CN111906320A - 一种电极模具、电极及其制作方法、等离子体炬 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电极模具、电极及其制作方法、等离子体炬，涉及等离子体加热技术领域，以提高等离子体炬电极的散热效果，防止电极棒从散热层中脱落，从而增加等离子体炬的使用寿命。该电极的制作方法包括：提供一电极模具和一电极棒，电极模具包括承装模具和封堵模具，承装模具上设有安装孔，安装孔的轴向长度大于电极棒的轴向长度；将电极棒置于安装孔内，使得电极棒与安装孔内壁之间具有空隙；向空隙内填充导电散热材料；利用封堵模具对安装孔进行封压，获得预制电极；将预制电极在无氧条件下进行烧结，使得电极棒的表面形成散热层，获得电极。本发明提供的一种电极模具、电极及其制作方法、等离子体炬用于等离子体加热。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体加热技术领域，尤其涉及一种电极模具、电极及其制作方法、等离子体炬。
背景技术
等离子体炬是一种能够产生定向等离子体射流的放电装置，已在等离子体化工、冶金、喷焊和气动热模拟实验等领域中得到广泛应用。对于等离子体炬而言，其使用寿命的长短主要受到内部所设置的电极的影响。
上述等离子体炬内所设置的电极至少包括电极棒，通常在电极棒的外部表面增加设有散热层，以提高电极板的散热性能。但是，电极棒与散热层的接合处存在一定的间隙，严重阻碍了电极棒的热量扩散，使得电极的使用寿命降低。
发明内容
本发明目的在于提供一种电极模具、电极及其制作方法、等离子体炬，以提高等离子体炬电极的散热效果，防止电极棒从散热层中脱落，从而增加等离子体炬电极的使用寿命。
为达到上述目的，本发明提供一种电极的制作方法，该电极的制作方法包括：
提供一电极模具和一电极棒，所述电极模具包括承装模具和封堵模具，所述承装模具上设有安装孔，所述安装孔的轴向长度大于所述电极棒的轴向长度；将所述电极棒置于所述安装孔内，使得所述电极棒与所述安装孔内壁之间具有空隙；向所述空隙内填充导电散热材料；利用封堵模具对所述安装孔进行封压，获得预制电极；将所述预制电极在无氧条件下进行烧结，使得所述电极棒的表面形成散热层，获得电极。
与现有技术相比，本发明提供的电极的制作方法中，利用一电极模具制作电极，该电极模具包括设有安装孔的承装模具和用于封堵安装孔的封堵模具，将电极棒置于承装模具的安装孔内，向电极棒与安装孔的内壁之间的空隙填充导电散热材料，以利用导电散热材料将电极棒包裹，然后利用封堵模具对安装孔内的电极棒和导电散热材料进行封压，以防止无氧烧结后形成的散热层内部存在间隙，从而导致散热层的导热性降低。在这种情况下进行无氧烧结，使导电散热材料形成的散热层和电极棒形成一体化的结合，从而防止电极棒从散热层中脱落。同时，电极棒和导电散热材料的交界面在烧结的时候可以熔融形成为合金的反应过渡层，该反应过渡层具有较好的导热性，可有效降低电极棒向外部环境传递热量的热阻，从而极大改善采用传统机械镶嵌的方式造成电极棒与散热层界面产生较大间隙而影响材料导热性的问题，进而提高了等离子体炬电极的散热效果，从而增加等离子体炬电极的使用寿命。
本发明还提供一种电极，该电极采用上述电极的制作方法制作而成，包括电极棒及烧结在电极棒表面的散热层，电极棒外表面与散热层的内表面形成反应过渡层。
与现有技术相比，本发明提供的电极的有益效果与上述技术方案提供的电极的制作方法的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明还提供一种等离子体炬，包括上述电极。
与现有技术相比，本发明提供的等离子体炬的有益效果与上述技术方案提供的电极的制作方法的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明还提供一种电极模具，用于制作上述电极，包括承装模具和封堵模具，所述承装模具上设有用于使电极成形的安装孔，所述封堵模具用于封堵所述安装孔。
利用上述电极模具制作上述电极时，可参考上述电极制作方法，此处不做详述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的电极的制作方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的填充预制电极的模具的剖面图；
图3为本发明实施例提供的电极的剖面图；
图4为本发明实施例中具有盲孔的承装模具的结构示意图；
图5为本发明实施例中具有定位柱的承装模具的结构示意图；
图6为本发明实施例中第一类压头的结构示意图；
图7为本发明实施例中具有通孔的承装模具的结构示意图；
图8本发明实施例中具有定位槽的第二类压头的结构示意图；
