Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование способа нанесения медного покрытия на подложки с помощью высокоскоростной плазменной струи

Ю.Н. Половинкина, Ю.Л. Шаненкова

Исследование способа нанесения медного покрытия на подложки с помощью высокоскоростной плазменной струи

Ю.Н. Половинкина, Ю.Л. Шаненкова, ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томск, Россия, E-mail: ynp2@tpu.ru.

Проблема совмещения разнородных материалов всегда являлась актуальной. Существует огромное количество способов ее решения, однако все они имеют ряд недостатков: высокая дороговизна, небезопасность и т.д. Плазмодинамический метод - новейшее решение данного рода проблем. Благодаря данной разработке, возможно, совмещать разнородные материалы, например, медь и алюминий, которые наиболее часто применяются в энергетике, для уменьшения потерь электроэнергии в переходных контактных соединениях, путем нанесения меди на алюминиевые контактные поверхности с помощью коаксиального магнитоплазменного ускорителя. В процессе работы ускоритель генерирует высокоскоростную импульсную струю медной электроэрозионной плазмы, которая при высоких скоростях воздействует на поверхность алюминиевой подложки. Была спроектирована и подготовлена установка для определения и расчета удельного переходного контактного сопротивления полученных контактных пар. Представлены результаты, свидетельствующие о возможности совмещения меди и алюминия путем нанесения медного покрытия на алюминиевые подложки плазмодинамическим методом. Предложенный в работе метод позволяет не только совместить медь и алюминий, но снизить переходное контактное сопротивление, тем самым, уменьшая потери электроэнергии в переходных контактах.

Yuliya Polovinkina, Yuliya Shanenkova, Tomsk polytechnic university Tomsk, Russian Rederation, e-mail: ynp2@tpu.ru.

The problem of coupling the heterogeneous materials has always been urgent. There are a lot of ways to solve this problem, but all of them have a number of disadvantages such as high costs, insecurity, etc. The plasma dynamic method is considered as the one of up-to-date solutions. This method allows coupling the heterogeneous materials (for example copper and aluminum, which are the most widely-used material in power engineering), in order to reduce energy losses in the transient contact resistance, by depositing copper on the aluminum contact surface using a coaxial magneto plasma accelerator. In process the accelerator generates a high-speed pulse jet of copper electric erosion plasma, which at high speeds affects the surface of aluminum substrate. A special setup was designed and constructed to determine and calculate the specific transient contact resistance of the obtained contact pairs. The obtained results show the possibility of combining copper and aluminum by depositing a copper coating on aluminum substrate using the plasma dynamic method. The proposed method allows not only coupling copper and aluminum, but also reducing the contact resistance, thereby reducing the energy losses in the transient contacts.

I. Принцип работы КМПУ

Нанесение медных покрытий на алюминиевые поверхности осуществлялось в системе, базовым элементом которого является импульсный высокотоковый коаксиальный магнитоплазменный ускоритель (рис. 1) [3]. Данное устройство основано на классическом Z-пинч ускорителе (1-5, 7), помещенном во внешнюю индукционную систему (6). Электропитание ускорителя осуществляется от емкостного накопителя энергии со следующими рабочими параметрами зарядное напряжение до U_зар=5,0 кВ и ёмкость конденсаторных батарей до C_зар=28,8 мФ. Z-пинч ускоритель состоит из таких частей, как центральный немагнитный металлический электрод (1) с медной вставкой на конце (4), медный электрод-ствол (7), медные токовые проводники (5), изолятор центрального электрода (2) и силовые элементы, которые удерживают эту сборку (3). Z_пинч ускоритель помещается во внешнее индукционное поле (6), которое необходимо для выравнивания электроэрозионного износа по длине электрода-ствола. магнитоплазменный медь алюминиевая контактное

