CuCr触头材料小电流下阴极斑点与截流值研究

研究了在峰值电流分别为10A和80A的小击穿电流下，CuCr25与CuCr50合金阴极斑点蚀坑形貌的差异。通过比较阴极斑点蚀坑的大小和分布，分析了CuCr触头材料显微组织中Cr相尺寸的大小对阴极斑点运动和蚀坑形貌的影响。采用示波器直接测量出截流值和电弧寿命，结合CuCr合金阴极斑点蚀坑形貌的分布，从现象和机理上解释了CuCr25合金截流值低于CuCr50合金的原因。这些结果对通过优化CuCr合金的显微组织以降低触头材料的截流值提供了有力的依据。     

ThO_2粒子大小对W-ThO_2电极材料电子发射及其阴极斑点特性的影响

用扫描电镜对具有不同大小ThO2粒子的阴极材料击穿后表面上阴极斑点的形貌进行了观察。结果表明,阴极斑点的几何特征和分布完全由ThO2的大小和形貌来决定。随着ThO2尺寸的减小,阴极材料的电子发射能力显著提高。分析认为,阴极斑点的击穿特征是由于微观结构在界面处引起的内电场的特性而产生的。     

ThO2粒子大小对W-ThO2电极材料电子发射及其阴极斑点特性的影响

用扫描电镜对具有不同大小ThO2粒子的阴极材料击穿后表面上阴极斑点的形貌进行了观察.结果表明,阴极斑点的几何特征和分布完全由ThO2的大小和形貌来决定.随着ThO2尺寸的减小,阴极材料的电子发射能力显著提高.分析认为,阴极斑点的击穿特征是由于微观结构在界面处引起的内电场的特性而产生的.     

纳米复合W—氧化物电极材料的电子发射特性

制备出了纳米复合Ｗ－ＴｈＯ２电极材料,这种材料的成分与相组成与传统电极材料相同,但显微组织显著不同。采用真空电弧放电,观察了阴极斑点的分布特征,测定了电极材料的起弧电场强度。通过与传统电极对比,认为大幅度细化氧化物添加剂至纳米心渡,能够显著提高电极材料的电子发射能力,降低逸出功。     

Ag-LaNiO3-δ电接触材料的直流电弧特性研究

研究了Ag-LaNiO3-δ电接触材料在直流电弧作用下弧区的元素分布、材料的微观组织形貌、直流电弧作用前后的电极形貌以及电极表面的元素分布；探讨了Ag-LaNiO3-δ电接触材料在直流电弧作用下的转移和腐蚀机理。实验结果表明：直流电弧引起阳极表面熔化、Ag离子向阴极转移及在阴极表面沉积；LaNiO3-δ复合金属氧化物在电弧高温作用下分解成单元素，吸收了电弧能，有利于灭弧；同时LaNiO3-δ颗粒悬浮在阳极Ag微小熔池中，增加了熔融Ag的粘度，有利于降低Ag熔滴的飞溅，减少了电弧烧损。Ag-LaNiO3-δ复合电接触材料显示出良好的综合电性能。     

纯石墨和铜-石墨的阴极斑点与截流值研究

研究了纯石墨和铜-石墨材料的阴极斑点的特性及真空电弧截流现象.发现纯石墨的阴极斑点呈现随机运动的特点,斑点的直径小于3μm,阴极斑点每次运动的距离约为阴极斑点的半径.而铜-石墨的阴极斑点的运动与Cu相息息相关,它选择性的发生在Cu相上,阴极斑点的大小取决于Cu相的大小,阴极斑点的运动距离为Cu相之间的距离.同时,铜-石墨的真空电弧截流值1.18 A,远远大于纯石墨的截流值,这主要是由于两种材料不同的阴极斑点运动特性引起的.     

CuCr25纳米晶化对真空电弧阴极斑点扩散的影响

采用氩气保护气氛高能球磨和真空热压技术制备了致密度大于98％的纳米晶CuCr25合金，并在真空室内进行击穿试验。采用扫描电镜对纳米晶和粗晶CuCr25合金阴极斑点蚀坑形貌进行观察。结果表明：粗晶CuCr25合金真空电弧阴极斑点扩散表现为原地重复燃烧或整体的跳跃式移动，且有选择地分布在Cr相。而纳米晶CuCr25合金由于晶粒细化（〈50nm），为电子发射提供了优越条件，阴极斑点的扩散表现为次级斑点的此起彼伏的准连续移动，击穿相均匀分布在整个阴极表面。     

Fe掺杂对纳米复合Ag-SnO2电接触合金电弧演化行为的影响

应用高速数字摄像机和扫描电镜对纳米复合Ag-SnO2，Fe掺杂的纳米复合Ag-SnO2及商用Ag—SnO2-In2O3电接触合金的电弧演化过程和阴极斑点进行了比较研究。结果显示：空气中电弧的演化过程可以分为起弧、稳定燃烧和衰减3个阶段。Fe掺杂后，纳米复合电接触合金电弧演化过程的形弧时间是商用合金的2倍；对触点表面烧蚀起主要作用的稳定燃烧时间短；电弧弧根对应的阴极斑点数量多、跳动迅速、运动区域大；电弧弧根在阴极表面停留的时间短，热流输入少，使其燃弧后阴极斑点分散，烧蚀轻微，具有较好的耐电弧侵蚀性能。     

