（材料学专业论文）难熔金属的空心阴极等离子烧结工艺研究.pdf

摘要 摘要 空心阴极烧结是一种利用辉光放电形成空心阴极效应时，高密度大能量离子 对阴极轰击而产生热效应的高温烧结方法。目前，空心阴极烧结在铁基粉末及 m n 陶瓷的制备的研究已经得到利用，但对于烧结高熔点的金属( 如：钨、镏、 铌、钽等) 方面的研究尚不多见。 本论文通过空心阴极放电实验，研究产生空心阴极效应的点燃条件、放电电 流、升温特性以及气压、电压对电流密度和温度的的影响，探索了空心阴极放电 的特性。同时研究了不同形式空心阴极的放电特点，以及阴极尺寸对放电特性的 影响。 本文选用熔点较高的纯钨及铈钨合金进行了空心阴极烧结实验，探讨在空心 阴极条件下烧结过程中，电流密度、电压、烧结温度以及空腔尺寸对放电稳定性 的影响，以及各种工艺条件对烧结结果的影响。对烧结试样进行了金相分析，显 微硬度等性能的分析，以及其他一些难熔金属空心阴极烧结的特殊性分析。 特性实验表明：对同一p ( 气压) 值，v d ( 点燃电压) 随d ( 直径) 或a ( 极 间距) 值增大而升高；而在同一d 或a 值时，v d 则随p 值的升高而增大。但当d 太小或p 太低时，由于两阴极板的相互屏蔽，无论电压高低均不能使空心阴极点 燃。只有在一定的a p 或者d p 值组合范围内，放电才能在阴极内形成负辉区的重 叠，产生空心阴极放电。 通过大量的空心阴极烧结实验，总结经验，分析数据，摸清了电流密度、电 压与烧结温度的关系，以及烧结温度和保温时间对烧结体致密度的影响关系。通 过合理地调整电流密度、电压以及空腔尺寸等各种工艺条件，得到了持续、稳定 的空心阴极效应，最高烧结温度达到2 5 0 0 。通过合理的升温烧结制度得到致 密度较高烧结体，最高密度达到1 7 9 9 ，c m 3 ，可咀与其他的烧结方法如垂熔烧结、 感应烧结的水平媲美。 关键词空心阴极放电；烧结；等离子：钨；铈钨合金 a b s t r a c t t h eh o l l o wc a t l l o d es i n t e l 妇gi sak i n do fm 曲一t e m p e 咖r es i m e r i n gi n e a i l sw h i c h m a k eu s eo fm eh e a t i n g - e 虢c tw h i c hp r o d u c e db yh i 曲一d e n s i t yb i 分e n e r g yi o nw h e n 9 1 0 wd i s c h a r g ef b m l e dh 0 1 l o wc a t h o d ed i s c h a r g e n o w ，t h eh 0 1 l o wc a t h o d es i n t e r i n g h a v eb e e nu s e di n 也ep r e p a r a t i o no fi r o n b a s ep o w e ra n da i nc e r 蕊c s ，b u tt h e r ei s l i t c l er e s e a r c hi n s i n t e r i n gl l i g hm e l t i n g - p o i mr e 丘a c t o r y m e t a l ( t 如g s t e n ， m o l y b d e n u m ，n i o b i u m ，t a m a l 啪e t c ) n l i sm e s i sr e s e a r c h e dm ei g n i t i o nv o l t a g eo f h o l l o wc a m o d e ，d i s c h 盯g ec u r r e n t ， 血ec h a r a c t e ro f h e a t i n g - u pa n dt h ei n f l u e n c eo fp r e s s i l r ea n dv o l t a g ev s c u r r e n ta i l d t e r n p e r 咖r e ，a i l dd i s c h a r g ec h a r a c t e ro fh o l l o wc a t h o d e a t 廿1 es 咖et i m e ，i r e s e a r c h e dd i s c h a r g ec h a r a c t e ro fd i 任e r e mh o l l o wc a 血o d e ，a r l dm ei n f l u e n c eo f c a t h o d es i z ev s d i s c h 钌g ec h a r a c t e r t h ea _ u t l o rp r e p a r e dh i g h e