图9本发明实施例中具有定位柱的第二类压头的结构示意图；
图10为本发明实施例的提供一个电极棒的流程图；
图11为铪铜的二元相图。
其中，
1-电极棒； 2-导电散热材料；
3-承装模具； 31-盲孔；
32-通孔； 41-第一类压头；
42-第二类压头； 5-定位槽；
6-定位柱； 7-散热层；
8-反应过渡层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
电极作等离子体炬中的主要消耗品，其使用寿命的长短直接影响到等离子体炬的成本和生产效率，电极更换越频繁，其加工成本越高，生产效率越低。为了防止电极棒在产生电弧的高温环境过中、在开始工作和结束工作时由于温差变化而产生的损耗，通常在电极棒的外部增加散热层，加速散热以降低损耗。目前，电极棒与散热层的连接方法有普通镶嵌、机械压紧镶嵌等方式。下面以机械压紧镶嵌的方式制备电极，具体步骤如下：
第一步：取铪棒为原料，加工直径为2mm，高度为10mm的圆柱形铪棒，对铪棒进行打磨抛光，并用氢氟酸溶液清洗，最后用无水乙醇反复超声清洗多次，获得电极棒。
第二步：取铜棒为原料，在铜棒的中心加工直径为1.9mm，深度为10mm的盲孔，获得散热层。
第三步：采用机械镶嵌的方式，将铪棒镶嵌到铜基体中。
第四步：机械加工为等离子体炬，进行连续使用的寿命测试实验，上述等离子体炬在经过连续使用2小时后发生损坏。
通过上述的连接方式，由于铪棒和铜基体之间没有形成为合金的反应层，在反复使用或者长时间使用的过程中二者的连接处会存在间隙，阻碍了电极棒表面的热量扩散，同时，当等离子体炬开始工作或者停止工作的过程中，会产生冷热交替，电极棒和散热层的界面处由于没有形成一体化的结合因而存在较大的热应力和间隙，容易导致电极棒从散热层中脱落，这都会极大地降低等离子体炬的使用寿命。
尤其是在产生高温电弧或无间断地持续使用时，由于上面提到的多种影响因素，电极的使用寿命大幅度降低，导致频繁更换电极，增加生产成本，例如：在需要持续作业或者操作台与等离子炬发生器工作点距离较远的行业，电极的使用寿命会大幅度降低并增加操作成本和生产时间。
针对上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种电极及其制作方法、等离子体炬，以提高等离子体炬电极的散热效果，防止电极棒从散热层中脱落，从而增加等离子体炬电极的使用寿命。
实施例一
本发明实施例提供一种电极的制作方法，如图1～图3所示，该电极的制作方法包括：
步骤S100：提供一电极模具和一电极棒1，该电极模具包括承装模具3和封堵模具，承装模具3上设有安装孔，安装孔的轴向长度应大于电极棒1的轴向长度。
步骤S200：将电极棒1置于安装孔内，使得电极棒1与安装孔内壁之间具有空隙。应理解，安装孔的径向长度大于电极棒1的径向长度，以使得电极棒1的四周与安装孔内壁之间均存在空隙。
步骤S300：向空隙内填充导电散热材料2；利用封堵模具对安装孔进行封压，获得预制电极。
步骤S400：将预制电极在无氧条件下进行烧结，使得电极棒1的表面形成散热层7，获得图3所示的电极。
由上述电极的制作方法可知，在上述电极的制作方法中，利用一电极模具制作电极，该电极模具包括设有安装孔的承装模具3和用于封堵安装孔的封堵模具，将电极棒1置于承装模具3的安装孔内，向电极棒1与安装孔的内壁之间的空隙填充导电散热材料2，以利用导电散热材料2将电极棒1包裹，然后利用封堵模具对安装孔内的电极棒1和导电散热材料2进行封压，以防止无氧烧结后形成的散热层7内部存在间隙，从而导致散热层7的导热性降低。在这种情况下进行无氧烧结，使电极棒1和导电散热材料2形成的散热层7形成一体化的结合，从而防止电极棒1从散热层7中脱落。电极棒1和导电散热材料2的交界面在烧结的时候可以熔融形成作为合金的反应过渡层8，该反应过渡层8具有较好的导热性，可有效降低电极棒1向外部环境传递热量的热阻，从而极大改善采用传统机械镶嵌的方式造成电极棒1与散热层7界面产生较大间隙而影响材料导热性的问题，进而提高了等离子体炬电极的散热效果，从而增加等离子体炬电极的使用寿命。
可以理解的是，上述导电散热材料2可以为块状或者粉末状。例如：当导电散热材料2为粉末状的导电散热材料2时，粉末状的导电散热材料2比表面积比较大，使得所形成的散热层7的内部比较致密，从而保证了散热层7就有良好的导电性和导热性；同时，粉末状的导电散热材料2比表面积比较大，也可以增加粉末状的导电散热材料2与电极棒1接触的面积，这不仅增加了所制作的电极含有的散热层7与电极棒1结合紧密性，也提高了导电散热材料2与电极棒1形成的反应过渡层8的内部致密性，从而有效提高反应过渡层8的热传导性，以降低电极棒1向外部传递热量的热阻。
