一种具有均匀稳定燃弧特性的电极结构及其制备技术制造技术

本发明专利技术公开了一种具有均匀稳定燃弧特性的电极结构，所述电极结构由表及里包括氧化锆层、氧化锆

【技术实现步骤摘要】
一种具有均匀稳定燃弧特性的电极结构及其制备技术


[0001]本专利技术涉及一种电弧放电装置的电极，尤其涉及一种多种金属的复合电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]烧蚀是电弧等离子体应用中无法避免的电极失效过程。燃弧放电时，电弧两端分别承载于阴极和阳极表面，弧柱内持续发生中性分子的电离等过程。在弧根极高热输入下（热流密度，105~10
8 W/m2），电极以熔融喷溅、蒸发、沸腾等形式烧蚀。相比阳极，阴极承受质量更大的阳离子的高速轰击，烧蚀过程更为严重。为尽可能传导消耗弧根的热输入，部分电弧等离子体应用设备以纯铜作为电极材料，如电弧加热器。然而，在阴极斑点和表面气流等因素的综合作用下，纯铜燃弧时表面局部位点热输入激增，电极材料烧蚀加速，形成烧蚀深孔，且烧蚀深孔将随燃弧时间延长而扩展、加深，演化为直径毫米级的烧蚀凹坑，威胁电极结构稳定性。
[0003]研究表明，当阴极表面覆盖高熔点液膜且液膜逸出功低于基体时，弧根倾向于优先接触液膜覆盖区域，由此促进电极的均匀烧蚀过程和降低烧蚀速率。此燃弧特性常见于金属铪、锆、钇电极，多用于电弧等离子体切割，燃弧放电时，电极表面熔化，有等离子体反应生成氧化层，氧化层相比电极基体具备更高熔沸点和更低逸出功，液膜覆盖电极表面后，烧蚀均匀性提升，烧蚀速率降低。
[0004]然而，具氧化物液膜燃弧特性的金属，其导热性通常较差，不及纯铜的二十分之一。因此实际使用时需以机械嵌合形式包覆于水冷铜套中，以及时耗散弧根热输入。随燃弧时间延长，因两者热膨胀性相差较大，界面将形成间隙，恶化导热过程，电极因积热而加速烧损。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术中的上述问题，本专利技术拟设计一种铜基异质层状结构电极，以纯铜为基底，利用铜的良好的导电导热能力、和氧化锆的均匀烧蚀特性，通过过渡层及层间冶金结合等，实现该铜基异质层状结构电极的制备，具备含氧氛围下的均匀烧蚀特性，燃弧后原位形成的氧化膜承载弧根，保护铜基底，延长电极服役寿命。
[0006]为实现上述目标，本专利技术的具体技术方案如下：一种铜基异质层状结构电极，该铜基异质层状结构电极由表及里至少包括氧化锆层、氧化锆
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锆双相层、锆表层、过渡层和纯铜基体，其中氧化锆
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锆双相层为氧化锆及金属锆聚集形成；锆表层为锆、少量铜和少量其他金属组成；过渡层为纯铜与其他金属构成的多相组织，其中其他金属为铬、铌或铁中的任一种。
[0007]将所述铜基异质层状结构电极应用在持续稳弧放电工作中，作为燃弧放电装置的阴极使用，其在高温燃弧过程中，在最表层的氧化锆形成液膜，与熔融的氧化锆
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锆双相层构成熔池。氧化锆因液态密度低于纯锆且与纯锆不互溶，始终聚集于熔池表面并承载弧根。
同时，由于氧化锆高温下熔点高于纯锆且逸出功低于纯锆，燃弧放电时能够降低电极温度、稳定承载阴极弧根，均匀化放电烧蚀过程，使得所述铜基异质层状结构电极具备均匀电弧烧蚀特性和低烧蚀速率的特征。同时，假设在具有氧化活性的气氛下工作，则所述铜基异质层状结构电极在持续稳弧放电工作中，氧化锆
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锆双相层内持续进行金属锆的氧化，补给表层氧化锆的烧损，以此实现燃弧放电的均匀性和可持续性，使得所述电极在持续的工作中，依然能够维持稳定的、由表及里氧化锆层、氧化锆
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锆双相层、锆表层、过渡层和纯铜基体的层状结构。而且，弧根输入电极表面的热量，由电极底部的纯铜基体及时传导，避免了熔池内积热，增强电极的结构稳定性、延长其服役寿命。
[0008]本专利技术所述铜基异质层状结构电极应用于活性氧化气氛燃弧是最佳选择。当然，也不可否认，本专利技术所述铜基异质层状结构电极也可拓展至真空等不具有活性氧化的环境下使用，比如，将所述铜基异质层状结构电极应用至真空环境放电，所述电极表层的金属氧化物液膜依旧能够降低阴极逸出功，并相比纯金属锆烧蚀速率更低，在表层金属氧化物消耗完前均可产生该效果；且同时弧根输入电极表面的热量，由电极底部的纯铜基体及时传导，避免了熔池内积热，增强电极的结构稳定性、延长其服役寿命。
[0009]进一步地，所述锆表层、过渡层与所述纯铜基体的层间为冶金结合，其层间界面完整、无横向裂纹。
[0010]所述电极具有均匀电弧烧蚀特性，具体的，均匀电弧烧蚀特性表现为：所述电极在燃弧烧蚀过程中，电极表面呈球形或椭球形亮斑，亮斑内放电均匀，亮度均一无局部离散斑点。