Принцип работы заключается в следующем. В момент замыкания силовых ключей (9) емкостной накопитель энергии С разряжается, ввиду этого в контуре мгновенно возрастает ток, и при достижении некоторого его критического значения I_кр происходит электровзрыв медных проводников (5) с образованием дугового разряда. Образовавшийся дуговой разряд благодаря магнитному полю соленоида (6) вытягивается вдоль электродного ствола (7). При распространении разряда происходит взаимодействие плазменной струи со стенками ускорительного канала, и тем самым осуществляется наработка меди за счет электроэрозионного износа. Затем плазма вылетает из ускорительного канала, попадая в камеру-реактор, в которой предварительно закачан аргон для предотвращения образования оксидов и других соединений. На некотором расстоянии от конца ствола ускорителя устанавливается алюминиевая подложка (8). Поток медьсодержащей плазмы после выхода из ствола взаимодействует с подложкой, образуя на ее поверхности покрытие. На картинках 1-4 (рис. 1) показано, как распространяется плазма при выходе из ускорительно канала. Видно, что она имеет форму гриба. Также здесь показан процесс формирования покрытия на подложке. Наибольшее взаимодействие плазмы с подложкой происходит в центре подложки, поэтому покрытие здесь более плотное, и уменьшается при удалении его к границам "мишени".

II. Получение медных покрытий

Была проведена серия опытов по нанесению медных покрытий на различные алюминиевые поверхности с помощью высокоскоростной импульсной сильноточной плазменной медной струи. Типичные фотографии полученных медных покрытий на алюминиевых подложках представлены на рис. 2. Как видно, покрытия получились достаточно однородными, высококачественными ? отсутствуют области без покрытий (что свидетельствует о высокой плотности меди на алюминии), а также места прогаров. Также выяснилось, что данным методом можно получать покрытия с площадью до 200 см ².

Рис. 2. Фотографии полученных медных покрытий на алюминиевых подложках и электротехнических изделиях

III. Исследование микроструктуры покрытий

Толщина покрытий исследовалась методом оптической металлографической микроскопии, при помощи микроскопа Olympus GX-71. Было установлено, что для всех образцов толщина покрытия варьируется от 50 до 100 мкм. Как видно из рис. 3, покрытия, получаемые данным способом, достаточно равномерные, полностью повторяют неровности и изгибы алюминиевой подложки. Это приводит к тому, что видимая граница раздела отсутствует полностью и таким образом обеспечивается плотное прилегание покрытия.

Рис. 3. Микрофотографии шлифов поперечного среза образца, полученного при расстоянии до мишени 225 мм

Стоит отметить, что в области соединения покрытия с подложкой, обнаруживается присутствие как частиц меди в подложке, так и частиц алюминия в покрытии. Это подтверждает предположение о взаимном перемешивании материалов в жидкой фазе. Такой механизм формирования покрытий должен положительным образом сказаться на адгезии покрытия и переходном контактном сопротивлении.

IV. Исследование переходного контактного сопротивления

Для того чтобы оценить качество полученных покрытий, была подготовлена установка для измерения величин переходных контактных сопротивлений [4] таких пар, как Cu-Cu, Cu-Al, Cu-Al_Cu, полученных описанным выше методом. Результаты данного исследования представлены на рис. 3. Как установлено, что переходное контактное сопротивление уменьшается при увеличении усилия сжатия. Это происходит вследствие увеличения площади касания контактов за счет смятия выступов, присутствующих на поверхности контактных пар [5].

Также проведенные исследования показали, что при непосредственном соединении меди с алюминием переходное контактное сопротивление приблизительно в 7 раз превышает величину сопротивления, получаемого при соединении меди с медью. Такое соотношение наблюдается при всех исследованных усилиях сжатия.

Стоит отметить, что исследование полученных контактных пар медь-алюминий с медным покрытием показало возможность уменьшения переходного сопротивления вплоть до ~ 2.8 раз относительно непосредственного соединения меди с алюминием при максимальном усилии сжатия.

Дальнейшее увеличение усилия сжатия может привести к деформации поверхности контактной пары медь-алюминий ввиду того, что данные материалы относятся к мягким и при соединении с большим значением усилия сжатия, данный вид материала деформируется - как следствие, произойдет увеличение переходного сопротивления и ухудшение качества контакта.

Рис. 4. Зависимость удельного переходного контактного сопротивления от усилия сжатия

V. Адгезия полученных покрытий

Адгезия является одним из главных факторов, которые определяют качество полученных покрытий. Этот параметр становится главным для образцов, работающих в условиях с непостоянными нагрузками, в данном случае зависящими от величины протекающего тока. Поэтому полученные образцы должны обладать высокой прочностью сцепления во избежание аварийных ситуаций, которые могут произойти за счет отслаивания покрытия от поверхности.

На рис. 5 показаны кривые изменения параметров при проведении скретч-теста, также SEM-снимок царапины, по которому определялось место, где покрытие отслоилось от подложки.

