一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，包括如下步骤：(1)将锻造态纯钨棒根据所需阳极部件尺寸加工成所需几何形状；(2)将加工好的纯钨阳极部件进行一定程度的表面毛化处理，随后将表面清洗干净，去除氧化层；(3)以六氟化钨气体为原料，氢气为还原气体，在350-600℃基材温度条件下，在纯钨阳极部件表面进行化学气相沉积，以形成0.1-6mm厚度钨涂层，即制得所述涂覆有钨涂层的超高压短弧氙灯阳极部件。利用高纯，高致密CVD钨涂层表面具有一定粗糙度的形貌结构，达到增大电极比表面积，提高电极散热性能的目的。
【专利说明】—种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金材料【技术领域】，具体涉及一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法。
【背景技术】
[0002]短弧高压氙灯亦称之为超高压短弧氙灯(工作气压约10个大气压以上)、短弧氙灯(弧长数毫米)、球形氙灯(外壳呈球形)、氙灯(灯内充氙气)。由于氙灯光谱分布、色温等参数与日光相似，作为气体放电灯具有光效高(30-70流明/瓦)，显色性好(>95% )，功率大(最大可达6000瓦)，在演艺灯光及大型投影机的光源方面有广泛的应用。
[0003]氙灯由外壳，阴极和阳极部件构成，阴极和阳极部件固定在充满氙气的石英壳体内，通常处在直流的大电流工作状态。阳极在实际应用中，本身具有极高的温度(通常达到2000°C左右)，同时其附近存在的“高温等离子球”会导致部分电弧被阳极吸收，使阳极进一步加热，导致阳极端面具有极高的温度。故阳极部件的散热性能是影响电极甚至氙灯寿命的最主要因素。
[0004]氙灯在应用条件下，其阳极的散热方式主要靠热辐射方式传导给氙气，仅少量热量沿阳极柄传给钥箔及引出线。实验证实，阳极上耗散的能量可达总输入功率的1/3。在阳极端面接受弧光的很 小区域(面积)上要承受的功率密度更大、温度更高。过高的温度会导致钨的蒸发，使灯管发黑，同时会使阳极引出线封接处温度也升高，并易炸灯。
[0005]为此，在阳极部件的设计及制造过程中要重点考虑其散热问题。根据热辐射公式:Me = σ SB ε tT4，物体的热辐射功率与其自身温度有关，即阳极部件的温度越高，热辐射的功率越大。但在提高电极热辐射功率的设计中，钨阳极部件不能设计过大尺寸，且要保证阳极工作温度不超过2300K，故而需通过增大阳极自身的热辐射面积来弥补。目前常用的做法是在阳极表面开出数条凹槽，通过增加阳极表面的孔隙度和起伏来来增加阳极表面的热辐射面积，提高热辐射性能，最大程度降低阳极表面温度，减少阳极端面出现龟裂、凹陷、凸起的现象，延长灯的寿命。
[0006]在氙灯阳极部件制备过程中，其表面粗糙化工艺需对电极表面进行机加工处理，同时对加工精度和尺寸均匀度具有较高的要求。目前，对于阳极表面进行粗糙化的主要方式有如下几种:
[0007]I对阳极表面采用机加工方式进行刻槽，随后在其表面涂覆钨粉，经烧结后形成一层薄钨粉层来增加阳极表面粗糙度，进而提高其散热性能；(徐琴玉，散热型弯管氙灯，专利申请号:201320320745.7).[0008]2对阳极表面采用激光进行刻槽，槽深约为数百微米，类似散热片形态(USHIO)；
[0009]3采用特殊处理方式将纯钨电极表面进行粗糙化，获得表面呈蜂窝状的纯钨电极，显著提高其表面散热性能(Philip)。
[0010]采用上述几种方法对纯钨电极表面进行粗糙化存在以下问题:
[0011](I)方法I采用机加工形式将电极表面切割成槽，随后在其表面涂覆钨粉进行烧结形成纯钨涂层；尽管该方式可得到表面粗糙程度较高的纯钨阳极，但在机加工过程中对凹槽的加工精度要求较高，所需工时较长，且易出现表面机加工微小缺陷；在后期涂覆钨粉及烧结过程中，对钨粉厚度均匀性以及烧结方法均有较高要求，且烧结过程也易造成阳极尺寸及内部组织晶粒改变，从而影响其发光性能。
[0012](2)方法2通过激光刻槽方式在阳极表面增加深度约为数百微米的沟槽以增加电极的表面粗糙度，继而增加其热辐射性能；但激光加工工序复杂，工艺要求高，成本相对较高，一定程度上增加了电极的加工工序和时间。后期电极服役过程中，沟槽根部较易成为热应力裂纹萌生的薄弱位置。
[0013](3)方法3通过一定加工方式将电极表面加工成蜂窝状，对于整体电极表面粗糙程度具有很大的提高，但在电极表面一次性加工大量的蜂窝状凹坑，同时要求凹坑尺寸，深度相对一致，且不能出现微缺陷，所需的加工工艺水平，精度要求，难度均极高，并且加工时间也会极长，从而造成电极成本显著增加，对电极的大批量制造带来困难。
[0014]由于钨硬度高，脆性大，机加工困难，同时钨电极需求量大，自身成本不高,对于能够提高电极表面粗糙化的加工工艺，通常要求其工艺简单、经济，尽量在无需改变原有部件结构条件下方便地完成。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于克服现有技术缺陷和难度，提供一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法。
[0016]本发明的技 术方案如下:
[0017]用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法制备方法，包括如下步骤:
