CN114623060A - 一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法 - Google Patents

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王戈
周成
杨志懋
孔春才
李永
姚兆普
蔡坤
丛云天
王宝军
赵博强
孙鲲
韩道满
郑学程
李永平
王磊
吴延龙
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Abstract

本发明提供了一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法，该阴极结构为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构，钨阴极主体段为中孔棒状结构，中孔结构形成推力器阴极的导气孔，该导气孔按照功能划分为气流缓冲腔、气体初电离腔和气体再电离腔，从前至后直径逐级增大，从而逐级增加热等离子体运动受限程度；紫铜连接件套设于阴极后端，为中孔圆台结构，前端直径与钨阴极主体段外径一致，前端至后端直径逐渐增大。在无氧环境下，利用激光3D打印技术，将钨‑钽‑氧化物粉末、紫铜粉末同时快速制备成型MPDT复合阴极。本发明解决了目前单孔阴极热等离子体轰击内壁效率低，启动时间较长，烧蚀严重的问题，以及现有MPDT机加工困难、加工易引入氧化等问题。

Description

一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法
技术领域
本发明属于磁动力技术领域，特别涉及一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法。
背景技术
随着我国深空探测发展战略的提出，未来大型航天任务需具备高效、大范围、快速轨道机动能力，电推进技术成为其中最为关键的一环，我国已开展多种电推进技术研究，并取得了长足的进步。磁等离子体动力推力器(MPDT)通过大电流产生高温电弧电离推进剂，并注入能量，利用磁场和电流的洛伦兹力来加速等离子体，产生推力，具有比冲高、推力大、重量轻、可长时间在轨工作等优点。然而，大功率MPDT阴极的寿命问题限制了其广泛应用。因此，亟需设计出烧蚀均匀、寿命长、电弧稳定的MPDT阴极。
为此本发明人对MPDT阴极进行了研究，MPDT阴极的烧蚀主要分为启动烧蚀与稳弧烧蚀，阴极启动方式为冷启动方式，即在外界输入高频高压信号下，阴极利用高电压实现工质气体击穿，产生的热等离子体轰击阴极内壁，使阴极温度逐渐升高，阴极表面形成鞘层，转入自主热电子发射模式，加速等离子的电离，从而逐渐进入稳弧状态。研究表明，此启动方式会伴随着严重的烧蚀现象，而进入稳弧状态时烧蚀速率大幅度降低，因此需缩短阴极启动的时间，使阴极加快进入稳弧状态。
当前的单孔阴极导气孔为通孔状态，热等离子体通过时不受限，轰击阴极内壁效率较低，阴极无法快速升温，进入稳弧状态的时间较长，烧蚀严重。且目前的常规加工方法中，阴极需浸水浸油，表面存在氧化问题，也会造成阴极的严重烧蚀。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法，通过设计具有多级导气孔结构的MPDT阴极，解决了目前单孔阴极热等离子体轰击内壁效率低，启动时间较长，烧蚀严重的问题；并针对现有MPDT机加工困难、加工易引入氧化等问题，提出了利用激光3D打印技术，在无氧环境下，将钨-钽-氧化物混合粉末、紫铜粉末同时快速制备成型MPDT阴极的方法，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种磁等离子体动力推力器阴极，该阴极为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构，钨阴极主体段为中孔棒状结构，中孔结构形成推力器阴极的导气孔，该导气孔按照功能划分为气流缓冲腔，气体初电离腔，气体再电离腔，从前至后直径逐级增大，从而逐级增加热等离子体运动受限程度；
紫铜连接件套设于阴极后端，为中孔圆台结构，前端直径与钨阴极主体段外径一致，前端至后端直径逐渐增大。
