RU2455110C1 - Method of producing electric arc plasma generator electrodes - Google Patents
Method of producing electric arc plasma generator electrodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2455110C1 RU2455110C1 RU2010147989/02A RU2010147989A RU2455110C1 RU 2455110 C1 RU2455110 C1 RU 2455110C1 RU 2010147989/02 A RU2010147989/02 A RU 2010147989/02A RU 2010147989 A RU2010147989 A RU 2010147989A RU 2455110 C1 RU2455110 C1 RU 2455110C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- sintering
- mixture
- pressing
- electrodes
- Prior art date
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии изготовления объемных наноматериалов и других изделий с повышенными функциональными свойствами методом порошковой металлургии. Применение изобретения предпочтительно для изготовления электродов электродуговых плазматронов с большим ресурсом работы, выполненных "по мерке", т.е. без последующей механической обработки. В качестве сырья для изготовления электродов используют нанодисперсные порошки меди и нанодисперсные порошки легирующих добавок (цирконий, хром, серебро), повышающих еще более функциональные свойства электродов.The invention relates to the technology of manufacturing bulk nanomaterials and other products with enhanced functional properties by powder metallurgy. The use of the invention is preferable for the manufacture of electrodes of electric arc plasmatrons with a long service life, performed "by measurement", i.e. without subsequent machining. Nanodispersed powders of copper and nanodispersed powders of alloying additives (zirconium, chromium, silver) are used as raw materials for the manufacture of electrodes, which increase the even more functional properties of the electrodes.
Электродуговые плазматроны мощностью до 1 МВт включают, как правило, катод, выполненный из вольфрама, легированного лантаном для понижения работы выхода электрона, и анод, выполненный из меди. При этом плазматроны мощностью около 1 МВт содержат промежуточный и выходной аноды, выполненные из меди. Промежуточный анод необходим для облегчения вытягивания электрической дуги на выходной электрод (анод).Electric arc plasmatrons with a power of up to 1 MW include, as a rule, a cathode made of tungsten doped with lanthanum to lower the electron work function, and an anode made of copper. At the same time, plasmatrons with a capacity of about 1 MW contain intermediate and output anodes made of copper. An intermediate anode is needed to facilitate the drawing of an electric arc to the output electrode (anode).
Для плазматронов с более высоким уровнем мощности оба электрода имеют, как правило, трубчатую форму (Toumanov I.N.. Plasma and High Frequency Processes for Obtaining and Processing Materials in the Nuclear Fuel Cycle. The 2nd edition. N.Y. Nova Science Publishers, 2008, 660 p.p). Для медного анода величина удельной эрозии находится в интервале 10-9 кг/Кл - 2·10-11 кг/Кл. Для медного катода величина удельной эрозии равна в среднем ~10-9 кг/Кл, что физически интерпретируется следующим образом: катод поставляет электроны в дугу, чтобы поддерживать непрерывность ее горения; для медного катода это возможно только при температуре, близкой к температуре плавления меди или, если медь легирована металлами с более низкой работой выхода, при температуре, при которой наблюдается достаточная для устойчивой работы катода эмиссия. При этом важно, чтобы легирующие металлы одновременно повышали механические свойства изделий, выполненных из меди.For plasmatrons with a higher power level, both electrodes are usually tubular (Toumanov IN. Plasma and High Frequency Processes for Obtaining and Processing Materials in the Nuclear Fuel Cycle. The 2nd edition. NY Nova Science Publishers, 2008, 660 pp) . For a copper anode, the specific erosion is in the range of 10 -9 kg / C - 2 · 10 -11 kg / C. For a copper cathode, the value of specific erosion is on average ~ 10 -9 kg / Cl, which is physically interpreted as follows: the cathode delivers electrons to the arc in order to maintain the continuity of its burning; for a copper cathode, this is possible only at a temperature close to the melting point of copper or, if copper is alloyed with metals with a lower work function, at a temperature at which emission sufficient for stable operation of the cathode is observed. It is important that alloying metals simultaneously increase the mechanical properties of products made of copper.
Трубчатые электроды электродуговых плазматронов обычно изготавливают с помощью фрезерной и/или токарной обработки стандартных заготовок меди. Такая технология обязательно сопровождается большим количеством отходов в виде обрезков и стружки.Tubular electrodes of electric arc plasmatrons are usually made using milling and / or turning of standard copper blanks. This technology is necessarily accompanied by a large amount of waste in the form of scraps and chips.
Количество отходов становится еще больше, если для изготовления электродов используют заготовки меди, легированной редкими и прочими металлами с целью повысить функциональные свойства меди, например твердость, устойчивость при работе в окислительной среде и пр. (Arc Plasma Processes. A Maturing Technology in Industry. UIE Arc Plasma Review 1988. U.I.E. International Union for Electroheat: Working Group "Plasma Processes"). Дело в том, что технология получения металлических заготовок из сплавов или металлов, легированных другими металлами из расплава, имеет ограничения из-за ликвации. Ликвация - это явление, при котором возникает неоднородность сплава по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям, образующаяся при кристаллизации слитка, непрерывнолитой заготовки и отливки. Ликвация возникает в результате того, что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. При этом состав кристаллов, образующихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава последних порций кристаллизирующегося маточного расплава. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации.The amount of waste becomes even greater if, for the manufacture of electrodes, billets of copper alloyed with rare and other metals are used to increase the functional properties of copper, for example, hardness, stability in an oxidizing environment, etc. (Arc Plasma Processes. A Maturing Technology in Industry. UIE Arc Plasma Review 1988. UIE International Union for Electroheat: Working Group "Plasma Processes"). The fact is that the technology for producing metal billets from alloys or metals alloyed with other metals from the melt has limitations due to segregation. Liquidation is a phenomenon in which an alloy is heterogeneous in chemical composition, structure, and non-metallic inclusions, which is formed during crystallization of an ingot, continuously cast billet, and casting. Liquidation occurs as a result of the fact that alloys, unlike pure metals, crystallize not at the same temperature, but in the temperature range. In this case, the composition of crystals formed at the beginning of solidification can differ significantly from the composition of the last portions of the crystallizing mother liquor. The wider the temperature range of crystallization of the alloy, the greater the development of segregation, and the most prone to it are those components of the alloy that most strongly affect the width of the crystallization interval.