[0018](I)锻造态纯钨棒根据阳极部件要求加工成所需几何形状和尺寸；
[0019](2)将锻造态纯钨电极表面采用1000#~3000#砂纸进行打磨，去除表面氧化层，随后采用丙酮超声清洗除油，再依次用超纯水，分析纯酒精进行清洗，吹干；
[0020](3)以六氟化鹤气体为原料，以氢气为还原气体,在350-600°C的基材温度条件下，在锻造态纯钨电极表面进行化学气相沉积，涂覆厚度为0.l_6mm钨涂层，即制得所述具有粗糙的CVD-W涂层表面的短弧氙灯阳极部件。
[0021]其中，所述阳极部件可以为包括短弧汞灯和氙灯等在内的短弧高压气体放电灯的阳极部件。
[0022]在本发明的一个优选实施方案中，所述的一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:所述基材为锻造态纯钨材料。
[0023]在本发明的一个优选实施方案中，锻造态纯钨电极表面根据需要保持磨光的平整表面。
[0024]在本发明的一个优选实施方案中，锻造态纯钨电极表面根据需要加工出具有一定尺寸，一定间距的凹槽。这些凹槽可以是螺纹等。
[0025]在本发明的一个优选实施方案中，锻造态纯钨电极表面根据需要加工成一定的表面形态，所述一定的表面形态包括凹坑或凹凸台等。
[0026]在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中将基材表面采用1000#~3000#
砂纸进行表面打磨，毛化并去除表面氧化层。[0027]在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)中的基材温度为400_580°C。
[0028]在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)中六氟化钨和氢气的纯度至少为99.99% ;通入CVD反应器前，六氟化钨温度高于45°C而低于其分解温度，压力为70-120kPa。
[0029]在本发明的一个优选实施方案中，步骤(3)中所述通入的H2和WF6的摩尔比为1:2-3.5，化学气相沉积的沉积速率为0.2-0.6mm/h。
[0030]在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)的钨涂层的厚度为0.5_5mm。
[0031]本发明采用化学气相沉积方式，在加工态电极表面涂覆一层具有一定厚度的高纯(6N以上)，高致密(19.2g/cm3以上)钨涂层，利用CVD-W晶体结构自身生长所具有的粗糙表面(涂层厚度越大，表面粗糙度越大)，在电极服役中可具有良好的热辐射性能。同时CVD方法简单，流程极短，技术难度较低，获得的钨涂层涂覆均匀，与基材结合性能良好，且可批量化制备，成本增加较少。因此，本发明CVD钨涂层在制造超高压短弧氙灯阳极部件表面纯钨涂层，具有非常好的应用前景。
[0032]本发明的有益效果是: [0033](I)相比对电极表面机加工切槽-涂覆钨粉进行烧结、表面激光切槽及表面加工为蜂窝状形态等方式，本发明方法具有工艺过程简单、加工周期短，成本低、易于实现等优
占.[0034](2)本发明方法采用气相沉积方式制备具有粗糙表面的纯钨涂层，基材可以是复杂几何形状，不局限于圆柱状结构，相比机加工切槽、激光切槽等工艺，适应性更广；
[0035](3)本方法将钨涂层厚度控制在0.1.0-6.0mm范围内，将沉积温度(即所述基材温度)控制在350-600°C范围内(优选在400-580°C范围内)，亦可适当提高沉积速率，粗化晶粒，提高涂层表面粗糙程度；
[0036](4)本发明方法采用高纯WFf^PH2为原料，可制备高纯(6N以上)，高致密(19.2g/cm3以上)钨涂层，晶体组织均匀，无缺陷。涂层与基材界面结合力好。采用其他加工方式，如机加工切槽，表面加工蜂窝等，在加工过程中容易产生局部微观缺陷，影响电极服役过程中的发光性能和寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为实施例1所制备的含钨涂层电极结构示意图，A锻造态纯坞基材立体示意图、B添加CVD-W涂层后剖视图；1_钨电极；2-CVD-W涂层；
[0038]图2为实施例2所制备的含钨涂层电极结构示意图，A锻造态纯坞基材立体示意图、B添加CVD-W涂层后剖视图；1_钨电极；2-CVD-W涂层；3_螺纹；
[0039]图3为电极表面涂覆的一定厚度钨涂层表面微观形貌。
【具体实施方式】
[0040]通过以下【具体实施方式】对本发明技术方案进行进一步说明和描述。
[0041]实施例1
[0042]本实施例用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，参见图1，具体实施步骤如下:[0043](I)将锻造态纯钨棒根据所需尺寸加工成所需的几何形状，该电极基材的表面为普通磨光状态。
[0044](2)将加工好的纯钨电极基材的表面采用2000#~3000#砂纸适当打磨，采用超纯水清洗干净，去除表面氧化层，用丙酮和无水酒精超声脱水，最后用氮气吹干。
[0045](3)将处理后的基材放入化学气相沉积反应室，并抽真空至LOXKT1Pa左右，通入氮气将沉积腔气压补充至常压，反复三次，随后通入氢气，在氢气保护气氛下进行升温。待基材表面温度达到预设的沉积温度580°C且稳定后，将纯度为99.99%的六氟化钨和氢气的混合气体由沉积炉上通气口通入沉积炉内，其中六氟化钨流量为0.lmol/min (WF6温度高于45°C而低于其分解温度，压力为70-120kPa)，氢气流量为0.2mol/min，混合气体在基材表面及其附近发生反应，生成钨和氟化氢气体。沉积时间约为20min。钨沉积在基材表面形成涂层，生成的氟化氢气体和未反应气体排出沉积炉。
