CN113038680B

CN113038680B - 一种耐电弧烧蚀的电极结构及其制备方法

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Publication number: CN113038680B
Application number: CN202110158552.5A
Authority: CN
Inventors: 刘嘉斌; 关慰勉; 王宏涛; 方攸同
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2041-02-05
Also published as: CN113038680A

Abstract

本发明公开了一种具有耐电弧烧蚀特性的电极结构，该电极结构由表及里至少包括表层、双相层和基体层，其中基体层为金属；所述表层为金属氧化物，所述双相层为所述表层与所述基体层之间的夹层，所述双相层由所述金属和所述金属氧化物聚集形成。所述金属氧化物由所述基体层的金属原位氧化形成。其中所述金属及其金属氧化物满足该金属氧化物具有比该金属低的电子逸出功和比该金属高的熔点。且所述金属氧化物为基体层的金属通过燃弧放电在基体层上原位氧化形成。所述电极具有均匀电弧烧蚀特性，且该电极的均匀烧蚀行为在长时燃弧放电过程中，具备良好的可持续性。本发明还公开了该电极的制备方法及在燃弧放电中的应用。

Description

一种耐电弧烧蚀的电极结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电弧放电装置的电极，尤其涉及一种具有层状结构的电弧放电装置的阴极以及该阴极的制备方法。

背景技术

阴极是等离子体发生器中最重要的部件，其材料为高熔点金属，现有技术中多采用具有高熔点的金属钨。而烧蚀是电弧等离子体应用，如真空触头开关、电弧焊接及等离子体切割中无法避免的阴极失效的主要过程。燃弧时，电弧等离子体内电场方向为阳极端至阴极端，弧柱内中性分子电离形成的阳离子被电场加速、轰击阴极表面，由于发射电子和被离子轰击，阴极斑点温度极高，通常超过阴极材料的熔点，阴极材料表面熔化、蒸发、升华，甚至沸腾并喷溅出液态粒子，引起阴极材料的损失，即发生阴极的电弧焼蚀。烧蚀穿孔是常见的阴极失效方式之一，在弧根内阴极斑点和表面气流的综合作用下，电极局部位点形成烧蚀孔，阻碍阴极斑点的顺滑移动，随服役时间增加，烧蚀孔将逐渐加深和扩展，形成底部有深孔的烧蚀凹坑，进而诱发结构失稳，导致电极在达到其理论服役寿命前失效。电极的提前失效，严重威胁电弧等离子体设备的运行稳定性。

目前，针对电极的非均匀烧蚀过程，多以组织优化和表面改性两种方式加以改善。通过细化晶粒，诱发阴极斑点的顺滑移动，加速其在电极表面的运动，减少在局部位点的驻留时间，以此缓解烧蚀孔的加深。此外，通过喷镀和激光表面改性等，于电极表面增材强化层，提升耐电弧烧蚀性能，避免服役期未满的提前失效。

然而，组织优化和表面改性等常规手段，实际使用中受到晶粒尺寸和改性层厚度等限制，如细化后的晶粒将在弧根极高的热输入下再结晶、粗化，失去原有效果；改性层的厚度等难以灵活根据燃弧放电的条件（电流、弧长、时间等）进行调整，且改性层烧损后，再度诱发阴极的非均匀烧蚀过程，因此，现有手段无法从根本上消除阴极斑点引发的非均匀烧蚀过程。

由于氧化物作用可以减小逸出功，提高热电子发射能力，从而降低烧蚀速率。在现有技术中，在高熔点金属钨中添加少量的Th、Ce、Ba等的氧化物形成阴极材料，如专利文献日本特开平5-54854号公报，在添加了这些氧化物的钨合金为阴极，在进行放电工作时，氧化物从合金内部扩散到阴极表面，弥补放电表面的消耗，虽然有降低功函数的效果，但氧化物的扩散过程成为限速步骤而妨碍了特性的提高。