Известен способ изготовления электродов для плазменной резки из борида лантана или гафния путем совместного прессования и спекания порошка в плазме искрового разряда, так называемый Spark plasma sintering (SPS) - прототип (заявка Японии №2001261440, оп. 26.09.2001). Данное решение не предназначено для получения медных электродов мощных электродуговых плазматронов с повышенными функциональными характеристиками.A known method of manufacturing electrodes for plasma cutting from lanthanum or hafnium boride by co-pressing and sintering a powder in a spark discharge plasma, the so-called Spark plasma sintering (SPS) is a prototype (Japanese application No. 200612141440, op. 26.09.2001). This solution is not intended to produce copper electrodes of powerful electric arc plasmatrons with enhanced functional characteristics.
Техническими результатами, на которое направлено изобретение, являются:The technical results to which the invention is directed are:
- улучшение функциональных показателей медных электродов электродуговых плазматронов за счет получения изделий с наноструктурой.- improving the functional characteristics of copper electrodes of electric arc plasmatrons by obtaining products with a nanostructure.
- уменьшение количества отходов металла за счет устранения токарной и фрезерной обработки.- reducing the amount of metal waste by eliminating turning and milling.
- повышение ресурса работы медных электродов за счет гомогенного распределения по объему медного электрода легирующих присадок (циркония, хрома, серебра и пр.), регулирования концентрации присадок.- increase the life of copper electrodes due to the homogeneous distribution of dopant additives (zirconium, chromium, silver, etc.) over the volume of the copper electrode, and regulation of the concentration of additives.
- устранение отходов меди, возникающих за счет ликвации при выплавке медных заготовок, легированных добавками.- elimination of copper waste arising from segregation during the smelting of copper billets alloyed with additives.
Для этого предложен способ изготовления электродов электродуговых плазматронов, включающий совместное прессование и спекание порошка в плазме искрового разряда, отличающийся тем, что помещают нанопорошок меди с размерами частиц 10-15 нм в пресс-форму, соответствующую форме электрода, а прессование и спекание проводят при температуре 1000-2000°С в течение 4-10 мин.To this end, a method for manufacturing electrodes of electric arc plasmatrons is proposed, including co-pressing and sintering a powder in a spark plasma, characterized in that copper nanopowder with a particle size of 10-15 nm is placed in a mold corresponding to the shape of the electrode, and pressing and sintering is carried out at a temperature 1000-2000 ° C for 4-10 minutes.
Кроме того, прессование и спекание нанопорошка меди проводят при давлении прессования 13.22 МПа и величине импульсного электрического тока, пропускаемого через порошок меди, 1.05 кА.In addition, the pressing and sintering of the copper nanopowder is carried out at a pressing pressure of 13.22 MPa and a pulsed electric current passed through the copper powder, 1.05 kA.
Также в пресс-форму дополнительно помещают нанопорошок меди с легирующими добавками в виде нанопорошков циркония, и/или хрома, и/или серебра с размерами частиц 10-20 нм.Also, a copper nanopowder with alloying additives in the form of zirconium and / or chromium and / or silver nanopowders with particle sizes of 10-20 nm is additionally placed in the mold.
Кроме того, в пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующей добавки циркония в количестве не более 2% вес. и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23.2 МПа и величине импульсного электрического тока 1.15 кА.In addition, a mixture of powders of copper and a dopant zirconium in an amount of not more than 2% by weight is placed in the mold. and pressing and sintering the mixture at a pressing pressure of 23.2 MPa and a pulsed electric current of 1.15 kA.
В пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующих добавок циркония и хрома в количестве не более 2% вес. каждой добавки и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23.2 МПа и величине импульсного электрического тока 1.17 кА.A mixture of powders of copper and alloying additives of zirconium and chromium in an amount of not more than 2% by weight is placed in the mold. each additive and carry out the pressing and sintering of the mixture at a pressing pressure of 23.2 MPa and a pulsed electric current of 1.17 kA.
В пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующих добавок циркония и серебра в количестве не более 2% вес. каждой добавки и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23.2 МПа и величине импульсного электрического тока 1.08. кА.A mixture of copper powders and alloying additives of zirconium and silver in an amount of not more than 2% by weight is placed in the mold. each additive and carry out the pressing and sintering of the mixture at a pressing pressure of 23.2 MPa and a pulsed electric current of 1.08. kA.
Разработан безотходный способ изготовления трубчатых электродов электродуговых плазматронов "по мерке", т.е. без последующей механической обработки, основанный на использовании порошковой металлургии нового поколения. Принципы, которые лежат в основе изобретения, формулируются следующим образом.A non-waste method for manufacturing tubular electrodes of electric arc plasmatrons "by measurement", i.e. without subsequent machining, based on the use of new generation powder metallurgy. The principles that underlie the invention are formulated as follows.
