CN114040534A

CN114040534A - 一种无开裂铜基异质层状电极结构及其制备方法

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Publication number: CN114040534A
Application number: CN202111281297.XA
Authority: CN
Inventors: 关慰勉; 高铭余; 王宏涛; 方攸同; 刘嘉斌
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-11-01
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2022-02-11

Abstract

本发明公开了一种无开裂异质层状电极结构及制备方法，所述电极结构由表及里依次为氧化锆层、氧化锆‑锆混合层、锆覆层、铌覆层和铜基体；各层间冶金结合无裂纹，无气孔。铌覆层和锆覆层在铜基体表面通过激光熔覆依次形成。氧化锆‑锆混合层、氧化锆层通过电弧烧蚀技术在锆覆层表面原位形成。其中铌覆层抑制基体铜稀释作用，减少铜锆金属间化合物生成，保障覆层塑性；在铌覆层表面熔覆形成锆覆层，构成初始的锆‑铌‑铜基异质层状结构，该层状结构由于铜锆金属间化合物生成得到抑制、无开裂，具备空气电弧烧蚀均匀性，通过燃弧后在锆覆层原位生成氧化锆‑锆混合层及氧化锆层，形成本发明的无开裂铜基层状电极结构，该电极结构有效实现表层耐烧蚀和基体高传导的结合。

Description

一种无开裂铜基异质层状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，尤其涉及一种无开裂铜基异质层状电极结构及其制备技术。

背景技术

电极烧蚀是电弧等离子体应用中无法避免的过程，尤其是应用于高电流极端放电环境时，如高功率电弧加热器。燃弧放电时，电弧于阳极与阴极之间燃炽，前者承受弧柱区电子轰击，而后者在发射大量电子的同时经受阳离子轰击，故阴极的烧蚀过程相比阳极更为严重。现阶段，服役于极端燃弧放电条件下的阴极主要有纯金属阴极、微合金型阴极和表面强化型阴极。纯金属阴极以纯铜为主，利用其优良的导电和导热性能，耗散弧根输入热流。然而，纯铜熔点低，且存在非均匀烧蚀行为，高电流环境时烧蚀速率激增，无法长时维持设备稳定运行。合金型阴极以弥散强化和析出强化等手段，实现纯铜基体中均匀弥散分布的低逸出功相，增强电子发射能力，但外加相通常导致阴极传导性能恶化，造成电极积热、温升，加剧烧损。

相比之下，表面强化型阴极通过耐烧蚀层和基体的异质结合，在保留基体传导性能同时，提升阴极表面耐烧蚀性能。强化层的制备方式有直接激光沉积、激光熔覆、等离子体喷涂等。耐烧蚀强化层构成元素多为金属铪、锆等，利用其燃弧后原位生成的难熔氧化层，进一步阻滞电弧烧蚀。研究表明，于纯铜表面制备锆铜覆层后，相同条件下阴极空气电弧烧蚀速率相比纯铜降低30%以上，且燃弧放电均匀性明显提升。

然而，层内开裂制约了表面强化型阴极的推广使用。空气燃弧场景中，氧元素的参与使强化层元素需具备自身熔点高和氧化物熔点高的特点，且强化层及其氧化物需具备相应电子发射能力，因此，强化层元素以铪、锆为主。然而，铪或锆均与铜在广泛铜含量范围内(16~66 at.%)形成多种脆性金属间化合物（Cu₅Hf，Cu₁₀Hf₇，CuHf₂，Cu₅Zr，Cu₁₀Zr₇，CuZr₂），使强化层内布满脆性金属间化合物，恶化覆层塑性，进而导致服役过程中经受集中热应力时，强化层内开裂，甚至整体剥落。开裂问题，限制了表面强化型阴极的大面积制备和使用。