发明内容

为克服现有技术中的上述问题，从根本上消除阴极斑点引起的电弧放电过程中的阴极非均匀焼蚀问题，本发明拟设计一种以金属为基体层的具有层状结构的电极以及其制备方法，该电极具备燃弧放电均匀性、具有均匀电弧烧蚀特性。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案。

一种具有层状结构的电极，该电极由表及里至少包括表层、双相层和基体层，其中基体层为金属；所述表层为金属氧化物，所述双相层为所述表层与所述基体层之间的夹层，所述双相层由所述金属和所述金属氧化物聚集形成。所述金属氧化物由所述基体层的金属原位氧化形成。其中所述金属及其金属氧化物满足该金属氧化物具有比该金属低的电子逸出功和比该金属高的熔点。更为具体的，所述金属选自铪、锆、钇中任意一种。

进一步地，所述金属氧化物为基体层的金属通过燃弧放电在基体层上原位氧化形成。该方法通过燃弧放电过程可以在作为阴极的基体层金属局部瞬时输入极高热流，熔化基体层金属表面并氧化反应生成液膜，形成的液膜包覆阴极金属表面拟形成层状结构电极的制备区域。

进一步地，所述具有层状结构的电极，具有均匀电弧烧蚀特性，具体的，均匀电弧烧蚀特性表现为：所述电极燃弧时，电极表面呈球形亮斑，亮斑内放电均匀，即无局部驻点或移动的离散斑点。且发明人发现该电极的均匀烧蚀行为在长时燃弧放电过程中，具备良好的可持续性。

本发明还提供了上面所述一种具有层状结构的电极的制备方法，所述制备方法采用燃弧放电法，其步骤包括：

（1）、将块状金属安装于电弧发生装置的阴极位置，块状金属作为阴极；安装前确保块状金属表面平整光滑无氧化层；所述金属形成所制得的具有层状结构的电极的基体层；

（2）、在电弧发生装置持续通入氧化性气氛，使阴极表面的燃弧空间保持均匀氧化气氛；

（3）、设定电弧发生装置阶梯状电流增长程序，并设定弧根移动路径。所述设定电弧发生装置阶梯状电流增长程序是指设定电弧发生装置的稳弧电流值成阶梯增长。所设定的弧根移动路径确保所述电弧发生装置在燃弧过程中的每个阶梯稳弧电流值下其弧根移动均须覆盖所述电极制备区域；所述电极制备区域指：根据所述电极在后续应用于燃弧放电工作时的燃弧环境对均匀烧蚀区域的需求设定，所述电极制备区域至少覆盖所述电极在后续应用于燃弧放电工作时的烧蚀区域。

（4）、启动电弧发生器，击穿阳极和阴极的气隙，产生电弧，所述电弧发生装置的燃弧的弧根按照设定的弧根移动路径移动，并执行已设定的阶梯状电流增长程序，持续燃弧，在燃弧过程中，在作为阴极的金属上产生金属氧化物表层、以及金属和金属氧化物聚集的双相层，最后形成由表及里分别为金属氧化物表层、金属和金属氧化物聚集的双相层以及金属基体层的所述具有层状结构的电极。

具体的，其中步骤（3）所述设定弧根移动路径，通常根据所需制得的电极在后续应用于燃弧放电工作时的燃弧环境对均匀烧蚀区域的需求，划定所述电极在金属基体层的制备范围，从而确定制备所述电极时所述电弧发生装置的顶部阳极端移动路径，也即弧根移动路径。例如实施例1，根据所需制得的电极在后续应用的使用环境，确定其所需的均匀焼蚀区域为不大于直径5.5 mm圆形区域，因此，在本步骤中实施例1设定弧根移动路径的方法为：设定最终制得的具有层状结构的电极的制备范围为直径5.5 mm圆形区域，因此设定弧根绕心运动轨迹为直径5.5 mm圆，通过在燃弧过程中按照所设定的弧根移动路径移动电弧发生装置的顶部阳极端，最终在金属基体层上制得直径5.5 mm圆形电极，满足制得的所述电极在后续应用所需的均匀烧蚀区域在不大于直径5.5mm圆形区域内。当然，实现所述设定弧根移动路径，除了如实施例中采取移动顶部阳极端的方法，还可以通过固定阳极，引入外磁场和气流来控制弧根的移动。