当向空隙内填装导电散热材料2的高度大于电极棒1的轴向长度且小于或等于安装孔的轴向长度时，当封堵模具塞入安装孔内进行封压时，由于电极棒1的上端有堆积的导电散热材料2作为缓冲，电极棒1在安装孔内不易被封堵模具压断。
应理解的是，参照图4和图7，上述承装模具3所开设的安装孔的种类可以为盲孔31也可以为通孔32。下面举例说明采用图4～图9所示的电极模具获得预制电极的过程。
在一种示例中，如图4和图6所示，当上述承装模具3所开设的安装孔为盲孔31时，上述封堵模具包括第一类压头41，此时利用封堵模具对安装孔进行封压包括：
利用第一类压头41将电极棒1和空隙内的导电散热材料2封压至盲孔31内，此时，封压后所形成的填充有预制电极的电极模具参照图2所示。
为了避免在烧结的过程中电极棒1的位置发生偏移，上述电极模具设有对电极棒1进行定位的定位结构，以使得在烧结过程中保证电极棒1能够固定不晃动，使获得的电极所含有的电极棒1和散热层7的结合良好。对电极棒1定位的方式多种多样。
例如：参照图2和图4，当电极棒1为实心电极棒1时，上述盲孔31的底面上设有定位实心电极棒1的定位结构，该定位结构为与实心电极棒1外轮廓相匹配定位槽5。示例性的，电极棒1为圆柱形的实心电极棒1，则承装模具3设有与实心电极棒1外轮廓相匹配的圆柱形定位槽5。
当电极棒1为实心电极棒1时，上述盲孔31的底面设有定位槽5，定位槽5的对称轴线与盲孔31的中心轴线重合，定位槽5的径向长度等于或略大于实心电极棒1的径向长度；此时将电极棒1置于安装孔内包括：
将实心电极棒1安装在定位槽5上。应理解，该定位槽5的径向长度等于或略大于实心电极棒1的径向长度，使得在实心电极棒1靠近盲孔31底面的一端嵌入定位槽5内时，实心电极棒1刚好能够插入定位槽5内且不脱落，但又不会因为嵌入定位槽5而导致实心电极棒1难以取出；由于定位槽5的对称轴线与盲孔31的中心轴线重合，故实心电极棒1位于预制电极的中心位置，使得实心电极棒1四周的形成的散热层7的厚度均匀，这样就能保证所获得的电极散热均匀，从而延长使用寿命。
又例如：参照图2和图5，电极棒1为空心电极棒1时，上述盲孔31的底面上设有定位空心电极棒1的定位结构，该定位结构为与空心电极棒1空心轮廓相匹配的定位柱6。示例性的，电极棒1为中空圆柱环的空心电极棒1，则承装模具3设有与空心电极棒1空心轮廓相匹配的定位柱6。
当电极棒1为空心电极棒1时，上述盲孔31的底面设有定位柱6，定位柱6的对称轴线与盲孔31的中心轴线重合，空心电极棒1内径的径向长度等于或略大于定位柱6的径向长度。此时将电极棒1置于安装孔内包括：
将空心电极棒1套在定位柱6上。应理解，上述空心电极棒1空心区域的径向长度等于或略大于定位柱6的径向长度，使得在空心电极棒1套在定位柱6上时，空心电极棒1刚好套在定位柱6上且不发生晃动，但又不会因为套在定位柱6上而导致空心电极棒1难以取出；由于定位柱6的对称轴线与盲孔31的中心轴线重合，故空心电极棒1位于预制电极的中心位置，使得空心电极棒1四周的形成的散热层7的厚度均匀，这样就能保证所获得的电极散热均匀，从而延长使用寿命。
应理解，将上述预制电极进行无氧烧结后，电极与电极模具之间不存在空隙，无法将电极从盲孔的上方直接取出，需要将电极模具破坏掉，以获得电极。
在另一种示例中，如图6～图9所示，上述承装模具3的安装孔为通孔32，上述封堵模具包括第一类压头41和第二类压头42。为了避免在烧结的过程中电极棒1的位置发生偏移，该电极模具设有对电极棒1进行定位的定位结构。以使得在烧结过程中保证电极棒1能够固定不晃动，使电极棒1和散热层7的结合良好。对电极棒1定位的方式多种多样。
例如：当电极棒1为实心电极棒1时，参照图8，在第二类压头42上设有定位实心电极棒1的定位结构，该定位结构为与实心电极棒1外轮廓相匹配定位槽5。示例性的，电极棒1为圆柱形的实心电极棒1，则第二类压头42上设有与实心电极棒1外轮廓相匹配的圆柱形定位槽5。
当电极棒1为空心电极棒1时，第二类压头42上设有定位槽5，定位槽5的对称轴线与通孔32的中心轴线重合；此时将电极棒1置于安装孔内包括：
将实心电极棒1安装在第二类压头42所包括的定位槽5上，应理解，上述定位槽5的径向长度等于或略大于实心电极棒1的径向长度，使得在实心电极棒1嵌入定位槽5内时，实心电极棒1刚好能够插入定位槽5内且不脱落，但又不会因为嵌入定位槽5而导致实心电极棒1难以取出；利用第二类压头42将通孔32所具有的第二端口进行封堵，由于定位槽5的对称轴线与通孔32的中心轴线重合，故实心电极棒1位于预制电极的中心位置，使得实心电极棒1四周的形成的散热层7的厚度均匀，这样就能保证所获得的电极散热均匀，从而延长使用寿命。