发明内容

本发明的目的，在于设计一种无开裂铜基异质层状电极结构，层间冶金结合无裂纹，有效实现表层耐烧蚀和基体高传导结合，延长电极寿命。本发明拟通过过渡覆层抑制基体铜稀释作用，减少铜锆金属间化合物生成，保障覆层塑性；同时异质层状电极结构具备空气电弧烧蚀均匀性，通过燃弧后锆层表面原位生成的氧化锆层保护电极。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下。

本发明提供了一种无开裂异质层状电极结构，由表入内依次为氧化锆层、氧化锆-锆混合层、锆覆层、铌覆层和铜基体。该无开裂异质层状电极结构的实现过程分为：1）铜基体表面逐层熔覆制备铌覆层和锆覆层；2）锆覆层表面耐电弧烧蚀层制备：在锆覆层表面形成氧化锆-锆混合层以及氧化锆层。两过程分别由高速激光熔覆和空气电弧烧蚀技术制成，最后制得本发明的无开裂异质层状电极结构，由表入内依次为氧化锆层、氧化锆-锆混合层、锆覆层、铌覆层和铜基体；各层间冶金结合无裂纹。其中铌覆层抑制基体铜稀释作用，减少铜锆金属间化合物生成，保障覆层塑性；在铌覆层表面熔覆形成锆覆层，构成初始的锆覆层-铌覆层-铜基体异质层状结构，该层状结构由于铜锆金属间化合物生成得到抑制、无开裂等，具备空气电弧烧蚀均匀性，再通过燃弧后在锆覆层的表面原位生成氧化锆-锆混合层以及氧化锆层，氧化锆层保护电极，形成本发明的无开裂铜基层状电极结构。本发明的异质层状电极结构，有效实现表层耐烧蚀和基体高传导的结合。

具体的，过程1），在纯铜基体表面通过高速激光熔覆技术逐层熔覆制备铌覆层和锆覆层，分别采取球形铌粉和锆粉，粉末粒径50~100 μm。通过逐层熔覆，先于纯铜表面制备出铌覆层，再于铌覆层表面熔覆制备出锆覆层，获得异质锆覆层-铌覆层-铜基体层状结构。

其中，在本发明的异质层状电极结构中，铌覆层主要起三方面作用：1）作为铜扩散阻挡层，介于铜基体和锆覆层间，将铜基体稀释进入覆层的铜阻滞于铌覆层内，抑制铜扩散进入锆覆层，使得在铌覆层表面形成的锆覆层含铜量严格控制低于5 at.%，减少脆性Cu-Zr金属间化合物生成，保障覆层塑性；2）调控锆覆层成分，为在铌覆层表面熔覆得到的锆覆层提供一定量的铌(5~15 at.%)，使锆覆层含锆量介于合理范围(85~95 at.%)，避免形成纯锆层诱发表层硬度激增；3）释放热应力，铌覆层自身硬度和传导性能合理介于锆覆层和铜基体之间，消除制备成形期间锆层与铜基体因热膨胀失配所致的应力集中。基于铌覆层在异质层状电极中的作用，其需具备如下性能：1）铌需不与锆或铜任一者形成脆性金属间化合物，应于室温下形成固溶体或两相组织，保障铌覆层熔覆期间和熔覆锆覆层时，均无金属间化合物形成；2）铌覆层含铜量需控制不高于30 at.%，以控制熔覆锆覆层时铜的稀释率，抑制铜扩散进入锆覆层，减少在锆覆层内Cu-Zr金属间化合物生成；3）铌覆层自身硬度应介于250~350 HV，实现力学性能层面基体铜向锆覆层的过渡，同时熔覆获得的原始厚度应不低于500 μm，表面铣削平整后铌覆层厚度应不低于400 μm，保障其扩散阻滞作用；4）铌覆层需具备一定成型质量，内部无气孔、裂纹，表面平整，保障在其表面锆熔覆层的质量和层间热传导。

