难混溶合金广泛用作中高压（1~100kV）真空断路器的触头材料，在电力行业具有广阔的应用前景。随着国家特高压电网的全面建设，我国电网容量扩大、电压等级不断提高，触头的失效会导致断路器整机爆炸和电网瘫痪等重大事故，成为制约输变电网络发展的瓶颈问题。研究发现，难混溶合金的显微组织对宏观性能有着重要影响，当弥散的、细小的、球形第二相相粒子分布于基体中时，其电性能大幅提升。然而，在地面常规凝固条件下，难混溶合金极易形成偏析型组织，限制了此类合金的应用。激光表面熔凝技术的冷却速度快、能量密度高，能在保持合金成分和物相不变的同时，实现表面的快速熔化和凝固，有助于获得细小、弥散型凝固组织。激光表面熔凝技术已大量应用在低碳钢、钛合金和铝合金等材料上，但是迄今为止，还未见该技术在难混溶合金上的应用。本文研究了高功率密度激光作用下的Cu-Cr系难混溶合金的激光表面快速熔凝过程，研究激光工艺参数对Cu-Cr合金凝固组织的影响，研究Cu-Cr合金中第二相的生长、凝并及快速凝固行为，探索在常规重力条件下均质难混溶合金的制备方法，并针对Cu-Cr合金触头开展零件级的表面熔凝实验，激光表面熔凝处理后弥散型显微组织对Cu-Cr合金触头的电性能的影响。本文的主要内容及研究成果如下：

1. 建立了以高功率密度激光为热源的激光表面快速熔凝实验系统，研究激光功率密度、作用时间等工艺参数对熔凝组织的影响。发现当能量密度位于4.3×10³J/cm²~5.6×10³J/cm²时，Cu-Cr50（wt.%）合金表面能够形成均质、弥散型显微组织。

2. 在建立了相关实验平台的基础上，以Cr相粒子的运动为载体，研究冷却速度对液相分离行为和凝固组织特征的影响。结果表明，当Cu-Cr50(wt.%)合金熔凝层的平均冷却速率由~10⁵K/s增加到~10⁶K/s时，显微组织由分层型结构转化为弥散型结构。弥散型熔凝层中的均匀分布的富Cr晶球平均直径减小到~1μm，其Maragoni对流运动和Stokes沉积运动速率的比值v_M/v_S约~10³。这表明在液相分离过程中，含有过饱和Cu相的α-Cr液滴的运动主要受Marangoni对流运动的控制。虽然α-Cr液滴之间的碰撞和凝并不能消除，但高的冷却速度抑制了第二相的生长。

3. 在Cu-Cr30（wt.%）合金表面制备了一层厚度为300μm的纳米结构层。其熔凝层的平均冷却速度为5.75×10⁶K/s，熔凝层中分离出的富Cr相晶球平均粒径降低至39.5nm，并将Cr在Cu中的固溶体提高到1.96at.%。实验结果表明，当冷却速度升高后，液相分离过程中α-Cr纳米晶球在ɛ-Cu基体中的运动主要由布朗运动控制，使Cr相纳米颗粒做无序运动。在快速熔凝的Cu-Cr合金熔体中，布朗运动的凝并作用主导了液相分离初始时刻分离出的液滴数目，初始分离出的富Cr相液滴数目越多，布朗运动凝并完成的时间越少。

4. 高功率密度激光表面快速熔凝后的Cu-Cr30（wt.%）合金，富Cu基体中分离出大量的富Cr纳米颗粒，其硬度显著提高，是位错强化、弥散强化和固溶强化共同作用的结果。Cu-Cr50（wt.%）合金的基体和熔凝层显示出了不同的断裂机制。基体的断口主要是沿着Cu基体和Cr颗粒的界面断裂和Cr颗粒本身的解理断裂，熔凝层的断口显示出典型的韧窝状断裂特征，断口处出现了大量微米量级的等轴韧窝。经高功率密度激光表面快速熔凝处理后，Cu-Cr合金的综合力学性能得到了提高。

5. 高功率密度激光表面快速熔凝后的Cu-Cr合金触头装的电性能有了大幅提升，主要体现在以下两方面：1）耐电压值大幅提高，其中动端和静端的平均耐受电压分别比未处理的触头分别提高了18.3%和21.0%；2）激光表面熔凝处理后触头的电弧寿命为提高了17.8%，并成功地通过了20次连续的关断操作。结果表明，经激光表面快速熔凝处理后，其最大耐受电压值和稳定性均得到改善。Cr相显微组织的细化可以调节电弧的运动，提高Cu-Cr合金触头的使用性能，证明这一思路可以指导了触头材料的设计，并能够在实际中将思路得以应用。

关键词：Cu-Cr合金，激光表面快速熔凝，液相分离，凝固组织，力学性能，关断性能