所述设定弧根移动路径，其目的在于调控制备过程中电弧发生装置的阴极表面弧根附着区域，避免弧根长时在一局部驻留，引发烧蚀穿深加剧，降低最后制得的电极服役寿命。同时，通过控制弧根烧蚀范围，可灵活应对不同形状的电极放电表面形貌，如平面、椭球面等。

其中步骤（3）所述设定电弧发生装置的阶梯状电流增长程序，是指设定电弧发生装置的稳弧电流值以及各稳弧电流值的维持时间。所述阶梯状电流增长程序，其设定方法为：

输入所述电极在实际应用时的稳弧工作电流值(XA)；

根据X值，计算其与10的最大整约数a，据此在0~X A间划分a个梯度，每个梯度下对应电流分别为10*n A（其中n=1、2、……、a-1、a），电流由0增长时，于每个梯度电流下稳弧时间为(10+5n) s，梯度间电流增长速率为2 A/s；

例如，实施例1中，该实施例制得的阴极在实际稳弧工作时电流值X=50，则a=5，在0~50A之间划分5个梯度，每个梯度对应的电流为10 A、20 A、30 A、40 A、50A，相应每一梯度电流的稳弧时间分别为15 s、20 s、25 s、30 s和35s。

所述的阶梯状电流增长程序，其目的在于促进金属阴极表面的金属氧化层逐步生成，使弧根始终承载于形成的金属氧化物液膜表面。在任一电流梯度值的恒流燃弧下，氧化层液膜充分扩展，均匀化烧蚀过程，随电流值逐步升高，相应恒流稳弧时间增长，给予氧化层充足均匀化时间。采取梯度增长燃弧电流的方式，可有效缓解电流激增导致的弧根对氧化层液膜搅动过程，并避免金属氧化层出现整体剥离，比如对比例1，在燃弧放电的制备过程中，电流采取直增至上限值即实际稳弧电流50 A的方式，制得的电极出现了表层氧化层剥落形貌，性能恶化。

在上述制备方法中，具体制备过程可陈述如下。

金属作为电弧发生装置的阴极，初始燃弧放电时，由于金属需以热化学电子发射机制，发射足量电子维持电弧稳定，其表面电弧弧根处温度非常高，此温度超过金属及其氧化物的熔点，比如，如果金属为锆，该温度维持在3000 K以上，超过锆及氧化锆的熔点。在该温度下，金属将熔化并蒸发，与金属阴极的熔化、蒸发同时发生的是，熔融金属的氧化行为。高温下熔融金属反应活性提升，加速与电弧等离子体反应，原位形成金属氧化物，金属氧化物形成即熔化，产生液态金属氧化物，因其与液态金属不互溶性和较小的密度，大部分金属氧化物自然的聚集于熔池表面，形成表层强化液膜，而熔融金属与少量金属氧化物聚集于熔池底部，构成双相层。在燃弧条件下，氧化过程非常迅速，比如，在实施例1中，在燃弧烧蚀仅15 s后，在金属铪阴极上已形成了由表及里分别为表层氧化铪、双相层金属铪和氧化铪聚集和基体层金属铪的层状结构，且表层氧化铪厚度已达约20 μm；再例如在实施例2中，阴极金属为锆时，仅需5s，即可于锆阴极表面生成约10μm的氧化锆表层。随着继续执行梯度电流增长程序，在燃弧放电时间增加的过程中，始终于双相层-金属氧化物液膜界面发生熔融金属的氧化，补给表层金属氧化物层的蒸发烧损，同时基体层金属补充双相层里氧化消耗的金属，表层金属氧化层的烧损，主要以蒸发过程为主；在执行梯度电流增长程序初期，金属氧化速度大于烧损速度，表层金属氧化物随燃弧放电时间增加而增厚，最终烧损量与熔融金属的氧化增量相平衡，表层金属氧化物稳定于某一厚度，电极保持表层-双相层-基体层的稳定结构，比如实施例1制得的电极，最后表层氧化铪的厚度在约100 μm时保持稳定。其中，在整个燃弧放电过程中，金属氧化物始终以液态形式存在，承载电弧并包覆底部金属阴极，降低烧蚀速率。