rm e l t i n g p o i n tm e 诅l t u n g s t e na n dc e r i u r n - t u n g s t e n a 1 1 0 ya n dd i dh o l l o wc a 血o d es i n t e r i n ge x p e r i m e 毗s ，r e s e a r c h e d 也ei n n u e n c eo f c u r r e n t ，v o l t a g e ，s i m e r i i l gt e m p e r a t u r ev s t h es 诅b m z a t i o no fd i s c h a r g ei nh o l l o w c a 吐l o d e ，a n dm ei n n u e n c eo fa l lk i n d so ft e c h n o l o 酉c a lc o n d i t i o n sv s s i n t e l 虹g c o n s e q u e n c e ia l s oa n a l y z e do p t i c a lm i c r o s 钿c t u r e ，m i c r 0h a r d l l e s se t c a 1 1 ds o m e s p e c i a la n a l y s i so f h 0 1 l o wc a m o d ed i s c h a r g eu s i n gi ns i n t e r i n gr e 矗a c t o r ym e t a l s t h ec h a r a c t e re x p e r i m e n t si n d i c a t e ：v d ( i g i l i t e dv 0 1 t a g e ) h e i 曲t e n c dw i t 1t l e i n c r e a s eo fd ( d i 蛐e t e r ) o ra ( s p a c e1 e n g 血) ，w h e np ( p r e s s u r c ) d o e sn o tc h a n g e ；v d h e i g h t e n e d 晰t l lt h e 妇r e a s eo fp ，w h e ndo rad o e sn o tc h a n g e t h et 、v oc a t h o d e m a s k e d ，w h e nt h ev a l u eo fa o rdi st o ol i t n e ，c a n n o ti g n i t e dh o l l o wc a t h o d eh o 、v e v e r m ev o l t a g ei sh i g l lo n l yt h ec e r t a i nc o m b i n a t i o nr a n g eo fa po rd p ，i tc a np r o d u c e h o l l o wc a m o d ed i s c h a r g e ，t 1 1 en e g a t i v eg l o wd i s 埘c tc a no v e r l a pi nt 1 1 ec a t h o d e ic l e a r e dt l l er e l a t i o n s h j pb e t 、v e e nc u r r e n t ，v o l t a g ca n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，觚d 恤r e l a t i o n s m pb e t 、v e e nd e n s i t ) ，a n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m e ，m r o u g h o u t h o l l o wc 弛o d es i n 跳ge x p 髓i n 圮n t s ，g e n e r a l i z i n ge x p e r i e n c e s ，a n a l y s i sd a t a i o b t 出e d 恤s u s t a i n e da n d 鼢l eh o l l o wc 砒o d ed i s c h a r g ee c t ，t h r o u g h o mr a t i o 戚 a d j 戚o fa l lk i n d so ft e c h n o l o 酉c a lc o n d m o n ss u c ha sc u 玎眦，v o l _ 【a g e ，恤k 幽e s t t e m p e r a t u r er e a c h2 5 0 0 io