CN112974834B - 等离子炬阴极材料前驱粉体及其制备方法及等离子炬阴极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子炬阴极材料前驱粉体及其制备方法及等离子炬阴极，其中，等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，包括：液相掺杂步骤：以第一预设比例将稀土硝酸盐和氯氧化铪进行液相掺杂，得到含有RE⁺、NO₃ ^‑、Hf⁴⁺和Cl^‑的第一溶液；还原剂掺杂步骤：以第二预设比例将还原剂掺杂至所述第一溶液中，得到第二溶液；除水掺杂步骤：去除所述第二溶液中水分，得到第一粉体；还原步骤：在惰性气氛保护下，加热所述第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体。该方法简单、有效并且均匀地的将稀土氧化物掺杂至铪的晶界和/或晶粒中，因为两种材料掺杂得更加均匀，提高了通过使用这种前驱粉体制备等离子炬阴极的热导性、电导性及强度，最终提升等离子体炬使用寿命。

Description

等离子炬阴极材料前驱粉体及其制备方法及等离子炬阴极

技术领域

本发明涉及新材料制备及利用技术领域，尤其涉及一种等离子炬阴极材料前驱粉体及其制备方法及等离子炬阴极。

背景技术

等离子体是电弧与介质接触而产生的一种高温、离子化和传导性的气体状态。由于电离气体的导电性，使电弧能量迅速转移并变成气体的热能，形成一种高温气体射流和高强度热源。等离子体炬系统的先进性和高效性，使得这等离子体技术在以节能环保安全为目标的技术改造和发展绿色能源等方面具有巨大的推广潜力。

现代等离子体炬装置已在等离子体化工、等离子切割、等离子喷焊和危废处理等领域中得到广泛应用。对于现有等离子体炬而言，其使用寿命的长短主要受到内部所设置的电极的影响。随着等离子体炬的发展，现在技术制备得到的耐高温铜合金阳极寿命已基本能稳定达到上百小时，足以满足使用寿命的要求。现存在的主要问题是：等离子炬用的阴极材料寿命相对较短，尤其是等离子水炬用阴极材料现有寿命只能达到20-40h左右，导致等离子炬在使用过程中需经常更换阴极头，这严重影响其使用效果，在某些特定环境中使用时极不方便。为延长等离子体炬整体使用寿命及更轻松的维护设备，因此寻求新的工艺制备长寿命等离子体炬用阴极材料是十分必要的。

现制备等离子炬阴极材料的常规手段是粉末冶金法，制取粉体是其第一步，粉体质量的优劣直接影响后续制备工艺及材料最终性能。因此，制备得到高性能等离子体炬阴极材料用的前驱粉体至关重要。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种等离子炬阴极材料前驱粉体及其制备方法及等离子炬阴极，从而得到质量优良的等离子炬阴极材料，进而延长等离子炬阴极的使用寿命。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，包括：掺杂步骤：以第一预设比例将稀土硝酸盐和氯氧化铪进行掺杂，得到含有RE⁺、NO₃ ^-、Hf⁴⁺和Cl^-的第一溶液；还原剂掺杂步骤：以第二预设比例将还原剂掺杂至所述第一溶液中，得到第二溶液；除水掺杂步骤：去除所述第二溶液中水分，得到第一粉体；还原步骤：在惰性气氛保护下，加热所述第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体。

进一步地，所述第一预设比例为：0.1wt％～10wt％。

进一步地，所述第二预设比例为：还原剂与氯氧化铪的质量比为1:1～2:1。

进一步地，所述除水掺杂步骤具体为：将所述第二溶液通过喷雾干燥或者液相共沉淀进行除水，得到第一粉体。

进一步地，所述除水掺杂骤具体还包括：将所述第一粉体在预设条件下进行真空干燥。

进一步地，所述除水掺杂步骤还包括：将所述第一粉体加热至预定温度去除含有C和N的杂质。

进一步地，所述还原步骤具体还包括：将所述第一粉体进行热分解去除含有C和N的杂质之前，将所述第一粉体进行研磨过筛。

进一步地，所述还原步骤为：在具有还原性的惰性气氛保护下，加热所述第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体。

进一步地，所述还原步骤之前还包括：将所述第一粉体进行研磨。

进一步地，还包括：将所述等离子炬阴极材料前驱粉体进行酸洗和干燥步骤，得到除还原剂的等离子炬阴极材料前驱粉体。进一步地，还包括：将所述等离子炬阴极材料前驱粉体进行研磨过筛。

根据本发明的另一个方面，提供一种等离子炬阴极材料前驱粉体，通过上述技术方案任一项所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法制备得到。