本发明还提供了上述一种具有层状结构的电极的应用，所述具有层状结构的电极，用作燃弧放电装置的阴极。工作时，所述电极的金属氧化物表层和其双相层构成熔池，由于表层金属氧化物具有比基体层金属更低的电子逸出功和比基体层金属更高的熔点，因此高熔点金属氧化物表层液膜承载电弧阴极弧根，并显著降低电弧近电极电势，均匀化放电过程。而尤其当所述燃弧放电装置在具有氧化活性的气氛下工作时，比如所述电极应用为空气等离子体切割装置的阴极，在空气氛围中；还比如燃弧放电装置使用氩气和氧气的混合气气氛。在具有氧化活性的气氛下工作时，双相层内熔融的金属实时氧化为金属氧化物，补给电极表层金属氧化物的烧损；同时电极的基体层金属补充双相层里氧化消耗的金属；保证电极在工作时其表层-双相层-基体层的结构稳定，实现电极在工作时的均匀稳定的燃弧特性。同时高熔点的电极表层金属氧化物保护了电极的基体层金属，显著降低烧损速率，延长电极服役寿命。本发明所述具有层状结构的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，本发明所述具有层状结构的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，一种制备及应用本发明电极的方法，即在燃弧过程的初期采用氧化气氛直接原位形成所述电极，所述电极形成后，将应用环境切换至真空环境放电，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。

附图说明

图1为实施例1弧根绕心轨迹运动示意图。其中1为弧根、2为弧根做绕心运动的轨迹、3为阴极金属。

图2为实施例1的梯度电流增长曲线。

图3为实施例1制备过程中在不同电流下放电的阴极滤光捕捉图。

图4为实施例1制备过程中电极截面扫描电子显微图，(d).氧化铪层厚度随阴极燃弧放电时间变化曲线。

图5为实施例1制备过程中电极在燃弧特定时间后表面三维轮廓图及电极表面烧损扫描电子显微照片。

图6为对比例1电极燃弧放电滤光捕捉图。

图7对比例1中电极燃弧放电后表面扫描电子显微照片。

图8为对比例2在驻点燃弧制备工艺下弧根位置示意图。

图9为对比例2在驻点燃弧制备工艺下阴极滤光捕捉图。

图10为对比例2在驻点燃弧制备工艺下燃弧放电后电极表面扫描电子显微照片。

图11为实施例2的梯度电流增长曲线。

图12为实施例3的梯度电流增长曲线。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明做详细的说明。

实施例1：

本实施例制得金属铪为基体层、金属铪和氧化铪为双相层以及氧化铪为表层的具有层状结构的电极。该电极实际燃弧中稳弧电流为50 A；根据该电极的应用环境，承载弧根区域为直径5mm的圆形区域。

该电极的制备过程如下：

1. 将纯金属块铪表面铣削平整，并以丙酮浸泡去除油污后，作为阴极装夹于电弧发生装置；

2. 启动电弧发生装置外部活性气源，使燃弧空间内充满活性氧化气氛；

3. 根据电极实际燃弧中稳弧电流为50 A，设定梯度电流增长程序（如图2）；在电弧发生装置输入50 A电流上限，在0~50A之间划分5个梯度，每个梯度对应的电流为10 A、20A、30 A、40 A、50A，相应每一梯度电流的稳弧时间分别为15 s、20 s、25 s、30 s和35s，梯度间电流增长速率为2 A/s。

根据制得的电极应用环境，承载弧根区域为直径5mm的圆形区域。因此设定电极的制备范围为直径5.5mm圆形区域，由此，设定弧根移动路径为绕心运动轨迹，形成直径5.5mm圆形区域，如图1所示，且其绕心运动确保每个梯度电流的稳弧时间内均需覆盖该直径5.5mm圆形区域。