第二方面，一种磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，包括如下步骤：
S1，按比例称取纳米级钨粉、纳米级钽粉、氧化物粉末，加入无水乙醇，采用高能球磨法混合均匀，得到钨-钽-氧化物混合粉末与乙醇的悬浊液；
S2，将球磨后的钨-钽-氧化物混合粉末与乙醇的悬浊液用高速离心机进行固液分离，然后进行真空干燥与解吸脱氧处理；
S3，将处理后的钨-钽-氧化物混合粉末、紫铜粉末分别装入3D打印设备粉末罐中，并使待制备的粉末样品处于无氧环境中；3D打印设备采用同轴送粉系统，设置有两个及两个以上的粉末传输通道，用于同时送入钨-钽-氧化物混合粉末与紫铜粉末；通道前端设置粉末喷口，可进行三维移动与平面旋转操作；
S4，建立复合结构MPDT阴极的三维模型图，模型图为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构的三维图；将模型图进行横向与纵向切片，生成激光器与送粉器的扫描路径，同时设置不同位置、不同时间的送粉比与激光器的功率。
S5，参数设置完毕，在惰性气氛下，送粉器喷头喷射粉末，激光束进行选择烧结，逐层打印出设计的三维复合结构MPDT阴极；
S6，真空高温处理3D打印成型的MPDT阴极，真空高温处理温度700～850℃，升温速率为10～25℃/min，保温1～2h。
根据本发明提供的一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种磁等离子体动力推力器阴极，该阴极结构具有分级的导气孔，可以提高热等离子对阴极内壁的轰击效率，缩短阴极的启动时间，降低阴极的启动烧蚀。
(2)本发明提供的一种磁等离子体动力推力器阴极，该阴极结构后端为紫铜与钨合金的一体化圆台结构，具备优越的导电换热能力。
(3)本发明提供的一种磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，所使用的粉末添加了钽粉，相邻层之间激光扫描路径旋转一定角度，可有效减少常规钨激光熔化和快速凝固过程中产生微裂纹的趋势；
(4)本发明提供的一种磁等离子体动力推力器阴极，设计的分级导气孔结构，可有效提高工质气体的电离程度，推力器的推力效率增加。
附图说明
图1为本发明一种磁等离子体动力推力器阴极的剖视图；
其中：1-紫铜连接件；2-气体缓冲腔；3-气体初电离腔；4-钨阴极主体段；5-气体再电离腔。
图2为本发明一种磁等离子体动力推力器阴极的俯视图；
图3为本发明一种磁等离子体动力推力器阴极加工方法的流程图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种磁等离子体动力推力器阴极，如图1和图2所示，其为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构。紫铜连接件1与外围推力器结构相契合；钨阴极主体段4为中孔棒状结构，中孔结构形成推力器阴极的导气孔，该导气孔按照功能划分为气流缓冲腔2，气体初电离腔3，气体再电离腔5，从前至后直径逐级增大；外部输气管与气体缓冲腔2末端相连接并经由弹性垫片压紧，工质气体进入该腔中，主要起缓流作用，气体运动至前端台阶壁时，运动受阻，发生反弹，此区域可发生微量电离，但温度较低，电离的等离子体会重新结合成中性粒子；工质气体进入气体初电离腔3时，电离产生的热等离子体部分直接与腔壁相碰撞，并发生热量传递，而未直接碰撞的热等离子体运动至该腔前端台阶时受阻，发生反弹，运动回气体初电离腔3中，继续与腔壁相碰撞，热等离子体在该腔中的停留时间增加，碰撞效率增加，钨阴极主体段4温度升高，发射热电子，使该腔中未发生电离的工质气体发生电离，以及热等离子体发生部分再电离，此时携带的热量更高，运动速度更快，但是该腔中的离子气体有几率会重新结合成中性、一次粒子，但由于末端压力的作用，最终气体进入气体再电离腔5中；在气体再电离腔5中，高热量的一次电离与二次电离等离子体与腔壁发生更频繁的碰撞，使阴极温度进一步升高，热电子发射效率增加，产生大量的电子，进一步激发等离子体发生再电离，并最终输运至前端。经过计算发现，对比普通单孔阴极，该结构的热等离子体有效碰撞面积增加了25％，意味着阴极温度升高更快，启动时间更短。综上所述，这种结构的阴极可有效增加热等离子的碰撞效率，且大幅度提高工质气体的电离效率。
