稀土钨电极材料的研究

钍钨电极具有放射性,其生产和使用过程中污染环境危害人类身体健康,因此需要新型电极产品加以替代,稀土钨电极焊接性能优良一直作为钍钨电极的替代产品而倍受关注,回顾课题组在稀土钨电极的研究历程,经过对单元稀土钨电极、二元复合稀土钨电极、三元复合稀土钨电极的研究,目前通过与北京钨钼材料厂合作,共同突破了多元复合稀土钨电极的工业化生产技术,实现了该类电极批量生产。

几种稀土钨电极焊接5A62铝合金的工艺性能

为了寻求替代钍钨电极的节能环保、焊接性能优异的电极,针对多元稀土钨、钍钨、铈钨3种电极进行了烧损性能测试,并进行了钨极惰性气体（tungsten inert gas,TIG）保护焊实验,结果表明：钍钨电极的抗烧损性能最差,多元电极略优于铈钨电极;焊缝接头的熔深和熔宽与焊接电流和焊接速度等焊接参数有关;采用多元稀土钨电极焊接后,在100 ～ 180 A的焊接电流下熔宽均小于铈钨电极和钍钨电极的熔宽;通过比较分析铈钨电极和多元电极焊接接头的显微组织、硬度曲线分布、扫描断口和力学拉伸实验结果,发现多元稀土钨电极的焊接接头力学性能和焊缝成型优于钍钨和铈钨电极,从而可替代钍钨和铈钨电极进行铝合金焊接.

钨热电子发射材料的研究进展

钨热电子发射材料主要用作微波管、阴极射线管、等离子体装置和电子束设备的阴极,是电子产生的源泉,它的研究与应用已有多年历史。本文详细阐述了钨热电子发射材料的种类、性能特点、发射机制及其应用,总结了它们的发展历史和研究进展,提出了目前钨热电子发射材料的几个研究方向。稀土氧化物 钨热电子发射材料具有优越的发射性能,并可解决W ThO2 阴极材料的放射性污染,对综合性能更优的复合稀土氧化物钨热电子发射材料需要进一步深入研究。随着纳米技术的发展,纳米复合氧化物 钨热电子发射材料是目前钨热电子发射材料研究的热点。在发射过程中,如何保证发射电流的稳定性、均匀性是热发射研究的又一个研究方向。

掺杂方式对钨电子发射材料性能和结构的影响

分析了电子发射材料制备中通用的掺杂工艺 ,研究了新的掺杂工艺 ,并对几种不同掺杂工艺 :固 固、液 固、液 液进行了对比研究。在自行设计的发射测量设备上 ,研究了液 液掺杂材料的电子发射性能 ,着重阐述了掺杂方式对材料发射性能和结构的影响 ;并通过XRD ,SME等检测方法 ,研究了掺杂方式对稀土在电子发射材料中分布均匀性的影响 ,揭示了液 液掺杂在混合机制上的特殊性 ,证明了液 液掺杂的高效性、均匀性及优越性。

纳米复合W-La_2O_3材料的表面行为与热发射性能

采用“液液掺杂—冷冻干燥—两段还原—SPS”法制备了纳米W La2O3发射材料,利用原位俄射电子能谱分析技术研究了高温过程中发射材料的表层元素含量以及纵向元素分布,并采用自行研制的微机控制全自动电子发射测量装置测试了材料发射性能。研究表明:纳米W La2O3发射材料的有效逸出功为2.92eV,1773K下零场发射电流密度为2.52A/cm2;加热过程中,材料体内以La2O3形式存在的镧、氧向表面扩散,在表层10nm的地方出现La、O富集区,并形成了超额La,对电子发射起积极作用。

纳米铈-钨发射材料的结构与热发射性能研究

以纳米Ce W粉末为原料制备了纳米Ce W发射材料,利用扫描电镜和原位俄歇电子能谱等现代分析技术研究了材料的形貌、铈的分布和高温扩散、以及材料的表面性能,并采用自行研制的微机控制全自动电子发射测量装置测量了材料热发射性能。研究表明,纳米Ce W材料晶粒细小,稀土元素铈的分布更弥散均匀,铈向表面扩散的能力增强。高温下材料表层形成了含有超额铈的活性层,纳米Ce W材料的活性层厚度增大,超额铈的含量增多,Ce/O的活性层更厚,因此热发射性能更优异。