[0046](5)反应完成后，关闭六氟化钨，停止加热，继续通入氢气至炉内温度降至100°C以下，改通氮气冷却至室温，然后拆炉，取出样品，即制得涂覆了钨涂层的电极部件。钨涂层(CVD-W)厚度0.2mm，钨涂层沉积速率约为0.6mm/h。涂层表面平整，无凸起颗粒，涂层无开裂，起皮现象。
[0047]实施例2
[0048]本实施例用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的制备方法，参见图2，具体实施步骤如下:
[0049](I)将锻造态纯钨棒根据所需尺寸加工成所需的几何形状，在该电极基材表面采用车刀精加工出一定尺寸，彼此存在一定间隔的凹槽，这些凹槽排列为螺纹状。
[0050](2)将锻造态纯钨电极基材表面用3000#左右的砂纸打磨，采用丙酮清洗干净，去除表面氧化层，无水酒精超声脱水，最后用氮气吹干，
[0051](3)将上述清洗，吹干的基材放入化学气相沉积反应室，并抽真空至1.0X KT1Pa左右，通入氮气将沉积腔气压补充至常压，反复三次，随后通入氢气，在氢气保护气氛下进行升温。待基材表面温度达到预设的沉积温度550°C且稳定后，将纯度为99.99%的六氟化钨和氢气的混合气体由沉积炉上通气口通入沉积炉内，其中六氟化钨流量为0.134mol/min (WFj^度高于45°C而低于其分解温度，压力为70_120kPa)，氢气流量为0.402mol/min,混合气体在基材表面及其附近发生反应，生成钨和氟化氢气体。沉积时间约为lOmin。钨沉积在基材表面形成涂层，生成的氟化氢气体和未反应的气体排出沉积炉。
[0052](4)反应完成后，关闭六氟化钨，停止加热，继续通入氢气至炉内温度降至100°C以下，改通氮气冷却至室温，然后拆炉，取出样品，即制得涂覆有粗糙的CVD钨涂层表面的电极部件，其表面微观图见图3。钨涂层(CVD-W)厚度为0.1mm，钨涂层沉积速率约为0.6mm/h。涂层表面平整，无凸起颗粒，涂层无开裂，起皮现象。
[0053]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，SP依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
【权利要求】
1.一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)锻造态钨棒根据要求加工成所需几何形状和尺寸； (2)将锻造态纯钨电极表面采用1000#~3000#砂纸进行打磨，去除表面氧化层，随后进行丙酮超声清洗除油，再依次用超纯水，分析纯酒精进行清洗，吹干； (3)以六氟化钨气体为原料，以氢气为还原气体，在350-600°C的基材温度条件下，在锻造态纯钨电极表面进行化学气相沉积，形成0.1-6mm厚度的钨涂层，即制得具有高纯，高致密钨涂层的短弧氙灯阳极部件。
2.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:所述阳极部件基材为锻造态纯钨材料。
3.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:锻造态纯钨电极表面根据需要保持磨光的平整表面。
4.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:锻造态纯钨电极表面根据需要加工出具有一定尺寸，一定间距的凹槽。
5.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:锻造态纯钨电极表面根据需要加工成一定的表面形态，所述一定的表面形态包括凹坑或凹凸台。
6.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:所述步骤(2)中将基材表面采用1000#~3000#砂纸进行表面打磨，毛化并去除表面氧化层。
7.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:所述步骤(3)中基材温度为400-580°C。
8.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:所述步骤(3)中六氟化钨和氢气的纯度至少为99.99% ;通入CVD反应器前,六氟化钨温度高于45°C而低于其分解温度，压力为70-120kPa。
9.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:步骤(3)中所述通入的H2和WF6的摩尔比为1:2-3.5，化学气相沉积的沉积速率为0.2-0.6mm/ho
10.如权利要求1所述一种用于短弧高压气体放电灯阳极表面粗糙化的方法，其特征在于:所述步骤(3)的钨涂层厚度为0.5-5_。
【文档编号】C23C16/14GK104018135SQ201410171689
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】吕延伟, 于洋, 宋久鹏, 黄志民, 颜彬游, 刘俊勇 申请人:厦门虹鹭钨钼工业有限公司