專利名稱：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
技術領域：
本發(fā)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?shù)入x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. O、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(fā)射體以提高陰極壽命(CN00245774. I);采用高熔點、低電子逸出功材料作為電子發(fā)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. O)。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(shù)和高溫耐氧化性。材料的功函數(shù)越低，越容易發(fā)射電子，陰極弧根的溫度越低，則陰極的燒蝕量越?。徊牧系膶嵝栽胶?，陰極弧根的熔化區(qū)域越小，則陰極的燒蝕量越?。徊牧系娜埸c越高，越有可能使陰極弧根處材料處于固相狀態(tài)，則陰極的燒蝕量越??；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??；如果在電子發(fā)射體表面形成一個既有一定導電能力、易于發(fā)射電子又與電子發(fā)射體粘結良好的隔熱層，則可降低陰極電子發(fā)射體材料的燒蝕。通常選擇的電子發(fā)射體材料應具有較高的熔點，較低的功函數(shù)，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(fā)射體材料。然純金屬鋯做成的陰極電子發(fā)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(fā)生相變，引起體積變化，產(chǎn)
3生內(nèi)應力而出現(xiàn)脫落和掉塊現(xiàn)象，造成陰極燒蝕量增加。本發(fā)明通過實驗發(fā)現(xiàn)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(wěn)定的ZrO2則可顯著降低陰極材料的燒蝕率，如圖I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I中合金I 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I 含釔量居中，合金2含釔量較多，合金3含釔量最多?？梢姰斸惣尤肓亢线m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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種加工性能優(yōu)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(shù)為5 15%，鈰元素的質量百分數(shù)為O. 2 O. 6%，其余為鋯及不可避免的雜質元素。優(yōu)選成分為釔元素的質量百分數(shù)為為8 12%，鈰元素的質量百分數(shù)為O. 4 O. 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。用真空自耗電極熔煉法制備鋯合金過程包括如下步驟I)將海綿鋯顆粒、金屬釔和金屬鈰按比例混合均勻，壓制成棒，并采用焊接方法組合成自耗電極，將自耗電極裝入真空自耗電極熔煉爐中；2)在水冷銅坩堝內(nèi)放置海綿鋯顆粒、金屬釔和金屬鈰的混合料，所述海綿鋯顆粒、 金屬釔和金屬鈰的比例與步驟(I)相同；3)抽真空至真空度優(yōu)于O. 05Pa，然后充高純氬氣洗爐2次以上；4)再次抽真空并充氬氣，將自耗電極放下并引弧，調整電弧電流進行冶煉，冶煉參數(shù)如下，坩堝比0. 50 O. 88，熔煉電壓30 40V，熔化系數(shù)0. 8 I. 5kg/kA · min，熔煉電流(180 370) XD安，其中D為單位為cm時的坩堝內(nèi)徑；5)將熔煉好的合金錠切頭、去尾、扒皮后再重熔2次以上即得鋯合金錠；6)鋯合金錠直接加工成陰極電子發(fā)射體，或在650 700°C進行擠壓加工后再加工制成陰極電子發(fā)射體，然后鑲嵌或釬焊到陰極座上，制成復合陰極。所述海綿錯顆粒直徑小于10mm。所述海綿錯顆粒中Zr+Hf的質量分數(shù)為99. 4% 以上，所述海綿鋯顆粒中Hf的質量分數(shù)為2. 5 3. 0%。所述金屬釔為質量分數(shù)99. 9%的金屬釔刨屑。所述金屬鈰為質量分數(shù)99. 5%的金屬鈰刨屑。步驟(4)中優(yōu)選的冶煉參數(shù)為坩堝比0. 83，熔煉電壓30V，熔化系數(shù)1. 38kg/ kA · min，熔煉電流308 XD安。步驟￠)中所述擠壓加工優(yōu)選在700°C進行。本發(fā)明所用原料均可市購。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明的鋯合金的顯微組織為在鋯固溶體基體上分布著釔、鈰固溶體(如圖2)。