1. В объемных наноизделиях с поликристаллической структурой с уменьшением размера зерен объемная доля границ раздела (границ зерен и тройных стыков) значительно возрастает, это оказывают значительное положительное влияние на свойства наноматериалов. Объемная доля тройных стыков значительно возрастает при размерах зерен 10-20 нм. При этом радикально повышается прочность поликристаллического изделия, сфабрикованного из нанопорошков методами порошковой металлургии, с сохранением пластичности. Функциональные свойства конструкционных материалов определяются комплексом свойств, включающим соотношение между прочностью (предел текучести и предел прочности) и пластичностью (относительная равномерная деформация, полное относительное удлинение до разрушения), а также вязкость разрушения.1. In bulk nanocomposites with a polycrystalline structure with a decrease in grain size, the volume fraction of interfaces (grain boundaries and triple junctions) increases significantly, this has a significant positive effect on the properties of nanomaterials. The volume fraction of triple joints increases significantly with grain sizes of 10–20 nm. At the same time, the strength of a polycrystalline product fabricated from nanopowders by powder metallurgy methods radically increases, while maintaining plasticity. The functional properties of structural materials are determined by a set of properties, including the relationship between strength (yield strength and tensile strength) and ductility (relative uniform deformation, total elongation to failure), as well as fracture toughness.
2. С уменьшением размера частиц давление прессования, необходимое для достижения заданной плотности изделия, увеличивается. При размере зерна меньше некоторого критического частицы становятся бездислокационными, соответственно значительно возрастает давление, необходимое для их деформирования. С другой стороны, с уменьшением размера частиц температура спекания порошков значительно уменьшается. При высоких температурах плотность образцов возрастает, но при использовании обычной порошковой металлургии увеличивается размер зерна, что является нежелательным с точки зрения достижения высоких функциональных свойств изделий. Тем не менее, даже при всех недостатках обычной порошковой металлургии микротвердость нанокристаллических материалов в 2-7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов, причем это не зависит от метода получения материала.2. With decreasing particle size, the pressing pressure necessary to achieve a given density of the product increases. When the grain size is less than a certain critical particle, they become dislocation-free; accordingly, the pressure required for their deformation increases significantly. On the other hand, with decreasing particle size, the sintering temperature of the powders decreases significantly. At high temperatures, the density of the samples increases, but when using conventional powder metallurgy, the grain size increases, which is undesirable from the point of view of achieving high functional properties of the products. Nevertheless, even with all the drawbacks of conventional powder metallurgy, the microhardness of nanocrystalline materials is 2-7 times higher than the hardness of coarse-grained analogues, and this does not depend on the method of obtaining the material.
3. Для изготовления электродов электродуговых плазматронов использовали порошковую металлургию нового поколения, в которой при высокой температуре зерна практически не успевают вырасти: электроды изготавливали путем совмещенного прессования и спекания нанопорошков меди в плазме искрового разряда - СПИР (SPS)-процесс. Нанопорошок обрабатывают плазмой искрового разряда и импульсным постоянным током, протекающим через контакты между частицами; при этом энергия гомогенно диссипируется во всем образце; в таком режиме осуществляется эффективное спекание при сравнительно низких энергозатратах. В СПИР-процессе концентрируются высокоэнергетические импульсы при точечном межгранулярном связывании, в результате чего возникает значительное улучшение спекания в сравнении с обычным горячим прессованием и горячим изостатическим спеканием под давлением.3. For the manufacture of electrodes of electric arc plasmatrons, a new generation of powder metallurgy was used, in which grains almost did not have time to grow at a high temperature: the electrodes were made by combined pressing and sintering of copper nanopowders in a spark plasma - the SPIR (SPS) process. The nanopowder is treated with spark plasma and pulsed direct current flowing through the contacts between the particles; in this case, the energy is homogeneously dissipated throughout the sample; In this mode, effective sintering is carried out at a relatively low energy consumption. In the SPIR process, high-energy pulses are concentrated by point intergranular bonding, which results in a significant improvement in sintering in comparison with conventional hot pressing and hot isostatic sintering under pressure.
Механизм СПИР-процесса таков. При наложении напряжения на прессующие электроды возникают искровые разряды в пространстве между частицами материала и моментально возникает локальная высокая температура в плазме, находящейся в промежутке между частицами. Поверхность частиц сжатого давлением материала плавится и происходит испарение материала, между частицами материала возникают "шейки", обуславливающие наличие контактной поверхности. Эти "шейки" постепенно развиваются, при дальнейшем спекании развивается пластическая деформация, в результате чего материал быстро уплотняется до 99% от теоретической плотности. Поскольку температура частиц растет очень быстро за счет дальнейшего возрастания тока, исходный материал все больше компактируется.The mechanism of the SPIR process is as follows. When voltage is applied to the pressing electrodes, spark discharges occur in the space between the particles of the material and a local high temperature instantly arises in the plasma located in the gap between the particles. The surface of the particles of the pressure-compressed material melts and the material evaporates, and “necks” arise between the particles of the material, which determine the presence of a contact surface. These "necks" gradually develop, with further sintering plastic deformation develops, as a result of which the material quickly condenses to 99% of theoretical density. Since the temperature of the particles increases very rapidly due to a further increase in current, the starting material is more and more compacted.
4. Для дальнейшего повышения функциональных свойств электродов использовали одновременно легирование меди различными добавками, которые повышают твердость меди и ее устойчивость к окислению при сохранении высокой электропроводности и теплопроводности. В качестве таких добавок использовали цирконий, хром, серебро.4. To further increase the functional properties of the electrodes, copper alloying with various additives was used simultaneously, which increase the hardness of copper and its resistance to oxidation while maintaining high electrical and thermal conductivity. As such additives used zirconium, chromium, silver.