根据本发明的又一方面，提供一种等离子炬阴极，由上述技术方案所述的等离子炬阴极材料前驱粉体材料制备而成。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

相比于纯Hf阴极材料，稀土氧化物掺杂的Hf材料能有效提升阴极材料的质量；但是，由于Hf的晶体结构十分稳定，传统的高能球磨的方法难以实现良好的掺杂效果。通过本发明方法简单、有效并且均匀地的将稀土氧化物掺杂至铪的晶界和/或晶粒中，因为两种材料掺杂得更加均匀，提高了通过使用这种前驱粉体制备等离子炬阴极的热导性、电导性及强度，最终提升等离子体炬使用寿命。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法流程图；

图2是根据本发明一可选实施方式的等离子炬阴极制备方法流程图；

图3是根据本发明一可选实施方式的等离子炬阴极的微观结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

显然，所描述的实施例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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，在发明实施例的第一方面，提供了一种等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，包括：

掺杂步骤：以第一预设比例将稀土硝酸盐和氯氧化铪进行掺杂，得到含有RE⁺、NO₃ ^-、Hf⁴⁺和Cl^-的第一溶液；

还原剂掺杂步骤：以第二预设比例将还原剂掺杂至所述第一溶液中，得到第二溶液；还原剂优选为镁，由于镁的还原性相对适中，而且易去除，所以将镁应用在该实验步骤效果更好。

去水除杂步骤：去除所述第二溶液中水分使稀土氧化物掺杂至铪的晶格和/或晶界中，得到第一粉体；优选的，在除水之后去除所述第二溶液中含有C和N的杂质。在惰性气体氛围还原铪之前，优选在空气条件下加热使C和N氧化去除，一方面是此时通过加热就可去除掉这两种杂质，操作较为简单；另一方面，这样可以防止在无氧条件下还原铪的时候，碳和氮会固化到铪中。

还原步骤：在惰性气氛保护下，加热所述第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体。该还原步骤的主要目的是，将Hf⁴⁺还原为Hf。

上述实施例方法可以简单有效并且均匀地的将稀土氧化物掺杂至铪的晶界和/或晶粒中，由这种掺杂方式制备的前驱粉体中两种材料掺杂得更加均匀；通过使用这种前驱粉体制备等离子炬阴极，由于等离子炬阴极材料具高的熔点及热稳定性能，从而改善阴极的热稳定性；并且，稀土氧化物和铪的细化作用使晶粒细化，晶界增加，有效提升二者所形成的合金的强度；提高了阴极在使用过程中的热导性、电导性及强度，最终提升等离子体炬使用寿命。

本实施例中选取了能够溶于水的稀土与铪两种金属的化合物—稀土硝酸盐和氯氧化铪，使二者能够在液相状态下达到掺杂的效果，再通过还原剂将铪离子还原为铪金属，解决到了稀土氧化物-铪液相无法掺杂的问题。还原剂溶于水之后再溶解至二者的混合溶液中，达到了还原剂离子能够与铪离子的充分混合的效果，避免了去除水分之后再混入还原剂粉体的时候，固-固混合不均的现象。去水除杂步骤目的是使稀土氧化物掺杂至铪的晶格和/或晶界中。

可选的，所述第一预设比例为：0.1wt％～10wt％。在此比例范围获得前驱粉体所制备的等离子体阴极热导性、电导性及强度性能最佳。

可选的，所述第二预设比例为：还原剂与氯氧化铪的质量比为1:1～2:1。在此比例范围还原剂可以将氯氧化铪进行充分还原。

进一步的，所述除水掺杂具体为：将所述第二溶液通过喷雾干燥或者液相共沉淀进行除水，得到第一粉体。优选喷雾干燥，由于混合均匀的溶液在高压下通过喷腔被分散成微粒，在热空气作用下瞬间被干燥成粉末更利于稀土氧化物掺杂至铪的晶界或者晶粒中。此外，为了使喷雾后的颗粒更细小，即稀土氧化物能够掺杂至铪的晶界和晶粒中，而不是两种金属类物质的简单混合，在稀土硝酸盐和氯氧化铪的比例为0.1wt％～10wt％的范围时，稀土氧化物能够更迅速均匀地掺杂至铪的晶界和晶粒中。喷雾干燥过程中，条件优选为进口温度为160℃～200℃，出口温度保持在90℃～100℃，整个喷雾干燥过程中，对溶液进行均匀不间断搅拌以保证溶液的均匀性，达到稀土氧化物与铪更好掺杂的效果。喷雾干燥的温度选择适当高于水分的蒸发点，使水分快速蒸发。