又例如：参照图9，电极棒1为空心电极棒1时，在第二类压头42上设有定位空心电极棒1的定位结构，该定位结构为与空心电极棒1空心轮廓相匹配的定位柱6，示例性的，电极棒1为中空圆柱环的空心电极棒1，则第二类压头42上设有与空心电极棒1空心轮廓相匹配的定位柱6。
当电极棒1为空心电极棒1时，第二类压头42上设有定位柱6，定位柱6的对称轴线与盲孔31的中心轴线重合，空心电极棒1内径的径向长度等于或略大于定位柱6的径向长度；此时将电极棒1置于安装孔内包括：
将空心电极棒1套在定位柱6上。应理解，上述空心电极棒1内径的径向长度等于或略大于定位柱6的径向长度，使得在空心电极棒1套在定位柱6上时，空心电极棒1刚好套在定位柱6上且不发生晃动，但又不会因为套在定位柱6上而导致空心电极棒1难以取出；利用第二类压头42将通孔32所具有的第二端口进行封堵，由于定位柱6的对称轴线与盲孔31的中心轴线重合，故空心电极棒1位于预制电极的中心位置，使得空心电极棒1四周的形成的散热层7的厚度均匀，这样就能保证所获得的电极散热均匀，从而延长使用寿命。
在一些实施例中，上述装有预置电极的电极模具进行无氧烧结后，在进行脱模时，难度较大。基于此，参照图2、图3、图5和图9，在将电极棒1安装在第二类压头42所包括的定位结构上之前，此时将电极棒1置于安装孔内还包括：
在定位结构上涂抹脱模剂或设置石墨纸；在这种情况下，在对预制电极进行无氧烧结时，预制电极不会与电极模具所包含的定位结构产生粘接，从而便于获得的电极与电极模具分离。
在利用第二类压头将通孔所具有的第二端口进行封堵之前，此时将电极棒置于安装孔内还包括：
在安装孔的内壁涂抹脱模剂或设置石墨纸；在这种情况下，在对预制电极进行无氧烧结时，预制电极不能与电极模具的安装孔的内壁产生粘接，从而便于获得的电极与电极模具分离。
其中，若在利用第二类压头将通孔所具有的第二端口进行封堵之后，在安装孔的内壁涂抹脱模剂或设置石墨纸，由于安装孔的内部存在电极棒，向安装孔的内壁涂抹脱模剂或设置石墨纸的操作难度增加。当设置石墨纸时，在第二类压头未能将石墨纸挤压住的情况下，在后续的烧结过程中，石墨纸存在发生折皱的可能性，不能将预制电极与电极模具隔离，从而导致预制电极与电极模具的安装孔的内壁产生粘接，影响电极脱模。因此，当设置石墨纸时，应当利用第二类压头将石墨纸压住。
如图4～图9所示，此时向空隙内填充导电散热材料2包括：
当电极棒为实心电极棒时，向空隙内填装导电散热材料2，使得填装导电散热材料2的高度大于实心电极棒1的轴向长度且小于或等于安装孔的轴向长度。此时，实心电极棒1的上端有堆积的导电散热材料2作为缓冲，故在封压的过程中，电极棒1在安装孔内不易被第一类压头41压断。
当电极棒1为空心电极棒1时，定位柱的径向长度小于空心电极棒的内径的径向长度，无论定位柱6的轴向长度等于空心电极棒1的轴向长度，还是定位柱6的轴向长度大于空心电极棒1的轴向长度且小于等于安装孔的轴向长度。上述向空隙内填充导电散热材料2包括：
向空隙内填装导电散热材料2，使得填装导电散热材料2的高度大于空心电极棒1的轴向长度且小于或等于定位柱6的轴向长度。在这种情况下，空心电极棒1的上端有堆积的导电散热材料2作为缓冲，故在封压的过程中，空心电极棒1在安装孔内不易被第一类压头41压断。
在利用封堵模具将安装孔进行封压之前，上述电极的制作方法还包括：
向空心电极棒1与定位柱6之间的空心区域填装导电散热材料2，使得填装导电散热材料2的高度大于空心电极棒1的轴向长度且小于或等于定位柱6的轴向长度。在这种情况下，空心电极棒1的内表面形成了均匀的散热层7，空心电极棒1的热量可以从内表面的散热层7传递出去，从而使得电极的散热效果得到进一步的提高，延长了电极的使用寿命。
可以理解的是，当电极棒1的外表面具有氧化物层时，参照图3，会影响电极棒1外表面与散热层7的内表面形成反应过渡层8。因此，如图2和图10所示，将电极棒1置于安装孔内之前，上述电极的制作方法还包括：
步骤S110，对电极棒1进行抛光，利用酸性溶液清洗抛光后的电极棒1。
步骤S120，在利用酸性溶液清洗抛光后的电极棒1情况下，若不对酸性溶液进行清理，则酸性溶液会进一步的腐蚀电极棒1。因此，在利用酸性溶液清洗抛光后的电极棒1之后，需要利用无水乙醇对酸洗后的电极棒1反复超声清洗多次。
上述预制电极若在有氧环境中进行烧结，则电极棒1的材料以及导电散热材料2均可能与氧气发生氧化反应，电极棒1与导电散热材料2交界面处会形成包括氧化物的反应过渡层8，与仅包括电极棒1的材料和导电散热材料2的混合物的反应过渡层8相比，该反应过渡层8的导电性和导热性较差，因此，上述预制电极应在无氧条件下进行烧结，以防止预制电极在烧结过程中电极棒1的材料、导电散热材料2发生氧化反应。