[0011]本专利技术还提供了上面所述一种铜基异质层状结构电极的制备方法，所述电极的制备分两个过程实现，两个过程分别为纯铜基体表面锆层制备以及锆表面耐烧蚀氧化层制备，其中纯铜基体表面锆层制备采用高速激光熔覆法，锆表面耐烧蚀氧化层制备采用原位电弧烧蚀技术。
[0012]所述纯铜基体表面锆层制备采用块体纯铜和两种金属粉为原料，其中一种金属粉为锆粉，另外一种金属粉为铬、铌、铁中任一种，采用高速激光熔覆法，制得所述电极中过渡层和锆表层，形成纯铜基体、过渡层和锆表层三层覆层。采用高速激光熔覆法，能够在实现纯铜基体表面的多层熔覆、保障层间结合的基础上，精准控制各层的稀释率和表面山脊形状。
[0013]制得的过渡层要求具备高稀释性，为纯铜与铬、铌、或铁构成的多相组织，含铜量不高于60at%，优选40~60at%。具体的，在本专利技术铜基异质层状结构电极中，过渡层主要起两方面作用：1）作为铜源，为后续锆表层熔覆提供一定铜，使适量铜（低于15at%，优选10~15 at%）弥散于锆表层的锆骨架内，避免锆表层形成纯锆，诱发表层硬度激增和覆层脆化；2）释放应力，一定铜含量保障过渡层足够的强度和塑性变形能力，消除熔覆、成形时因铜基体和锆表层热膨胀性失配引发的应力集中，避免覆层开裂。基于过渡层在铜基异质层状结构电极中的作用，其需具备如下性能：1）过渡层含铜量严格控制不高于60at%，优选含铜量40~60at%，防止熔覆锆表层后，稀释率过高，形成脆性铜锆化合物网格；2）过渡层硬度需介于300~400 HV，延伸率需高于9.5%，实现力学性能由铜基体向锆表层的合理过渡。
[0014]在过渡层表面制备的锆表层，表面形成山脊状结构，以分散弧根；锆表层以金属锆为主要组成，含有少量铜和少量铬、铌、或铁，含铜量不高于15at%，优选10~15 at%，使锆骨
架内弥散分布少量铜，是为避免形成纯锆诱发表层硬度激增,防止形成铜锆化合物网格，使覆层脆化；另外，锆表层硬度控制在600~700 HV，保障电极整体结构强度，避免电极因装夹等过程而变形；锆表层厚度不低于450 μm，保障足够的服役寿命。
[0015]具体的，采用高速激光熔覆法进行所述纯铜基体表面锆层制备的过程，包括：（1）将块体纯铜安置于高速激光熔覆平台的样品台，进行预热处理；（2）打磨去除纯铜表面氧化皮或损伤层后，将铬粉、铌粉或铁粉中任一种与锆粉装入粉筒；（3）设定熔覆参数；开启熔覆，装有铬粉、铌粉或铁粉的那个粉筒供粉，完成过渡层制备；（4）调整熔覆参数，待熔覆面温度冷却后，开启熔覆，装有锆粉的粉筒供粉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有均匀稳定燃弧特性的铜基异质层状结构电极，其特征在于：所述铜基异质层状结构电极由表及里至少包括氧化锆层、氧化锆
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锆双相层、锆表层、过渡层和纯铜基体；其中氧化锆
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锆双相层为氧化锆及金属锆聚集形成；锆表层为锆以及少量铜和少量其他金属组成；过渡层为铜与其他金属构成的多相组织；其中所述其他金属为铬、铌或铁中的任一种；其中所述氧化锆为锆表层的金属锆原位氧化形成。2.根据权利要求1所述一种铜基异质层状结构电极，其特征在于：所述氧化锆为锆表层的金属锆通过电弧烧蚀技术原位氧化形成。3.根据权利要求所述一种铜基异质层状结构电极，其特征在于：所述锆表层、过渡层与所述纯铜基体的层间为冶金结合，其层间界面完整、无横向裂纹。4.根据权利要求所述一种铜基异质层状结构电极，其特征在于：所述电极具有均匀电弧烧蚀特性，所述均匀电弧烧蚀特性表现为：所述电极在燃弧烧蚀过程中，电极表面呈球形或椭球形亮斑，亮斑内放电均匀，亮度均一无局部离散斑点。5.根据权利要求所述一种铜基异质层状结构电极，其特征在于：所述过渡层含铜量40~60at%；所述锆表层含铜量不高于15at%，锆表层厚度不低于450 μm。6.制备根据权利要求1~5任一项所述一种铜基异质层状结构电极的方法，其特征在于：所述铜基异质层状结构电极的制备分两个过程实现，两个过程分别为铜基体表面锆层制备以及锆表面耐烧蚀氧化层制备，其中纯铜基体表面锆层制备采用高速激光熔覆法，锆表面耐烧蚀氧化层制备采用原位电弧烧蚀技术；其中，所述纯铜基体表面锆层制备采用块体纯铜和两种金属粉为原料，其中一种金属粉为锆粉，另外一种金属粉为铬、铌、铁中任一种，采用高速激光熔覆法，制得所述电极中过渡层和锆表层，形成纯铜基体、过渡层和锆表层三层覆层；所述锆表面耐焼蚀氧化层制备，以所述纯铜基体表面锆层制备中最后制得的覆层锆表层为阴极，在含氧氛围下燃弧放电后，原位反应氧化锆
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锆双相层、氧化锆层。7.根据权利要求6所述一种铜基异质层状结构电极的制备方法，其特征在于，采用高速激光熔覆法进行所述纯铜基体表面锆层制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏涛，关慰勉，方攸同，刘嘉斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：