превосходит по своим качествам существующие и применяемые в промышленности аналоги. Такой материал позволит увеличить срок службы вакуумных дугогасительных камер, снизить риски преждевременного выхода переключателей из строя из-за контактной сварки и понизить энергопотери при использовании таких устройств в мощных электрических сетях (например, ЛЭП, электростанции, распределительные подстанции, метро, троллейбусные и трамвайные электрические сети, железнодорожные электрические сети, электроды искровых разрядников, электроискровой обработки).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 могут быть использованы для изготовления теплонапряженных деталей ракетных двигателей и других частей летательных аппаратов. Также полученные результаты по структурообразованию и зависимостям свойств от параметров синтеза и структуры могу быть применены к псевдосплавам других составов, используемых в других областях промышленности и техники, например, псевдосплавы на основе железа (Fe-Pb, Fe-Ag и др.), титана (Ti-Mg) и ряда других материалов.