具体的，将预制电极在无氧条件下进行烧结的方式多种多样，由于放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，加压有利于降低粉末状的导电散热材料的烧结温度，同时放电等离子烧结具有低电压、高电流的特征，能使粉末状的导电散热材料快速烧结致密。因此，如图3所示，将预制电极在无氧条件下进行烧结，使得电极棒1的表面形成散热层7，获得电极具体包括：
在20MPa～40MPa的无氧条件下，采用放电等离子烧结的方式将预制电极加热至900℃～1000℃，于900℃～1000℃采用放电等离子烧结的方式烧结5min～20min。应理解，在高压的烧结过程中由于电极棒1上端堆积有导电散热材料2，所以电极棒1不会被压断。
其中，采用放电等离子烧结的方式将预制电极加热至900℃～1000℃包括：
按照100℃/min的升温速率，将预制电极加热至500℃；
按照50℃/min的升温速率，将预制电极从500℃加热至800℃；
按照10℃/min的升温速率，将预制电极从800℃加热至900℃～1000℃。
按照上述的升温方式，使导电散热材料烧结后形成的散热层7更为致密化，且使电极棒的外表面与导电散热材料实现良好的界面结合。
参照图2和图3，鉴于制作电极棒1的材料应具有抗氧化性能好和电子逸出功低的特点，故电极棒1的材料为铪、钨、锆中的一种或多种组合。但是，上述电极棒1的材料的导热性较差，需要散热层7将电极棒1表面的热量及时散去，因此，导电散热材料2为铜、银中的一种或两种组合。其中，电极棒1和散热层7的金属纯度均为99.9％以上。在这种情况下，导电散热材料2形成的散热层7与电极棒1通过烧结实现良好的界面结合，从而能够将电极棒1表面的热量及时传送出去，避免电极棒1因温度过高而被烧蚀。
当电极棒1的材料为铪时，烧结温度为940℃～960℃；当电极棒1的材料为锆时，烧结温度为900℃～940℃；当电极棒1的材料为钨时，烧结温度为960℃～1000℃。参照图2，在上述温度范围内能够控制电极棒1的材料与散热层7的材料的扩散程度，减小反应过渡层8的厚度，从而避免二者相互扩散区域较大而导致电极棒1的体积较小，进而导致电极性能降低。
可以理解的是，参照图3，烧结温度和烧结时间与电极棒1和散热层7所选用的金属相关，一般来说，可以按照电极棒1金属材料与散热层7金属材料的相图来设定反应温度及反应时间。示例性的，当电极棒1的材料为铪和散热层7的材料选用铜时，如图11所示，在此940℃～960℃下铪铜之间会发生反应，从而实现铪铜的界面结合。同时，烧结时间控制在5min～20min，烧结时间太短，铪铜之间来不及反应，无法形成反应过渡层8，烧结时间太长容易造成电极棒1的铪损失严重，影响等离子体电弧的形成。
需要说明的是，当烧结好的电极的外形不能达到使用的要求时，按照实际情况还需要对烧结好的电极进行机械加工。
实施例二
本发明实施例还提供一种电极，该电极采用上述电极的制作方法制作而成，包括电极棒及烧结在电极棒表面的散热层，电极棒外表面与散热层的内表面形成反应过渡层。
与现有技术相比，本发明实施例提供的电极的有益效果与上述技术方案提供的电极的制作方法的有益效果相同，在此不做赘述。
实施例三
本发明实施例还提供一种等离子体炬，包括上述电极。
与现有技术相比，本发明实施例提供的等离子体炬的有益效果与上述技术方案提供的电极的制作方法的有益效果相同，在此不做赘述。
实施例四
本发明实施例还提供一种电极模具，用于制作上述电极，参照图4～图9，包括承装模具3和封堵模具，承装模具3上设有用于放置电极棒的安装孔，封堵模具用于封堵安装孔。
利用上述电极模具制作上述电极时，可参考上述电极制作方法，此处不做详述。
需要说明的是，采用放电等离子烧结时，电极模具需要选用导电材料，鉴于石墨导电性比较好，且成本较低，因此，该电极模具为石墨电极模具。
如图4和图5所示，当安装孔为盲孔31时，在电极模具烧结完成后，只能破坏电极模具以获得电极，电极模具只能使用一次，成本较高。因此，如图7～图9所示，上述安装孔为通孔32，通孔32具有第一端口和第二端口，封堵模具包括用于封堵第一端口的第一类压头41和用于封堵第二端口的第二类压头42。在这种情况下，电极模具烧结完成后，从通孔32的一端将电极从通孔32的另一端顶出，从而在保证电极模具不被破坏的情况下，获得电极。
可以理解的是，第一类压头41和第二类压头42的封堵通孔32的方式多种多样。例如：上述第一类压头41的外轮廓与通孔32的外轮廓相匹配，第一类压头41的径向长度略小于通孔32的径向长度。在这种情况下，将第一类压头41塞入通孔32的第一端口，使通孔32的第一端口被封堵。又例如：上述第二类压头42的外轮廓与通孔32的外轮廓相匹配，第二类压头42的径向长度略小于通孔32的径向长度。在这种情况下，将第二类压头42塞入通孔32的第二端口，使通孔32的第二端口被封堵。