4．启动电弧发生装置，击穿阳极和阴极的气隙，产生电弧，电流按既设定的梯度电流增长程序执行，电弧发生装置的顶部阳极端按照设定的弧根移动路径移动，进行持续燃弧，在持续的燃弧过程，在作为阴极的铪金属表面将熔化并蒸发，同时熔融金属铪在氧化气氛下与电弧等离子体反应进行氧化，原位形成氧化铪，氧化铪形成即熔化，产生液态氧化铪，因其与液态铪不互溶性和较小的密度，大部分氧化铪自然的聚集于熔池表面，形成表层强化液膜，而同时熔融金属铪与少量氧化铪聚集于熔池底部，构成双相层。随着继续执行梯度电流增长程序，在燃弧放电时间增加的过程中，始终于双相层-氧化物铪液膜界面发生熔融金属铪的氧化，补给表层氧化铪层的蒸发烧损，同时基体层金属铪补充双相层里氧化消耗的铪，直到最后电极保持表层-双相层-基体层的稳定结构，形成由表及里分别为氧化铪表层、金属铪和氧化铪聚集的双相层以及金属铪基体层的具有层状结构的电极。

电极的均匀电弧烧蚀特性监测：

对本实施例制备层状结构的电极的过程进行实时测试，观察到电极在燃弧过程，可实现持续均匀烧蚀的特性。具体执行如下：

电流按设定程序阶梯增长时，电流分别为10 A，30 A和50 A稳弧下，电极燃弧放电过程进行实时滤光捕捉，如图3所示，电弧稳定于顶部阳极和底部阴极间，阴极表面燃弧放电区呈椭球形，亮度均一，说明此时阴极燃弧放电过程均匀性良好，且随电流梯度增长，集中放电区面积逐步扩展，均匀放电行为保持良好。

对本实施例制备层状结构的电极的过程进行监测，电流按设定程序阶梯增长，对生长不同时间段的电极进行截面扫面电子显微观察，如图4所示。电流阶梯增长程序执行到15 s时，此时在基体层铪金属表面已经形成层状结构，由表及里分别为表层氧化铪、双相层铪及氧化铪和基体层铪；其中表层的氧化铪致密，厚度约为20 μm（图4（a））；随燃弧放电时间增加，电流阶梯增长程序执行到60s时，表层的氧化铪厚度增加至约为83μm图4（b）；电流阶梯增长程序执行到120s时，表层的氧化铪厚度增加至约为102μm（图4（c））；之后双相层内金属铪实时氧化的补给和氧化层的烧损过程基本平衡，表层-双相层-基体层的结构稳定，在后续的电流稳弧在50A直至到150s制备过程结束，表层的氧化铪厚度基本稳定在100μm左右。如图4（d）所示，氧化铪层将随燃弧放电时间增加而增厚，最终稳定于约100 μm.

对本实施例制备层状结构的电极的过程进行监测，电流按设定程序阶梯增长，对生长不同时间段的电极在不同电流梯度值下的烧损表面进行表面三维轮廓以及电子显微观察，如图5所示。如图5(a)所示为电流按设定程序阶梯增长至10 A，放电执行到20s时的电极表面焼蚀状况，表面烧损区呈圆形靶状；如图5(b)所示为电流按设定程序阶梯增长至30 A时电极表面焼蚀状况，图中看到烧损特性得到良好保持；其对应扫描电子显微照片（图5d）可以看到，放电表面无局部凹陷或深孔。燃弧电流到达到上限50 A时，中心放电区依旧烧损均匀（图5(c）。

对比例1：

与实施例1的区别，在于：制备过程中，电流没有按照阶梯增长程序，而是采取直增至上限值50A的方式。

制备过程：

3. 设定目标电流值50 A，设定弧根绕心运动轨迹（与实施例1同），稳弧时间30s；

4. 启动电弧发生器，击穿阳极和阴极的气隙，产生电弧，电流突跃至50 A，持续稳弧30s。

对50 A下，阴极表面燃弧情况进行滤光捕捉，如图6所示，阴极表面放电区内出现多个分散亮斑，中心斑点8亮度最高，四周无规律环绕分布离散斑点，对应非均匀放电烧蚀过程。

