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CN105491775B - 一种提高电弧等离子体发生器运行稳定性和寿命的方法和装置 - Google Patents

一种提高电弧等离子体发生器运行稳定性和寿命的方法和装置 Download PDF

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吴承康
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Abstract

本发明涉及一种提高电弧等离子体发生器运行稳定性和寿命的方法和装置，该电弧等离子体发生器装置主要包括阴极、阳极、绝缘件和外套管。通过对电弧等离子体发生器电极表面进行特殊的镀膜处理，在电极表面制备高反应活性材料分散嵌入的复合材料涂层，促成电弧弧根的扩散型贴附，从而降低电弧等离子体发生器的电极烧蚀，提高运行稳定性和寿命。

Description

一种提高电弧等离子体发生器运行稳定性和寿命的方法和 装置
技术领域
本发明涉及一种提高电弧等离子体发生器运行稳定性和寿命的方法和装置。
背景技术
直流非转移式电弧等离子体发生器在工业制造、科学探索、环境保护、医疗卫生、国防安全等广阔的领域已有数十年的应用和研究历史。发生器的形式更是多种多样，从常用的最简单的仅有柱状阴极和管状阳极的结构、管弧、叠片式，到种类繁多的特殊结构。无论何种结构和用途以及功率等级的非转移式电弧，共同的特点是以气体放电电弧为电流通道连接阴极和阳极。在流动的氩、氮、氢、空气等气体或混合气中，在阴极和阳极之间产生放电电弧和加热工作气体，形成数千以至上万度的热等离子体射流。
电弧在电极表面贴附区的电流密度可能超过108A/m2，电极烧蚀引起的发生器寿命问题，一直是影响这类发生器高效使用、降低维护成本和技术要求、推向更广的长时间连续运行应用的瓶颈因素。同时，电极烧蚀产物的污染也限制了这类等离子体在精细组分材料的合成、风洞实验中材料热特性准确评估等领域的应用。因此，数十年来，各种减少电极烧蚀以提高等离子体发生器寿命的尝试从未间断。
工业应用上高效连续运转的大功率电弧等离子体发生器更需要高寿命低烧蚀的发生器。目前，在发生器在阴极和阳极之间夹入较长的中间段，拉大阴极与阳极之间的距离以提高电弧电压，使得在相同的电弧功率条件下降低电弧电流，以减少电极烧蚀。或同时采用多对电极组来分散电弧在电极表面的贴附，以降低贴附弧根的局域电流密度，减缓电极的局域恶性烧蚀。只是这种结构的热等离子体发生器结构复杂，维护耗费大，电源需要高电压设计。
发明内容
本发明的目的在于：针对直流非转移式电弧等离子体发生器阳极烧蚀问题，提出一种可减少电极烧蚀、提高电弧等离子体发生器运行稳定性和寿命的方法和装置。
本发明提供一种降低电弧等离子体发生器电极烧蚀的方法，包括如下步骤：
第一步，对电弧等离子体发生器的阳极进行表面镀膜处理，用于影响电弧贴附于电极表面的贴附反应能或分散微化贴附点，从而降低电极烧蚀；
第二步，外电压激发阴极和阳极间产生电弧，所述电弧沿阴极到阳极方向传输；
第三步，所述电弧贴附进行过表面处理的阳极，电弧对阳极烧蚀减弱。
优选地，表面镀膜处理采用离子镀、磁控对靶溅射或热喷涂的方法。
优选地，所述表面镀膜处理为在阳极表面制备高反应活性材料分散嵌入的复合材料涂层。
优选地，所述复合材料涂层为含铝、钛、锆、镁膜及其氧化物混合膜、多层多混合结构复合膜或过渡结构膜。
优选地，所述复合材料涂层为电导体，使在涂层内形成由自由表面连接电极基体的导电微通道。
根据以上方法，本发明还提出一种提高运行稳定性的电弧等离子体发生器，其特征在于，包括：
阴极；
阳极，设置在所述阴极电弧传输方向下游；
涂层，附着在阳极表面，使阳极具有特定表面结构；
绝缘件，所述绝缘件两端分别连接所述阴极和阳极；
外套管，包裹所述绝缘件和所述阳极连接组合体。
优选地，还包括：中间段设置在所述阴极和阳极之间。
优选地，所述涂层采用离子镀、磁控对靶溅射或热喷涂的方法附着在所述阳极表面。
优选地，所述涂层为高反应活性材料分散嵌入的复合材料涂层。