考虑到在将电极棒与导电散热材料进行无氧烧结时，电极棒的位置可能会发生偏移，为了克服该问题，上述第二类压头上设有用于对电极棒定位的定位结构，以保证电极棒在烧结过程中固定不晃动，从而使得电极棒和散热层结合良好。
同时，上述定位结构具有的对称轴线与安装孔的中心轴线重合，故电极棒位于电极的中心位置，使得电极棒四周的形成的散热层的厚度均匀，这样就能保证所得的电极散热均匀，从而延长使用寿命。
应理解的是，用于定位电极棒的定位结构多种多样，根据不同的电极棒的形状，与其对应的定位结构也不同。
例如：如图7和图8所示，当电极棒为实心电极棒时，定位结构为用于固定实心电极棒的定位槽5，定位槽5的对称轴线与安装孔的中心轴线重合。在这种情况下，实心电极棒刚好能够插入定位槽5内且不脱落。
又例如：如图7和图9所示，当电极棒为空心电极棒时，定位结构为用于固定空心电极棒的定位柱6，定位柱6的对称轴线与安装孔的中心轴线重合。在这种情况下，空心电极棒刚好套在定位柱6不发生晃动。
实施例五
本发明实施例提供了一种电极的制作方法，该电极的制作方法包括：
第一步：取纯度为99.9％的铪棒或铪锭为原料，加工直径为2mm，轴向长度为10mm的圆柱形铪棒。
第二步：对铪棒进行打磨抛光，并用摩尔浓度为0.1mol/L的氢氟酸水溶液清洗，获得酸洗后的铪棒。
第三步：利用无水乙醇对酸洗后的铪棒反复超声清洗多次，去除铪棒表面多余的氢氟酸。
第四步：提供一种模具，包括具有通孔的承装模具、第一类压头和第二类压头，第二类压头的中心加工有孔径为2mm，深度为3mm的圆柱形定位槽，并将第二类压头与承装模具组装，使第二类压头具有定位槽的一面位于通孔内。
第五步：将铪棒插入第二类压头的定位槽内，取纯度为99.9％的适量铜粉装填到承装模具与铪棒之间的空隙内。
第六步：利用第一类压头对承装模具内的铪棒与铜粉进行封压。
第七步：将装填有铜粉和铪棒的石墨模具放入放电等离子体设备中，抽真空，烧结压力设置为20MPa，按照100℃/min的升温速率，将预制电极加热至500℃；按照50℃/min的升温速率，将预制电极从500℃加热至800℃；按照10℃/min的升温速率，将预制电极从800℃加热至940℃，保温烧结5min，泄压随炉冷却。
将获得的电极机械加工为等离子体炬电极。其中，采用机械镶嵌的方式制备的等离子体炬电极，进行连续使用的寿命测试实验时，等离子体炬电极在经过连续使用30小时后发生损坏。在相同寿命测试实验条件下，本发明实施例的等离子体炬电极在经过连续使用40小时后发生损坏。
实施例六
本发明实施例提供了一种电极的制作方法，该电极的制作方法包括：
第一步：取纯度为99.9％的锆棒或锆锭为原料，加工直径为2.5mm，轴向长度为10mm的圆柱形锆棒。
第二步：对锆棒进行打磨抛光，并用摩尔浓度为0.5mol/L的氢氟酸水溶液清洗，获得酸洗后的锆棒。
第三步：利用无水乙醇对酸洗后的锆棒反复超声清洗多次，去除锆棒表面多余的氢氟酸。
第四步：提供一种模具，包括具有通孔的承装模具、第一类压头和第二类压头，第二类压头的中心加工有孔径为2.5mm，深度为4mm的圆柱形定位槽，并将第二类压头与承装模具组装，使第二类压头具有定位槽的一面位于通孔内。
第五步：在承装模具的内壁均匀铺设一层石墨纸。
第六步：将锆棒插入第二类压头的定位槽内，取纯度为99.9％的适量铜粉装填到承装模具与锆棒之间的空隙内。
第六步：利用第一类压头对承装模具内的锆棒与铜粉进行封压。
第七步：将装填有铜粉和锆棒的石墨模具放入放电等离子体设备中，抽真空，烧结压力设置为30MPa，按照100℃/min的升温速率，将预制电极加热至500℃；按照50℃/min的升温速率，将预制电极从500℃加热至800℃；按照10℃/min的升温速率，将预制电极从800℃加热至920℃，保温烧结10min，泄压随炉冷却。
将获得的电极机械加工为等离子体炬电极。其中，采用机械镶嵌的方式制备的等离子体炬电极，进行连续使用的寿命测试实验时，等离子体炬电极在经过连续使用30小时后发生损坏。在相同寿命测试实验条件下，本发明实施例的等离子体炬电极在经过连续使用50小时后发生损坏。
实施例七
本发明实施例提供了一种电极的制作方法，该电极的制作方法包括：
第一步：取纯度为99.9％的钨棒或钨锭为原料，加工直径为3mmmm，轴向长度为12mm的圆柱形钨棒。
第二步：对钨棒进行打磨抛光，并用摩尔浓度为1mol/L的氢氟酸水溶液清洗，获得酸洗后的钨棒。
第三步：利用无水乙醇对酸洗后的钨棒反复超声清洗多次，去除钨棒表面多余的氢氟酸。
第四步：提供一种模具，包括具有通孔的承装模具、第一类压头和第二类压头，第二类压头的中心加工有孔径为3mm，深度为5mm的圆柱形定位槽，并将第二类压头与承装模具组装，使第二类压头具有定位槽的一面位于通孔内。
第五步：在承装模具的内壁均匀铺设一层石墨纸。
