RU2455110C1 - Способ изготовления электродов электродуговых плазматронов - Google Patents
Способ изготовления электродов электродуговых плазматронов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2455110C1 RU2455110C1 RU2010147989/02A RU2010147989A RU2455110C1 RU 2455110 C1 RU2455110 C1 RU 2455110C1 RU 2010147989/02 A RU2010147989/02 A RU 2010147989/02A RU 2010147989 A RU2010147989 A RU 2010147989A RU 2455110 C1 RU2455110 C1 RU 2455110C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- sintering
- mixture
- pressing
- electrodes
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 title claims abstract description 17
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 62
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 19
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 18
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 53
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 45
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 30
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 claims description 28
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 22
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 11
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 abstract 2
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 17
- KUVIULQEHSCUHY-XYWKZLDCSA-N Beclometasone Chemical compound C1CC2=CC(=O)C=C[C@]2(C)[C@]2(Cl)[C@@H]1[C@@H]1C[C@H](C)[C@@](C(=O)COC(=O)CC)(OC(=O)CC)[C@@]1(C)C[C@@H]2O KUVIULQEHSCUHY-XYWKZLDCSA-N 0.000 description 11
- 101150008563 spir gene Proteins 0.000 description 11
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 10
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 3
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 3
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 2
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 2
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- LRTTZMZPZHBOPO-UHFFFAOYSA-N [B].[B].[Hf] Chemical compound [B].[B].[Hf] LRTTZMZPZHBOPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010814 metallic waste Substances 0.000 description 1
- 239000012452 mother liquor Substances 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002707 nanocrystalline material Substances 0.000 description 1
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии получения объемных наноматериалов методом порошковой металлургии, а именно к изготовлению электродов электродуговых пламатронов. Технический результат - улучшение функциональных свойств электродов. Способ включает совместное прессование и спекание порошка в плазме искрового разряда. При этом используют нанопорошок меди с размерами частиц 10-15 нм, а прессование и спекание проводят при температуре 1000-2000°С в течение 4-10 мин. Кроме того, в пресс-форму могут дополнительно помещать легирующие добавки в виде нанопорошков циркония, и/или хрома, и/или серебра с размерами частиц 10-20 нм. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 пр.
Description
Изобретение относится к технологии изготовления объемных наноматериалов и других изделий с повышенными функциональными свойствами методом порошковой металлургии. Применение изобретения предпочтительно для изготовления электродов электродуговых плазматронов с большим ресурсом работы, выполненных "по мерке", т.е. без последующей механической обработки. В качестве сырья для изготовления электродов используют нанодисперсные порошки меди и нанодисперсные порошки легирующих добавок (цирконий, хром, серебро), повышающих еще более функциональные свойства электродов.
Электродуговые плазматроны мощностью до 1 МВт включают, как правило, катод, выполненный из вольфрама, легированного лантаном для понижения работы выхода электрона, и анод, выполненный из меди. При этом плазматроны мощностью около 1 МВт содержат промежуточный и выходной аноды, выполненные из меди. Промежуточный анод необходим для облегчения вытягивания электрической дуги на выходной электрод (анод).
Для плазматронов с более высоким уровнем мощности оба электрода имеют, как правило, трубчатую форму (Toumanov I.N.. Plasma and High Frequency Processes for Obtaining and Processing Materials in the Nuclear Fuel Cycle. The 2nd edition. N.Y. Nova Science Publishers, 2008, 660 p.p). Для медного анода величина удельной эрозии находится в интервале 10-9 кг/Кл - 2·10-11 кг/Кл. Для медного катода величина удельной эрозии равна в среднем ~10-9 кг/Кл, что физически интерпретируется следующим образом: катод поставляет электроны в дугу, чтобы поддерживать непрерывность ее горения; для медного катода это возможно только при температуре, близкой к температуре плавления меди или, если медь легирована металлами с более низкой работой выхода, при температуре, при которой наблюдается достаточная для устойчивой работы катода эмиссия. При этом важно, чтобы легирующие металлы одновременно повышали механические свойства изделий, выполненных из меди.
Трубчатые электроды электродуговых плазматронов обычно изготавливают с помощью фрезерной и/или токарной обработки стандартных заготовок меди. Такая технология обязательно сопровождается большим количеством отходов в виде обрезков и стружки.