在工作過程中電極工作面原位形成CeO2以及Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2來獲得比純鋯陰極材料更低的燒蝕率，使燒蝕率降低1/2 1/3。本發(fā)明是通過CeO2降低陰極材料的電子逸出功，Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2降低電弧熱向鋯合金材料的傳導，并獲的更好的抗剝落能力，以減輕陰極燒蝕。該鋯合金陰極材料可以以鑄錠或熱加工棒材的狀態(tài)加工成陰極電子發(fā)射體，采用鑲嵌法或釬焊法制造成復合陰極。鑒于該鋯合金陰極材料比金屬鋯陰極材料具有更低的燒蝕率以及比鉿或銀陰極材料更低的成本，采用本發(fā)明的鋯合金材料制造電站鍋爐空氣等離子炬陰極和空氣等離子割炬陰極可帶來顯著的經(jīng)濟效益。


圖I工作時間間隔和乾含量與陰極燒蝕率的關系圖；圖2典型鋯合金的顯微組織。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的內(nèi)容絕不僅限于以下實施例。實施例I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(shù)為6%，鈰元素的質量百分數(shù)為O. 5%，其余為鋯元素及不可避免的雜質元素。該合金采用熔煉法獲得，制備過程如下采用真空非自耗電極熔煉，采用顆粒直徑小于10_的海綿鋯顆粒、純度為99. 9%的釔屑和純度為99. 5%的鈰屑進行配料，其中釔屑的質量百分數(shù)為6. I %，鈰屑的質量百分數(shù)為O. 54%，其余為海綿鋯顆粒。海綿鋯的牌號為HZr-Ι，海綿鋯中鉿的質量分數(shù)為2. 5 3. 0%，鋯與鉿的質量百分數(shù)之和為99. 4%。將配好的合金料裝入水冷純銅坩堝內(nèi)，在真空室采用機械泵和擴散泵將空氣壓力抽到O. 05Pa 后充入高純氬氣進行洗爐，洗爐兩次，再次抽真空至O. 05Pa并充高純氬氣至平壓后在鎢電極和粉料間形成電弧，并進行電弧熔煉，等粉料完全溶化后，保持lmin，熄滅電弧，讓合金液凝固成錠。翻轉合金錠進行重熔，如是四次。熔煉過程中所用的電弧電流為180 200A，電壓為31 32V。經(jīng)化學成分分析，鑄錠中含釔量為6%，鈰含量為O. 5%。將鋯合金鑄錠切取一段直接加工成電子發(fā)射體并鑲嵌在銅陰極座上，采用轉移弧空氣等離子炬進行等離子燒蝕實驗，工作氣體壓力為O. 4MPa，等離子弧電流強度為80A，實驗50次，每次工作lmin，該陰極材料的平均燒蝕率是金屬鋯的1/2。實施例2一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(shù)為10. 1%，鈰元素的質量百分數(shù)為0. 45%，其余為鋯元素及不可避免的雜質元素。該合金采用熔煉法獲得，制備過程如下采用真空自耗電極熔煉，采用顆粒直徑小于IOmm的海綿鋯顆粒、純度為99. 9%的釔屑和純度為99. 5 %的鈰屑進行配料，其中釔屑的質量百分數(shù)為10. 3%，鈰屑的質量百分數(shù)為O. 5%，其余為海綿鋯顆粒，海綿鋯的牌號為HZr-Ι，海綿鋯中鉿的質量分數(shù)為2. 5 3. 0%，鋯與鉿的質量百分數(shù)之和為99. 4%。將合金料壓制成直徑為Φ 50mm,長300mm的圓棒,將兩根相同規(guī)格的圓棒采用鶴極IS弧焊焊接在一起組成自耗電極，將自耗電極焊在真空自耗電極熔煉爐的輔助電極上，將水冷銅坩堝底部墊上同成分合金料。將真空室壓力抽到O. 05Pa后充入高純氬氣，洗爐兩次，再次抽真空至O. 05Pa并充高純氬氣至平壓后緩慢移下電極，形成電弧將合金料熔化，形成熔池， 直至自耗電極用完。冶煉參數(shù)如下坩堝比0. 83，熔化系數(shù)1. 4kg/kA · min,電弧電流 1900A,電弧電壓30V。切頭、去尾、扒皮后，重熔兩次得鋯合金鑄錠，經(jīng)化學成分分析釔含量為10. 1%,鋪含量為O. 45%,如圖2所示為錯合金的顯微組織。將鋯合金鑄錠切取一段直接加工成電子發(fā)射體并鑲嵌在銅陰極座上，采用轉移弧空氣等離子炬進行等離子燒蝕實驗，工作氣體壓力為O. 4MPa，等離子弧電流強度為80A，實驗50次，每次工作lmin，該陰極材料的平均燒蝕率是金屬鋯的2/5。實施例3將實施例2的鋯合金鑄錠取下一段，在700°C進行擠壓加工后再加工成電子發(fā)射體并鑲嵌在銅陰極座上，采用轉移弧空氣等離子炬進行等離子燒蝕實驗，工作氣體壓力為 O. 4MPa，等離子弧電流強度為80A，實驗50次，每次工作lmin，該陰極材料的平均燒蝕率是金屬鋯的O. 3倍。實施例4一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、釔元素和鈰元素構成，釔元素的質量百分數(shù)為15%,鋪元素的質量百分數(shù)為O. 45%,其余為錯元素及不可避免的雜質元素。該合金采用熔煉法獲得，制備過程如下采用真空自耗電極熔煉，將顆粒直徑小于IOmm的海綿鋯顆粒、純度為99. 9%的釔屑和純度為99. 5%的鈰刨屑混合均勻，得到合金料，其中釔屑的質量百分數(shù)為15. 4%，鈰屑的質量百分數(shù)為O. 5 %，其余為海綿鋯顆粒。 