На фигуре показана схема производства электродов для получения изделий методом совмещенного прессования и спекания нанопорошков в плазме искрового разряда где:The figure shows a diagram of the production of electrodes for producing products by the method of combined pressing and sintering of nanopowders in a plasma of a spark discharge where:
1 - вакуумная камера1 - vacuum chamber
2, 3 - электроды (анод и катод)2, 3 - electrodes (anode and cathode)
4 - импульсный генератор постоянного тока4 - pulsed DC generator
5 - графитовая пресс-форма5 - graphite mold
6 - гидравлический пресс6 - hydraulic press
7 - штампы гидравлического пресса7 - hydraulic press dies
8 - блок управления8 - control unit
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
В вакуумной водоохлаждаемой камере 1 расположена пресс-форма 5 для изготовления изделий заданной формы, заполняемая нанодисперсным порошком меди или смесью нанопорошков меди и легирующих добавок с размером частиц 10-20 нм. В предложенном варианте устройства сверху и снизу на порошок накладываются штампы 7 гидравлического пресса 6. Штампы 7 являются электродами (анодом 2 и катодом 3) импульсного генератора постоянного тока 4.In the vacuum water-cooled chamber 1 there is a mold 5 for manufacturing products of a given shape, filled with nanodispersed copper powder or a mixture of copper nanopowders and alloying additives with a particle size of 10-20 nm. In the proposed embodiment of the device, dies 7 of the hydraulic press 6 are applied on top and bottom of the powder. The dies 7 are the electrodes (anode 2 and cathode 3) of a pulsed DC generator 4.
При напряжении, приложенном через электроды к массе порошка, сжимаемой штампами пресса в пресс-форме, возникает импульсный электрический ток в массе порошка, кроме того, между частицами последнего возникают искровые разряды, в зазорах между частицами генерируется искровая плазма, во всей массе порошка развиваются температуры до 2000°С; это на 200-500°С ниже, чем при обычном продолжительном печном спекании. Нагрев, плавление, испарение и спекание протекают и заканчиваются очень быстро, в интервале 4-10 минут, включая время роста температуры и время выдержки.At a voltage applied through the electrodes to the mass of powder compressed by the press dies in the mold, a pulsed electric current arises in the mass of the powder, in addition, spark discharges arise between the particles of the latter, spark plasma is generated in the gaps between the particles, temperatures develop in the entire mass of the powder up to 2000 ° C; it is 200-500 ° C lower than with conventional continuous furnace sintering. Heating, melting, evaporation and sintering proceed and end very quickly, in the range of 4-10 minutes, including the temperature rise time and holding time.
Блок управления 8 контролирует параметры работы всех элементов: состав атмосферы и давление в вакуумной камере 1, давление на штампах гидравлического пресса 7, ток, напряжение на электродах 2 и 3, ток, протекающий через порошок в пресс-форме 5, температуру в зоне прессования и спекания порошка, контроль за геометрией изделия. В качестве изделий данным способом можно получать трубчатые цилиндрические электроды.The control unit 8 controls the operation parameters of all elements: the composition of the atmosphere and the pressure in the vacuum chamber 1, the pressure on the dies of the hydraulic press 7, the current, the voltage on the electrodes 2 and 3, the current flowing through the powder in the mold 5, the temperature in the pressing zone and sintering powder, control of the geometry of the product. As products in this way you can get tubular cylindrical electrodes.
Процесс спекания в плазме искрового разряда основан на использовании импульсного постоянного тока при одновременном сжатии объема порошка; импульсы протекают в отрезок времени между "включено-выключено" (ON-OFF DC pulse energizing). Нанопорошок обрабатывают плазмой искрового разряда и импульсным постоянным током, протекающим через контакты между частицами; при этом энергия гомогенно диссипируется во всем образце; в таком режиме осуществляется эффективное спекание при сравнительно низких энергозатратах. В СПИР-процессе концентрируются высокоэнергетические импульсы при точечном межгранулярном связывании, в результате чего возникает значительное улучшение спекания в сравнении с обычным горячим прессованием и горячим изостатическим спеканием под давлением.The process of sintering in a plasma of a spark discharge is based on the use of pulsed direct current while compressing the volume of the powder; pulses flow in the ON-OFF DC pulse energizing interval. The nanopowder is treated with spark plasma and pulsed direct current flowing through the contacts between the particles; in this case, the energy is homogeneously dissipated throughout the sample; In this mode, effective sintering is carried out at a relatively low energy consumption. In the SPIR process, high-energy pulses are concentrated by point intergranular bonding, which results in a significant improvement in sintering in comparison with conventional hot pressing and hot isostatic sintering under pressure.
Примеры осуществления способа.Examples of the method.
Пример 1.Example 1
Изготовление трубчатого медного выходного электрода (анода) электродугового плазматрона ЭДП-137. Внешний диаметр трубчатого анода - 70 мм; внутренний диаметр - 50 мм, длина - 100 мм. В качестве сырья использовали порошок меди со средним размером частиц - 15 нм. Работа выхода электрона из медного электрода с поликристаллической структурой составляет 4.4 эВ.Production of a tubular copper output electrode (anode) of an electric arc plasmatron EDP-137. The outer diameter of the tubular anode is 70 mm; inner diameter - 50 mm, length - 100 mm. Copper powder with an average particle size of 15 nm was used as raw material. The electron work function of a copper electrode with a polycrystalline structure is 4.4 eV.
Для изготовления электрода использовали оборудование, работающее по технологии СПИР: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. Оборудование развивает усилие 50 кН (килоньютон), т.е. 5.1 Т.For the manufacture of the electrode, equipment using the SPIR technology was used: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. The equipment develops a force of 50 kN (kilonewton), i.e. 5.1 T.