完成铜表面铌覆层制备后，在铌覆层表面通过激光熔覆制备锆覆层，锆覆层于异质层状电极结构中作为表面强化层，为后续在锆覆层表面制备耐烧蚀氧化锆层提供锆源，其需具备如下性能：1）锆覆层含铜量严格控制低于5 at.%，含锆量应高于85 at.%，以控制脆性Cu-Zr金属间化合物生成，确保燃弧放电高均匀性，降低烧蚀速率，防止发生非均匀电弧烧蚀过程；2）锆覆层硬度介于400~550 HV；3）锆覆层厚度应大于500 μm，确保其服役寿命。

具体的，过程2），在锆覆层表面形成氧化锆-锆混合层以及氧化锆层。锆覆层表面耐电弧烧蚀层制备，采取空气电弧烧蚀技术制成。对两次激光熔覆后得到的异质锆覆层-铌覆层-铜基体层状结构进行表面铣削等处理后，以高频脉冲电压击穿锆覆层表面与对立电极间空气间隙，引燃电弧，锆覆层表面随即熔化，熔融锆与弧柱区氧离子反应生成氧化锆层，熔融氧化物因密度小于液态锆而浮于熔池表面、承载电弧弧根。达到稳态后，由阴极表面向下依次为氧化锆层、氧化锆-锆双相混合层、锆覆层、铌覆层和铜基体。氧化锆层高温逸出功较低，减少阴极发热，熔池中锆液滴动态氧化、补充氧化层烧损。耐烧蚀氧化层形成后，可于整个服役期内持续改善阴极耐电弧烧蚀性能，并将烧蚀速率维持在较低水平。

其中，铌覆层作为扩散阻挡层的作用及其对无开裂电极制备的贡献，在于有效抵消基体铜于锆熔覆时的稀释作用，将铜元素阻滞于铌覆层内部，确保进入锆覆层的铜含量低于5 at.%，由此抑制Cu-Zr金属间化合物生成，避免覆层开裂，保障了大面积制备电极结构的可行性。且铌与锆或铜形成任一金属间化合物。

而表面形成的耐烧蚀氧化锆层，其制备过程具有自发性，锆层于空气燃弧放电时，原位形成耐烧蚀氧化锆层，且氧化锆与锆覆层间呈冶金结合。熔融氧化层促成的均匀电弧烧蚀行为具有可持续性，有效延长阴极寿命。

其中高速激光熔覆铌覆层和锆覆层，通过送粉量、激光功率、扫描速率等参数组合，能够根据基材特点实现多种金属的熔覆制备，并保障层间冶金结合。而使用空气电弧烧蚀技术制备氧化锆-锆混合层以及氧化锆层，可实现锆覆层表面耐烧蚀氧化层的可控制备。

本发明制备所述无开裂异质层状电极的制备方法，如上所述，包括激光熔覆制备锆覆层和铌覆层和耐烧蚀层电弧烧蚀制备氧化锆-锆混合层以及氧化锆层两大步骤。更为具体的，其中锆覆层和铌覆层制备过程为：

1.将无氧纯铜块体装夹于高速激光熔覆平台样品台，设定预热温度后开启预热处理；

2.以磨抛工具去除块体铜表面氧化皮，于两独立粉桶内分别装入铌粉和锆粉，设定熔覆参数；

3.开启熔覆，完成铜表面铌覆层制备；

4.调整熔覆工艺参数，待熔覆面冷却至250 ℃左右，打磨表面去除氧化层和粘附熔渣等，使铌覆层表面露出金属光泽。开启熔覆，制备锆覆层；得异质锆覆层-铌覆层-铜基体层状结构。

所使用的高速激光熔覆设备，激光器总功率为3000 W，熔覆过程中功率连续可调。送粉速率、搭接率和扫描速率等，可根据覆层具体的成分和性能需求进行设计调控。所使用的球形铌粉，为射频等离子体球化技术制得，纯度高于99.5%。所使用的锆粉，纯度高于99.2%，杂质为氢化锆等。金属粉末熔覆前均经100 ℃真空烘干4h。