b t a i n e dh i g h d e n s i t ys i n t e r e db o d y ，t h eh i g h e s td e n s i t y r e a c hl7 9 9 c m ，t h f o u g h o u tr a t i o n a lh e a t i n g u ps y s t e m i tc 锄c o m p a r ew i t ho t h e r i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 s i m e r i n gm e a n ss u c ha si n c i p i e n tf u s i o ns i n t e r i n g 姐di n d u c t i o ns i n t e r i n g k e yw o r d s ：h 0 1 1 0 wc 柚o d ed i s c h a r g e ， s i n t e 咖g ，p l 姗1 a ，n m g s t e n ， e e d m - 阳日笋f c d i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢燧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 繇牲新獭埠胁幽 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 粉末冶金技术概述 粉末冶金是制取金属粉末或者用金属粉末( 或金属粉末与非金属粉末的混合 物) 作为原料，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的 工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。它作 为一种特殊的材料制备和净成型技术，属于冶金学的范畴。 粉末冶金是一门古老的冶金技术。我国早在春秋末期，也就是2 5 0 0 多年以 前，就己用块炼铁( 即海绵铁) 锻造法制造铁器了。这项技术后来由于炼铁技术 的兴起而从历史舞台上消失。进入1 8 世纪后，为制取金属铂，粉术冶金重新焕 发了青春，从而使粉末冶金这门古老的冶金技术开始进入现代科学技术发展的行 列 2 】。 一 进入2 0 世纪9 0 年代，由于科学技术不断进步和经济的不断发展、全球化信 息网络和全球化市场的形成及技术变革的加速，市场竞争日趋激烈，随着粉末冶 金技术的发展，我国粉末冶金行业已发展成为一个具有相当生产规模的新兴行 业，在国民经济中的地位和作用有了较大的提高口】。 粉末冶金材料和制品的工艺是多种多样的，最简单最常见的工艺流程如图 1 1 所示 3 】。 第一步是制取粉末，合金粉末，金属化合物粉以及复合粉末制取粉末应用 最广泛的是雾化法、还原法和电解法。第二步是要进行物料准各，它包括粉末的 退火、粉末分级、粉末配料混合粉末干燥等。第三步是压制成形，以获得一定 形状和尺寸，一定密度和强度的压坯，加压成形中用得最广泛的是模压成形。第 图i 一1 粉末冶金工艺流程 图i 一1 粉末冶金工艺流程 f i g u r e1 1t h ep r o c e s so f p o w e rm e 工a 1 1 u r g y t 慕王韭丈学王学壤土学位谂文 西步是烧结，为了获得所黼的物理性能和机械饿能，一般来说，烧络鼹在保护气 氛下进行的，其烧结温度e b 獭中主要组成成分的熔点低。第五步是根据产品的不 同要求，谶行烧结后的处理，如精整、浸油、机加工、热处理和电镀等。 1 。2 粉米浚金烧结技零【4 】 粉寒冶金鞠烧结工艺，鼹决定粉末冶金制灏璇燕的豹关键之。烧结是粉末 或粉末聪坯，在适当的温度和气氛条件下所发擞的现象或过程。烧结的结果是颗 粒之间发嫩粘结，烧结体的强度增加，在大多数情况下，密度也提离。粉末烧结 过程的基本类型如图1 2 联承， 煞锻熬等棼压 等静趱 l l 1 l j 圈l _ 2 舆墼豹烧编过程类型 f i 肌r el - 2t h et y p e so f t y p i c a ls i n t e r i n g 对于不同的粉末系统，应用不同的烧结技术，烧结过程也就备肖不同。图 l 。2 给黧燕鍪憨囊缝遘程类瑟。 般燃讲，烧结过程可以分为两大类：不施加外压力的烧结秘施加外压力的 烧结，简称不加压烧结( p r o s s u r e l e s ss i n t e r i n 曲和加压烧结( a p p l i e dp r e s s l l r eo r p r e s s u r e a s s i s t e ds i m e r i n g ) 。 