[发明专利]一种具有均匀稳定燃弧特性的电极结构及其制备技术

说明书

本发明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‑锆双相层、锆表层、过渡层和纯铜基体；其中氧化锆‑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少量其他金属组成；过渡层为铜与多种异质金属构成的多相组织；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。本发明还公开了该电极的制备方法，制备方法包括激光熔覆和原位电弧烧蚀制备两个过程。所述电极在表层耐电弧烧蚀与基体高导电、导热的基础上，保障界面强结合性，实现相比机械嵌合式阴极结构更具持续性的低电极烧蚀速率以及更为稳定的电极结构，有助于延长电极服役寿命。

技术领域

本发明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。

背景技术

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，10⁵～10⁸W/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。

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。

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。

发明内容

为克服现有技术中的上述问题，本发明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。

为实现上述目标，本发明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-锆双相层、锆表层、过渡层和纯铜基体，其中氧化锆-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。

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-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-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-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。