CN102026467B - 一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料及其制备复合阴极的方法 - Google Patents

一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料及其制备复合阴极的方法 Download PDF

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本发明公开了属于直流电弧等离子体炬阴极材料及其制备技术领域的一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料及其制备方法。该银铪合金材料主要由银元素和铪元素构成，铪元素的质量百分数为15～50％，其余为银及不可避免的杂质。该银铪合金材料可采用熔炼法获得，也可以按上述成分将其制成粉芯丝采用熔覆焊接法获得。本发明是通过银铪金属间化合物降低阴极材料的电子逸出功，银固溶体提高阴极材料的导电性来获得了比纯银或纯铪材料更低的烧蚀率。

Description

一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料及其制备复合阴极的方法
技术领域
本发明属于直流电弧等离子体炬阴极材料及其制备技术领域，特别涉及一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料及其制备方法。 
背景技术
直流电弧等离子体炬有转移弧和非转移弧两种基本形式。当电弧的阳极和阴极不在同一个等离子体炬上时，为转移弧等离子体炬；当电弧的阳极和阴极位于同一个等离子体炬上时，为非转移弧等离子体炬。等离子体炬的工作气体可以是惰性气体也可以是还原性气体或氧化性气体。当等离子体炬的工作气体为空气时，就称为直流电弧空气等离子体炬。电站锅炉等离子点火装置中的等离子体炬为直流非转移弧空气等离子体炬，空气等离子体割炬为直流转移弧空气等离子体炬。限制直流电弧空气等离子体炬使用的一个主要问题是空气等离子体炬的电极寿命低，尤其是阴极寿命不够长。例200KW级的非转移直流电弧空气等离子体炬阴极的通常使用寿命不足100h。为此，人们想方设法提高等离子体炬的阴极寿命，如改变阴极的形状以提高阴极寿命，设计出各种形状的阴极：镶嵌型棒状阴极(CN200910184998.4)、焊接型棒状阴极(CN02203117.0、CN01253592.3)、井型阴极(USP3118046)、管型阴极或空心阴极(USP4891490、CN200420063609.5)；采用电磁线圈驱动电弧高速运动以提高阴极寿命(USP5177338、USP3869593)；采用高导热率、高导电率材料作为电子发射体以提高阴极寿命(CN00245774.1)；采用高熔点、低电子逸出功材料作为电子发射体以提高阴极寿命(CN98202922.5、JP2001261440、JP8148294、JP8071760、 JP2001261440)；采用高导电和高导热材料与高熔点、低电子逸出功材料复合以提高阴极寿命(CN200320131401.8、CN200320131406.0)。实践表明改变阴极形状，增加阴极弧根移动速度，改善电极冷却质量确实在一定程度上提高了阴极的使用寿命，但提高的程度有限。在空气作为工作气体的条件下，高熔点、低电子逸出功材料如Hf、TaC制成的阴极具有较长的阴极寿命，但上述材料脆性较大，增加了阴极加工难度。研制一种较易加工且具有较高使用寿命的阴极成为空气等离子阴极材料工作者关注的热点。但到目前为止还没有成功研制出可以大规模应用于生产的寿命较长的电站锅炉空气等离子点火器用阴极材料。 
影响空气等离子炬阴极材料烧蚀率的主要因素是材料的导热率、熔点和功函数。材料的功函数越低则阴极弧根的温度越低；导热性越好则阴极弧根的熔化区域越小；材料的熔点越高，越有可能使阴极弧根处材料处于固相状态。材料的功函数对引弧瞬间的阴极烧蚀量起决定性作用，而在随后等离子弧燃烧过程中，除材料功函数外，导热率对阴极的烧蚀产生重要影响。 
发明内容
本发明的目的是提供一种加工性能优良，低电弧烧蚀率的直流电弧空气等离子炬用银铪合金阴极材料。 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，该银铪合金材料主要由银元素和铪元素构成，铪元素的质量百分数为15～50％，其余为银及不可避免的杂质。 
其中，铪含量优选20～50％，更优选40～50％，最优选40％。 
所述不可避免的杂质含量＜1％。 
所述不可避免的杂质包括锆，由于铪锆是共生矿，提纯铪的过程主要是降低锆含量的过程，锆含量≤0.5％，其他杂质含量＜0.5％。 
本发明的银铪合金材料的的金属间化合物有两种，AgHf和AgHf2，该银铪金属间化合物形貌分别呈颗粒状或呈片状。 