Рис. 5. Результаты скретч-теста: a) полученные кривые; b) SEM снимок царапины

Для определения величины прочности сцепления регистрировались такие параметры, как сила нагрузки на индентор F_n, сила трения F_t, глубина проникновения P_d и акустическая эмиссия A_e в зависимости от перемещения индентора. Был произведен сравнительный анализ данных о прочности сцепления, полученных при определении ширины царапины по микроснимку и данных о ширине царапины, полученных из расчета регистрируемых характеристик, для оценки возможности определения адгезии без использования микроснимков. Для определения ширины царапины в случае с использованием только результатов, полученных в процессе скретч-теста, необходимо учитывать данные о глубине проникновения индентора и его геометрических параметрах [6].

Для образца первоначально прочность сцепления определялась по микроснимку царапины. Используя SEM-изображение, было определено место, в котором покрытие отошло от подложки. Принимая во внимание ширину царапины 224 мкм и скорость движения индентора 1 мм/мин, была найдена величина плотности сцепления, которая равнялась 2430 МПа. Величина плотности сцепления, найденная по графику проникновения индентора в этой точке, оказалось приблизительно равной 2480 МПа. Как видно из полученных результатов, оба метода дают приблизительно одинаковые величины и данный метод расчета может рассматриваться как приемлемый для оценки прочности сцепления при проведении скретч-теста. Тем не менее, чтобы уточнить результаты прочность сцепления была рассчитана для 10 произвольных точек графика проникновения. Полученная усредненная величина равнялась 2516 МПа. Небольшие расхождения в оценке результатов скретч-теста предложенными способами, можно объяснить, как погрешностью при определении ширины царапины по микроснимку, так и некоторой математической ошибкой, которая может присутствовать при расчетах. Тем не менее, оба результата имеют приблизительно одинаковый порядок величин. Стоит отметить, что получающиеся величины прочности сцепления значительно превышают прочность сцепления, достигаемую другими методами напыления меди на алюминий. Так для способа холодного газодинамического напыления эта величина составляет 700 МПа, что значительно меньше результата, полученного в ходе нашего исследования.

Выводы по работе

В конце хотелось бы отметить, что в работе представлены результаты по совмещению разнородных материалов при помощи установки коаксиального магнитоплазменного ускорителя. Предложенный в работе способ позволяет совместить разнородные материалы и получать покрытия с высоким качеством.

Также было выяснено, что выше описанным способом возможность уменьшить величину удельного переходного контактного сопротивления, что очень важно получить покрытия достаточно высокого качества, что подтверждено микроснимками и результатами измерения переходного контактного сопротивления.

Список литературы

[1] Масанов, Б.М. Присоединение проводников к контактным выводам электрооборудования. - Москва: Энергия, 1969. - 26 с.

[2] Комаров А.А., Яковлев В.Н. Электрические контакты. Учебно-методическое пособие по дисциплине "Тяговые и трансформаторные подстанции для студентов специализаций: 101801- "Электроснабжение железных дорог" и 101802- "Компьютерные технологии в электроснабжении". - Самара: СамИИТ, 2001. -51 с.

[3] Половинкина Ю.Н., Шаненкова Ю.Л., Сайгаш А.С. Нанесение медного покрытия на алюминиевые поверхности с высокой прочностью сцепления // Перспективы развития фундаментальных наук: сборник научных трудов XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Томск, 26-29 апреля 2016 г.: в 7 т. - Томск: Изд-во ТПУ, 2016. - Т. 1: Физика. - С. 229-231.

[4] Герасимов Д.Ю., Цыбина А.С., Сивков А.А. Использование коаксиального магнитоплазменного ускорителя для нанесения медного покрытия на алюминиевую поверхность // Приборы. - 2005. - № 6. - С. 33.

[5] Сивков А.А., Сайгаш А.С., Колганова Ю.Л. Влияние свойств медного покрытия на алюминиевой контактной поверхности на переходное сопротивление // Электротехника. - 2013. - № 8. - С. 11-14.

[6] Лотков А.И., Мейснер Л.Л., Сергеев В.П., Прозорова Г.В., Нейман А.А., Дементьева М.Г. Адгезионная прочность и физико-химические свойства покрытий из молибдена и тантала для никелида титана // Деформация и разрушение материалов. - 2009. ? № 5. - С. 26-31.

Размещено на Allbest.ru