2 午 第l 章绪论 固相烧结( s o l i d 啪t es i n t e r i n g ) 是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末 压坯，被置于不超过其熔点的设定温度中，在定的气氛保护下，保温一段时间 的操作过程。活化烧结( a c t i v a t e ds i n t e r i n g ) 是指将微量第二相粉末加入到主相粉末 中去，以达到降低主相粉末烧结温度，增加烧结速率或抑制晶粒长大和提高烧结 材料性能的目的。液相烧结( 1 i q u i dp h a s es i n 妇洫曲也是二元系或多元系粉末，但 其烧结温度超过了某一组元的熔点，因而形成液相。 烧结过程粗略地分为烧结初期、烧结中期和烧结后期三个阶段。下面以不加 压固相烧结( 图1 ，3 ) 作简单说明。 黝彩缓缓 糊鞠煽扣翱舯瓣+ 一捌科嘲 图1 3 固相烧结的基本过程【4 】 f i g u r e1 3t h eb 船i cp r o c e s so f s 0 1 i ds t a t es i n t e r m g 烧结过程一般可以分解为以下7 个阶段： ( 1 ) 颗粒之间形成接触：主要指颗粒之间原始的点或面转化为晶体结合，该 阶段不发生收缩，晶粒尺寸也不变化； ( 2 ) 烧结颈长大( 颈长) ：原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒 间距缩小，形成连续的孔隙网络，同时一个晶粒长大，密度强度增大； ( 3 ) 连通孔洞闭合：孔隙被完全分隔开，形成孤立的闭孔洞，但导电性及强 度增加； ( 4 ) 孔洞圆化：闭孔洞趋于圆化： ( 5 ) 孔洞收缩和致密化：大量闭孔洞消失，致密度的增加主要在这个阶段： ( 6 ) 孔洞粗化：小孔洞聚集长大成较大的孔洞： ( 7 ) 晶粒长大。 在上述7 个阶段中，( 1 ) ( 2 ) 属于烧结初期，( 3 ) 一( 5 ) 则是烧结中期，( 6 ) 则属 于烧结末期。物质迁移和致密化主要发生在烧结中期。 - 3 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 烧结技术的多样性极其存在的问题 粉末冶金的烧结工艺就其加热方法而论，传统的的方法有火焰加热、电阻发 热体加热、电磁感应加热等。但是火焰加热有其不可克服的劣势，首先是消耗能 源，热利用率不高与污染也是火焰烧结所面临的巨大问题，烧结时间长，质量难 以掌握控制，使得这种烧结方法在现代工业中的运用范围越来越小。而电阻发热 体加热的致命问题是升温速度慢，不能做到快速烧结，而且容易造成晶粒的生长， 不利于有特殊工艺质量要求的烧结。电感应烧结的主要问题是过程的控制问题， 由于利用高频率产生功率较高的电磁波发射场，容易造成电磁波污染。可见，传 统的烧结工艺在一定程度上已经不能适应逐渐发展的对高要求烧结产品的需要， 因而诞生了许多新型的烧结工艺技术，为丰富粉末冶金产品性能提供了多种手段 和方法。以下就是各种烧结方法的一些优势和存在的问题： ( 1 ) 热等静压技术( h o ti s o s 诅t i cp r c s s i n g ) 1 j ： 主要特点：在成型方面保持了冷等静压的长处；可压制密度和性能均匀的复 杂形状产品；能制备形状和尺寸精密的产品；能获得接近理论密度的产品，降低 孔隙率。 相对不足：投资高；工艺周期长；包套技术复杂。 ( 2 ) 气氛压力烧结技术( g a sp r e s s u r es i n t e r i n g ) 【1 】： 主要特点：烧结温度高，添加剂含量少：扩大添加剂选择范围；改善烧结制 品的显微结构；提高液相黏度；易于制造形状复杂和大尺寸的制品。 相对不足：该方法适用样品单一( 主要用于氮化硅陶瓷的烧制) ；高压的氮 气氛会给烧结样品的选择范围带来影响；由于压力的影响，对液相的形成起到了 阻碍作用。 ( 3 ) 微波烧结( m i c r ow a v es i m e r i n g ) 【l 】： 主要特点：加热速度快；整体加热性好；降低烧结温度：改进显微结构；提 高制品性能且高效节能。 相对不足：投资大，成本高：由于介电损耗会随温度猛烈变化，容易产生热 失控；整套技术还不成熟，操控性比较差：危险系数高。 ( 4 ) 激光烧结技术( l a s e rs i 把r i n g ) 【1 】： 主要特点：烧结速度快，周期短；烧结过程中制品变形小；产生细化组织的 - d 第l 章绪论 作用。 相对不足：输出功率不稳定，影响烧结效果；激光的光束窄，大型工件和复 杂形状样品难以烧结：加工难度大，不适于工业化的复杂产品需求。 ( s ) 放电等离子体烧结( s p s ) 1 1 ： 主要特点：加热均匀，升温速度快；烧结温度低。烧结时间短；效率高，产 品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态；可烧结梯度材料以及复杂工件。 