对50 A下燃弧15s和30s的阴极进行表面微观结构观察，如图7所示。燃弧放电15s后，阴极表面集中放电区内部出现起伏，边缘处观察到氧化层剥落形貌9，电极表面裸露。燃弧放电30s后，电极表面燃弧放电区边缘残缺，出现因氧化层剥离形成的锯齿状边缘10，说明氧化层未完整覆盖集中烧蚀区域，电极放电过程均匀性恶劣。

对比例2：

与实施例1的区别，在于：制备过程中，没有设定弧根移动路径，弧根始终稳定于阴极表面固定位置。

制备过程：

3. 根据电极使用环境，如图8所示，设定弧根驻留位置；在电弧发生装置输入50 A电流上限，设定梯度电流增长程序（如图2，与实施例1相同）；

4. 启动电弧发生器，击穿阳极和阴极的气隙，产生电弧，电流按已设定的增长程序，逐步增长达50A，持续燃弧，形成氧化物表层、双相层和基体层铪的层状结构。

对50 A下，燃弧放电30s时的阴极进行实时滤光捕捉，如图9所示，阴极表面呈椭球形亮斑，亮度均一，说明电极放电过程均匀性良好。集中放电区直径0.8~1.0mm，相比弧根绕心运动时（图3c），降低约60%。

对在50 A下已经燃弧30s的电极进行表面微观结构观察，如图10(a)所示，中心放电区9烧蚀穿深严重，出现深孔结构，局部可观察到烧蚀凹坑（图10(b)），电极非均匀烧蚀严重。说明驻点燃弧制备下，无法避免电弧弧根的穿深过程，难以实现大面积、可控的均匀烧蚀结构制备。

实施例2：

本实施例以金属锆为基体、锆和氧化锆为双相层以及氧化锆为表层，构成含层状结构的电极。该电极稳弧电流为30 A；根据该电极的应用环境，承载弧根区域为直径3 mm的圆形区域。

该电极的制备过程如下：

1. 将纯金属块锆表面铣削平整，并以丙酮浸泡去除油污后，作为阴极装夹于电弧发生装置；

3. 根据制得的电极应用环境，承载弧根区域为直径3 mm的圆形区域。因此设定电极的制备范围为直径3.5 mm圆形区域，由此，设定弧根移动路径为绕心运动轨迹，形成直径3.5 mm圆形区域，弧根轨迹示意图与实施例1相似（图1）。

根据电极实际燃弧中稳弧电流为30 A，设定梯度电流增长程序（如图11）；在电弧发生装置输入30 A电流上限，在0~30 A之间划分3个梯度，每个梯度对应的电流为10 A、20A、30 A，相应每一梯度电流的稳弧时间分别为15 s、20 s和25 s，梯度间电流增长速率为2A/s。

4．启动电弧发生装置，击穿阳极和阴极的气隙，产生电弧，电流按既设定的梯度电流增长程序执行，电弧发生装置的顶部阳极端按照设定的弧根移动路径移动，进行持续燃弧，在持续的燃弧过程，表面熔融锆在氧化气氛下与电弧等离子体反应原位形成氧化锆，氧化锆继而熔化，液态氧化锆密度小于锆且不溶于液态锆，大部分氧化锆自然的聚集于熔池表面，形成表层强化液膜，而同时熔融金属锆与少量氧化锆聚集于熔池底部，构成双相层。在本实施例中，发明人观察到，仅需5s，即可于锆阴极表面生成约10μm的氧化锆表层。

