[发明专利]一种耐电弧烧蚀的电极结构及其制备方法

说明书

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。

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。