在SPS过程中碳污染的研究

为了研究放电等离子烧结(SPS)过程中采用石墨模具对烧结材料的污染情况,以金属W为原料,用石墨模具,压力为30 MPa,分别在1 500℃和1 900℃下进行放电等离子烧结.对烧结体的表层和表层下0.5 mm处进行了X衍射物相分析,用扫描电镜对1 900℃下烧结体的横截面进行了形貌观察和线扫描,并对化学反应进行了热力学计算.结果表明:石墨模具与物料金属W会直接发生化学反应;污染产物碳化物存在于W烧结体表层300nm以内区域,表层下0.5 mm处仅有单质W存在;1 500℃表层有W2C和WC生成,1 900℃仅有WC生成.

钨电极加工变形组织研究

对钍钨电极、单元稀土钨电极和多元稀土钨电极的3个典型状态(再结晶退火态、202旋锻、成品)的显微组织进行观察,探讨钨电极在加工过程中组织演变规律。结果表明:在加工过程中,三种电极显微组织均随加工程度的增加逐步纤维化,但第二相的行为却各有特点。钍钨电极第二相颗粒细小,变形能力较差;单元稀土钨电极的第二相颗粒略大,变形能力较强;多元稀土钨电极第二相颗粒最大,变形能力差。在现有的工艺条件下,钍钨电极和单元稀土钨电极的加工性能优于多元稀土钨电极,第二相尺寸大小和变形能力对钨电极的加工性能具有重要影响。

环保型稀土钨电极坯条制备

对钢模压制和等静压压制稀土钨电极坯条进行对比试验,并比较垂熔烧结和中频烧结的效果。结果表明,等静压压制—中频烧结方式制备的坯条密度、组织更均匀,减少原材料消耗2.3%,电能消耗降低70%以上,加工性能及产品合格率较传统工艺更高。制得的稀土钨电极,30 A以上引弧成功率100%,所得焊缝平整,焊接效果优良。

大功率脉冲氙灯用稀土钨电极工作表面分析

为探讨电极表面发生变化的原因和烧蚀机理,为提升电极工作稳定性提供理论依据,分析了经过上万发次点灯测试的大功率脉冲氙灯稀土钨电极的表面形貌、元素深度分布及价态。结果表明:工作后的电极表面出现大量裂纹以及烧蚀坑;表面各元素主要由W,La,O三种元素组成,分布均匀;电极表面La以La3+形式存在,W存在原子态和+6价两种价态,占比分别为18.29%和81.71%;随刻蚀深度增加后,La的价态仍为+3价,W6+迅速减少直至W价态全部变为W0。

几种氙灯用钨阴极抗烧蚀性能的研究

采用E3、Er-W、La-W1和La-W2四种材料作为氙灯的阴极材料，研究氙灯点灯一段时间后阴极的烧蚀形貌，分析阴极的烧蚀特征。结果表明：在电压3 000 V，频率3 Hz，电容23μF的条件下点灯100万发次，Er-W氙灯发黑最为严重，La-W2氙灯发黑程度最轻，管壁黑色物质是由阴极发生溅射形成的，成分由大量的WO3和少量的W组成；烧损后阴极端面的微观组织显示，Er-W阴极端面烧蚀凹坑最大，La-W2阴极的烧蚀坑最小，说明Er-W阴极工作温度较高，喷溅损失的材料较多，La-W2阴极的工作温度较低，材料的稳定性较好，从侧面说明La-W2的电子发射性能好；烧损后阴极纵截面金相组织显示，Er-W再结晶晶粒粗大，La-W2再结晶晶粒细小，细小的晶粒为第二相的扩散提供了更多通道，减轻材料的烧蚀。因此，Er-W阴极的抗烧损性能较差，La-W2阴极的抗烧损性能较好。