纳米掺杂Ag（SnFe）O2电接触合金的研究

利用化学共沉淀、高能球磨技术及热压烧结等方法制备出纳米掺杂Ag（SnFe）O2触头合金，通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和冷场发射扫描电镜（FESEM）等对合金触头及其燃弧性能进行了分析。结果发现：Fe元素的加入，使Sn02纳米颗粒在550℃以下焙烧制粉和750℃以下块体烧结成型时都未明显长大，保持在20nm左右，制备的触头合金呈现纳米第二相弥散均匀分布在Ag基体中。在模拟电弧侵蚀试验中，该合金电弧阴极斑点铺展在较大区域，形成多点燃弧形貌，有效降低燃弧时间和电弧电流，分散电弧能量，使阴极斑点没有明显的液体喷溅、Ag的蒸发和第二相的分解，同时非晶的纳米第二相与Ag的润湿性更好，可进一步增加熔体粘度，提高耐电弧侵蚀性能。     

直流条件下W-15wt%Cu电接触材料燃弧特性研究

研究了W-15wt%Cu电接触材料在直流条件电弧作用下电极表面元素分布、材料微观组织形貌;探讨了电接触材料在直流电弧作用下的转移和腐蚀机理。结果表明:直流电弧引起阳极表面熔化、Cu离子向阴极转移并在阴极表面沉积;金属氧化物在电弧高温作用下分解成单元素,吸收了电弧能,有利于灭弧;同时W颗粒悬浮在阳极Cu微小熔池中,增加了熔融Cu的粘度,有利于降低Cu熔滴的飞溅,减少了电弧烧损。W-15wt%Cu复合电接触材料显示出良好的综合电性能。     

Laser stabilisation of arc cathode spots in titanium welding

Abstract

Cathode spot formation is very pronounced during arc welding of titanium and titanium alloys. The dynamic behaviour of these spots was observed to interfere with metal transfer during welding, this interference being a fundamental cause of poor weld quality in these alloys. In the present work, stabilisation of the arc cathode spot with a focused Nd–YAG laser beam during pulsed gas metal arc welding of titanium was investigated. The laser beam was focused near the leading edge of the weld pool and the laser power and focus spot size were varied to determine the values required to confine the cathode spot to the laser focus position. The results showed that, for fixed welding conditions, the laser power required to prevent cathode spot motion varied as a function of focus spot size. The required laser power was minimised at 200 W for a spot size of 0.6 mm. The laser stabilised arcs had lower voltage but approximately the same current density as stabilised arcs. Increased welding speeds required marginally higher laser powers to stabilise the spot, but the minimum power was still attained with a 0.6 mm focus spot diameter. The laser power density required for stabilisation decreased as spot size was increased, varying from almost 10⁶ W cm^?2 at the smallest spot size to approximately 10⁴ W cm^?2 at the largest. Cathode spot stabilisation improved weld quality by reducing spatter generation and weld bead irregularity.     

轴对称磁场对电弧离子镀TiN薄膜结构及摩擦性能的影响

利用轴对称磁场增强电弧离子镀工艺制备TiN薄膜,对薄膜表面大颗粒尺寸、数量及大颗粒与薄膜的面积比进行了分析统计,研究了轴对称磁场横向分量强度对薄膜表面大颗粒尺寸和数量、薄膜组织结构及摩擦性能的影响,结果表明,随着轴对称磁场横向分量强度的增加,大颗粒的尺寸和数量大幅度减少,不同尺寸大颗粒的形貌差别很大,TiN薄膜的(111)择优取向增强,薄膜的晶粒尺寸减小且分布均匀:同时,薄膜的摩擦系数及其随时间的波动减小,耐磨性增强.     

轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动的影响

研究了轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动的影响规律,利用有限元分析软件FEMM对轴对称磁场的分布进行了模拟,采用SHT-V型磁场测试仪测试了磁场强度,分析了靶面不同磁场分量的分布规律.从电弧斑点放电的物理机制出发,探讨了不同磁场分量和轴对称磁场对电弧离子镀弧斑运动的影响机制.结果表明,轴对称磁场通过影响空间正电荷密度n~+的分布而作用于弧斑运动;随着轴对称磁场横向分量的增加,电弧斑点由随机运动逐渐转变为向靶面边缘扩展的旋转运动,弧斑运动速度加快,电弧电压升高,电流下降;当横向分量增加到临界强度(B_T≈30 Gs)时,弧斑在靶材边缘稳定的快速旋转运动并在靶沿处上下抖动,弧斑分裂,靶面中心处每隔0.5 s左右出现多个细的圆斑线,然后很快向外扩展消失;靶材边缘出现明显的刻蚀轨道.     

