一种等离子体火炬点阴极结构及其制备方法与流程

本发明涉及等离子体技术领域，特别涉及一种等离子体火炬点阴极结构及其制备方法。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，等离子体技术得到了广泛的应用。其主要应用于等离子点火、等离子喷涂、金属冶炼、等离子加热制造纳米材料、切割、垃圾焚烧废物处理等领域。等离子体是在电离层或放电现象下所形成的一种状态，伴随着放电现象将会生成了激发原子、激发分子、离解原子、游离原子团、原子或分子离子群的活性化学物以及它们与其它的化学物碰撞而引起的反应。在等离子体发生器中，放电作用使得工作气分子失去外层电子而形成离子状态，经相互碰撞而产生高温，温度可达几万度以上。

目前，点阴极结构应用于功率小于150kw的等离子火炬中，其点阴极电弧稳定性较好。等离子火炬的点阴极是发射电子的部件，其材料多为碳棒和纯银，虽然碳棒有熔点高、导电导热性好的优点，但是它在高温下容易氧化，同样，金属银导电导热性能优异，但其熔点低，难以承载阴极的高温环境，再加上二者的电子逸出功都较大，导致了阴极极易发生烧蚀，寿命降低，增加使用成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种功耗较低，结构简单，易于制作的等离子体火炬点阴极结构及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种等离子体火炬点阴极结构，包括阴极铜基体、阴极银基体，所述阴极铜基体内设有通孔，所述通孔的下部设有冷却腔，所述阴极银基体穿过通孔，且其底端位于所述冷却腔内，所述阴极银基体的顶部中心设有至少1个小孔，所述小孔内焊接有颗粒。

通过设有冷却腔，通过阴极银基体将点阴极的热量导入冷却腔内，使点阴极不易被灼烧，延长点阴极的使用寿命，节约成本。

优选地，所述颗粒为圆柱形颗粒。颗粒也可根据小孔的形状堆叠成方形颗粒，但圆柱形颗粒发射电子的稳定性更好，形成的电弧更均匀、更稳定。

进一步，所述圆柱形颗粒由纯度为95%以上的阴极电子发射材料堆叠形成。

优选地，所述阴极电子发射材料为铪、钨、钽、铌、锆、钇中的任意一种或者其合金材料（其合金材料是指铪的合金材料、钨的合金材料、钽的合金材料、铌的合金材料、锆的合金材料、钇的合金材料中的任意一种）。

铪、钨、钽、铌、锆、钇具有高熔点、低逸出功的特点，在相同的电流密度下，降低了发射材料的工作温度，从而降低了等离子体火炬点阴极的烧灼速度，提高了使用寿命。由于铪、钨、钽、铌、锆、钇的导热性低于银或铜，将铪、钨、钽、铌、锆、钇焊接于阴极银基体的小孔内，提高其导热性能，增大其电子发射的稳定性。

优选地，所述小孔的数量为1-30个。

当小孔数量超过30个时，点阴极烧蚀区的面积过大，会降低点阴极的使用寿命；且小孔数量超过30个时，点阴极的热量通过阴极银基体导入冷却腔内冷却的时间长，点阴极的热量不易散失，使点阴极的烧蚀程度增大、降低其使用寿命。

进一步，所述小孔的直径为0.5-3mm，深度为0.9-7.9mm。

小孔的直径和深度影响小孔内阴极电子发射材料的厚度，当其直径低于0.5mm、深度小于0.9mm时，制备的点阴极中阴极电子发射材料的厚度薄，在使用时其寿命短；当小孔的直径大于3mm时，在小孔数量一致时，使多个小孔围成的圆周的面积更大，从而使点阴极的烧蚀区面积更大，增加了点阴极的烧蚀程度；当深度大于7.9mm时，点阴极烧蚀区的热量通过阴极银基体导入冷却腔所需的时间延长，使其降温速度慢、冷却效果差，降低了点阴极的使用寿命。

进一步，所述阴极银基体的底端为圆弧形，增大了点阴极的散热面积，提高阴极银基体的底端与冷却腔内冷却水的接触面积，增大点阴极散热速度，延长了点阴极的使用周期。

进一步，所述通孔内的阴极银基体的外表面通过银焊环与阴极铜基体的内表面焊接。

本发明为解决另一技术问题所采用的技术方案是：一种等离子体火炬点阴极结构的制备方法，包括以下步骤：

1）制作阴极铜基体和阴极银基体：将阴极铜基体的内表面与阴极银基体的外表面之间留有用于焊接的间隙，在阴极银基体的顶部中心开设有至少1个小孔；

2）将阴极银基体安装于阴极铜基体的通孔内，使其底端位于阴极铜基体冷却腔内；

3）在步骤1）的间隙中放入焊环，将焊粉填充于小孔内，再将阴极电子发射材料灌入小孔中堆叠形成圆柱形颗粒，用重物块置于圆柱形颗粒上方，制得点阴极粗胚；

4）将步骤3）制得的点阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉内，采用真空泵抽真空至真空度为10^-5-10pa，设置升温速率为2℃/min-10℃/min，将真空气氛炉中的温度从室温升至800℃-950℃，在最高温度保持5min-60min后冷却至室温，即得等离子体火炬点阴极结构。