该银铪合金材料制备复合阴极可采用熔炼法获得，也可以按上述成分将其制成粉芯丝采用熔覆焊接法获得。 
用熔炼法制备银铪合金过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的纯银和99％的纯铪进行配料，其中铪的质量百分数为15～50％，其余为银，并将称量好的合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1060～1100℃，保温45～60min，直接浇铸成型或浇铸成铸锭，将铸锭扒皮后，放入可控气氛炉加热至880～900℃，保温20～30min，热轧成棒材，将该棒材加工成阴极电子发射体所需形状后镶嵌或钎焊到阴极座上即制成复合阴极。 
熔覆焊接法制备复合阴极过程如下：首先制备粉芯丝，采用银带包裹银粉和铪粉方式，银粉和银带的纯度为99.95％，铪粉的纯度为99％，其中铪粉的质量百分数为15～50％，其余为银粉和银带，采用堆焊方式将粉芯丝熔覆于阴极座上并机加工至满足尺寸要求。 
本发明所述的纯度(银、银锭、银管、银带、银粉、银块、铪、铪粉、铪丝等的纯度)均为基于质量百分含量的纯度。 
本发明所用原料均可市购。 
本发明的有益效果为：本发明的银铪合金的显微组织为银固溶体+银铪金属间化物，这种显微组织使该银铪合金具有比金属铪更好的加工性能和更低的电弧烧蚀率。本发明是通过银铪金属间化合物降低阴极材料的电子逸出功，银固溶体提高阴极材料的导电性来获得比纯银或纯铪材料更低的烧蚀率。该银铪合金可以直接浇铸成复合阴极，也可以浇注成铸锭并轧制成棒材采用镶嵌法、钎焊法制造 复合阴极，还可以按上述成分配方制成粉芯丝，熔覆在阴极座上制造成复合阴极以降低阴极的制造成本。鉴于该银铪合金材料比金属铪材料具有更好的加工性和更低的烧蚀率，采用本发明的银铪合金材料制造电站锅炉空气等离子炬阴极和空气等离子割炬阴极可带来显著的经济效益。 
附图说明
图1是等离子弧引燃时间与阴极材料烧蚀率的关系图。 
图2是本发明银铪合金的一种银铪金属间化合物形貌(呈颗粒状)。 
图3是本发明银铪合金的另一种银铪金属间化合物形貌(呈片状)。 
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的内容绝不仅限于以下实施例。 
实施例1 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，它主要由银和铪元素构成，各种元素的质量百分数为：铪为15％，杂质锆为0.15％，其他杂质含量为0.12％，其余为银含量。 
该合金采用熔炼法获得，制备过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的Ag块和纯度为99％的Hf丝进行配料，其中铪丝的质量百分数为15％，其余为银，并将合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1060℃，保温45min，浇注前10分钟对其进行机械搅拌然后浇铸成锭。将铸锭扒皮后，放入可控气氛炉加热至890℃，保温20min，热轧成棒材，将该棒材加工成阴极电子发射体镶嵌在铜阴极座上，采用转移弧空气等离子炬进行等离子烧蚀实验，工作气体压力为0.4MPa，等离子弧电流强度为80A，实验十次，每次工作5min，该阴极材料的平均烧蚀率为 15.2μg/sec，相同实验条件下纯银阴极的烧蚀率为230.4μg/sec，纯铪阴极的烧蚀率为39.8μg/sec。 
图1为金属银、金属铪和本实施例制备的银铪合金的等离子弧燃弧时间间隔与材料烧蚀率的关系图。由于银比铪的电子逸出功高，在引弧瞬时以及工作过程中阴极的烧蚀率较高。但由于银的导热率比铪高，故其在稳态工作过程中烧蚀率降低程度较大。由银铪合金的烧蚀率曲线可知银铪合金不仅具有较低的功函数还有较好的导热性。 
实施例2 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，它主要由银和铪元素构成，各种元素的质量百分数为：铪为32％，杂质锆为0.29％，其他杂质含量为0.22％，其余为银含量。 
该合金采用熔炼法获得，制备过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的Ag块和纯度为99％的Hf丝进行配料，其中铪丝的质量百分数为32％，其余为银，并将合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1080℃，保温50min，浇注前10分钟对其进行机械搅拌然后浇铸成锭。将铸锭扒皮后，放入可控气氛炉加热至890℃，保温30min，热轧成棒材，将该棒材加工成阴极电子发射体镶嵌在铜阴极座上，采用转移弧空气等离子炬进行等离子烧蚀实验，工作气体压力为0.4MPa，等离子弧电流强度为80A，实验十次，每次工作5min，该阴极材料的平均烧蚀率为8.9μg/sec。 