所述海綿鋯中鉿的質量分數(shù)為2. 5 3. 0%，鋯與鉿的質量百分數(shù)之和為99. 4%。將合金料壓制成直徑為Φ 50mm,長300mm的圓棒,將兩根相同規(guī)格的圓棒采用鶴極IS弧焊焊接在一起組成自耗電極，將自耗電極焊在真空自耗電極熔煉爐的輔助電極上，將水冷銅坩堝底部墊上同成分合金料。將真空室壓力抽到O. 05Pa后充入高純氬氣，洗爐兩次，再次抽真空至O. 05Pa并充高純氬氣至平壓后，緩慢移下電極，形成電弧將合金料熔化，形成熔池，直至自耗電極用完。冶煉參數(shù)控制如下樹禍比0. 83，溶化系數(shù)I. 38kg/kA · min，電弧電流 1850A,電弧電壓30V。將熔煉好的合金錠切頭、去尾、扒皮后作為自耗電極，按上述冶煉參數(shù)再重熔兩次得鋯合金鑄錠，經(jīng)化學成分分析釔含量為15%，鈰含量為O. 45%。將鋯合金鑄錠切取一段直接加工成電子發(fā)射體并鑲嵌在銅陰極座上，采用轉移弧空氣等離子炬進行等離子燒蝕實驗，工作氣體壓力為O. 4MPa，等離子弧電流強度為80A，實驗50次，每次工作lmin，該陰極材料的平均燒蝕率是金屬鋯的O. 35倍。
權利要求
1.一種直流電弧空氣等離子體炬陰極用鋯合金材料，其特征在于該鋯合金材料的成分及質量分數(shù)為釔5 15%，鈰0. 2 O. 6%，其余為鋯元素及不可避免的雜質元素。
2.根據(jù)權利要求I所述的鋯合金材料，其特征在于釔的質量分數(shù)為8 12%，鈰的質量分數(shù)為O. 4 0.5%。
3.權利要求I或2所述直流電弧空氣等離子體炬陰極用鋯合金材料的制備方法，其特征在于該方法采用真空非自耗電極熔煉或真空自耗熔煉，所述真空自耗熔煉方法包括如下步驟1)將海綿鋯顆粒、金屬釔和金屬鈰按比例混合均勻，壓制成棒，并采用焊接方法組合成自耗電極，將自耗電極裝入真空自耗電極熔煉爐中；2)在水冷銅坩堝內(nèi)放置海綿鋯顆粒、金屬釔和金屬鈰的混合料，所述海綿鋯顆粒、金屬釔和金屬鈰的比例與步驟(I)相同；3)抽真空至真空度高于O.05Pa，然后充高純氬氣洗爐2次以上；4)再次抽真空并充氬氣,將自耗電極放下并引弧,調整電弧電流進行冶煉,冶煉參數(shù)如下，坩堝比0. 50 O. 88，熔煉電壓30 40V，熔化系數(shù)0. 8 I. 5kg/kA ·π η，熔煉電流 (180 370) XD安，其中D為單位為cm時的坩堝內(nèi)徑；5)將熔煉好的合金錠切頭、去尾、扒皮后再重熔2次以上即得鋯合金錠；6)鋯合金錠直接加工成陰極電子發(fā)射體，或在650 700°C進行擠壓加工后再加工制成陰極電子發(fā)射體，然后鑲嵌或釬焊到陰極座上，制成復合陰極。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于所述海綿鋯顆粒直徑小于10mm。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于所述海綿鋯顆粒中鋯與鉿的質量分數(shù)之和為99. 4%以上。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于所述海綿鋯顆粒中鉿的質量分數(shù)為2.5 3. 0%。
7.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于所述金屬釔為釔的質量分數(shù)為99.9%的金屬釔刨屑。
8.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于所述金屬鈰為鈰的質量分數(shù)為99.5%的金屬鈰刨屑。
9.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于步驟(4)中坩堝比0.83，熔煉電壓30V， 熔化系數(shù)1. 38kg/kA · min，熔煉電流:308XD安。
10.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于步驟(6)中所述擠壓加工在700°C進行。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于等離子體炬陰極材料及其制備技術領域的一種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。該鋯合金材料中釔元素的質量百分數(shù)為5～15％，鈰元素的質量百分數(shù)為0.2～0.6％，其余為鋯及不可避免的雜質元素。該鋯合金采用真空非自耗熔煉或真空自耗熔煉獲得。本發(fā)明的鋯合金材料的顯微組織為在鋯元素固溶體的基體上分布著釔、鈰元素的固溶體，這種顯微組織使鋯合金材料具有比純金屬鋯更低的電弧燒蝕率。采用本發(fā)明的鋯合金陰極材料制造電站鍋爐空氣等離子炬陰極和空氣等離子割炬陰極可帶來顯著的經(jīng)濟效益。
文檔編號C22C16/00GK102586648SQ20121006194
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權日2012年3月9日
發(fā)明者侯世香, 劉東雨, 劉澤, 劉靜靜, 李旭, 袁曉娜, 陳雅婷 申請人:華北電力大學