随着继续执行梯度电流增长程序，在燃弧放电时间增加的过程中，始终于双相层-氧化锆液膜界面发生熔融金属锆的氧化，补给表层氧化层的蒸发烧损，同时基体层金属锆补充双相层里氧化消耗的锆，直到最后电极保持表层-双相层-基体层的稳定结构，形成由表及里分别为氧化锆表层、金属锆和氧化锆聚集的双相层以及金属锆基体层的具有层状结构的电极。

实施例3：

本实施例的层状电极包含氧化钇表层、氧化钇和钇双相层和金属钇基体。该电极服役环境的稳弧电流为75 A，承载弧根范围直径约6 mm。

该电极的制备过程如下：

1. 将纯金属块钇表面铣削、去除油污后作为阴极夹持于样品座；

2. 启动电弧发生装置活性气源，使燃弧空间充满活性氧化气氛；

3. 根据电极应用环境，设定制备范围为直径6. 5mm圆形区域，规划弧根绕心运动轨迹，形成直径6.5 mm圆形区域，轨迹示意图与实施例1相似（图1）。

根据电极服役环境的稳弧电流(75 A)，设定梯度电流增长程序（如图12）；在电弧发生装置输入70 A电流上限，在0~70 A之间划分7个梯度，每个梯度对应的电流为10 A、20A、30 A、40 A、50 A、60 A和70 A，每一梯度电流下对应稳弧时间分别为15 s、20 s、25 s、30s、35 s、40 s和45 s，梯度间电流增长速率为2 A/s。

4．启动电弧发生装置，电流按既设定的梯度电流增长程序执行，弧根按既定轨迹移动，持续燃弧。熔融钇在氧化气氛下与电弧等离子体反应，原位生成氧化钇；氧化钇继而熔化，大部分氧化钇自然的聚集于熔池表面，形成液膜，同时熔融金属钇与氧化钇于熔池底部构成双相层。

随着梯度电流增长程序持续执行，熔融金属钇始终于双相层-氧化钇液膜界面氧化，补给表层氧化层的蒸发烧损，同时基体钇补充双相层氧化消耗的钇，直到最后电极保持表层-双相层-基体层的稳定结构，形成由表及里分别为氧化钇表层、金属钇和氧化钇聚集的双相层以及金属钇基体层的具有层状结构的电极。

应用例1：

本应用例包括一种制备及应用本发明电极的方法，即本应用例中包括所述层状结构电极的制备过程及应用过程，即在燃弧过程的初期采用氧化气氛直接原位形成所述电极，所述电极形成后，直接转化至应用环境中使用。本例中所述电极包含氧化铪表层、氧化铪和铪双相层和金属铪基体。该电极制备后直接用于某大功率电弧等离子体切割机阴极，运行时电弧于阴极表面和工件间引燃，工件作为阳极，稳弧工作电流为50 A，要求均匀焼蚀区域为直径约4 mm的圆形区域。

所述电极的制备过程如下：

1. 将初始块体金属铪表面去除油污后，作为阴极夹持于等离子体切割机的阴极样品座，机械嵌合于水冷铜套内，裸露铪表面作为燃弧面；工件安装作为等离子体切割机的阳极；

3. 根据电极应用环境，设定制备范围为直径4.5 mm圆形区域，规划弧根绕心运动轨迹，形成直径4.5 mm圆形区域，轨迹示意图与实施例1相似（图1）。

根据电极服役环境的稳弧电流(50 A)，设定梯度电流增长程序（如图2）；在电弧发生装置输入50 A电流上限，在0~50 A之间划分5个梯度，每个梯度对应的电流为10 A、20 A、30 A、40 A和50 A，每一梯度电流下对应稳弧时间分别为15 s、20 s、25 s、30 s和35 s，梯度间电流增长速率为2 A/s。

4．启动电弧发生装置，电流按既设定的梯度电流增长程序执行，弧根按既定轨迹移动，持续燃弧。熔融铪在氧化气氛下与电弧等离子体反应，原位生成氧化铪；氧化铪继而熔化，大部分氧化铪自然的聚集于熔池表面，形成液膜，同时熔融金属铪与氧化铪于熔池底部构成双相层。