Количество отходов становится еще больше, если для изготовления электродов используют заготовки меди, легированной редкими и прочими металлами с целью повысить функциональные свойства меди, например твердость, устойчивость при работе в окислительной среде и пр. (Arc Plasma Processes. A Maturing Technology in Industry. UIE Arc Plasma Review 1988. U.I.E. International Union for Electroheat: Working Group "Plasma Processes"). Дело в том, что технология получения металлических заготовок из сплавов или металлов, легированных другими металлами из расплава, имеет ограничения из-за ликвации. Ликвация - это явление, при котором возникает неоднородность сплава по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям, образующаяся при кристаллизации слитка, непрерывнолитой заготовки и отливки. Ликвация возникает в результате того, что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. При этом состав кристаллов, образующихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава последних порций кристаллизирующегося маточного расплава. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации.
Известен способ изготовления электродов для плазменной резки из борида лантана или гафния путем совместного прессования и спекания порошка в плазме искрового разряда, так называемый Spark plasma sintering (SPS) - прототип (заявка Японии №2001261440, оп. 26.09.2001). Данное решение не предназначено для получения медных электродов мощных электродуговых плазматронов с повышенными функциональными характеристиками.
Техническими результатами, на которое направлено изобретение, являются:
- улучшение функциональных показателей медных электродов электродуговых плазматронов за счет получения изделий с наноструктурой.
- уменьшение количества отходов металла за счет устранения токарной и фрезерной обработки.
- повышение ресурса работы медных электродов за счет гомогенного распределения по объему медного электрода легирующих присадок (циркония, хрома, серебра и пр.), регулирования концентрации присадок.
- устранение отходов меди, возникающих за счет ликвации при выплавке медных заготовок, легированных добавками.
Для этого предложен способ изготовления электродов электродуговых плазматронов, включающий совместное прессование и спекание порошка в плазме искрового разряда, отличающийся тем, что помещают нанопорошок меди с размерами частиц 10-15 нм в пресс-форму, соответствующую форме электрода, а прессование и спекание проводят при температуре 1000-2000°С в течение 4-10 мин.
Кроме того, прессование и спекание нанопорошка меди проводят при давлении прессования 13.22 МПа и величине импульсного электрического тока, пропускаемого через порошок меди, 1.05 кА.
Также в пресс-форму дополнительно помещают нанопорошок меди с легирующими добавками в виде нанопорошков циркония, и/или хрома, и/или серебра с размерами частиц 10-20 нм.
Кроме того, в пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующей добавки циркония в количестве не более 2% вес. и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23.2 МПа и величине импульсного электрического тока 1.15 кА.
В пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующих добавок циркония и хрома в количестве не более 2% вес. каждой добавки и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23.2 МПа и величине импульсного электрического тока 1.17 кА.
В пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующих добавок циркония и серебра в количестве не более 2% вес. каждой добавки и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23.2 МПа и величине импульсного электрического тока 1.08. кА.
Разработан безотходный способ изготовления трубчатых электродов электродуговых плазматронов "по мерке", т.е. без последующей механической обработки, основанный на использовании порошковой металлургии нового поколения. Принципы, которые лежат в основе изобретения, формулируются следующим образом.
1. В объемных наноизделиях с поликристаллической структурой с уменьшением размера зерен объемная доля границ раздела (границ зерен и тройных стыков) значительно возрастает, это оказывают значительное положительное влияние на свойства наноматериалов. Объемная доля тройных стыков значительно возрастает при размерах зерен 10-20 нм. При этом радикально повышается прочность поликристаллического изделия, сфабрикованного из нанопорошков методами порошковой металлургии, с сохранением пластичности. Функциональные свойства конструкционных материалов определяются комплексом свойств, включающим соотношение между прочностью (предел текучести и предел прочности) и пластичностью (относительная равномерная деформация, полное относительное удлинение до разрушения), а также вязкость разрушения.
2. С уменьшением размера частиц давление прессования, необходимое для достижения заданной плотности изделия, увеличивается. При размере зерна меньше некоторого критического частицы становятся бездислокационными, соответственно значительно возрастает давление, необходимое для их деформирования. С другой стороны, с уменьшением размера частиц температура спекания порошков значительно уменьшается. При высоких температурах плотность образцов возрастает, но при использовании обычной порошковой металлургии увеличивается размер зерна, что является нежелательным с точки зрения достижения высоких функциональных свойств изделий. Тем не менее, даже при всех недостатках обычной порошковой металлургии микротвердость нанокристаллических материалов в 2-7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов, причем это не зависит от метода получения материала.