熔覆铌覆层时，参数组合特点为：高功率、高粉量和高搭接率。熔覆功率需保证在2500 W以上，确保制得的铌覆层厚度不低于500 μm，并控制其内部铜含量低于30 at.%。熔覆锆覆层时，适度降低熔覆功率(2000~2400 W)，以“低熔覆速率、低搭接率”的参数组合，避免过度侵蚀铌覆层，确保锆覆层厚度不低于500 μm。

基于制得的无开裂异质层状铌覆层和锆覆层，制备耐烧蚀氧化层。更为具体的，耐烧蚀氧化层的空气电弧烧蚀制备过程为：

1.对锆覆层表面适度铣削，使熔覆表面高低起伏均匀，无局部黏附熔渣；

2.将上面制得的异质锆覆层-铌覆层-铜基体层状结构置于电弧发生装置，作为阴极；

3.根据电极实际服役环境电流，设定预设温度及电弧电流，规划阴极表面弧根移动路径，使弧根遍历所述异质层状电极结构制备区域，；

4.电极达预设温度后，开启气源，燃弧空间充满活性气氛后，启动电弧发生装置，击穿阴极与阳极间的气体间隙，燃弧并稳弧；

5.按预设程序，电流达既定值后，持续稳弧30 s以上，实施例1中稳弧60s，完成具均匀烧蚀特性的异质层状电极结构制备。

附图说明

图1为本发明制备的异质层状电极结构示意图及截面光学显微照片。其中1为氧化锆层，2为氧化锆-锆混合层，3为铌覆层，4为锆覆层，5为纯铜基体。

图2为阴极表面弧根绕心运动轨迹示意图。

图3为实施例1中激光熔覆的铌覆层和锆覆层的截面光学显微照片，其中(a)为完成铌覆层熔覆后的铌覆层、(b)图为经铣削平整后的铌覆层、(c)为锆覆层熔覆完成后的后截面光学显微照片。

图4为实施例1制得铌覆层和锆覆层的X射线衍射图谱

图5为实施例1制得锆覆层-铌覆层-铜基体层状结构的截面的扫描电子显微图和对应能谱测试元素面分布结果。

图6为实施例1中(a)20 A电流下燃弧放电滤光捕捉图和(b)制得异质层状电极结构的表面扫描电子显微图。

图7为实施例1制得异质层状电极结构截面扫描电子显微图。

图8为对比例1激光熔覆制得的高稀释锆覆层(a)和(b)富锆覆层的截面光学显微照片。

图9为对比例1中制得的富锆覆层的X射线衍射图谱。

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

制得异质层状电极结构的过程、以及最后制得的异质层状电极结构的结构示意图如图1所示，最后制得的异质层状电极结构由表入内依次为氧化锆层1、氧化锆-锆混合层2、锆覆层3、铌覆层4和铜基体5。

本实施例制得的无开裂铜基异质层状电极结构，经激光熔覆和电弧烧蚀两个过程制得，其制备过程和最后制得的异质层状电极结构如图1所示：异质层状电极结构由表面向内依次为氧化锆层、氧化锆-锆混合层、锆覆层、铌覆层和纯铜基体。在本实施例中，该电极结构实际服役环境中稳弧电流为20 A，阴极燃弧区域为直径约3 mm的圆。本实施例中，铜表面激光熔覆所使用的高速激光熔覆平台的光纤激光器总功率为3000 W，熔覆时以“三束光包粉”结构，功率连续可调。所使用的铌粉，为射频等离子体雾化技术制备的球形粉末，纯度高于99.95%，锆粉由气雾化制备，纯度高于99.5%，真空烘干后使用。

熔覆时，激光器功率调整范围为2000~2600 W（铌覆层熔覆功率应适度高于锆覆层），经棱镜系统后三束激光汇聚焦距为15 mm，工作距离（即熔覆头距覆层表面的距离）为13~16 mm，铌粉和锆粉为别装于彼此独立可控的1号粉桶和2号粉桶。于铜基体表面先后熔覆铌覆层及锆覆层的工艺如下：