可选的，所述去水除杂步骤具体还包括：将所述固相粉体在预设条件下进行真空干燥。

可选的，所述除水掺杂步骤还包括：将所述第一粉体加热至预定温度去除含有C和N的杂质。其中，预定温度优选为400～500℃，该温度的选择是为了高于硝酸根与氧气反应生成气体的温度。

可选的，所述还原步骤具体还包括：将所述第一粉体进行过筛。保证粉末颗粒的一致性，并且更细的粉体，能够将还原剂与铪更好地混合，使铪离子得到充分还原。

可选的，所述还原步骤优选为：在具有还原性惰性气氛保护下，加热所述第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体。该气氛能够更加促进铪离子的还原。其中，具有还原性惰性气氛优选氢环境，氢环境为干燥的氢气环境，有还原效果及保证热还原过程中环境的洁净无污染效果。该步骤的加热温度为600～900℃，该温度范围是为了能够保证提供足够的热力学能量促进还原反应的进行。

可选的，利用喷雾干燥进行除水掺杂，喷雾干燥过程中，条件优选为进口温度为160℃～200℃，出口温度保持在90℃～100℃；利用热分解的方式除含有C和N的杂质，热分解的温度为400～500℃；并且在600～900℃温度条件下进行热还原第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体。根据反应温度由低至高，将反应步骤依次设置为低温除水掺杂、稍高温去除C、N杂质，更高温的还原反应，既屏除了前一反应对后面反应的影响，又能够达到很好地将稀土氧化物掺杂至铪内部的整体效果。

可选的，所述还原步骤具体还包括：将所述第一粉体进行研磨。因为热分解去除碳氮之后，由于加热-降温过程会使粉体部分结块，所以需要研磨粉碎。

可选的，还包括：将所述等离子炬阴极材料前驱粉体进行酸洗和干燥步骤，得到除杂的等离子炬阴极材料前驱粉体。为了清洗得更加充分、粉体分散更加均匀，优选在进行酸洗之前先在氩气环境下进行加热，在氩气条件下加热是为了使粉末更分散，利于后续酸洗去除镁还原剂时粉体更加均匀、更容易清洗掉镁。通过除杂使铪的晶格畸变减弱，电子散射几率减少，提高导电性。

优选的，还包括：将所述等离子炬阴极材料前驱粉体进行研磨过筛。目的是为了制备的等离子炬阴极更均匀。

根据本发明的另一个方面，提供一种等离子炬阴极材料前驱粉体，通过上述技术方案任一项所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法制备得到。

根据本发明的又一方面，提供一种等离子炬阴极，由上述技术方案所述的等离子炬阴极材料前驱粉体材料制备而成。

如图2所示，在一可选实施例中，提供一种等离子炬阴极的制备方法，包括：制备稀土氧化物-铪前驱粉体；将前驱粉体通过烧结获得阴极块及将阴极块机械切割成为所需形状的等离子炬阴极。

其中，前驱粉体的制备方法包括：

在液相状态下将稀土硝酸盐和氯氧化铪进行掺杂获得具有RE⁺(稀土元素)、NO₃ ^-、Hf⁴⁺和Cl^-的第一溶液；

将Mg还原剂在液相状态下掺杂至第一溶液中，获得第二溶液；

去除第二溶液中的水分，并得到第一粉体，将第一粉体在400～500℃下热处理去除C和N两种杂质，获得第二粉体；其中去除水分的方法优选为喷雾干燥法，在去除水分后，稀土氧化物掺杂至铪的晶界和晶粒中；

将第二粉体至于气氛炉中进行热还原，热还原过程中Mg将Hf⁴⁺还原为金属Hf(HfCl+2Mg＝Hf(固体)+2MgCl₂)温度为600～900℃保温2～4h，获得第三粉体，即混合的稀土氧化物-铪前驱粉体。

还包括，步骤5，为除还原剂Mg的步骤。

还包括，利用制备的稀土氧化物-铪来烧结制备等离子炬阴极。

前驱粉体的制备方法具体实施步骤如下：

1-1、称取定量分析纯的稀土硝酸盐放入干燥、洁净的烧杯中，缓慢倒入去离子水，使用搅拌器进行充分搅拌，直至溶液呈透明状，形成含有RE⁺和NO₃ ^-两种离子的水溶液；

1-2、称取定量的氯氧化铪粉末溶于去离子水中，使用搅拌器充分搅拌至沉淀完全消失，然后将此溶液顺着玻璃棒缓慢倒入步骤1-1所述的稀土硝酸盐溶液中，然后进行充分搅拌，至整个混合溶液呈透明状，形成含有RE⁺、NO₃ ^-、Hf⁴⁺、Cl^-离子的水溶液；