实施例3 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，它主要由银和铪元素构成，各种元素的质量百分数为：铪为50％，杂质锆为0.45％，其他杂质含量为 0.43％，其余为银含量。 
该合金采用熔炼法获得，制备过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的Ag块和纯度为99％的Hf丝进行配料，其中铪丝的质量百分数为50％，其余为银，并将合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1080℃，保温60min，浇注前10分钟对其进行机械搅拌然后浇铸成锭。将铸锭扒皮后，放入可控气氛炉加热至900℃，保温20min，热轧成棒材，将该棒材加工成阴极电子发射体镶嵌在铜阴极座上，采用转移弧空气等离子炬进行等离子烧蚀实验，工作气体压力为0.4MPa，等离子弧电流强度为80A，实验十次，每次工作5min，该阴极材料的平均烧蚀率为8.7μg/sec。 
实施例4 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，它主要由银和铪元素构成，各种元素的质量百分数为：铪为21％，杂质锆为0.18％，其他杂质含量为0.16％，其余为银含量。 
该合金采用熔炼法获得，制备过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的Ag块和纯度为99％的Hf丝进行配料，其中铪丝质量百分数为21％，其余为银，并将合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1100℃，保温45min，浇注前10分钟对其进行机械搅拌然后浇铸成锭。将铸锭扒皮后，放入可控气氛炉加热至900℃，保温25min，热轧成棒材，将该棒材加工成阴极电子发射体钎焊在铜阴极座上，采用转移弧空气等离子炬进行等离子烧蚀实验，工作气体压力为0.4MPa，等离子弧电流强度为80A，实验十次，每次工作5min，该阴极材料的平均烧蚀率为7.8μg/sec。 
实施例5 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，它主要由银和铪元素构成，各种元素的质量百分数为：铪为40％，杂质锆为0.4％，其他杂质含量为0.38％，其余为银含量。 
该合金采用熔炼法获得，制备过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的Ag块和纯度为99％Hf丝进行配料，其中铪丝的质量百分数为40％，其余为银，并将合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1060℃，保温45min，浇注前10分钟对其进行机械搅拌然后浇铸成锭。将铸锭扒皮后，放入可控气氛炉加热至880℃，保温30min，热轧成棒材，将该棒材加工成阴极电子发射体钎焊在铜阴极座上，采用转移弧空气等离子炬进行等离子烧蚀实验，工作气体压力为0.4MPa，等离子弧电流强度为80A，实验十次，每次工作5min，该阴极材料的平均烧蚀率为5μg/sec。 
实施例6 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，它主要由银和铪元素构成，各种元素的质量百分数为：铪为40％，杂质锆为0.4％，其他杂质含量为0.38％，其余为银含量。 
该合金采用熔覆法获得，制备过程如下：采用纯度为99.95％的银粉、纯度为99.95％的厚度为0.5mm直径为3.5mm的银管和纯度为99％铪粉，其中铪粉的质量百分数为40％，其余为银粉和银管，将银粉和铪粉混合均匀后装入银管，经压机压制成粉芯丝。采用钨极氩弧焊将其熔覆在铜阴极座上制成复合阴极头。采用转移弧空气等离子炬进行等离子烧蚀实验，工作气体压力为0.4MPa，等离子弧电流强度为80A，实验十次，每次工作5min，该阴极材料的平均烧蚀率为5.5μg/sec。 
实施例7 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，它主要由银和铪元素构成，各种元素的质量百分数为：铪为20％，杂质锆为0.18％，其他杂质含量为0.16％，其余为银含量。 
该合金采用熔覆法获得，制备过程如下：采用纯度为99.95％的银粉、纯度为99.95％厚度为0.5mm直径为3.5mm的银管和纯度为99％的铪粉，其中铪粉的质量百分数为20％，其余为银粉和银管，将银粉和铪粉混合均匀后装入银管，经压机压制成粉芯丝。采用钨极氩弧焊将其熔覆在铜阴极座上制成复合阴极头。采用转移弧空气等离子炬进行等离子烧蚀实验，工作气体压力为0.4MPa，等离子弧电流强度为80A，实验十次，每次工作5min，该阴极材料的平均烧蚀率为8.0μg/sec。 