第六步：将钨棒插入第二类压头的定位槽内，取纯度为99.9％的适量铜粉装填到承装模具与钨棒之间的空隙内。
第七步：利用第一类压头对承装模具内的钨棒与铜粉进行封压。
第八步：将装填有铜粉和钨棒的石墨模具放入放电等离子体设备中，抽真空，烧结压力设置为40MPa，按照100℃/min的升温速率，将预制电极加热至500℃；按照50℃/min的升温速率，将预制电极从500℃加热至800℃；按照10℃/min的升温速率，将预制电极从800℃加热至950℃，保温烧结20min，泄压随炉冷却。
将获得的电极机械加工为等离子体炬电极。其中，采用机械镶嵌的方式制备的等离子体炬电极，进行连续使用的寿命测试实验时，等离子体炬电极在经过连续使用30小时后发生损坏。在相同寿命测试实验条件下，本发明实施例的等离子体炬电极在经过连续使用50小时后发生损坏。
实施例八
本发明实施例提供了一种电极的制作方法，与实施例七的区别在于：
第四步：提供一种模具，包括具有盲孔的承装模具和第一类压头，盲孔的轴向长度大于12mm，在盲孔的底面中心加工有孔径为3mm，轴向长度为5mm的圆柱形定位槽。
第六步：将钨棒插入盲孔底面的定位槽内，取纯度为99.9％的适量铜粉装填到承装模具与钨棒之间的空隙内。
第七步：利用第一类压头对盲孔内的钨棒与铜粉进行封压。
将获得的电极机械加工为等离子体炬电极。其中，采用机械镶嵌的方式制备的等离子体炬电极，进行连续使用的寿命测试实验时，等离子体炬电极在经过连续使用30小时后发生损坏。在相同寿命测试实验条件下，本发明实施例的等离子体炬电极在经过连续使用60小时后发生损坏。
实施例九
本发明实施例提供了一种电极的制作方法，该电极的制作方法包括：
第一步：取纯度为99.9％的铪棒或铪锭为原料，加工内径为2mm，外径4mm，轴向长度为10mm的中空圆柱环形的铪棒。
第二步：对铪棒进行打磨抛光，并用摩尔浓度为0.1mol/L的氢氟酸水溶液清洗，获得酸洗后的铪棒。
第三步：利用无水乙醇对酸洗后的铪棒反复超声清洗多次，去除铪棒表面多余的氢氟酸。
第四步：提供一种模具，包括具有通孔的承装模具、第一类压头和第二类压头，第二类压头的中心加工有孔径为2mm，轴向长度为10mm定位柱，并将第二类压头与承装模具组装，使第二类压头具有定位柱的一面位于通孔内。
第五步：在承装模具的内壁均匀铺设一层石墨纸。
第六步：向定位柱的表面涂抹脱模剂。
第七步：将铪棒插入第二类压头的定位槽内，取纯度为99.9％的适量铜粉装填到承装模具与铪棒之间的空隙内。
第八步：利用第一类压头对承装模具内的铪棒与铜粉进行封压。
第九步：将装填有铜粉和铪棒的的石墨模具放入放电等离子体设备中，抽真空，烧结压力设置为20MPa，按照100℃/min的升温速率，将预制电极加热至500℃；按照50℃/min的升温速率，将预制电极从500℃加热至800℃；按照10℃/min的升温速率，将预制电极从800℃加热至960℃，保温烧结5min，泄压随炉冷却。
将获得的电极机械加工为等离子体炬电极。其中，采用机械镶嵌的方式制备的等离子体炬电极，进行连续使用的寿命测试实验时，等离子体炬电极在经过连续使用30小时后发生损坏。在相同寿命测试实验条件下，本发明实施例的等离子体炬电极在经过连续使用60小时后发生损坏。
实施例十
本发明实施例提供了一种电极的制作方法，与实施例八的区别在于：
第七步：将铪棒插入第二类压头的定位槽内，取纯度为99.9％的适量银粉装填到承装模具与铪棒之间的空隙内。
将获得的电极机械加工为等离子体炬电极。其中，采用机械镶嵌的方式制备的等离子体炬电极，进行连续使用的寿命测试实验时，等离子体炬电极在经过连续使用30小时后发生损坏。在相同寿命测试实验条件下，本发明实施例的等离子体炬电极在经过连续使用70小时后发生损坏。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (16)
1.一种电极的制作方法，其特征在于，包括：
提供一电极模具和一电极棒，所述电极模具包括承装模具和封堵模具，所述承装模具上设有安装孔，所述安装孔的轴向长度大于所述电极棒的轴向长度；
将所述电极棒置于所述安装孔内，使得所述电极棒与所述安装孔内壁之间具有空隙；
向所述空隙内填充导电散热材料；
利用封堵模具对所述安装孔进行封压，获得预制电极；
将所述预制电极在无氧条件下进行烧结，使得所述电极棒的表面形成散热层，获得电极。
2.根据权利要求1所述的电极的制作方法，其特征在于，
所述安装孔为通孔，所述封堵模具包括第一类压头和第二类压头，所述第二类压头上设有定位结构，所述定位结构具有的对称轴线与所述通孔的中心轴线重合；
所述将所述电极棒置于所述安装孔内包括：
将所述电极棒安装在所述第二类压头所包括的定位结构上；
利用所述第二类压头将所述通孔所具有的第二端口进行封堵，使所述电极棒位于所述通孔内，所述电极棒的中心轴线与所述通孔的中心轴线重合；