Параметры процесса совмещенного прессования и спекания:The parameters of the process of combined pressing and sintering:
- Масса нанопорошка меди в пресс-форме - 1.8 кг;- The mass of copper nanopowder in the mold is 1.8 kg;
- Площадь, на которую давят штампы гидравлического пресса - 3.78·10-3 м2;- The area on which the stamps of the hydraulic press are pressed is 3.78 · 10 -3 m 2 ;
- Давление сжатия образца - 13.22 МПа;- Compression pressure of the sample - 13.22 MPa;
- Температура спекания медного нанопорошка - 1070°С;- The sintering temperature of the copper nanopowder - 1070 ° C;
- Процесс протекал в водоохлаждаемой вакуумной камере, начальное разрежение - 5·10-3 Па.- The process proceeded in a water-cooled vacuum chamber, the initial vacuum is 5 · 10 -3 Pa.
- Электрический ток в загрузке медного порошка во время импульса - 1050 А;- Electric current in the loading of copper powder during the pulse - 1050 A;
- Время процесса совмещенного прессования и спекания - 4.6 мин, - у нас время -4-10 мин;- The time of the process of combined pressing and sintering is 4.6 minutes, - we have a time of -4-10 minutes;
- Плотность изделия - 99.4% от теоретической плотности.- The density of the product is 99.4% of the theoretical density.
Изготовленный электрод установили на место анода в плазматроне ЭДП-137. Плазматрон был установлен на испытательный стенд, провели испытания плазматрона на воздухе при следующих условиях:The fabricated electrode was installed in place of the anode in the plasmatron EDP-137. The plasmatron was installed on a test bench, the plasmatron was tested in air under the following conditions:
- Расход воздуха - 250·10-3 кг/с;- Air consumption - 250 · 10 -3 kg / s;
- Среднемассовая температура потока воздушной плазмы - 4200 К;- The mass-average temperature of the air plasma flow is 4200 K;
- Тепловой КПД - 0.73;- Thermal efficiency - 0.73;
- Электрический ток - 1070 А;- Electric current - 1070 A;
- Напряжение на дуге - 1030 В;- The voltage on the arc is 1030 V;
- Расход охлаждающей воды - 2 кг/с;- The consumption of cooling water - 2 kg / s;
- Давление воды на входе - 6·103 Па;- Inlet water pressure - 6 · 10 3 Pa;
- Напряженность магнитного поля соленоида - 6·104 А/м.- The magnetic field of the solenoid is 6 · 10 4 A / m.
Далее весовым методом определили эрозийную характеристику анода. Она составила 8.73·10-12 кг/Кл, т.е. в ~2.3 ниже, чем эрозийная характеристика медного трубчатого анода, изготовленного по стандартной технологии.Next, the erosion characteristic of the anode was determined by the weight method. It amounted to 8.73 · 10 -12 kg / C, i.e. ~ 2.3 lower than the erosion characteristic of a copper tubular anode made by standard technology.
Пример 2.Example 2
С использованием технологии СПИР изготовлен трубчатый медный фронтальный электрод (катод) электродугового плазматрона ЭДП-137. Внешний диаметр трубчатого катода - 45 мм; внутренний диаметр - 25 мм, длина - 100 мм. В качестве сырья использовали хорошо перемешанную шихту порошка меди со средним размером частиц - 15 нм и порошка циркония (1.87% вес. Zr) со средним размером частиц - 17 нм.Using SPIR technology, a tubular copper frontal electrode (cathode) of the electric arc plasmatron EDP-137 was manufactured. The outer diameter of the tubular cathode is 45 mm; inner diameter - 25 mm, length - 100 mm. A well-mixed mixture of copper powder with an average particle size of 15 nm and zirconium powder (1.87% wt. Zr) with an average particle size of 17 nm was used as raw material.
Работа выхода электрона из медного электрода с поликристаллической структурой составляет 4.4 эВ. Работа выхода электрона из электрода с поликристаллической структурой, легированного цирконием, составляет 3.9 эВ.The electron work function of a copper electrode with a polycrystalline structure is 4.4 eV. The work function of an electron from an electrode with a polycrystalline structure doped with zirconium is 3.9 eV.
Для изготовления электрода использовали оборудование, работающее по технологии СПИР: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. Оборудование развивает усилие 50 кН (килоньютон), т.е. 5.1 Т.For the manufacture of the electrode, equipment using the SPIR technology was used: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. The equipment develops a force of 50 kN (kilonewton), i.e. 5.1 T.
Параметры процесса совмещенного прессования и спекания:The parameters of the process of combined pressing and sintering:
- Масса нанопорошка Сu - 1.87% вес. Zr - 1.03 кг;- The mass of Cu nanopowder is 1.87% by weight. Zr - 1.03 kg;
- Площадь, на которую давят штампы гидравлического пресса - 1.10·10-3 м2;- The area on which the stamps of the hydraulic press are pressed is 1.10 · 10 -3 m 2 ;
- Давление сжатия образца - 23.2 МПа;- Compression pressure of the sample - 23.2 MPa;
- Температура спекания шихты Сu - 1.87% вес. Zr - 1067°С;- The sintering temperature of the charge Cu - 1.87% weight. Zr - 1067 ° C;
- Процесс протекал в водоохлаждаемой вакуумной камере, начальное разрежение - 5·10-3 Па.- The process proceeded in a water-cooled vacuum chamber, the initial vacuum is 5 · 10 -3 Pa.
- Электрический ток в загрузке медного порошка во время импульса - 1150 А.- The electric current in the load of copper powder during the pulse is 1150 A.
- Время процесса совмещенного прессования и спекания - 5.4 мин;- The time of the process of combined pressing and sintering - 5.4 min;
- Плотность изделия - 99.8% от теоретической плотности.- The density of the product is 99.8% of theoretical density.