优选地，所述复合材料涂层为含铝、钛、锆、镁膜及其氧化物混合膜、多层多混合结构复合膜及过渡结构膜，并为导电体。
本发明的有益效果：
按照实际应用气体的种类和流量以及工作条件，对发生器电极进行特殊的镀膜处理，提高了电弧等离子体发生器的运行稳定性和寿命。
附图说明
图1为本发明电弧等离子体发生器结构示意图；
图2为图1中A区域放大图。
具体实施方式
本发明的基本思想是电弧等离子体发生器电极表面进行特殊的镀膜处理，在电极表面制备高反应活性材料分散嵌入的复合材料涂层，促成电弧弧根的扩散型贴附，从而降低电弧等离子体发生器的电极烧蚀，提高运行稳定性。
图1给出一种降低电极烧蚀的电弧等离子体发生器，阴极1、中间段2、阳极3、绝缘件4和外套管5。中间段2设置在阴极1电弧传输方向下游；阳极3经过表面处理使阳极3具有特定表面结构；绝缘件4两端分别连接中间段2和阳极3；外套管5包裹中间段2、绝缘件4和阳极3连接组合体。此发生器还包括气路8和水冷通路9。气路8为发生器提供工作用气；水冷通路9用于冷却所述所述阳极3、阴极1和中间段2。图中还给出热等离子体射流6和扩散后的电弧弧根7。
如果发生器不包括中间段时，气路8只设置在阴极1和阳极3之间。水冷通路9，用于冷却所述所述阳极3、阴极1。
外电压激发等离子体阴极1和阳极3间产生电弧；电弧从阴极1出发经过中间段2和绝缘件4向阳极3方向移动，最终电弧弧根7贴附阳极3。阳极3经过表面镀膜处理，在电极表面制备高反应活性材料分散嵌入的复合材料涂层31，促成电弧弧根的扩散型贴附，从而降低电弧等离子体发生器的电极烧蚀，提高运行稳定性。
如图2，对阳极做表面镀膜处理后，阳极表面涂层31的细致结构。表面镀膜处理采用离子镀、磁控对靶溅射或热喷涂的方法，在阳极表面制备高反应活性材料分散嵌入的复合材料涂层。复合材料涂层为含铝、钛、锆、镁膜及其氧化物混合膜、多层多混合结构复合膜或过渡结构膜。图2所示的复合材料涂层为电导体，在涂层31内形成由自由表面连接电极基体的导电微通道32。如此涂层31有效降低电弧对阳极3的烧蚀，提高了电弧等离子体发生器的运行稳定性和寿命
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高电弧等离子体发生器运行稳定性和寿命的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，对电弧等离子体发生器的阳极进行表面镀膜处理，用于影响电弧贴附于电极表面的贴附反应能或分散微化贴附点，从而降低电极烧蚀；所述表面镀膜处理为在阳极表面制备高反应活性材料分散嵌入的复合材料涂层；所述复合材料涂层为含铝、钛、锆、镁膜及其氧化物混合膜、多层多混合结构复合膜或过渡结构膜；所述复合材料涂层为电导体，使在涂层内形成由自由表面连接电极基体的导电微通道；
第二步，外电压激发阴极和阳极间产生电弧，所述电弧沿阴极到阳极方向传输；
第三步，所述电弧贴附进行过表面处理的阳极，电弧对阳极烧蚀减弱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：表面镀膜处理采用离子镀、磁控对靶溅射或热喷涂的方法。
3.一种提高运行稳定性的电弧等离子体发生器，其特征在于，包括：
阴极；
阳极，设置在所述阴极电弧传输方向下游；
涂层，附着在所述阳极表面，使阳极具有特定表面结构；所述涂层为高反应活性材料分散嵌入的复合材料涂层；所述复合材料涂层为含铝、钛、锆、镁膜及其氧化物混合膜、多层多混合结构复合膜及过渡结构膜，并为导电体，使在涂层内形成由自由表面连接电极基体的导电微通道；
绝缘件，所述绝缘件两端分别连接所述阴极和阳极；
外套管，包裹所述绝缘件和所述阳极连接组合体。
4.根据权利要求3所述的电弧等离子体发生器，其特征在于，还包括：中间段设置在所述阴极和阳极之间。
5.根据权利要求3所述的电弧等离子体发生器，其特征在于，所述涂层采用离子镀、磁控对靶溅射或热喷涂的方法附着在所述阳极表面。
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