实施例8 
一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，它主要由银和铪元素构成，各种元素的质量百分数为：铪为40％，杂质锆为0.4％，其他杂质含量为0.38％，其余为银含量。 
该合金采用熔炼法获得，制备过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的Ag块和纯度为99％Hf丝进行配料，其中铪丝的质量百分数为40％，其余为银，并将合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1060℃，保温45min，浇注前10分钟对其进行机械搅拌然后浇铸成锭。取其一部分切割成阴极电子发射体钎焊在铜阴极座上，采用转移弧空气等离子炬进行等离子烧蚀实验，工作气体压力为0.4MPa，等离子弧电流强度为80A，实验十次，每次工作5min，该阴极材料的平均烧蚀率为7.6μg/sec。 

Claims (9)

1.一种直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，其特征在于：该银铪合金材料主要由银元素和铪元素构成，铪元素的质量百分数为15～50％，其余为银及不可避免的杂质，所述不可避免的杂质含量＜1％。
2.根据权利要求1所述的直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，其特征在于，铪含量为20～50％。
3.根据权利要求2所述的直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，其特征在于，铪含量为40～50％。
4.根据权利要求3所述的直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，其特征在于，铪含量为40％。
5.根据权利要求1所述的直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料，其特征在于，所述不可避免的杂质包括锆，锆含量≤0.5％，其他杂质含量＜0.5％。
6.权利要求1所述的直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料制备复合阴极的方法，其特征在于，采用熔炼法获得，过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的银和99％的铪进行配料，其中铪的质量百分数为15～50％，其余为银，并将配好的合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1060～1100℃，保温45～60min，直接浇铸到铜阴极座上，制成复合阴极。
7.权利要求1所述的直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料制备复合阴极的方法，其特征在于，采用熔炼法获得，过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的银和99％的铪进行配料，其中铪的质量百分数为15～50％，其余为银，并将配好的合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1060～1100℃，保温45～60min，浇铸成阴极发射体形状，镶嵌或钎焊到铜阴极座上，制成复合阴极。
8.权利要求1所述的直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料制备复合阴极的方法，其特征在于，采用熔炼法获得，过程如下：采用真空中频感应熔炼，采用纯度为99.95％的银和99％的铪进行配料，其中铪的质量百分数为15～50％，其余为银，并将配好的合金料装入高纯石墨坩埚内，在真空室采用机械泵将空气压力抽到0.1Pa后充入氩气，通电加热至1060～1100℃，保温45～60min，浇铸成锭，将铸锭扒皮后，放入可控气氛炉加热至880～900℃，保温20～30min，热轧成棒材，将该棒材加工成阴极电子发射体所需形状后镶嵌或钎焊到阴极座上，制成复合阴极。
9.权利要求1所述的直流电弧空气等离子体炬阴极用银铪合金材料制备复合阴极的方法，其特征在于，采用熔覆焊接法获得，过程如下：首先制备粉芯丝，采用银带包裹银粉和铪粉方式，银粉和银带的纯度为99.95％，铪粉的纯度为99％，其中铪粉的质量百分数为15～50％，其余为银粉和银带，采用堆焊方式将粉芯丝熔覆到阴极座上并机加工至满足尺寸要求。
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