其中，稀土氧化物的加入量按照最终制成等离子炬阴极材料的0.01～10wt％计算，且稀土硝酸盐的加入量按照根据稀土氧化物和稀土硝酸盐的分子式计算获得。

2、称取至少氯氧化铪1～2倍质量的Mg溶于去离子水，使用搅拌器充分搅拌至沉淀完全消失，然后将此溶液顺着玻璃棒缓慢倒入步骤1-2所述的混合溶液，搅拌至溶液呈透明状，此时水溶液中离子包括RE⁺、NO₃ ^-、Hf⁴⁺、Cl^-和Mg²⁺；

3-1、将步骤2制备得到的混合溶液置于喷雾干燥机上进行喷雾干燥，获得固相第一粉体；

为了获得更细的第一粉体粒径，优选喷雾干燥过程中，进口速率为300ml/h～500ml/h，进口温度为160℃～200℃，出口温度保持在90℃～100℃，鼓风速率在0.4m³/min～0.8m³/min之间自由调节，整个喷雾干燥过程中，对溶液进行均匀不间断搅拌；

或者，利用溶胶凝胶、液相共沉淀法替代喷雾干燥法获得固相第一粉体；

优选，在步3-1之后将第一粉体置于真空干燥箱中，进行高温干燥，干燥工艺为：100℃保温12h。

3-2将第一粉体放置于钨坩埚中，在马弗炉中进行400～500℃热分解，去除C、N等杂质元素获得第二粉体。

还包括，将获得的第二粉体进行充分研磨，过100目筛。

4、将第二粉体放入管式还原炉中进行还原并获得第三粉体：在干氢环境下以2～10℃/min的速度升温至600～900℃保温2～4h,自然冷却之室温，取出；

还包括，将获得的第三粉体进行充分研磨，过200目筛。

5、将第三粉体放入管式还原炉中，在氩气环境下以2～10℃/min的速度升温至400～600℃保温2～4h,自然冷却之室温，取出。然后在HCl条件下进行酸浸工艺，洗涤过滤，去除还原剂Mg杂质，然后充分干燥粉末，过200～300目筛。

前驱粉体烧结获得阴极块的步骤具体为：

1、将稀土氧化物-铪的前驱粉体缓慢装入石墨模具，然后进行压制成型。

2、将压制好的掺杂粉末同石墨模具一起放入SPS放电等离子烧结腔内，具体为：调整烧结压力为30Mpa。反复抽真空至5Pa后通入氩氢混合气反复清洗烧结腔三次，然后通入氩氢混合气进行烧结。调整输出电流，以30℃/min的速率升温900℃，保温3min，进行预烧；再以20℃/min的速率升温至1300℃，保温2min；然后以10℃/min升温至粉末出现熔融状态后，保温5min；断电，使用循环水快速冷却至室温，取出样品。整个烧结及降温过程保证氩氢混合烧结气体持续流通。

阴极块机械切割制备阴极的步骤为：将阴极块进行精密切割，加工成直径2-3mm，长度5mm的圆柱形阴极芯，镶嵌于铜合金底座上。

实施例

称取2g分析纯的稀土硝酸盐放入干燥、洁净的烧杯中，缓慢倒入40ml去离子水中，使用搅拌器进行充分搅拌，直至溶液呈透明状。

称取40g的氯氧化铪粉末溶于200ml去离子水中，使用搅拌器充分搅拌至沉淀完全消失，然后将此溶液顺着玻璃棒缓慢倒入已搅拌均匀的稀土硝酸盐溶液中，搅拌，至整个混合溶液呈透明状。

称取50gMg溶于去离子水，使用搅拌器充分搅拌至沉淀完全消失。将上述溶液混合，搅拌置于喷雾干燥机上进行，喷雾干燥，进口速率为400ml/h，进口温度为180℃，出口温度保持在95℃，鼓风速率在0.6m³/min，整个喷雾干燥过程中，对溶液进行均匀不间断搅拌。