1.将200×100×10 mm³的纯铜块体装夹于激光熔覆系统样品台，以200×100 mm²作为熔覆面，设定预热温度300 ℃；

2.使用机械打磨工具，去除铜块上表面氧化层或变形层，确保待熔覆面平整；

3.于1号粉桶装入适量铌粉，设定熔覆功率为2600 W，粉盘转速0.4 r/s，移速0.075 m/s，偏移0.18 mm，工作距离15.5 mm，开启铌覆层熔覆；

4.熔覆铌覆层完毕后，对表面进行适度机械铣削，得到平整表面；

5.于2号粉桶装入锆粉，下调工作距离至14.5 mm，设定功率2200 W，粉盘转速0.3r/s，移速0.06 m/s，偏移0.32 mm。待铌覆层表面温度降至250 ℃左右，以机械打磨装置去除铌覆层表面氧化层、粘附熔渣等，开启熔覆设备，完成锆覆层熔覆。

6.待样品自然冷却至室温，完成异质层状电极结构的激光熔覆制备步骤。

初次熔覆后制得的铌覆层，如图3（a）所示，铌覆层表面呈无规则起伏状，最薄处厚约700μm，平均厚度约800 μm。对铌覆层进行铣削加工后，覆层结构如图3（b）所示，铣削后的铌覆层厚度460~520 μm。基于图3b的铌覆层，熔覆锆覆层后，异质锆覆层-铌覆层-基体铜层状结构（如图3(c)）层间冶金结合，覆层整体厚度超过800 μm，锆覆层厚度约510 μm，铌覆层在熔覆锆覆层还保持大于290μm的厚度，各层内无气孔、裂纹等缺陷。

对所制得的铌覆层和锆覆层进行物相结构测试，如图4所示，覆层内均无Cu-Zr脆性金属间化合物生成，锆覆层内主相为锆，余下少量锆-铌固溶相。铌覆层内为铌和铜组成的双相组织。对制得的异质锆覆层-铌覆层-基体铜层状结构中各覆层进行成分测试，结果如图5所示，铌覆层铌含量为75.8 at.%，铜含量为24.2 at.%；锆覆层相应锆含量为89.1at.%，余下为铌(6.7 at.%)和铜(4.2 at.%)。铌覆层有效抑制基体铜的稀释过程，避免了在二次熔覆时锆覆层内形成脆性Cu-Zr金属间化合物，保障了制得无开裂的电极结构，保障了大面积熔覆制备的可行性。同时，对制得异质锆覆层-铌覆层-基体铜层状结构各覆层进行硬度测试，锆覆层内硬度自表面向内缓慢升高，整体稳定于440~480 HV，铌覆层硬度约320-350 HV，纯铜基体硬度为55 HV。

之后，以熔覆后制备的异质锆覆层-铌覆层-基体铜层状结构作为阴极，在活性气氛下燃弧放电，覆层表面锆熔化后与电弧等离子体反应，原位生成氧化锆-锆双相层及氧化锆表层，具体制备过程如下：

1.将异质Zr-Nb-Cu覆层样品以机械加工为电极样品，去除表面油污后，打磨抛光至表面粗糙度(Ra)小于0.6 μm；

2.将电极装夹于烧蚀测试平台。启动烧蚀装置外部活性气源~2 min，使燃弧空间充满活性气氛；

3.根据阴极样品高度，设定覆层表面距阳极尖端4 mm，设定预热温度150 ℃，并根据稳弧服役电流设置弧根运动轨迹，如图2所示为阴极表面弧根绕心运动轨迹示意图；

4.在20 A下持续稳弧60 s后，于阴极原位氧化形成氧化锆表层和氧化锆-锆双相层。对20 A电流下燃弧放电的阴极进行实时滤光捕捉，如图6（a）所示，电弧于顶部阳极和底部阴极间引燃，弧长约4 mm。阴极表面形成圆形集中放电区，区域内亮度均一、无局部离散斑点，说明此时阴极燃弧放电均匀性良好。燃弧放电后，如图6（b），电极表面烧蚀中心区均匀下凹，四周分布环状凝固组织，层状结构制备区域直径约3 mm，满足服役需求。同时，电极烧蚀均匀性良好，无局部深孔。