Изготовленный электрод установили на место катода в плазматроне ЭДП-137. Плазматрон был установлен на испытательный стенд, провели испытания плазматрона на воздухе при следующих условиях:The fabricated electrode was installed in place of the cathode in the plasmatron EDP-137. The plasmatron was installed on a test bench, the plasmatron was tested in air under the following conditions:
- Расход воздуха - 250·10-3 кг/с;- Air consumption - 250 · 10 -3 kg / s;
- Среднемассовая температура потока воздушной плазмы - 4150 К;- The mass-average temperature of the air plasma flow is 4150 K;
- Тепловой КПД - 0.72;- Thermal efficiency - 0.72;
- Электрический ток - 1060 А;- Electric current - 1060 A;
- Напряжение на дуге - 1030 В;- The voltage on the arc is 1030 V;
- Расход охлаждающей воды - 2 кг/с;- The consumption of cooling water - 2 kg / s;
- Давление воды на входе - 6·103 Па;- Inlet water pressure - 6 · 10 3 Pa;
- Напряженность магнитного поля соленоида - 6·104 А/м.- The magnetic field of the solenoid is 6 · 10 4 A / m.
Далее весовым методом определили эрозийную характеристику катода. Она составила 1.37·10-10 кг/Кл, т.е. в ~7.3 раз ниже, чем эрозийная характеристика медного трубчатого катода, изготовленного по стандартной технологии.Next, the erosion characteristic of the cathode was determined by the weight method. It amounted to 1.37 · 10 -10 kg / C, i.e. ~ 7.3 times lower than the erosion characteristic of a copper tubular cathode manufactured by standard technology.
Этот же электрод затем работал в другом приложении при токе около 4500 А в воздухе в течение 200 час. Этот ток превысил более чем в 2 раза допустимый ток для стандартного медного электрода, изготовленного из меди М-3 по стандартной технологии.The same electrode then worked in another application at a current of about 4,500 A in air for 200 hours. This current exceeded by more than 2 times the permissible current for a standard copper electrode made of M-3 copper using standard technology.
Пример 3.Example 3
С использованием технологии СПИР изготовлен трубчатый медный фронтальный электрод (катод) электродугового плазматрона ЭДП-137. Внешний диаметр трубчатого катода - 45 мм; внутренний диаметр - 25 мм, длина - 100 мм. В качестве сырья использовали хорошо перемешанную шихту порошка меди со средним размером частиц - 15 нм и порошка циркония (1.5% вес. Zr ) и хрома (0.5% вес. Сr ) со средним размером частиц - 17 нм.Using SPIR technology, a tubular copper frontal electrode (cathode) of the electric arc plasmatron EDP-137 was manufactured. The outer diameter of the tubular cathode is 45 mm; inner diameter - 25 mm, length - 100 mm. A well-mixed mixture of copper powder with an average particle size of 15 nm and zirconium powder (1.5% wt. Zr) and chromium (0.5% wt. Cr) with an average particle size of 17 nm was used as raw material.
Для изготовления электрода использовали оборудование, работающее по технологии СПИР: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. Оборудование развивает усилие 50 кН (килоньютон), т.е. 5.1 Т.For the manufacture of the electrode, equipment using the SPIR technology was used: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. The equipment develops a force of 50 kN (kilonewton), i.e. 5.1 T.
Параметры процесса совмещенного прессования и спекания:The parameters of the process of combined pressing and sintering:
- Масса нанопорошка Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Сr - 1.03 кг;- The mass of Cu nanopowder is 1.5% by weight. Zr - 0.5% weight. Cr - 1.03 kg;
- Площадь, на которую давят штампы гидравлического пресса - 1.10·10-3 м2;- The area on which the stamps of the hydraulic press are pressed is 1.10 · 10 -3 m 2 ;
- Давление сжатия образца - 23.2 МПа;- Compression pressure of the sample - 23.2 MPa;
- Температура спекания шихты Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Сr - 1071°С;- The sintering temperature of the charge Cu - 1.5% weight. Zr - 0.5% weight. Cr - 1071 ° C;
- Процесс протекал в водоохлаждаемой вакуумной камере, начальное разрежение - 5·10-3 Па.- The process proceeded in a water-cooled vacuum chamber, the initial vacuum is 5 · 10 -3 Pa.
- Электрический ток в загрузке Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Сr во время импульса - 1170 А.- Electric current in the loading of Cu - 1.5% weight. Zr - 0.5% weight. Cr during the pulse - 1170 A.
- Время процесса совмещенного прессования и спекания - 7.4 мин.- The time of the process of combined pressing and sintering is 7.4 min.
- Плотность изделия - 99.8% от теоретической плотности.- The density of the product is 99.8% of theoretical density.
Изготовленный электрод установили на место катода в плазматроне ЭДП-137. Плазматрон был установлен на испытательный стенд, провели испытания плазматрона на воздухе при следующих условиях:The fabricated electrode was installed in place of the cathode in the plasmatron EDP-137. The plasmatron was installed on a test bench, the plasmatron was tested in air under the following conditions:
- Расход воздуха - 250·10-3 кг/с;- Air consumption - 250 · 10 -3 kg / s;
- Среднемассовая температура потока воздушной плазмы - 4220 К;- The mass-average temperature of the air plasma flow is 4220 K;
- Тепловой КПД - 0.74;- Thermal efficiency - 0.74;
- Электрический ток - 1025 А;- Electric current - 1025 A;
- Напряжение на дуге - 1030 В;- The voltage on the arc is 1030 V;
- Расход охлаждающей воды - 2 кг/с;- The consumption of cooling water - 2 kg / s;
- Давление воды на входе - 6·103 Па;- Inlet water pressure - 6 · 10 3 Pa;
- Напряженность магнитного поля соленоида - 6·104 А/м.- The magnetic field of the solenoid is 6 · 10 4 A / m.
