合金元素添加钨氧化物电极材料

随着科学技术的发展，材料的制备和加工手段取得了长足的发展。电弧等离子体技术是近年来被快速推广的一种工艺，广泛应用于等离子体焊接、切割、喷涂、熔炼等材料的制备和加工等工业领域以及等发射电光源、微波功率管、真空管、离子体推进器等领域。

钨电极是这些设备中最为关键的部件，起着承载电流和耐电弧烧蚀的作用，对电弧等离子体的起弧特性和电弧等离子体的稳定性起着决定性的作用。然而钨电极在使用过程中，由于电弧等离子体的高温和环境中存在的氧等因素，导致电极的表面发生烧蚀，电极表面的钨和氧化物发生不同程度的物质损失，最终导致性能不稳定甚至电极的报废。

为了克服钨氧化物电极烧蚀和性能不稳定等问题，各国材料工作者正致力于新型阴极材料的研究，目前我国的等离子体加 工设备大多依赖从日本、欧洲或美国进口，电极作为等离子体发生器的核心 部件和消耗品也多由设备的生产制造厂家提供。尽管我国拥有十分丰富的钨资源和长期进行的钨氧化物电极材料的开发研究，但目前生产地钨电极在性能上难以满足国外进口设备对电极的使用要求。

其中的主要原因是目前我国添加氧化物钨电极的制造采用氧化钨添加钍盐还原的方法，氧化物的尺寸大，分布不均匀，而且这种方法能源消耗大，污染严重。导致生产的电极产品的使用寿命较低和使用过程中的电弧不稳定，影响等离子体加工的精度和质量。这也是国内电极制造企业没有市场，而国外电极价格居高不下的原因，这与我国十分丰富的钨资源和原料钨大批量出口形成极不协调的对比。

为改善当前市场状况，提升国产质量，有学者发表了一种能够提高电弧的稳定性，增大电弧区电极表面的液态钨的表面张力，减少钨的损失的合金元素添加钨氧化物电极材料及其制备工艺。其制备工艺的主要原理为：首先在钨粉中加入重量比为0.1～1％的碳和1～5％的Nb，V，Zr，Cr， Al，Mo的强氧化物形成合金元素的一种或几种；然后再加入重量比为 0.5％～4％的钍、镧、钇、铈等功函数低的氧化物粉末混合均匀；经冷压、烧结，再经旋锻、轧制、拉丝、抛光工艺达到所需的电极尺寸。具体操作为：

首先在钨粉中加入重量比为0.1％的碳（C）和5％的铌（Nb），以及0.5％的ThO₂粉末，混合均匀后，经冷压成长条状的方坯，在1500K的氢气环境中预烧结，之后在2800K下进行最后烧结，最后经旋锻、轧制、拉丝、抛光等工艺达到所需的电极尺寸。

工艺的进步在于：钨粉中加入了少量合金元素，可以平衡燃弧过程中添加 的氧化物分解过程，控制氧化物的分解速度，这些合金元素固溶与钨相或形成化合物，稳定烧结和燃弧高温过程中钨晶粒的生长。在燃弧过程中吸收材0料内部和电弧周围的氧，形成高熔点的氧化物，减少电极中氧化物的损耗。 同时参与电弧的燃烧过程，提高电弧的稳定性，增大电弧区电极表面的液态钨的表面张力，减少钨的损失。

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