相对不足：理论目前尚未完全清楚；需要增加设备的多功能性及脉冲电流的 容量；连续工作性差。 从以上的对各种烧结方法的分析我们可以看出：这些烧结方法各有特色，为 新材料的研究、开发和应用产生了重要作用，但是这些方法都有局限性，仍难以 满足新材料不断发展的要求。研究、开发新的烧结方法仍然是粉末冶金领域的重 要课题。 1 4 难熔金属的加工问题 “难熔金属”顾名思义，就是指熔点较高难以熔化的金属，如：钨( 3 4 l o ) 、铼( 3 1 8 0 ) 、钽( 2 9 8 0 ) 、钼( 2 6 2 0 ) 、铌( 也叫做钶2 4 6 7 ) 、 铪( 2 2 2 7 ) 、钒( 1 9 2 0 ) 、锆( 1 8 5 2 ) 、钛( 1 6 6 7 ) 等 卯。由于其熔点 高以及其他一些独特的性能，历来在国民经济中发挥着重要作用，尤其在尖端领 域有着不可或缺的重要地位。以难熔金属为材料的产品被广泛的应用于核动力发 电、航空航天、电子学等高枝术应用领域中 6 】。但是，由于其高的熔点很难用传 统的方法冶炼和铸造方法加工成型。以下是几种难熔金属合金的加工方法： 1 _ 4 1 定向凝固技术 定向凝固指的是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建 立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在型壁上形核后，沿着与热流相反的方 向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。传统的定向凝固技术主要有发热剂法 ( e p 法) 、功率降低法( p d 法) 、高速凝固法( h r s 法) 、液态金属冷却法 ( l m c 法) 等【训。 近年来，定向凝固技术用于熔铸难熔金属间复合材料，这些复合材料已采用 许多方法制备，如物理气相沉积、箔层压制加工和电弧熔炼等。但是，最有前途 的方法之一是定向凝固，因为它给材料中相分布提供了较大的控制空间并可制各 憩京工整大学工警壤士攀挺论交 粗锭。 1 4 2 金属注射成形法 攒报道，德国学者雳众属注射成形法进行微电予封装处瑾覆燕铐镌、铝铜 舍金楗辩。焉薅证镓 裁荟熬蹇凝集畿魄鼹霹在毫逡l 钓e 殛 z ( 将来霹达 到3 0 0 g j z ) 频率下工作并产生大量熟。这种离频集成电路必须嶷鬣在具备高机 械强腱、高热导性和低热膨胀性的屏蔽箱中以邋应于g a a s 。用愈属注射成形法 将钨线镧假合金制成网状字# 镀上铜、镍或金可达到上述要求吼 1 4 ，3 热嚷涂或彩法 熟喷涂成形法是用一种耪浆或细的金满懋浮物或无视粉浆敷接气体雾化成 一种r f 感应等离子火焰，并使其在火焰中熔化和球化。例如，锅镍钼( a 1 一 n i m o ) 合金可以用等离予火焰中元素粉末念成，适于在氢产擞时用作催化电 子材料吃 l 。4 + 4 粉末冶金烧结方法 对与纯难熔金属，如纯钨和纯钼，一般采用粉末冶金烧结的方法加工。 粉术技术是制备难熔众属制品的常规技术。酋先将材料压制成烈，然后采用 各种烧鳐方法将预型件烧缡成型。烧结后材料w 避行棠规热枫械热工。在自炽烀 霉鼗溺嚣挠爱钨嚣丝嚣裁灏烧缝工艺静深度磺究孛，浇结过程魄调整耪精装成 分，以确保钾的含量需求，从而获得无挠度行为。目前，大多数难熔金属合金的 研究都采用粉末方法。利用粉末冶金的方法盥按烧结成型是目前虢得难熔金属制 品的娥饿方法。而在这一过程中，烧结是最为关键的一步。下面是纯钨烧结的两 稳方滚： ( 1 ) 垂熔烧结翻：豢熔烧结法是坯块( 聚) “直接”烧结，将坯块( 条) 作载流 导体，利用自身电阻加热达到坯块致密。是目前钨钼加工最广泛j 藏用的烧结方法。 主舞优点：烧结温度简，烧结钨条时，坯条自阻加热的实际濑度可到3 0 0 0 f 。烧结制品致密度裹，密度哥以达到1 8 酞o 。 ( 2 ) 感应烧结【9 】：赞统的感应烧结由予受浇结温度，舞滋制度，真空度等 因素的影响，烧结坯料存在密度偏低、杂质含爨高，且不能在加工锋缺陷。同时 棒材尺寸受限制，生产周期长，生产成本较简。 激此，目前急待发媵一种新的烧结方法泉弥於这些方法的不足。 一6 * 第l 章绪论 1 5 空心阴极烧结的提出 要想知道空心阴极的放电机理，首先得了解辉光放电现象。 辉光放电现象对人们并不陌生。比如，那些闪光夺目的霓虹灯，发光柔和、 省电耐用的荧光灯都是辉光放电的实例。从这两类辉光放电光远中可以看出，它 们同电灯( 自炽灯) 有很大的差别：在辉光放电中，无炽热发光的灯丝，它是靠 充入灯内的气体或元素蒸汽发光的，是一种气体放电灯【l 卜1 2 】。 如图1 4 所示，采用一个具有平板电极的放电管( 管内气压较低) 与直流电源 e 。串联。调节加在放电管两端的电压，可以得到如图1 5 所示的全伏安特性曲线。 