所述紫铜连接件1套设于阴极后端，为中孔圆台结构，前端直径与钨阴极主体段外径一致，前端至后端直径逐渐增大，长度为10～20mm，锥角范围为10～25°，此结构与外围推力器设计结构相契合，主要起导电与换热作用，电导率为5.5～5.7(×107)S/m，导热系数为390～401W/(m·K)。
所述阴极内部导气孔设计为分级结构，按功能划分为气体缓冲腔2、气体初电离腔3、气体再电离腔5，整体长度满足：长度＝气体缓冲腔长度+初电离腔长度+再电离腔长度，为60～80mm。钨阴极主体段4的外径为30～36mm。
所述气体缓冲腔2的长度10～15mm，直径为15～20mm，主要起气流缓冲作用。
所述气体初电离腔3的长度为25～30mm，直径为10～14mm，此设计结构主要起提高电离率作用，直径高于14mm时，热等离子体无法发生有效碰撞，热量传递效率慢，对阴极的电子发射效率无益；直径低于10mm时，放电过于集中，加重阴极烧蚀，容易发生阴极的中部截断。
所述气体再电离腔5的长度为25～35mm，直径为5～8mm，主要起提高电离程度作用，也是烧蚀相对最严重区域，为延长阴极的使用寿命，长度长于初电离腔；当直径大于8mm时，会导致初电离腔的有效碰撞面积过小，电离效率降低，从而导致二次电离及三次电离程度减少，当直径过小时，放电同样过于集中，阴极烧蚀严重。
在一种优选的实施方式中，阴极后端采用了具有优越导电导热功能的紫铜连接件与钨阴极主体段一体化成型，而现有阴极后端采用与主体材料一致的钨合金，导电导热效率慢。
在一种优选的实施方式中，所述钨阴极主体段材料选用钨-钽-氧化物合金材料，逸出功低，电子发射效率高。所述钨-钽-氧化物合金材料通过钨粉、钽粉及氧化物粉末制成，所述钨粉的粒径50～200nm，氧含量≤40ppm；所述钽粉的粒径为50～100nm；所述氧化物粉末选自ZrO2、BaO、Y2O3中的一种或几种，粒径为100～300nm；所述钽粉在钨-钽-氧化物合金材料中的质量比不高于5％，氧化物粉末在钨-钽-氧化物合金材料中的质量比不超过1％。
在一种优选的实施方式中，所述紫铜连接件材料选用无氧紫铜，粒径为30～50nm。
根据本发明的第二方面，提供了一种磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，在无氧环境下，利用激光3D打印技术，将钨-钽-氧化物粉末、紫铜粉末同时快速制备成型MPDT复合阴极。如图3所示，具体包括如下步骤：
S1，按比例称取纳米级钨粉、纳米级钽粉及氧化物粉末，采用高能球磨法混合均匀，球料比为3：1～8：1，球磨12～20h，以保证氧化物和金属粉末的尺寸和分布均匀性；为防止粉末氧化，在球磨罐中加入无水乙醇，使用量为超过粉末体积即可；
S2，将球磨后的钨-钽-氧化物混合粉末—乙醇悬浊液用高速离心机进行固液分离，然后进行真空干燥与解吸脱氧处理；
S3，将处理后的钨-钽-氧化物混合粉末、紫铜粉末分别装入3D打印设备粉末罐中，抽取真空，然后充入氩气或者氦气清洗，再抽取真空，如此反复，使待制备的粉末样品处于无氧环境中；3D打印设备采用同轴送粉系统，设置有两个及两个以上的粉末传输通道，用于同时送入钨-钽-氧化物混合粉末与紫铜粉末；通道前端设置粉末喷口，可进行三维移动与平面旋转操作；
S4，建立复合结构MPDT阴极的三维模型图，模型图为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构的三维图；将模型图进行横向与纵向切片，生成激光器与送粉器的扫描路径，相邻层之间激光扫描路径旋转60～90°，以减少打印时微孔、裂纹的产生，同时设置不同位置、不同时间的送粉比与激光器的功率；
S5，参数设置完毕，送粉器喷头喷射粉末，激光束进行选择烧结，逐层打印出设计的三维复合结构MPDT阴极。在此过程中，为保证无氧环境，在打印室中充入氩气或氦气等保护气氛；
S6，真空高温处理3D打印成型的MPDT阴极，真空高温处理温度700～850℃，升温速率为10～25℃/min，保温1～2h，在此条件下，可消除阴极的残余应力，提高阴极致密度。