进一步，所述步骤1）中间隙为0.05-0.5mm，小孔的数量为1-30个，小孔的直径为0.5-3mm，深度为0.9-7.9mm。

进一步，所述步骤3）中焊环为银焊环，所述焊粉由含量为62%-82%银和38%-18%铜组成，其填充的高度为0.1-7mm，所述圆柱形颗粒的直径为0.5-3mm，高度为1-8mm。

通过焊环和焊粉，采用高温加热使焊环形成熔融物后，将阴极银基体焊接在阴极铜基体内，提高点阴极结构制备的效率；采用高温加热使焊粉形成熔融物后，将圆柱形颗粒焊接于小孔内，阴极银基体与焊粉的结合不存在热阻，提高了点阴极的热导率。

本发明一种等离子体火炬点阴极结构及其制备方法的有益效果：

（1）本发明提供的一种等离子火炬点阴极结构，通过在阴极银基体上设有小孔，并将阴极电子发射材料焊接于小孔内，使该点阴极在实际点火时的烧蚀区（即电弧区）位于由多个小孔围成的圆周内，与纯银阴极相比，缩小了该点阴极烧蚀区的面积，降低了烧蚀程度，提高了点阴极寿命；

（2）本发明提供的一种等离子火炬点阴极结构，该点阴极结构的结构简单，导电、导热性良好，通过将阴极银基体的底部放置于冷却腔内，将点阴极烧蚀时的热量通过阴极银基体导入冷却腔内，且该点阴极中心采用高熔点、低逸出功的发射材料，提高电子发射能力，降低了电子发射需要的温度，降低了点阴极的烧蚀速度，延长了点阴极的使用寿命；

（3）本发明提供的一种等离子体火炬点阴极结构的制备方法，该方法的制备工艺简单、加工成本低、适于工业化生产，采用焊环和焊粉熔融后的焊接方式，提高了点阴极结构制备效率；采用低逸出功、高熔点发射材料与阴极银基体的结合，与常规的纯银阴极相比，其电子发射能力更强，电弧更明亮，弧形更稳定，降低了点阴极的烧蚀速率，延长其使用周期。

附图说明

图1—为本发明一种等离子体火炬点阴极结构的示意图；

图2—为图1中等离子体火炬点阴极结构的俯视图；

图3—为本发明一种等离子体火炬点阴极结构制备过程中点阴极粗胚的示意图。

上述附图标记：1-阴极铜基体，2-阴极银基体，3-小孔，31-圆柱形颗粒，32-焊粉，4-冷却腔，5-重物块，6-烧蚀区。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。

实施例1

参见图1-2，一种等离子体火炬点阴极结构，包括阴极铜基体1、阴极银基体2，所述阴极铜基体1内设有通孔，且其底端为圆弧形，所述通孔的下部设有冷却腔4，所述阴极银基体2穿过通孔，且其底端位于所述冷却腔4内，所述阴极银基体2的顶部中心设有7个小孔3，小孔3的直径为2.05mm，深度为3.9mm，所述小孔3内焊接有圆柱形颗粒31，所述圆柱形颗粒31由纯度为99%的阴极电子发射材料堆叠形成，所述阴极电子发射材料为铪。通过将阴极电子发射材料焊接于小孔内，在实际点火时，使该阴极的烧蚀区6位于阴极银基体2上由多个小孔3围成的圆周范围内，与纯铜银电极相比（纯铜银电极的烧蚀区为电极的整个外表面），减少了点阴极烧蚀区6的面积，提高了其使用寿命。所述通孔内的阴极银基体2的外表面通过银焊环与阴极铜基体1的内表面焊接。

实施例2

参见图1-3，一种等离子体火炬点阴极结构的制备方法，包括以下步骤：

1）制作阴极铜基体1和阴极银基体2：将阴极铜基体1的内表面与阴极银基体2的外表面之间留有用于焊接的间隙，间隙为0.2mm，在阴极银基体2的顶部中心开设有7个小孔3，小孔3的直径为2.05mm，深度为3.9mm；

2）将阴极银基体2安装于阴极铜基体1的通孔内，使其底端位于阴极铜基体1冷却腔4内；

3）在步骤1）的间隙中放入银焊环，将焊粉32填充于小孔3内，焊粉32由含量为72%银和28%铜的组成，填充的高度为2mm，再将纯度为99%的钽灌入小孔3中堆叠形成直径为2mm、高度为4mm的圆柱形颗粒31，用重物块5置于圆柱形颗粒31上方，制得点阴极粗胚，如图3所示；

4）将步骤3）制得的点阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉内，采用真空泵抽真空至真空度为10^-3pa，设置升温速率为5℃/min，将真空气氛炉中的温度从室温升至850℃，在最高温度保持20min后冷却至室温，即得等离子体火炬点阴极结构，如图1所示。