e a 图1 4 平板电极放电管 f i g u r e r l 4t h en a td l s c h a 曙et u b e 我们可以将该益线分成以下七个区域”】。 ( 1 ) 非自持放电区( a 也段) ，在这个区域，被激载流子在电场下定向运动， 并到达电极形成饱和电流。该区的特点是，当外界催电离剂( 如宇宙射线) 一旦 消失，电流将到极低的数值，故放电不能自行维持。 ( 2 ) 暗放电区( b c 段) ，在该区内，被激载流子动能增大，使气体分子电 离，产生自载流子参加导电。因此，放电变成自持放电。 ( 3 ) 欠辉区( c e 段) ，自激载流子繁衍、雪崩、使电流骤停。该区是一个 过渡区。 ( 4 ) 辉光放电区( e f 段) ，形成辉光放电，被辉光全部覆盖，这是一种稳 定的自持放电。 ( 5 ) 反辉区( f g 段) ，电流和电压成正比，都较高，也称异常辉光放电区。 一7 - 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 6 ) 弧放过渡区( g m 段) ，即辉光放电向弧光放电过渡的区域，电流和 电压较高。 ( 7 ) 弧放区( 肌段) ，转变为电弧放电。 g 驾 曾 l 一电藏 p s o o ，；在电压不燮的情况下，随酱孔径的增大，空心阴极的点燃气压 下舜；在曩等气压裂窆羧尺寸懿条搏下，趣爨越亳，翔空心麓极效应鼙容易燮残。 图3 - 3 圆筒澎空心阴极点燃时空腔尺寸与气压的必系 奠g 娃羚3 3 弧el tp 船s 娃r ev s 。龇d i 袭r e 嫩d i 黼e 斟o f c y l 浊曲娜h a p e d 鞭c d 北京工业大学工学硕士学位论文 电压v 对空心阴极点燃的影响主要表现在建立稳定的阴极位降区上，这也 是形成空心阴极效应的关键，否则不能形成自持放电。另外，根据公式： d 。= 肽。嘭x 1 + ，) 白。) l ” ( 3 - 1 ) 式中：以为阴极位降区宽度； 蜀为电子漂移率； 圪为阴极位降区电压； ，为汤生第二电离系数； 知为起始电流密度。 可以看出，阴极位降区的宽度是随电压v 的增加呈单调递增趋势。增加电压， 可以增大场强e ，加快阴极空间内电子的运动速度，有利于空心阴极效应的生成。 对于5 i n m d 3 2 m m 的阴极管内径，当电压v 1 8 0 v 时，空心阴极无法点燃。 空腔尺寸对空心阴极点燃的影响主要体现在负辉区实现重叠的宽度条件上， 过小则不能满足阴极区宽度条件，过大则会使负辉区分离，成为一般的辉光放电， 不产生空心阴极效应。 气压对空心阴极点燃的影响主要集中在对气体分子平均自由程万的影响，压 力过小，气体分子的万过大，电子与气体分子的碰撞频率减弱，电离率下降，不 足以维持自持放电。当万大于空腔内径d 时，无论电压如何增大，都不会产生 空心阴极效应。根据实验，当p 6 5 p a 时，d 3 2 m m 的圆筒形阴极管不会产生空 心阴极效应。 3 2 3 平行板空心阴极的功率输出特性 利用空心阴极放电对粉末冶金坯料加热，依赖于正离子对坯料表面的轰击， 因而加热功率的大小便取决于离子的密度和能量，亦即放电功率。空心阴极放电 时其放电功率的大小首先取决于平行板间距( 极间距离) d ，试验结果如图3 4 所示。由图中可以看出，在能够形成空心阴极效应的条件下，给定p 和v f ( 放 电电压) 后，放电功率随d 值的增大而大幅度下降。在本文的试验条件下，当d 为1 0 衄，p 为5 0 p a ，v f 为8 0 0 v 时放电功率可达1 2 k w ，而当d 值增大为4 0 r n m 时，放电功率便降低到3 k w ，接近于相同条件下的异常辉光放电功率。其结果 是由于随d 值的增大，负辉区的重叠减弱，电子振荡次数减少，气体离化率降低 所造成的。 - 2 第3 章铈钨的空心儡极烧结工艺 曼 u 甜 嚣 图3 - 4 平行板空心阴极输出功率和气压的关系 f i g u r e3 - 4t h ep o w e rv s t h ep r e s s u r eo f p a r a l l e l i 工1 9p l a n kh c d 在空心阴极放电功率输出特性的影响因素中，除平行板间距d 之外，放电电 压v f 和气压p 的作用也十分显著。它们的影响规律如图3 5 、图3 6 所示。图3 5 表明，随着v f 的升高，放电功率呈线性增加，而且在相同气压条件下平行板间 距愈小增加幅度愈大。这是由于随着放电电压的升高，阴极位降区的电场强度增 大，运动电子的加速度增大，与气体原子碰撞电离的几率增大，导致电流密度和 离子能量的增大的结果。图3 6 表明，放电功率受气压的影响较为复杂，在v f 金 高 v 褂 摇 图3 5 平行板空心阴极输出功率和电压的关系 f i g u r e3 5t h ep o w e rv s t h ev 0 1 t a g eo fp a r a l l e l i n gp l a n kh c d 北露工业大学王掌硬士学位论文 和d 保持不变的条件下，放电功率首先随p 值的升高而增大，达到极大值后又随 p 翡增大丽逐渐减小，誊蓟空心阴极效应渚失，成为一般鹃异常辉光放电。