在步骤S1中，选用的钽粉可有效降低目前钨激光熔化和快速凝固过程中产生微裂纹的趋势。
在步骤S2中，所述真空干燥与解吸脱氧处理的处理方法为：真空环境下，干燥处理的同时，钨-钽-氧化物混合物粉末下方放置铁吸氧剂，两者使用隔膜分隔，两者处理均在一个腔室中进行，温度为120～150℃，时间10～12h。
在步骤S4中，将模型图进行横向与纵向切片的步骤包括：将模型图进行切片，分割为纵向排列的计算机二维平面，厚度为50～80微米，将二维平面进行横向再分割，分割宽度为50～200微米，从而生成激光器与送粉器的扫描路径。由于钨粉与钽粉均为难熔金属，切片厚度偏大时，激光无法有效熔覆金属，阴极致密度降低，使用性能降低，偏薄时影响到打印效率，所需时长和成本更高。
在步骤S4中，激光打印速度为0.05～0.15m/s，粉末喷射速度为0.05～1mm3/s，以保证激光烧结的均匀性。激光器的设置功率在200～800W之间，根据平面切片的材料组分选用功率，在打印紫铜连接件时选用200～300W的功率，在打印钨阴极主体段时选择500～800W的功率，以保证粉末材料充分熔化烧结。
实施例
实施例1
磁等离子体动力推力器阴极，如图1和图2所示，其为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构，钨阴极主体段为中孔棒状结构，外径为30mm，整体长度为80mm；中孔结构形成推力器阴极的导气孔，按照功能划分为气流缓冲腔、气体初电离腔和气体再电离腔，气流缓冲腔的直径为20mm，长度为15mm，气体初电离腔的直径为14mm，长度为25mm，气体再电离腔的直径为6mm，长度为35mm；紫铜连接件套设于阴极后端，为中孔圆台结构，前端直径为30mm，后端直径为40mm，长度为15mm，锥角为25°，电导率为5.7×107S/m，导热系数为401W/(m·K)。
钨阴极主体段材料通过钨粉、钽粉末、ZrO2粉制成，其中，钽粉质量占总质量的5％，ZrO2粉质量占比为0.8％。
实施例2
制备实施例1中MPDT阴极：
(1)将粒径50～200nm，氧含量≤40ppm的钨粉、粒径50～100nm的钽粉和粒径为100～300nm的ZrO2粉混合，钽粉质量占总质量的5％，ZrO2粉质量占比为0.8％，将混合粉末装入高能球磨罐，并装入无水乙醇，隔绝空气，球料比为3：1，球磨12h，制成钨-钽-氧化物混合粉末；
(2)对球磨后的粉末进行真空干燥和解吸脱氧处理，采用铁吸氧剂，处理温度为120℃，处理时间为12h。
(3)将粉末装入3D打印粉体罐中，抽取罐体真空，再充入氩气清洗，重复三次。
(4)使用CAD建立MPDT阴极的三维模型并导入3D打印系统中，对三维模型进行横纵向切割，切割宽度和厚度均为50微米，相邻层之间激光扫描路径旋转90°，设定激光扫描路径和激光功率，烧结铜粉时，采用200W功率，烧结钨-钽混合粉时，采用500W功率，参数设置完毕，开机进行烧结打印。
(5)打印完毕后先冷却半个小时，将成型的MPDT阴极立即转移真空炉中，设定温度为750℃，升温速率10℃/min，保温时间1h后随炉冷却。
(6)将制备后的MPDT阴极进行点火试验，试验工况为工作电流：450A，外加磁场电流：60A，氩气流量：50mg/s。对工作的阴极的温度分布进行光学测量发现阴极表面的温度分布均匀，未出现局部高温区，端面温度稳定在2000℃左右，再电离腔到初电离腔的温度在1100～1900℃依次递减。经过150h的点火试验后，未出现阴极局部严重烧蚀，熔融、断裂的情况，平均烧蚀损耗速率为25.6mg/h，换算寿命可达11000h以上。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于，该阴极为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构，钨阴极主体段(4)为中孔棒状结构，中孔结构形成推力器阴极的导气孔，该导气孔按照功能划分为气流缓冲腔(2)，气体初电离腔(3)，气体再电离腔(5)，从前至后直径逐级增大，从而逐级增加热等离子体运动受限程度；紫铜连接件(1)套设于阴极后端，为中孔圆台结构，前端直径与钨阴极主体段外径一致，前端至后端直径逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于，所述钨阴极主体段(4)的外径为30～36mm，整体长度为60～80mm；气体缓冲腔(2)的直径为15～20mm，长度为10～15mm；气体初电离腔(3)的直径为10～14mm，长度为25～30mm；气体再电离腔(5)的直径为5～8mm，长度为25～35mm；