实施例3

一种等离子体火炬点阴极结构的制备方法，包括以下步骤：

1）制作阴极铜基体1和阴极银基体2：将阴极铜基体1的内表面与阴极银基体2的外表面之间留有用于焊接的间隙，间隙为0.15mm，在阴极银基体2的顶部中心开设有9个小孔3，小孔3的直径为2.5mm，深度为5mm；

2）将阴极银基体2安装于阴极铜基体1的通孔内，使其底端位于阴极铜基体1冷却腔4内；

3）在步骤1）的间隙中放入银焊环，将焊粉32填充于小孔3内，焊粉32由含量为78%银和22%铜的组成，填充的高度为2.5mm，再将由纯度为98%的钽灌入小孔3中堆叠形成直径为2.45mm、高度为5.1mm的圆柱形颗粒，用重物块5置于圆柱形颗粒31上方，制得点阴极粗胚；

4）将步骤3）制得的点阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉内，采用真空泵抽真空至真空度为10^-2pa，设置升温速率为5℃/min，将真空气氛炉中的温度从室温升至870℃，在最高温度保持30min后冷却至室温，即得等离子体火炬点阴极结构。

实施例4

一种等离子体火炬点阴极结构的制备方法，包括以下步骤：

1）制作阴极铜基体1和阴极银基体2：将阴极铜基体1的内表面与阴极银基体2的外表面之间留有用于焊接的间隙，间隙为0.25mm，在阴极银基体2的顶部中心开设有12个小孔3，小孔3的直径为1.85mm，深度为3.5mm；

2）将阴极银基体2安装于阴极铜基体1的通孔内，使其底端位于阴极铜基体1冷却腔4内；

3）在步骤1）的间隙中放入银焊环，将焊粉32填充于小孔3内，焊粉32由含量为80%银和20%铜的组成，填充的高度为1.5mm，再将纯度为99.9%的铪灌入小孔3中堆叠形成直径为1.8mm、高度为3.8mm的圆柱形颗粒31，用重物块5置于圆柱形颗粒31上方，制得点阴极粗胚；

4）将步骤3）制得的点阴极粗胚竖直放置于真空气氛炉内，采用真空泵抽真空至真空度为10pa，设置升温速率为6℃/min，将真空气氛炉中的温度从室温升至840℃，在最高温度保持10min后冷却至室温，即得等离子体火炬点阴极结构。

本发明的工作原理及使用方法：本发明工作时，先将制备的阴极银基体2安装于阴极铜基体1上，并将焊环置于阴极银基体2和阴极铜基体1的间隙内，先将焊粉32置于小孔3内，再将阴极电子发射材料灌入小孔3内堆叠形成圆柱形颗粒31，再将重物块5置于圆柱形颗粒31上，抽真空后在真空气氛炉中加热使焊环和焊粉32熔融，焊环熔融后将阴极银基体2焊接在阴极铜基体1内，焊粉32熔融后，在重物块5的重力作用下，将圆柱形颗粒31充填并焊接在阴极银基体2的小孔3内，即制备了等离子火炬点阴极结构。

本发明采用铪、钨、钽、铌、锆、钇中的任意一种或者其合金材料作为点阴极的电子发射材料的原理如下：

根据电子发生理论选用具有高熔点低逸出功的材料。电子发射与发射体的温度和电子逸出功之间的关系可用下式表示。

j=at²exp(-ф/kt)

式中：j为电流密度(a/m²)；a为发射常数；k为波尔兹曼常数；t为温度(k)；ф为逸出功(ev)。它表明热电子发射与发射体的温度和电子逸出功有密切关系。假设现有材料工作温度为1500k，其逸出功为4.65ev，那么在相同的电子电流密度下，降低材料的逸出功为3.03ev，材料工作温度降为1000k。逸出功的降低可以极大的降低材料的工作温度。

表1金属的熔点和逸出功

由表1可知，铪、钽、锆、钇的熔点高于银，且其逸出功低于银，在相同的电流密度下，其发射电子时所需的工作温度低于银，降低了阴极电子发射材料的工作温度，降低了点阴极的烧蚀速度；钨和铌的逸出功与银相当，但其熔点均显著高于银，电极的电子发射材料的熔点越高，其烧蚀速度越低，进一步降低了阴极的烧蚀程度。

本发明对实施例1-4以及采用纯银制备的电极实地点火后点阴极的灼烧程度（阴极重量损失）进行了测定，试验电流200a，测定结果如下表所示：

表2点阴极重量损失测定结果

由上表可知，采用本发明的方法制备的点阴极结构与传统的纯银电极相比，降低了点阴极的逸出功，使点阴极较好的电子发射性能，提高了点阴极材料弧根处的材料熔点，从而极大的降低了阴极的烧蚀速率。相同试验条件下，其点阴极重量损失明显低于纯银电极，表明其提高了点阴极的抗电弧烧蚀能力，降低了烧蚀速度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。