随着梯度电流增长程序持续执行，熔融金属铪始终于双相层-氧化铪液膜界面氧化，补给表层氧化层的蒸发烧损，同时基体铪补充双相层氧化消耗的铪，直到最后电极保持表层-双相层-基体层的稳定结构，形成由表及里分别为氧化铪表层、金属铪和氧化铪聚集的双相层以及金属铪基体层的具有层状结构的电极。

所述电极的应用：

在上述制备过程步骤4结束后，所述电极形成后，继续在燃弧空间维持原有的活性氧化气氛，保持稳弧工作电流为50 A，这时已经形成的电极作为电弧等离子体切割机阴极进行持续的燃弧切割工作，在工作中，由于在具有氧化活性的气氛下工作，电极的双相层内熔融的金属铪实时氧化为氧化铪，补给作为阴极的电极表层氧化铪的烧损；同时电极的基体层金属铪补充双相层里氧化消耗的金属铪；保证电极在工作时其表层-双相层-基体层的结构稳定，实现电极在工作时的均匀稳定且持续的燃弧特性；同时高熔点的电极表层氧化铪保护了电极的基体层金属铪，显著降低烧损速率，延长电极服役寿命。

当然，所述电极制备后，也可以不直接进入应用，冷却为固态后，保存，在需要使用时，作为燃弧放电的阴极，置于其他放电场景使用。

Claims

1.一种具有层状结构的电极的制备方法，其特征在于，所述方法为燃弧放电法，其步骤至少包括：

1）、将金属安装于电弧发生装置的阴极位置，金属作为阴极；所述金属形成所述具有层状结构的电极的基体层；

2）、在电弧发生装置持续通入氧化性气氛，使阴极表面的燃弧空间保持氧化气氛；

3）、设定电弧发生装置阶梯状电流增长程序，并设定弧根移动路径；

其中所述设定电弧发生装置阶梯状电流增长程序是指设定电弧发生装置的稳弧电流值成阶梯增长；

所述设定弧根移动路径确保所述电弧发生装置在燃弧过程中的每个阶梯稳弧电流值下弧根移动均须覆盖电极制备区域；所述电极制备区域至少覆盖所述电极在后续应用于燃弧放电工作时的烧蚀区域；

4）、启动电弧发生器，击穿阳极和阴极的气隙，产生电弧，所述电弧发生装置的燃弧的弧根按照设定的弧根移动路径移动，并执行已设定的阶梯状电流增长程序，持续燃弧，在燃弧过程中，在作为阴极的金属上产生金属氧化物表层、以及金属和金属氧化物聚集的双相层，最后形成由表及里分别为金属氧化物表层、金属和金属氧化物聚集的双相层以及金属基体层的所述具有层状结构的电极；

其中所述金属选自铪、锆、钇中任意一种；

其中所述金属及所述金属氧化物满足：所述金属氧化物具有比所述金属低的电子逸出功和比所述金属高的熔点；

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：所述电极燃弧时，电极表面呈球形亮斑，亮斑内放电均匀，即无局部驻点或移动的离散斑点。

2.根据权利要求1所述一种具有层状结构的电极的制备方法，其特征在于：其中步骤3）所述设定电弧发生装置阶梯状电流增长程序，是指设定电弧发生装置的稳弧电流值以及各稳弧电流值的维持时间，所述阶梯状电流增长程序，其设定方法为：

输入所述电极在实际应用时的稳弧工作电流值XA；

根据X值，计算其与10的最大整约数a，据此在0~X A间划分a个梯度，每个梯度下对应电流分别为10*n A，其中n=1、2、……、a-1、a，电流由0增长时，于每个梯度电流下稳弧时间为10+5n s，梯度间电流增长速率为2 A/s。

3.根据权利要求1所述一种具有层状结构的电极的制备方法，其特征在于：步骤3）所述设定弧根移动路径为：划定所述电极在所述基体层金属表面的电极制备区域，确定制备所述电极时所述电弧发生装置的顶部阳极端移动路径，通过所述电弧发生装置的顶部阳极端移动实现弧根移动。