[發明專利]直流電弧空氣等離子體炬陰極用鋯合金材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210061945.5
• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN102586648A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 劉東雨;陳雅婷;劉靜靜;侯世香;袁曉娜;劉澤;李旭
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;C22C1/02;H05H1/34
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

技術領域

本發明屬于等離子體炬陰極材料及其制備技術領域，特別涉及直流電弧空氣等離子炬陰極用鋯合金陰極材料及其制備方法。

背景技術

直流電弧等離子體炬有轉移弧和非轉移弧兩種基本形式。當電弧的陽極和陰極不在同一個等離子體炬上時，為轉移弧等離子體炬；當電弧的陽極和陰極位于同一個等離子體炬上時，為非轉移弧等離子體炬。等離子體炬的工作氣體可以是惰性氣體也可以是還原性氣體或氧化性氣體。當等離子體炬的工作氣體為空氣時，就稱為直流電弧空氣等離子體炬。電站鍋爐等離子點火裝置中的等離子體炬為直流非轉移弧空氣等離子體炬，空氣等離子體割炬為直流轉移弧空氣等離子體炬。限制直流電弧空氣等離子體炬使用的一個主要問題是等離子體炬的電極壽命低，尤其是陰極壽命不夠長。例200KW級的非轉移直流電弧空氣等離子體炬陰極的通常使用壽命不足100h。為此，人們想方設法提高等離子體炬的陰極壽命，如改變陰極的形狀以提高陰極壽命，設計出各種形狀的陰極：鑲嵌型棒狀陰極(CN200910184998.4)、焊接型棒狀陰極(CN02203117.0、CN01253592.3)、井型陰極(USP3118046)、管型陰極或空心陰極(USP4891490、CN200420063609.5)；采用電磁線圈驅動電弧高速運動以提高陰極壽命(USP5177338、USP3869593)；采用高導熱率、高導電率材料作為電子發射體以提高陰極壽命(CN00245774.1)；采用高熔點、低電子逸出功材料作為電子發射體以提高陰極壽命(CN98202922.5、JP2001261440、JP8148294、JP8071760)；采用高導電和高導熱材料與高熔點、低電子逸出功材料復合以提高陰極壽命(CN200320131401.8、CN200320131406.0)。實踐表明改變陰極形狀，增加弧根移動速度，改善電極冷卻質量確實在一定程度上提高陰極的使用壽命，但提高程度有限。在空氣作為工作氣體的條件下，高熔點、低電子逸出功材料如Hf、TaC制成的陰極具有較長的陰極壽命，但上述材料價格高，脆性較大，增加了陰極加工難度。鋯以其較高的熔點，較廉的價格一直受到人們的關注，但由于其壽命僅為鉿的1/2～1/4，使其應用受到限制。

影響空氣等離子體炬陰極材料燒蝕率的主要因素是材料的導熱率、熔點、功函數和高溫耐氧化性。材料的功函數越低，越容易發射電子，陰極弧根的溫度越低，則陰極的燒蝕量越小；材料的導熱性越好，陰極弧根的熔化區域越小，則陰極的燒蝕量越小；材料的熔點越高，越有可能使陰極弧根處材料處于固相狀態，則陰極的燒蝕量越小；材料越耐氧化，或在高溫下形成更高熔點的不易剝落的氧化物則陰極的燒蝕量越小；如果在電子發射體表面形成一個既有一定導電能力、易于發射電子又與電子發射體粘結良好的隔熱層，則可降低陰極電子發射體材料的燒蝕。通常選擇的電子發射體材料應具有較高的熔點，較低的功函數，較高的導熱性和導電性，以及良好的耐氧化性。金屬鋯的熔點比銀高，電子逸出功比銀低，但導電、導熱性比不如銀。在保證一定導電導熱性的前提下，鋯更適合做陰極電子發射體材料。然純金屬鋯做成的陰極電子發射體在工作過程中形成ZrO₂，由于ZrO₂在不同溫度下具有不同的變體。使其在工作過程中或起弧、滅弧過程中發生相變，引起體積變化，產生內應力而出現脫落和掉塊現象，造成陰極燒蝕量增加。本發明通過實驗發現在金屬鋯中摻入釔和鈰使其在工作過程中原位生成CeO₂和Y₂O₃部分穩定的ZrO₂則可顯著降低陰極材料的燒蝕率，如圖1所示為工作時間間隔和釔含量與陰極燒蝕率的關系圖，在圖1中合金1到合金5為不同釔含量的鋯釔鈰合金，其中合金4含釔量最少，合金5含釔量次少，合金1含釔量居中，合金2含釔量較多，合金3含釔量最多。可見當釔加入量合適時可以顯著降低陰極的燒蝕率從而使陰極具有較長的使用壽命。

發明內容

本發明的目的是提供一種加工性能優良，低電弧燒蝕率的直流電弧空氣等離子體炬用鋯合金陰極材料。

一種直流電弧空氣等離子體炬陰極用鋯合金材料，它主要由鋯、釔和鈰元素構成，釔元素的質量百分數為5～15％，鈰元素的質量百分數為0.2～0.6％，其余為鋯及不可避免的雜質元素。

優選成分為：釔元素的質量百分數為為8～12％，鈰元素的質量百分數為0.4～0.5％。

該合金材料采用熔煉法獲得，熔煉設備可以是真空非自耗熔煉爐或真空自耗熔煉爐，其中真空自耗熔煉爐效率最高。