3. Для изготовления электродов электродуговых плазматронов использовали порошковую металлургию нового поколения, в которой при высокой температуре зерна практически не успевают вырасти: электроды изготавливали путем совмещенного прессования и спекания нанопорошков меди в плазме искрового разряда - СПИР (SPS)-процесс. Нанопорошок обрабатывают плазмой искрового разряда и импульсным постоянным током, протекающим через контакты между частицами; при этом энергия гомогенно диссипируется во всем образце; в таком режиме осуществляется эффективное спекание при сравнительно низких энергозатратах. В СПИР-процессе концентрируются высокоэнергетические импульсы при точечном межгранулярном связывании, в результате чего возникает значительное улучшение спекания в сравнении с обычным горячим прессованием и горячим изостатическим спеканием под давлением.
Механизм СПИР-процесса таков. При наложении напряжения на прессующие электроды возникают искровые разряды в пространстве между частицами материала и моментально возникает локальная высокая температура в плазме, находящейся в промежутке между частицами. Поверхность частиц сжатого давлением материала плавится и происходит испарение материала, между частицами материала возникают "шейки", обуславливающие наличие контактной поверхности. Эти "шейки" постепенно развиваются, при дальнейшем спекании развивается пластическая деформация, в результате чего материал быстро уплотняется до 99% от теоретической плотности. Поскольку температура частиц растет очень быстро за счет дальнейшего возрастания тока, исходный материал все больше компактируется.
4. Для дальнейшего повышения функциональных свойств электродов использовали одновременно легирование меди различными добавками, которые повышают твердость меди и ее устойчивость к окислению при сохранении высокой электропроводности и теплопроводности. В качестве таких добавок использовали цирконий, хром, серебро.
На фигуре показана схема производства электродов для получения изделий методом совмещенного прессования и спекания нанопорошков в плазме искрового разряда где:
1 - вакуумная камера
2, 3 - электроды (анод и катод)
4 - импульсный генератор постоянного тока
5 - графитовая пресс-форма
6 - гидравлический пресс
7 - штампы гидравлического пресса
8 - блок управления
Способ осуществляется следующим образом.
В вакуумной водоохлаждаемой камере 1 расположена пресс-форма 5 для изготовления изделий заданной формы, заполняемая нанодисперсным порошком меди или смесью нанопорошков меди и легирующих добавок с размером частиц 10-20 нм. В предложенном варианте устройства сверху и снизу на порошок накладываются штампы 7 гидравлического пресса 6. Штампы 7 являются электродами (анодом 2 и катодом 3) импульсного генератора постоянного тока 4.
При напряжении, приложенном через электроды к массе порошка, сжимаемой штампами пресса в пресс-форме, возникает импульсный электрический ток в массе порошка, кроме того, между частицами последнего возникают искровые разряды, в зазорах между частицами генерируется искровая плазма, во всей массе порошка развиваются температуры до 2000°С; это на 200-500°С ниже, чем при обычном продолжительном печном спекании. Нагрев, плавление, испарение и спекание протекают и заканчиваются очень быстро, в интервале 4-10 минут, включая время роста температуры и время выдержки.
Блок управления 8 контролирует параметры работы всех элементов: состав атмосферы и давление в вакуумной камере 1, давление на штампах гидравлического пресса 7, ток, напряжение на электродах 2 и 3, ток, протекающий через порошок в пресс-форме 5, температуру в зоне прессования и спекания порошка, контроль за геометрией изделия. В качестве изделий данным способом можно получать трубчатые цилиндрические электроды.
Процесс спекания в плазме искрового разряда основан на использовании импульсного постоянного тока при одновременном сжатии объема порошка; импульсы протекают в отрезок времени между "включено-выключено" (ON-OFF DC pulse energizing). Нанопорошок обрабатывают плазмой искрового разряда и импульсным постоянным током, протекающим через контакты между частицами; при этом энергия гомогенно диссипируется во всем образце; в таком режиме осуществляется эффективное спекание при сравнительно низких энергозатратах. В СПИР-процессе концентрируются высокоэнергетические импульсы при точечном межгранулярном связывании, в результате чего возникает значительное улучшение спекания в сравнении с обычным горячим прессованием и горячим изостатическим спеканием под давлением.