这楚 因为，起初由予气压的辨赢、正离子和二次电子数量增多，电流密度增大。当电 流达到极大值后，随着气压的升高负辉区和阴极位降馘收缩，负辉区的重叠獠废 减弱，瞧子在魏弱极阕豹振荡次数减少，气搭鬻纯率下降，电浚密度巍陡之降低。 随着气压的迸一步升瀚，阴极板之间的负辉酝完全分离，空心阴极效成消失盾， 藏毫劫率这鬃低蓬，迭裂摆瓣条箨下菇鬻辉巍效毫簿兹求乎。 豳3 - 6 平行板空心阴极输出功率和气胍的关系 f i g i l r e3 6t h ep o w c r v st h ep r e s s u r eo f p a r a i l e l i n gp l a r 止h c d 3 3 铺钨烧缩的工艺特性研究 在第2 肇中我 f l 知道，镳钨合众的烧终是在空心阴极石器管中放置钵钨试 样。谯这种情况下，其放电特性仍然遵循空一心阴极放电的基本规律，假有其特殊 之楚，下瑟款特点进行论述。 3 3 1 工艺过程 出于空心阴极放电的基本特点和铈钨合金坯料在空心翮极等离子烧结时的 特有的规律，台理的控制电压莘气压楚形成稳定的空心阴极效应及进 亍成功烧结 的关镳。实验结果表明，铈钨坯料的空心阴极等离子烧结过稷可分为三个阶段： 鄹预镰除段、受涅除段帮保滋玲段。在这三令玲段孛，迄压、气匿等参数蠖瓣交 化各商所不弼。烧结过程的电流、电压与温艨的变化规律如图3 7 所示。 - 2 争 第3 章铈钨的空心阴极烧结工艺 3 0 2 5 2 0 一 一1 5 撩 脚 1 0 5 o i 、 匡圈 。、 i ，r ? l 图3 7 电流电压与温度的关系 f 嘻u r e3 7t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc u r r e mv o n a g e 锄dt e m p e r 咖r e i 预备阶段( 启辉阶段) ：在此阶段，由于阴极台和石墨管与试样构成的空 心阴极表面难免有油污和绝缘杂质的存在，或者是试样中有一些的熔点的杂质存 在，开启电源后容易产生场致弧光放电，引起电流和电压的剧烈波动，并可能使 阴极表面受到烧蚀，甚至损坏供电系统。因此，应保持较低气压和电压，以降低 弧光放电的强度，减少弧光放电的数量，避免产生过大的电流。待阴极表面被离 子轰击清洗干净，零星弧光放电停止后，逐渐将气压和电压升高，进入空心阴等 离子烧结的第1 i 阶段。在这个阶段由于放电功率较小，阴极温度不高。 i i 升温阶段( 空心阴极放电阶段) ：第1 阶段完成后，气压和电压升高，空 心阴极被点燃，电流大幅度增加，阴极温度会迅速上升。当温度上升到一定值时 ( 约1 6 0 0 ) ，由于试样中的低熔点物质( 如c e 0 2 ) 挥发出来，使空心阴极中 的气压升高，气体电离率增大，产生大量的电子，引起电流的迅速上升。同时， 由于可控硅直流电源的负反馈限流作用，根据电流给定值，电压会迅速下降。此 时，如果控制失当容易造成温度的上升过快、过高，使空心阴极放电向电弧放电 转变，影响空心阴极效应的稳定性。因此要防止放电电流升得过快，过大，注意 适当调节电压和气压，使温度保持合理的上升速度，直至达到规定温度后进行保 温a 同时真空室内继续保持较强的气体流动，将挥发出的杂质迅速带走。 i i i 保温阶段( 空心阴极稳定放电阶段) ：当温度升到规定值后，进入空心阴 极等离子烧结的温度保持阶段。在此阶段，通过可控硅直流电源的电流输出自控， 北京工业大学工学硕士学位论文 电压和电流会保持基本不变，而温度变化也会变得非常缓慢。只要气压保持稳定， 即可完成保温过程。 3 3 2 工艺过程分析 ( 1 ) 启辉阶段，在通常的状态下，任何气体中都具有一定量的电子和离子 浓度。如在靠近地面的大气层中，由于宇宙射线的辐射和热的作用，能使气体离 子产生电离，其带电粒子的产生速率与它们的损失速率相平衡，因此，大气层中 维持有一定的带电粒子浓度，但其电离度是极其微弱的。同样，在充气管内的气 体中也有微量的带电粒子存在，当充气管两极间加上较低的电压时，空间便建立 起弱电场。这些带电粒子能沿电场作漂移运动，因而形成弱电流。在低气压下( p 中心憋翘律。这也反映了在试襻熬受零翼逮戆都盥要魄中 心位置烧结更致密一拨。 麓辩霹戳嚣凄，麓着浇鳍滠度兹舞骞，烧缩薅霹瀚增热凝结试襻内部静疆瘦 值也趋于均匀。如3 ”、4 4 试样，中心、边缘和角三个部位的晟微硬度值已经很 接近。 - 5 第5 章纯鹤的空心阴撤烧结 表5 3 试样的最徽硬度( 帮位：h v o + 1 ) t 矗叁l e5 心曩建辫轻噬虹尊端o 窨蠹磷l e 5 毒褰章，塾缝 ( 1 ) 纯鹤的空心隰极烧结比铈铸的烧缕疆稳定，烧结激度更糍，烧结试樽 静密麓氇更商；辅助酾极韵弓；入，有效遗提黼密心阴徽烧缩的稳定能，且能褥到 更裹的烧结瀑度； ( 2 ) 随精烧结温度的升高，烧髂时间的增加，烧结试栉的截筒收缩率、致 密度、显墩疆度篷舔商辑增蕊，著鐾试撵蕊筠驾毪瞧海掰援离； ( 3 ) 升濑制度对烧结试样质量的影响比较大，升温速度不能太快。