Далее весовым методом определили эрозийную характеристику катода. Она составила 1.46·10-10 кг/Кл, т.е. в ~6.9 раз ниже, чем эрозийная характеристика медного трубчатого катода, изготовленного по стандартной технологии.Next, the erosion characteristic of the cathode was determined by the weight method. It amounted to 1.46 · 10 -10 kg / C, i.e. ~ 6.9 times lower than the erosion characteristic of a copper tubular cathode manufactured by standard technology.
Пример 4.Example 4
С использованием технологии СПИР изготовлен трубчатый медный фронтальный электрод (катод) электродугового плазматрона ЭДП-137. Внешний диаметр трубчатого катода - 45 мм; внутренний диаметр - 25 мм, длина - 100 мм. В качестве сырья использовали хорошо перемешанную шихту порошка меди со средним размером частиц - 15 нм и порошка циркония (1.5% вес.Zr ) и серебра (0.5% вес.Ag ) со средним размером частиц - 17 нм.Using SPIR technology, a tubular copper frontal electrode (cathode) of the electric arc plasmatron EDP-137 was manufactured. The outer diameter of the tubular cathode is 45 mm; inner diameter - 25 mm, length - 100 mm. A well-mixed charge of copper powder with an average particle size of 15 nm and zirconium powder (1.5 wt% Zr) and silver (0.5 wt% Ag) with an average particle size of 17 nm was used as raw material.
Для изготовления электрода использовали оборудование, работающее по технологии СПИР: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. Оборудование развивает усилие 50 кН (килоньютон), т.е. 5.1 Т.For the manufacture of the electrode, equipment using the SPIR technology was used: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. The equipment develops a force of 50 kN (kilonewton), i.e. 5.1 T.
Параметры процесса совмещенного прессования и спекания:The parameters of the process of combined pressing and sintering:
- Масса нанопорошка Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Ag - 1.03 кг;- The mass of Cu nanopowder is 1.5% by weight. Zr - 0.5% weight. Ag - 1.03 kg;
- Площадь, на которую давят штампы гидравлического пресса - 1.10·10-3 м2;- The area on which the stamps of the hydraulic press are pressed is 1.10 · 10 -3 m 2 ;
- Давление сжатия образца - 23.2 МПа;- Compression pressure of the sample - 23.2 MPa;
- Температура спекания шихты Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Ag - 997°С;- The sintering temperature of the charge Cu - 1.5% weight. Zr - 0.5% weight. Ag - 997 ° C;
- Процесс протекал в водоохлаждаемой вакуумной камере, начальное разрежение - 5·10-3 Па.- The process proceeded in a water-cooled vacuum chamber, the initial vacuum is 5 · 10 -3 Pa.
- Электрический ток в загрузке Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Ag во время импульса - 1080 А.- Electric current in the loading of Cu - 1.5% weight. Zr - 0.5% weight. Ag during the pulse - 1080 A.
Время процесса совмещенного прессования и спекания - 5.1 мин.The time of the process of combined pressing and sintering is 5.1 min.
- Плотность изделия - 99.8% от теоретической плотности.- The density of the product is 99.8% of theoretical density.
Изготовленный электрод установили на место катода в плазматроне ЭДП-137. Плазматрон был установлен на испытательный стенд, провели испытания плазматрона на воздухе при следующих условиях:The fabricated electrode was installed in place of the cathode in the plasmatron EDP-137. The plasmatron was installed on a test bench, the plasmatron was tested in air under the following conditions:
- Расход воздуха - 250·10-3 кг/с;- Air consumption - 250 · 10 -3 kg / s;
- Среднемассовая температура потока воздушной плазмы - 4220 К;- The mass-average temperature of the air plasma flow is 4220 K;
- Тепловой КПД - 0.74;- Thermal efficiency - 0.74;
- Электрический ток - 1025 А;- Electric current - 1025 A;
- Напряжение на дуге - 1030 В;- The voltage on the arc is 1030 V;
- Расход охлаждающей воды - 2 кг/с;- The consumption of cooling water - 2 kg / s;
- Давление воды на входе - 6·103 Па;- Inlet water pressure - 6 · 10 3 Pa;
- Напряженность магнитного поля соленоида - 6·104 А/м.- The magnetic field of the solenoid is 6 · 10 4 A / m.
Далее весовым методом определили эрозийную характеристику катода. Она составила 1.27·10-10 кг/Кл, т.е. в ~7.9 раз ниже, чем эрозийная характеристика медного трубчатого катода, изготовленного по стандартной технологии.Next, the erosion characteristic of the cathode was determined by the gravimetric method. It amounted to 1.27 · 10 -10 kg / C, i.e. ~ 7.9 times lower than the erosion characteristic of a copper tubular cathode manufactured by standard technology.