Примеры осуществления способа.
Пример 1.
Изготовление трубчатого медного выходного электрода (анода) электродугового плазматрона ЭДП-137. Внешний диаметр трубчатого анода - 70 мм; внутренний диаметр - 50 мм, длина - 100 мм. В качестве сырья использовали порошок меди со средним размером частиц - 15 нм. Работа выхода электрона из медного электрода с поликристаллической структурой составляет 4.4 эВ.
Для изготовления электрода использовали оборудование, работающее по технологии СПИР: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. Оборудование развивает усилие 50 кН (килоньютон), т.е. 5.1 Т.
Параметры процесса совмещенного прессования и спекания:
- Масса нанопорошка меди в пресс-форме - 1.8 кг;
- Площадь, на которую давят штампы гидравлического пресса - 3.78·10-3 м2;
- Давление сжатия образца - 13.22 МПа;
- Температура спекания медного нанопорошка - 1070°С;
- Процесс протекал в водоохлаждаемой вакуумной камере, начальное разрежение - 5·10-3 Па.
- Электрический ток в загрузке медного порошка во время импульса - 1050 А;
- Время процесса совмещенного прессования и спекания - 4.6 мин, - у нас время -4-10 мин;
- Плотность изделия - 99.4% от теоретической плотности.
Изготовленный электрод установили на место анода в плазматроне ЭДП-137. Плазматрон был установлен на испытательный стенд, провели испытания плазматрона на воздухе при следующих условиях:
- Расход воздуха - 250·10-3 кг/с;
- Среднемассовая температура потока воздушной плазмы - 4200 К;
- Тепловой КПД - 0.73;
- Электрический ток - 1070 А;
- Напряжение на дуге - 1030 В;
- Расход охлаждающей воды - 2 кг/с;
- Давление воды на входе - 6·103 Па;
- Напряженность магнитного поля соленоида - 6·104 А/м.
Далее весовым методом определили эрозийную характеристику анода. Она составила 8.73·10-12 кг/Кл, т.е. в ~2.3 ниже, чем эрозийная характеристика медного трубчатого анода, изготовленного по стандартной технологии.
Пример 2.
С использованием технологии СПИР изготовлен трубчатый медный фронтальный электрод (катод) электродугового плазматрона ЭДП-137. Внешний диаметр трубчатого катода - 45 мм; внутренний диаметр - 25 мм, длина - 100 мм. В качестве сырья использовали хорошо перемешанную шихту порошка меди со средним размером частиц - 15 нм и порошка циркония (1.87% вес. Zr) со средним размером частиц - 17 нм.
Работа выхода электрона из медного электрода с поликристаллической структурой составляет 4.4 эВ. Работа выхода электрона из электрода с поликристаллической структурой, легированного цирконием, составляет 3.9 эВ.
Для изготовления электрода использовали оборудование, работающее по технологии СПИР: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. Оборудование развивает усилие 50 кН (килоньютон), т.е. 5.1 Т.
Параметры процесса совмещенного прессования и спекания:
- Масса нанопорошка Сu - 1.87% вес. Zr - 1.03 кг;
- Площадь, на которую давят штампы гидравлического пресса - 1.10·10-3 м2;
- Давление сжатия образца - 23.2 МПа;
- Температура спекания шихты Сu - 1.87% вес. Zr - 1067°С;
- Процесс протекал в водоохлаждаемой вакуумной камере, начальное разрежение - 5·10-3 Па.
- Электрический ток в загрузке медного порошка во время импульса - 1150 А.
- Время процесса совмещенного прессования и спекания - 5.4 мин;
- Плотность изделия - 99.8% от теоретической плотности.
Изготовленный электрод установили на место катода в плазматроне ЭДП-137. Плазматрон был установлен на испытательный стенд, провели испытания плазматрона на воздухе при следующих условиях:
- Расход воздуха - 250·10-3 кг/с;
- Среднемассовая температура потока воздушной плазмы - 4150 К;
- Тепловой КПД - 0.72;
- Электрический ток - 1060 А;
- Напряжение на дуге - 1030 В;
- Расход охлаждающей воды - 2 кг/с;
- Давление воды на входе - 6·103 Па;
- Напряженность магнитного поля соленоида - 6·104 А/м.