所述紫铜连接件(1)的长度为10～20mm，锥角范围为10～25°，电导率为5.5～5.7(×107)S/m，导热系数为390～401W/(m·K)。
3.根据权利要求1所述的磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于，所述钨阴极主体段(4)与紫铜连接件(1)一体化成型。
4.根据权利要求1所述的磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于，所述钨阴极主体段材料选用钨-钽-氧化物合金材料，所述钨-钽-氧化物合金材料通过钨粉、钽粉及氧化物粉末制成，所述钨粉的粒径50～200nm，氧含量≤40ppm；所述钽粉的粒径为50～100nm；所述氧化物粉末选自ZrO2、BaO、Y2O3中的一种或几种，粒径为100～300nm；所述钽粉在钨-钽-氧化物合金材料中的质量比不高于5％，氧化物粉末在钨-钽-氧化物合金材料中的质量比不超过1％。
5.一种磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，按比例称取纳米级钨粉、纳米级钽粉、氧化物粉末，加入无水乙醇，采用高能球磨法混合均匀，得到钨-钽-氧化物混合粉末与乙醇的悬浊液；
S2，将球磨后的钨-钽-氧化物混合粉末与乙醇的悬浊液用高速离心机进行固液分离，然后进行真空干燥与解吸脱氧处理；
S3，将处理后的钨-钽-氧化物混合粉末、紫铜粉末分别装入3D打印设备粉末罐中，并使待制备的粉末样品处于无氧环境中；3D打印设备采用同轴送粉系统，设置有两个及两个以上的粉末传输通道，用于同时送入钨-钽-氧化物混合粉末与紫铜粉末；通道前端设置粉末喷口，可进行三维移动与平面旋转操作；
S4，建立复合结构MPDT阴极的三维模型图，模型图为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构的三维图；将模型图进行横向与纵向切片，生成激光器与送粉器的扫描路径，同时设置不同位置、不同时间的送粉比与激光器的功率。
S5，参数设置完毕，在惰性气氛下，送粉器喷头喷射粉末，激光束进行选择烧结，逐层打印出设计的三维复合结构MPDT阴极；
S6，真空高温处理3D打印成型的MPDT阴极，真空高温处理温度700～850℃，升温速率为10～25℃/min，保温1～2h。
6.根据权利要求5所述的磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，其特征在于，步骤S2中，所述真空干燥与解吸脱氧处理的处理方法为：真空环境下，干燥处理的同时，钨-钽-氧化物混合物粉末下方放置铁吸氧剂，两者使用隔膜分隔，两者处理均在一个腔室中进行，温度为120～150℃，时间10～12h。
7.根据权利要求5所述的磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，其特征在于，步骤S4中，将模型图进行横向与纵向切片的步骤包括：将模型图进行切片，分割为纵向排列的计算机二维平面，厚度为50～80微米，将二维平面进行横向再分割，分割宽度为50～200微米，从而生成激光器与送粉器的扫描路径，相邻层之间激光旋转60～90°。
8.根据权利要求5所述的磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，其特征在于，步骤S4中，激光打印速度为0.05～0.15m/s，粉末喷射速度为0.05～1mm3/s；激光器的设置功率在200～800W之间，在打印紫铜连接件时选用200～300W的功率，在打印钨阴极主体段时选择500～800W的功率。
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