Таким образом, изделия - электроды электродуговых плазматронов, выполненные из меди по технологии совмещенного прессования и спекания нанопорошков меди в плазме искрового разряда, имеют ресурс работы, в 2-3 раза и более превышающий ресурс работы обычных электродов, изготовленных путем токарно-фрезерной обработки медных заготовок. Еще более высокий ресурс имеют электроды, легированные цирконием, хромом и серебром. Легирование цирконием или хромом (~ по 2%) приводит к увеличению твердость меди и стойкости к окислению (например, при работе с потоками воздушной плазмы. Для работы с чисто кислородной плазмой медные электроды дополнительно легируют серебром.Thus, products - electrodes of electric arc plasmatrons made of copper using the technology of combined pressing and sintering of copper nanopowders in spark plasma, have a working life that is 2-3 times or more than the working life of conventional electrodes made by turning and milling of copper billets . Electrodes doped with zirconium, chromium and silver have an even higher resource. Alloying with zirconium or chromium (~ 2% each) leads to an increase in copper hardness and oxidation resistance (for example, when working with air plasma flows. To work with pure oxygen plasma, copper electrodes are additionally alloyed with silver.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010147989/02A RU2455110C1 (en) | 2010-11-25 | 2010-11-25 | Method of producing electric arc plasma generator electrodes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010147989/02A RU2455110C1 (en) | 2010-11-25 | 2010-11-25 | Method of producing electric arc plasma generator electrodes |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010147989A RU2010147989A (en) | 2012-05-27 |
| RU2455110C1 true RU2455110C1 (en) | 2012-07-10 |
Family
ID=46231494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010147989/02A RU2455110C1 (en) | 2010-11-25 | 2010-11-25 | Method of producing electric arc plasma generator electrodes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2455110C1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114171334A (en) * | 2021-10-28 | 2022-03-11 | 国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院 | Preparation method of composite contact |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2043867C1 (en) * | 1993-05-18 | 1995-09-20 | Институт материаловедения Дальневосточного отделения РАН | Method to produce composition material based on tungsten-copper pseudoalloy |
| JP2001261440A (en) * | 2000-03-17 | 2001-09-26 | Chubu Electric Power Co Inc | Oxidation-resistant hafnium carbide sintered body and oxidation-resistant hafnium carbide-lanthanum boride sintered body, their production processes and electrode for plasma generation, made by using the same |
| JP2005314806A (en) * | 2004-03-29 | 2005-11-10 | Nano Gijutsu Kenkyusho:Kk | Powder of nano crystalline copper metal and nano crystalline copper alloy having high hardness and high electric conductivity, bulk material of nano crystalline copper or copper alloy having high hardness, high strength, high electric conductivity and high toughness, and production method thereof |
| US20080025864A1 (en) * | 2006-07-19 | 2008-01-31 | Jinshu Wang | Method of manufacturing a pressed scandate dispenser cathode |
| RU2402406C1 (en) * | 2009-03-26 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) (ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)) | Method of producing copper-based dispersion-strengthened articles for electric erosion applications |
-
2010
- 2010-11-25 RU RU2010147989/02A patent/RU2455110C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2043867C1 (en) * | 1993-05-18 | 1995-09-20 | Институт материаловедения Дальневосточного отделения РАН | Method to produce composition material based on tungsten-copper pseudoalloy |
| JP2001261440A (en) * | 2000-03-17 | 2001-09-26 | Chubu Electric Power Co Inc | Oxidation-resistant hafnium carbide sintered body and oxidation-resistant hafnium carbide-lanthanum boride sintered body, their production processes and electrode for plasma generation, made by using the same |
| JP2005314806A (en) * | 2004-03-29 | 2005-11-10 | Nano Gijutsu Kenkyusho:Kk | Powder of nano crystalline copper metal and nano crystalline copper alloy having high hardness and high electric conductivity, bulk material of nano crystalline copper or copper alloy having high hardness, high strength, high electric conductivity and high toughness, and production method thereof |
| US20080025864A1 (en) * | 2006-07-19 | 2008-01-31 | Jinshu Wang | Method of manufacturing a pressed scandate dispenser cathode |
| RU2402406C1 (en) * | 2009-03-26 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) (ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)) | Method of producing copper-based dispersion-strengthened articles for electric erosion applications |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010147989A (en) | 2012-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110079719B (en) | Method for increasing hafnium content in tantalum-tungsten alloy | |
| WO2005073418A1 (en) | Tungsten based sintered compact and method for production thereof | |
| CN104372230A (en) | High-strength high-toughness ultrafine-grained high-entropy alloy and preparation method thereof | |
| XIAO et al. | Microstructures and mechanical properties of TiAl alloy prepared by spark plasma sintering | |
| Khanra et al. | Microanalysis of debris formed during electrical discharge machining (EDM) | |
| GB2575005A (en) | A process and method for producing titanium and titanium alloy billets, spherical and non-spherical powder | |
| CN112207281A (en) | Layered gradient copper-based composite material and preparation method thereof | |
| CN113088752A (en) | Preparation method of beryllium-copper master alloy | |
| Ding et al. | In situ synthesis of TiC cermet by spark plasma reaction sintering | |
| CN105256214B (en) | Nb-Si intermetallic compound bar and preparation method thereof | |
| RU2455110C1 (en) | Method of producing electric arc plasma generator electrodes | |
| Jones et al. | Plasma activated sintering (PAS) of tungsten powders | |
| Shon et al. | Effect of particle size distribution on microstructure and mechanical properties of spark-plasma-sintered titanium from CP-Ti powders | |
| Azreen et al. | Development of Cu-SiC composite for electrical discharge machining electrode using powder metallurgy technique | |
| Khanra et al. | Application of new tool material for electrical discharge machining (EDM) | |
| Li et al. | Experimental study in SEAM machining performance of W-Cu alloy electrode materials | |
| CN102492863B (en) | Arc melting method of tungsten alloy with high tungsten content | |
| Rajković et al. | The influence of powder particle size on properties of Cu-Al2O3 composites | |
| Zheng et al. | CuCr bulk alloy produced by mechanical alloying and explosive compaction | |
| JP2009203544A (en) | Hard alloy material, production method, and tool and wear resistant member | |
| Somani et al. | Characterization and performance improvement of Sic-reinforced Cu-matrix-based composites as electrode for EDM machining | |
| Khanra et al. | Electrical discharge machining studies on reactive sintered FeAl | |
| Kim et al. | Nanocomposites TiB 2-Cu: consolidation and erosion behavior | |
| JP2001261440A (en) | Oxidation-resistant hafnium carbide sintered body and oxidation-resistant hafnium carbide-lanthanum boride sintered body, their production processes and electrode for plasma generation, made by using the same | |
| JP2008007793A (en) | Sintered high-strength magnesium alloy, and its manufacturing method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201126 |