Далее весовым методом определили эрозийную характеристику катода. Она составила 1.37·10-10 кг/Кл, т.е. в ~7.3 раз ниже, чем эрозийная характеристика медного трубчатого катода, изготовленного по стандартной технологии.
Этот же электрод затем работал в другом приложении при токе около 4500 А в воздухе в течение 200 час. Этот ток превысил более чем в 2 раза допустимый ток для стандартного медного электрода, изготовленного из меди М-3 по стандартной технологии.
Пример 3.
С использованием технологии СПИР изготовлен трубчатый медный фронтальный электрод (катод) электродугового плазматрона ЭДП-137. Внешний диаметр трубчатого катода - 45 мм; внутренний диаметр - 25 мм, длина - 100 мм. В качестве сырья использовали хорошо перемешанную шихту порошка меди со средним размером частиц - 15 нм и порошка циркония (1.5% вес. Zr ) и хрома (0.5% вес. Сr ) со средним размером частиц - 17 нм.
Для изготовления электрода использовали оборудование, работающее по технологии СПИР: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. Оборудование развивает усилие 50 кН (килоньютон), т.е. 5.1 Т.
Параметры процесса совмещенного прессования и спекания:
- Масса нанопорошка Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Сr - 1.03 кг;
- Площадь, на которую давят штампы гидравлического пресса - 1.10·10-3 м2;
- Давление сжатия образца - 23.2 МПа;
- Температура спекания шихты Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Сr - 1071°С;
- Процесс протекал в водоохлаждаемой вакуумной камере, начальное разрежение - 5·10-3 Па.
- Электрический ток в загрузке Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Сr во время импульса - 1170 А.
- Время процесса совмещенного прессования и спекания - 7.4 мин.
- Плотность изделия - 99.8% от теоретической плотности.
Изготовленный электрод установили на место катода в плазматроне ЭДП-137. Плазматрон был установлен на испытательный стенд, провели испытания плазматрона на воздухе при следующих условиях:
- Расход воздуха - 250·10-3 кг/с;
- Среднемассовая температура потока воздушной плазмы - 4220 К;
- Тепловой КПД - 0.74;
- Электрический ток - 1025 А;
- Напряжение на дуге - 1030 В;
- Расход охлаждающей воды - 2 кг/с;
- Давление воды на входе - 6·103 Па;
- Напряженность магнитного поля соленоида - 6·104 А/м.
Далее весовым методом определили эрозийную характеристику катода. Она составила 1.46·10-10 кг/Кл, т.е. в ~6.9 раз ниже, чем эрозийная характеристика медного трубчатого катода, изготовленного по стандартной технологии.
Пример 4.
С использованием технологии СПИР изготовлен трубчатый медный фронтальный электрод (катод) электродугового плазматрона ЭДП-137. Внешний диаметр трубчатого катода - 45 мм; внутренний диаметр - 25 мм, длина - 100 мм. В качестве сырья использовали хорошо перемешанную шихту порошка меди со средним размером частиц - 15 нм и порошка циркония (1.5% вес.Zr ) и серебра (0.5% вес.Ag ) со средним размером частиц - 17 нм.
Для изготовления электрода использовали оборудование, работающее по технологии СПИР: Spark Plasma Sintering System - Dr. Sinter - LΛB: Model SPS - 515S. Оборудование развивает усилие 50 кН (килоньютон), т.е. 5.1 Т.
Параметры процесса совмещенного прессования и спекания:
- Масса нанопорошка Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Ag - 1.03 кг;
- Площадь, на которую давят штампы гидравлического пресса - 1.10·10-3 м2;
- Давление сжатия образца - 23.2 МПа;
- Температура спекания шихты Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Ag - 997°С;
- Процесс протекал в водоохлаждаемой вакуумной камере, начальное разрежение - 5·10-3 Па.
- Электрический ток в загрузке Сu - 1.5% вес. Zr - 0.5% вес. Ag во время импульса - 1080 А.
Время процесса совмещенного прессования и спекания - 5.1 мин.
- Плотность изделия - 99.8% от теоретической плотности.