将喷雾干燥后的第一粉体置于真空干燥箱中，100℃保温12h。然后将干燥后掺杂粉体放置于钨坩埚中，在马弗炉中450℃热分解，分解后粉末研磨过100目筛。

将过筛后的掺杂粉体放入管式还原炉中，在干氢环境下以5℃/min的速度升温至800℃保温2～4h，自然冷却之室温，取出，研磨，过200目筛。

将研磨后制备得到粉体放入管式还原炉中，在氩气环境下以5℃/min的速度升温至600℃保温4h,自然冷却之室温，取出。

然后在HCl条件下进行酸浸工艺，洗涤过滤，去除还原剂杂质，然后充分干燥粉末，过200目筛。

将最终得到的掺杂粉体缓慢装入石墨模具，然后进行压制成型后放入SPS放电等离子烧结腔内，具体为：调整烧结压力为30Mpa。反复抽真空至5Pa后通入氩氢混合气反复清洗烧结腔三次，然后通入氩氢混合气进行烧结。调整输出电流，以30℃/min的速率升温900℃，保温3min，进行预烧；再以20℃/min的速率升温至1300℃，保温2min；然后以10℃/min升温至粉末出现熔融状态后，保温5min；断电，使用循环水快速冷却至室温，取出样品。

将制备得到的阴极块进行精密切割，加工成直径2～3mm，长度5mm的圆柱形阴极芯，镶嵌于铜合金底座上，在等离子炬上进行寿命测试。

通过上述实施例制得的等离子炬阴极微观结构如图3所示，从该图可以看出稀土氧化物已经掺杂至铪内部的晶界和晶粒内部，该合金结构由于稀土氧化物具高的熔点及热稳定性能改善合金的热稳定性；稀土氧化物和铪的细化作用使晶粒细化，晶界增加，有效提升二者所形成的合金的强度；通过几个去除杂质的步骤，较容易地去除了铪中杂质，使铪的晶格畸变减弱，电子散射几率减少，提高导电性。

本发明旨在保护一种等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，包括：液相掺杂步骤：以第一预设比例将稀土硝酸盐和氯氧化铪进行液相掺杂，得到含有RE⁺、NO₃ ^-、Hf⁴⁺和Cl^-的第一溶液；还原剂掺杂步骤：以第二预设比例将还原剂掺杂至所述第一溶液中，得到第二溶液；除水掺杂步骤：去除所述第二溶液中水分，得到第一粉体；还原步骤：在惰性气氛保护下，加热所述第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体。通过本发明方法可以简单有效并且均匀地的将稀土氧化物掺杂至铪的晶界和/或晶粒中，通过使用这种前驱粉体制备等离子炬阴极，因为两种材料掺杂得更加均匀，提高了阴极在使用过程中的热导性、电导性及强度，最终提升等离子体炬使用寿命。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，其特征在于，包括：

液相掺杂步骤：以第一预设比例将稀土硝酸盐和氯氧化铪进行液相掺杂，得到含有RE⁺、NO₃ ^-、Hf⁴⁺和Cl^-的第一溶液；

还原剂掺杂步骤：以第二预设比例将还原剂掺杂至所述第一溶液中，得到第二溶液，所述还原剂为镁；

除水掺杂步骤：去除所述第二溶液中水分，得到第一粉体；

还原步骤：在惰性气氛保护下，加热所述第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体；

所述第一预设比例为稀土硝酸盐和氯氧化铪之比，所述第一预设比例为：0.1wt%~10wt%；

所述第二预设比例为还原剂与氯氧化铪的质量比：所述第二预设比例为1:1~2:1。

2.根据权利要求1所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，其特征在于，所述除水掺杂步骤具体为：

将所述第二溶液通过喷雾干燥或者液相共沉淀进行除水，得到第一粉体。

3.根据权利要求2所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，其特征在于，所述除水掺杂骤具体还包括：

将所述第一粉体在预设条件下进行真空干燥。

4.根据权利要求1所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，其特征在于，所述除水掺杂步骤还包括：

将所述第一粉体加热至预定温度去除含有C和N的杂质。

5.根据权利要求4所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，其特征在于，将所述第一粉体进行热分解去除含有C和N的杂质之后，将所述第一粉体进行研磨过筛。

6.根据权利要求1所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，其特征在于，所述还原步骤为：

在具有还原性的惰性气氛保护下，加热所述第一粉体，得到等离子炬阴极材料前驱粉体。

7.根据权利要求1所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，其特征在于，所述还原步骤之前还包括：

将所述第一粉体进行研磨。

8.根据权利要求1-7任一项所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法，其特征在于，还包括：

将所述等离子炬阴极材料前驱粉体进行酸洗和干燥步骤，得到除还原剂的等离子炬阴极材料前驱粉体。

9.一种等离子炬阴极材料前驱粉体，其特征在于，通过权利要求1-8任一项所述的等离子炬阴极材料前驱粉体制备方法制备得到。

10.一种等离子炬阴极，其特征在于，由权利要求9所述的等离子炬阴极材料前驱粉体材料制备而成。

Images