要；蛊意 在i 6 0 0 8 爵杂溢发段翡爨温一段辩蓠，这不蔹鸯助予疆离效密度，焉盈霄稠 于后嘶的高澈烧结。 - 5 结论 结论 本论文的主要结论如下： ( 1 ) 空心阴极的点燃条件主要是建立稳定的阴极位降区，实现空腔内负辉 区的重叠。与普通平板阴极辉光放电相比较，在v 、p 等条件相同的前提下，空 心阴极能够拥有更大的输出电流。圆筒形空心阴极效应能够在短时间内实现温度 的快速升高，可以根据该特点将其利用在快速升温的工程领域； ( 2 ) 对同一p ( 气压) 值，v d ( 点燃电压) 随d ( 直径) 或a ( 极间距) 值 增大而升高；而在同一d 或a 值时，v d 则随p 值的升高而增大。但当d 太小或p 太低时，由于两阴极板的相互屏蔽，无论电压高低均不能使空心阴极点燃。只有 在一定的印或者d p 值组合范围内，放电才能在阴极内形成负辉区的重叠，产生 空心阴极放电； ( 3 ) 根据电流密度、电压以及烧结温度的不同变化规律，空心阴极烧结过 程可以分为三个阶段( i 启辉阶段、i i 空心阴极放电阶段、m 空心阴极稳定放电 阶段) 。通过合理控制电流、电压以及气压等影响因素，可以在空心阴极稳定放 电阶段获得持续，稳定得空心阴极效应； ( 4 ) 辅助阴极的引入，能有效提高空心阴极放电的稳定性，且能得到更高 的烧结温度； ( 5 ) 空心阴极烧结升温速度快，烧结温度可控，易控，最高可以达到2 5 0 0 ，可以满足各种金属及非金属材料的烧结； ( 6 ) 空心阴极烧结能够很好的烧结纯钨、铈钨合金及其他钨制品，烧结体 的密度最高达到1 7 9 c m 3 ，烧结体组织紧密，残余孔洞少，孔隙率低，烧结均 匀，可以和垂熔烧结、感应烧结等其他烧结水平媲美； ( 7 ) 试样中的含量较低的低熔点物质只在烧结初期有影响，从整个烧结过 程看影响不大； ( 8 ) 由于高能离子对样品表面的轰击，可以使表面粉末颗粒在短时间内达 到很高的温度，因而可以在较低的宏观温度下形成表面致密层，适合异形件的烧 结。 参考文献 参考文献 l 黄培云著粉末冶金原理北京，冶金工业出版社1 9 8 2 ：1 2 2 廖蔚雯，陈晓红“入世”对我国粉末冶金行业的影响和对策粉末冶金工业2 0 0 1 ，v 0 1 1 1 n o 5 ：3 9 4 7 3 张廷楷，高家诚粉末冶金材料重庆大学冶金及材料工程系金属材料研究，1 9 8 8 ，1 3 4 果世驹粉末烧结理论北京，冶金工业出版社，】9 9 8 ：1 一1 0 2 5 周开亿著空心阴极放电极其应用( 上册) 北京，真空科学与技术杂志社，1 9 8 2 ：3 4 6 杨遇春难熔金属二次资源的加工有色金属的再生与利用，2 0 0 4 ，5 ( 3 ) ：1 0 1 2 7 葛启录，周武平，韩欢庆等加入、d 后我国难熔金属工业发展浅析粉末冶金工业， 2 0 0 3 ，1 3 ( 1 ) ：1 2 1 3 8 胡忠武难熔金属合金的加工技术及其新应用新材料- 新工艺2 0 0 3 ，( 3 ) ：2 3 2 4 9 钟培全编译钨钼等难熔金属合金材料加工技术及其应用现状中国钨业，2 0 0 2 ，1 7 ( 2 ) ：4 3 4 4 1 0 张明祥，李林，来晓君大规格烧结钨棒的研制稀有金属材料与工程，1 9 9 8 ，2 7 ( 增刊) ：9 1 1 高树香，陈宗柱气体导电( 上册) 南京，南京工学院出版杜，1 9 8 8 ：2 5 4 2 1 2 高树香，陈宗柱气体导电( 下册) 南京，南京工学院出版社，1 9 8 8 ：1 0 2 1 4 5 1 3 彭国贤气体放电等离子体物理的应用北京，知识出版社1 9 8 8 ：1 9 4 0 1 4 h q i u ，k m a r t u s ，w y l e e h y d r o g e ng e n e r a t i o nm am i c r o h o l l o wc a 廿1 0 d ed i s c h a r g e i n h i g 扎p r e s s u r ea m m o n i a a 唱o ng a sm i x t i l r e s i n t e r j o f m a s ss p e 2 0 0 4 ，( 2 3 3 ) ：1 争五4 1 5 k c c h o i ，h s t a e t h ec h a r a c t 耐s t i c so fp 1 越m ad i s p l a yw i mt h ec y l i n d r i c a lh 0 1 l o w c a m o d e i e e e 1 h n e