Изготовленный электрод установили на место катода в плазматроне ЭДП-137. Плазматрон был установлен на испытательный стенд, провели испытания плазматрона на воздухе при следующих условиях:
- Расход воздуха - 250·10-3 кг/с;
- Среднемассовая температура потока воздушной плазмы - 4220 К;
- Тепловой КПД - 0.74;
- Электрический ток - 1025 А;
- Напряжение на дуге - 1030 В;
- Расход охлаждающей воды - 2 кг/с;
- Давление воды на входе - 6·103 Па;
- Напряженность магнитного поля соленоида - 6·104 А/м.
Далее весовым методом определили эрозийную характеристику катода. Она составила 1.27·10-10 кг/Кл, т.е. в ~7.9 раз ниже, чем эрозийная характеристика медного трубчатого катода, изготовленного по стандартной технологии.
Таким образом, изделия - электроды электродуговых плазматронов, выполненные из меди по технологии совмещенного прессования и спекания нанопорошков меди в плазме искрового разряда, имеют ресурс работы, в 2-3 раза и более превышающий ресурс работы обычных электродов, изготовленных путем токарно-фрезерной обработки медных заготовок. Еще более высокий ресурс имеют электроды, легированные цирконием, хромом и серебром. Легирование цирконием или хромом (~ по 2%) приводит к увеличению твердость меди и стойкости к окислению (например, при работе с потоками воздушной плазмы. Для работы с чисто кислородной плазмой медные электроды дополнительно легируют серебром.
Claims (6)
1. Способ изготовления электродов электродуговых плазматронов, включающий совместное прессование и спекание порошка в плазме искрового разряда, отличающийся тем, что помещают нанопорошок меди с размерами частиц 10-15 нм в пресс-форму, соответствующую форме электрода, а прессование и спекание проводят при температуре 1000-2000°С в течение 4-10 мин.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессование и спекание нанопорошка меди проводят при давлении прессования 13,22 МПа и величине импульсного электрического тока, пропускаемого через порошок меди - 1,05 кА.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пресс-форму дополнительно помещают легирующие добавки в виде нанопорошков циркония, и/или хрома, и/или серебра с размерами частиц 10-20 нм.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующей добавки циркония в количестве не более 2 вес.% и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23.2 МПа и величине импульсного электрического тока 1,15 кА.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующих добавок циркония и хрома в количестве не более 2 вес.% каждой добавки и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23,2 МПа и величине импульсного электрического тока 1,17 кА.
6. Способ по п.3, отличающийся тем, что в пресс-форму помещают смесь порошков меди и легирующих добавок циркония и серебра в количестве не более 2 вес.% каждой добавки и осуществляют прессование и спекание смеси при давлении прессования 23,2 МПа и величине импульсного электрического тока 1,08 кА.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010147989/02A RU2455110C1 (ru) | 2010-11-25 | 2010-11-25 | Способ изготовления электродов электродуговых плазматронов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010147989/02A RU2455110C1 (ru) | 2010-11-25 | 2010-11-25 | Способ изготовления электродов электродуговых плазматронов |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010147989A RU2010147989A (ru) | 2012-05-27 |
| RU2455110C1 true RU2455110C1 (ru) | 2012-07-10 |
Family
ID=46231494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010147989/02A RU2455110C1 (ru) | 2010-11-25 | 2010-11-25 | Способ изготовления электродов электродуговых плазматронов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2455110C1 (ru) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114171334A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-03-11 | 国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院 | 一种复合触头的制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2043867C1 (ru) * | 1993-05-18 | 1995-09-20 | Институт материаловедения Дальневосточного отделения РАН | Способ получения композиционного материала на основе псевдосплава вольфрам-медь |