所述利用所述封堵模具对所述安装孔进行封压包括：
利用所述第一类压头在所述通孔所具有的第一端口将所述电极棒和所述空隙内的所述导电散热材料封压至所述通孔内。
3.根据权利要求2所述的电极的制作方法，其特征在于，
所述电极棒为实心电极棒，所述定位结构为用于固定所述实心电极棒的定位槽，所述定位槽的对称轴线与所述通孔的中心轴线重合；
所述将所述电极棒定位安装在第二类压头所包括的定位结构上包括：
将所述实心电极棒嵌入所述定位槽。
4.根据权利要求2所述的电极的制作方法，其特征在于，
所述电极棒为空心电极棒，所述定位结构为用于固定所述空心电极棒的定位柱，所述定位柱的对称轴线与所述通孔的中心轴线重合；
所述将所述电极棒定位安装在第二类压头所包括的定位结构上包括：
将所述空心电极棒套在所述定位柱上。
5.根据权利要求4所述的电极的制作方法，其特征在于，所述定位柱的轴向长度等于所述空心电极棒的轴向长度，或，所述定位柱的轴向长度大于所述空心电极棒的轴向长度且小于等于所述安装孔的轴向长度，所述定位柱的径向长度小于所述空心电极棒的内径的径向长度；
所述向所述空隙内填充导电散热材料包括：
向所述空隙内填装所述导电散热材料，使得填装所述导电散热材料的高度大于所述空心电极棒的轴向长度且小于或等于所述定位柱的轴向长度；
在利用所述封堵模具将所述安装孔进行封压之前，所述电极的制作方法还包括：
向所述空心电极棒与所述定位柱之间的空心区域填装所述导电散热材料，使得填装所述导电散热材料的高度大于所述空心电极棒的轴向长度且小于或等于所述定位柱的轴向长度。
6.根据权利要求2所述的电极的制作方法，其特征在于，
在将所述电极棒安装在第二类压头所包括的定位结构上之前，所述将所述电极棒置于所述安装孔内还包括：在所述定位结构上涂抹脱模剂或设置石墨纸；
和/或，
在利用所述第二类压头将所述通孔所具有的第二端口进行封堵之前，所述将所述电极棒置于所述安装孔内还包括：
在所述安装孔的内壁涂抹脱模剂或设置石墨纸。
7.根据权利要求1～3、6任一项所述的电极的制作方法，其特征在于，
所述电极棒为实心电极棒，所述向所述空隙内填充导电散热材料包括：
向所述空隙内填装所述导电散热材料，使得填装所述导电散热材料的高度大于所述实心电极棒的轴向长度且小于或等于所述安装孔的轴向长度；
和/或，
在将所述电极棒置于所述安装孔内之前，所述电极的制作方法还包括：
对所述电极棒进行抛光，利用酸性溶液清洗抛光后的电极棒。
8.根据权利要求1所述的电极的制作方法，其特征在于，所述将所述预制电极在无氧条件下进行烧结，使得所述电极棒的表面形成散热层，获得电极，包括：
在20MPa～40MPa的无氧条件下，采用放电等离子烧结的方式将所述预制电极加热至900℃～1000℃，于900℃～1000℃采用放电等离子烧结的方式烧结5min～20min，获得电极。
9.根据权利要求8所述的电极的制作方法，其特征在于，所述采用放电等离子烧结的方式将所述预制电极加热至900℃～1000℃，包括：
按照100℃/min的升温速率，将所述预制电极加热至500℃；
按照50℃/min的升温速率，将所述预制电极从500℃加热至800℃；
按照10℃/min的升温速率，将所述预制电极从800℃加热至900℃～1000℃。
10.一种电极，包括电极棒及散热层，其特征在于，采用权利要求1～9中任一项所述电极的制作方法制作而成，所述电极棒外表面与所述散热层的内表面形成反应过渡层，以使所述电极棒和所述散热层形成一体化结构。
11.一种等离子体炬，其特征在于，包括权利要求10所述的电极。
12.一种电极模具，其特征在于，包括承装模具和封堵模具，所述承装模具上设有用于放置电极棒的安装孔，所述封堵模具用于封堵所述安装孔。
13.根据权利要求12所述的电极模具，其特征在于，所述安装孔为通孔，所述通孔具有第一端口和第二端口，所述封堵模具包括用于封堵所述第一端口的第一类压头和用于封堵所述第二端口的第二类压头。
14.根据权利要求13所述的电极模具，其特征在于，所述第一类压头的外轮廓与所述通孔的外轮廓相匹配；和/或，所述第二类压头的外轮廓与所述通孔的外轮廓相匹配。
15.根据权利要求13所述的电极模具，其特征在于，所述第二类压头上设有用于对电极棒定位的定位结构，所述定位结构具有的对称轴线与所述安装孔的中心轴线重合。
16.根据权利要求15所述的电极模具，其特征在于，所述定位结构为用于固定实心电极棒的定位槽，所述定位槽的对称轴线与所述安装孔的中心轴线重合；
或，
所述定位结构为用于固定空心电极棒的定位柱，所述定位柱的对称轴线与所述安装孔的中心轴线重合。
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