Gra./Cu和CNTs/Cu复合材料的截流值与阴极斑点研究

采用粉末冶金方法制备石墨铜复合材料(Gra./Cu)和碳纳米管铜复合材料(CNTs/Cu),研究2种铜基复合材料的真空电弧截流现象和阴极斑点特性。结果表明,与Gra./Cu相比,CNTs/Cu在真空放电过程中电弧更加稳定,且分散性好,截流值小;在正对阳极处CNTs/Cu的真空电弧烧蚀坑明显比Gra./Cu的细小,灼痕直径约为0.1～5μm,分布面积也较小,而Gra./Cu的灼痕直径为10～100μm;两者的相同之处在于,在电击穿过程中阴极斑点的运动呈一种随机的、突变式的跳跃,而且选择性发生在Cu相上,Cu相被消耗。总之,CNTs/Cu比Gra./Cu具有更高的耐电弧烧蚀能力,CNTs的加入可以有效地增加铜基复合材料的电弧稳定性和降低截流值。     

Characterizing solute-lean defects in superalloys

Solute-lean defects, commonly called white spots, are frequently found in superalloys. These defects limit the service life of components made from superalloys, and alloy producers have devoted intense study to their characterization and elimination. Recent work shows that solute lean defects can be classified as “discrete,” “diffuse” and “mini,” and can be further classified into “clean” and “dirty” white spots. More than one formation mechanism for white spots is exemplified by the chemical and morphological differences between discrete, diffuse and mini white spots. White spot detection depends on the thermomechanically developed precipitation of hardening phases, coupled with specific etches that preferentially react to microstructure differences. The white spot defect is indigenous to the vacuum arc remelting process, but defect formation can be minimized by careful process control.     

Optical investigation of the behavior of the electric arc and the metal transfer during vacuum remelting of a Ti alloy

High-speed camera imaging and optical emission spectroscopy have been used for investigating the structure of the electric arc and the transfer mechanisms of the liquid metal during vacuum arc remelting (VAR) of Ti alloys. The arc exhibited a similar operating regime to that described in the previous literature for the case of Inconel 718 and zirconium alloy electrodes. The arc behaved in a diffuse mode with many separate and rapidly moving cathode spots. Several parameters of the cathode spots, including their current, size and apparent velocity were evaluated. The application of an external axial magnetic field tended to encourage the cathode spots to locate themselves on the base of the electrode. A large density ratio of Ti⁺ ions and Ti atoms in the interelectrode plasma was evaluated, suggesting that the plasma was strongly ionized. The calculated excitation temperature of Ti⁺ ions (1–1.2 eV) was about 1.5–2 times greater than that obtained for Ti atoms. The transfer mechanisms of the drops of liquid metal might be classified into three main modes depending on the gap length: drop falling, drip short and drop erosion induced by the cathode spots. The importance of the influence of the arc on the metal transfer mechanisms was inversely related to the gap length.     

NiCr和TiAl合金靶材阴极电弧弧斑的运动特性

研究采用多弧离子镀技术镀膜时,电弧放电阶段中电弧弧斑的运动对后续膜层质量与靶材烧蚀有着非常重要的影响,目前很少有弧斑运动相关的研究。研究通过外加脉冲磁场以实现对阴极靶面磁场分布的精确调控,探究了磁场分布对弧斑运动的影响,并结合分形理论分析弧斑的运动轨迹,系统研究了电弧放电过程中靶面电弧弧斑的运动特性。结果表明,在永磁铁磁场与脉冲磁场共同作用下,弧斑在原有的随机运动基础上叠加了反安培力方向的旋转运动与向靶沿扩散的漂移运动。随着靶面总磁场强度的上升,弧斑平均运动速度增加,弧斑寿命变短;弧斑运动范围可控,最大运动范围可覆盖靶面的90％以上;分形维数可控,镍铬合金靶和钛铝合金靶弧斑轨迹图像的最大分形维数可分别为1.145和1.159,对应靶材烧蚀区域面积达到92％。通过改进工艺参数,能够显著减少大颗粒污染并提升膜层质量,同时通过维数可预测靶材烧蚀情况,能更高效地利用靶材。     

Vacuum Arc Characteristics of CuW70 Alloy

以不同粒度的W粉为原料,采用熔渗法制备CuW70合金,在真空灭弧室模拟电烧蚀实验,通过高速摄影仪和扫描电镜研究CuW70合金表面阴极斑点运动规律。研究结果表明:W粉粒度较小的CuW70合金具有较高的耐电压强度、较长的燃弧时间和低的截留值。W粉粒度较大的CuW70合金真空阴极斑点运动表现为在阳极正下方反复地重复燃烧,并且以选择Cu相击穿为主,烧蚀坑较深;W粉粒度较小的CuW70合金表面阴极斑点在阳极下方出现分裂和偏移,击穿相分布于整个阴极表面。