| JP2001261440A (ja) * | 2000-03-17 | 2001-09-26 | Chubu Electric Power Co Inc | 耐酸化性炭化ハフニュウム焼結体及び耐酸化性炭化ハフニュウムーＬａＢ６焼結体とこれらの製造方法およびこれを用いたプラズマ発生用電極 |
| JP2005314806A (ja) * | 2004-03-29 | 2005-11-10 | Nano Gijutsu Kenkyusho:Kk | 高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅金属及びナノ結晶銅合金の粉末、高硬度・高強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅又は銅合金のバルク材並びにそれらの製造方法 |
| US20080025864A1 (en) * | 2006-07-19 | 2008-01-31 | Jinshu Wang | Method of manufacturing a pressed scandate dispenser cathode |
| RU2402406C1 (ru) * | 2009-03-26 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) (ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)) | Способ изготовления дисперсно-упрочненных изделий электроэрозионного назначения на основе меди |
-
2010
- 2010-11-25 RU RU2010147989/02A patent/RU2455110C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2043867C1 (ru) * | 1993-05-18 | 1995-09-20 | Институт материаловедения Дальневосточного отделения РАН | Способ получения композиционного материала на основе псевдосплава вольфрам-медь |
| JP2001261440A (ja) * | 2000-03-17 | 2001-09-26 | Chubu Electric Power Co Inc | 耐酸化性炭化ハフニュウム焼結体及び耐酸化性炭化ハフニュウムーＬａＢ６焼結体とこれらの製造方法およびこれを用いたプラズマ発生用電極 |
| JP2005314806A (ja) * | 2004-03-29 | 2005-11-10 | Nano Gijutsu Kenkyusho:Kk | 高硬度で高導電性を有するナノ結晶銅金属及びナノ結晶銅合金の粉末、高硬度・高強度で高導電性を有する強靱なナノ結晶銅又は銅合金のバルク材並びにそれらの製造方法 |
| US20080025864A1 (en) * | 2006-07-19 | 2008-01-31 | Jinshu Wang | Method of manufacturing a pressed scandate dispenser cathode |
| RU2402406C1 (ru) * | 2009-03-26 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) (ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ)) | Способ изготовления дисперсно-упрочненных изделий электроэрозионного назначения на основе меди |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010147989A (ru) | 2012-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110079719B (zh) | 一种提高钽钨合金中铪含量的方法 | |
| CN113789464B (zh) | 陶瓷相增强难熔高熵合金及其制备方法 | |
| WO2005073418A1 (ja) | タングステン系焼結体およびその製造方法 | |
| CN106756082B (zh) | 一种电子束冷床炉回收重熔tc11屑料的工艺 | |
| Jing | Microstructures and mechanical properties of TiAl alloy prepared by spark plasma sintering | |
| CN106048380A (zh) | 一种高熵合金基复合涂层及其制备方法 | |
| CN113088752B (zh) | 一种铍铜母合金的制备方法 | |
| CN102534301A (zh) | 一种高强度低模量医用超细晶钛基复合材料及其制备方法 | |
| Somani et al. | Characterization and performance improvement of SiC-reinforced Cu-matrix-based composites as electrode for EDM machining | |
| Shon et al. | Effect of particle size distribution on microstructure and mechanical properties of spark-plasma-sintered titanium from CP-Ti powders | |
| Tao et al. | In-situ preparation of high oxygen content titanium via wire arc additive manufacturing with tunable mechanical properties | |
| Guo et al. | Microstructure and arc erosion behavior of WC/CuCr30 composites based on nano-Cr precipitation | |
| Khanra et al. | Application of new tool material for electrical discharge machining (EDM) | |
| RU2455110C1 (ru) | Способ изготовления электродов электродуговых плазматронов | |
| CN102492863B (zh) | 一种高钨含量钨合金的电弧熔炼方法 | |
| Jones et al. | Plasma activated sintering (PAS) of tungsten powders | |
| Li et al. | Experimental study in SEAM machining performance of W-Cu alloy electrode materials | |
| Azreen et al. | Development of Cu-SiC composite for electrical discharge machining electrode using powder metallurgy technique | |
| Zheng et al. | CuCr bulk alloy produced by mechanical alloying and explosive compaction | |
| CN113549806A (zh) | 一种高熵合金基复合材料及其制备方法 | |
| Khanra et al. | Electrical discharge machining studies on reactive sintered FeAl | |
| Kim et al. | Nanocomposites TiB2-Cu: consolidation and erosion behavior | |
| JP2001261440A (ja) | 耐酸化性炭化ハフニュウム焼結体及び耐酸化性炭化ハフニュウムーＬａＢ６焼結体とこれらの製造方法およびこれを用いたプラズマ発生用電極 | |
| Chang et al. | Effects of vacuum sintering, HIP and HP treatments on the microstructure, mechanical and electrical properties of Cr70Cu30 alloys | |
| Patel | Review on Effects of Electrode in Electrical Discharge Machining Process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201126 |