对经激光熔覆和电弧烧蚀后的异质层状电极结构进行截面组织观察，如图7所示，由表面向内为氧化锆层、氧化锆-锆双相层、锆覆层、铌覆层和纯铜基体，各层间结合紧密。氧化锆层在后续实际服役中承载弧根，保障燃弧放电均匀性，同时以低逸出功降低产热；氧化锆-锆双相层促进均匀烧蚀性的可持续性，底部纯铜基体及时传导消耗弧根的热输入，延长电极寿命。

对比例1：

本对比例涉及的层状电极，预期制备过程与实施例1相似，分为激光熔覆和电弧烧蚀两部分。服役环境中稳弧电流为20 A。

与实施例1主要区别为，首次熔覆阶段采取锆粉为原料，以高激光功率提升基体铜稀释率，制成高稀释锆覆层。进一步地，在高稀释锆覆层表面二次熔覆，得到富锆表层。其中铜基体表面两次熔覆过程如下：

1.将200×100×10 mm³的纯铜块体装夹于激光熔覆系统样品台，以200×100 mm²作为熔覆面，开启样品台预热模块，根据稳弧服役电流，设定预热温度250 ℃；

3.于1号粉桶装入适量锆粉，设定熔覆功率为2450 W，粉盘转速0.1 r/s，移速0.07m/s，偏移0.25 mm，工作距离15.5 mm，开启高稀释锆覆层熔覆，得到高稀释锆覆层；所制备的高稀释锆覆层结构如图8(a)所示，覆层表面平整，内部无气孔等缺陷，厚度约510μm。

4.一次熔覆完毕后，调整工艺参数，下调工作距离至14.5 mm，设定功2100 W，粉盘转速0.35 r/s，移速0.05 m/s，偏移0.4 mm。待过渡层表面温度降至220 ℃左右，以机械打磨装置去除覆层表面氧化层、粘附熔渣等，开启熔覆设备，完成富锆表层的熔覆；待样品自然冷却至室温制得双层锆铜覆层电极。二次熔覆后，覆层总厚度约800μm，富锆覆层明显开裂（如图8(b)），质量较差，此时高稀释锆覆层厚度仅220μm。覆层内部密集分布的裂纹，恶化覆层-基体界面结合性能，将在后续耐烧蚀氧化层制备阶段吸引电弧弧根附着，进而导致局部表面剧烈烧损，甚至诱发整体剥离。

对对比例中制得的覆层进行物相结构测试，如图9所示，高稀释锆覆层高稀释锆覆层锆表层由Zr相和CuZr₂组成（如图9），双层锆铜覆层开裂系脆性Zr-Cu金属间化合物所致。此时，高稀释锆覆层无法有效控制基体铜的稀释作用，成分测试显示，富锆覆层成分为62.4at.%锆和37.6at.%铜，过高的铜含量将导致阴极烧蚀速率激增，缩短寿命。高稀释锆覆层成分为20.2at.%锆和79.8at.%铜，过渡层中过高的铜含量，使二次熔覆时难以控制锆表层成分。选取无裂纹区域对制得电极进行硬度测试，结果显示，富锆覆层的表层硬度约570 HV，高稀释锆覆层硬度稳定于210 HV，铜基体硬度为60 HV，富锆覆层锆表层内高密度的硬脆Zr-Cu相，使其硬度激增，导致高稀释锆覆层无法有效实现基体铜向锆表层有效过渡，进而形成应力集中，诱发开裂。

Claims

1.一种无开裂异质层状电极结构，其特征在于：所述无开裂异质层状电极结构由表及里依次为氧化锆层、氧化锆-锆混合层、锆覆层、铌覆层和铜基体；各层间冶金结合无裂纹，无气孔；

所述铌覆层在铜基体表面通过激光熔覆形成；

所述锆覆层在铌覆层表面激光熔覆形成；

所述氧化锆-锆混合层、氧化锆层通过空气电弧烧蚀技术在所述锆覆层表面原位生长形成；

所述铌覆层含铜量不高于30 at.%；所述锆覆层含铜量低于5 at.%。

2.根据权利要求1所述一种无开裂异质层状电极结构，其特征在于：所述铌覆层在铜基体表面通过激光熔覆形成的初始厚度不低于500 μm。

3.根据权利要求2所述一种无开裂异质层状电极结构，其特征在于：所述锆覆层铌含量5~15 at.%，锆含量高于85 at.%，所述锆覆层厚度大于500 μm。

4.根据权利要求2所述一种无开裂异质层状电极结构，其特征在于：所述锆覆层硬度介于400~550 HV，所述铌覆层硬度介于250~350 HV。

5.根据权利要求1-4任一项所述一种无开裂异质层状电极结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在纯铜基体表面通过高速激光熔覆依次制备铌覆层和锆覆层，获得异质锆覆层-铌覆层-铜基体层状结构；

采取空气电弧烧蚀技术，在锆覆层表面原位形成氧化锆-锆混合层以及氧化锆层。

6.根据权利要求5所述一种无开裂异质层状电极结构的制备方法，其特征在于，

所述步骤1）中，在纯铜基体表面通过高速激光熔覆依次制备铌覆层和锆覆层包括步骤：

步骤I. 将无氧纯铜块体装夹于高速激光熔覆设备样品台，设定预热温度后开启预热处理；

步骤II：以磨抛工具去除纯铜块体表面氧化皮，于两独立粉桶内分别装入铌粉和锆粉，设定熔覆参数；

步骤III：开启熔覆，完成铜表面铌覆层制备；

步骤IV：调整熔覆工艺参数，待熔覆面冷却至250 ℃左右，铣削铌覆层表面，使铌覆层表面平整、露出金属光泽，开启熔覆，制备锆覆层；得异质锆覆层-铌覆层-铜基体层状结构。

7.根据权利要求6所述一种无开裂异质层状电极结构的制备方法，其特征在于：步骤II所述铌粉及锆粉的粉末粒径50~100 μm；纯度高于99%。

8.根据权利要求6所述一种无开裂异质层状电极结构的制备方法，其特征在于：熔覆铌覆层时，熔覆功率需大于2500 W，制得的铌覆层厚度不低于500 μm，且步骤IV铣削铌覆层后，铌覆层不低于400μm，铌覆层内部铜含量低于30 at.%；熔覆锆覆层时，熔覆功率为2000~2400 W，锆覆层含铜量低于5 at.%，锆覆层厚度不低于500 μm。

9.根据权利要求5所述一种无开裂异质层状电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，采取空气电弧烧蚀技术在锆覆层表面原位形成氧化锆-锆混合层以及氧化锆层，包括：

A）对锆覆层表面适度铣削，使熔覆表面高低起伏均匀，无局部黏附熔渣；

B）将步骤1）制得的异质锆覆层-铌覆层-铜基体层状结构置于电弧发生装置，作为阴极；

C）根据电极实际服役环境电流，设定预设温度及电弧电流，规划阴极表面弧根移动路径，使弧根遍历所述异质层状电极结构制备区域；

D）电极达预设温度后，开启气源，燃弧空间充满活性气氛后，启动电弧发生装置，击穿阴极与阳极间的气体间隙，燃弧并稳弧；持续稳弧30 s以上，完成所述异质层状电极结构的制备。