多元复合稀土钨电极的制备及其焊接特性研究

本论文采用机械混合法结合二段氢气还原成功制备出稀土掺杂钨粉。还原后的稀土钨粉冷等静压压制成钨棒后,采用中频感应烧结法制备出稀土钨电极。实验结果表明,制备的稀土钨粉,由于稀土元素的存在,降低了钨粉的粒度。稀土元素以稀土氧化物的形式存在。与垂熔法相比,采用中频感应烧结后的钨棒机械加工性能优异。电极成品率提高了5%,能耗则降低了60%以上。并且制成电极后的焊接性能得到了进一步提高。

绿色钨电极技术及产业发展研究

我国钨和稀土在资源储量和产量上具有绝对优势。钨被称为“工业食盐”、“战争金属”，而稀土被称为“工业味精”，因其具有独特的高温性能，在国防工业、航空航天、电子信息、能源、冶金和核工业等领域有着不可替代的作用，已成为当今高技术中的基础材料，民用国防建设中不可缺少且与人民生活质量息息相关的材料，在国民经济中占有重要地位。

一种新型阴极研究装置

介绍了一种新型的专为阴极研究设计的与俄歇能谱仪(AES)相连的脉冲激光沉积(PLD)装置,本装置可以实现阴极薄膜的快速制备,测量发射性能和原位分析表面成分。简述了此装置在研究阴极表面发射机制最新应用。

仲钨酸铵的热分解过程研究

仲钨酸铵的分解过程会受到原料APT结构、温度、气氛、分析方法等因素的影响,其热分解过程直接影响产品质量。综述了国内外采用热分析方法(TG-DTA/DSC)结合X射线衍射分析(XRD)、质谱分析(MS)以及红外光谱分析(FTIR)等实验手段所得出的仲钨酸铵在不同气氛下分解过程的研究成果,并对文献中的差异做出了解释。文章认为该过程可分为四个阶段,前三个阶段分别为释放结晶水、释放氨气形成无定形化合物和释放氨气、水蒸气形成铵钨青铜(ATB)产物,第四个分解阶段为ATB分解成WO3的过程。

三元复合稀土钨电极烧结分层机理探讨

对ф16mm三元复合稀土钨电极垂熔烧结时所产生的烧结分层现象进行了研究。采用SEM、XRD方法对垂熔坯条的形貌和物相组成进行了分析,并对第二相粒子进行了EDAX定点能谱分析。用ICP-AES方法分析了坯条不同区域稀土氧化物的百分含量,利用电子探针(EPMA)对稀土元素在坯条断口上的分布进行了探测。根据烧结坯条的显微组织及不同区域成分的差异,探讨了稀土元素在这种大坯条烧结工艺制度下的扩散与挥发过程。结果表明:稀土元素在坯条截面上分布不均匀;同时稀土第二相粒子多分布在钨基体晶粒的晶界上;边缘和中心稀土第二相及钨晶粒大小、数目不一,稀土元素的挥发扩散不仅造成了烧结坯条断面成分不均,而且进一步加重了温度梯度引起的组织不均匀性,最终造成了分层现象的发生。

稀土钨电极加工过程中的缺陷研究

稀土钨电极材料在加工过程中会出现缺陷,从而影响加工性能。针对两种加工过程中的典型缺陷,出现组织不均匀和烧结态样品的粉化,通过成分和微观结构的分析,探究缺陷形成的原因。结果表明:受力不均匀引起组织不均匀,导致晶体取向的差别,其中不利于滑移的取向使样品的加工阻力增大。当样品长时间放置时,样品中的稀土氧化物在晶界处与水发生反应,从而造成块状样品的粉化。

多元复合稀土钨电极和钍钨电极生命周期评价

多元复合稀土钨电极作为替代钍钨电极的无辐射钨电极材料,其应用受到社会的广泛关注,但二者生产过程的环境影响并未开展定量评价。研究采用生命周期评价(LCA)的方法对多元复合稀土钨电极和钍钨电极从“摇篮”到“大门”的资源能源消耗和污染物排放进行研究,功能单位定义为分别生产1 t直径2.4 mm多元复合稀土钨电极和钍钨电极。结果表明,两种钨电极的环境热点均为上游原料阶段钨粉和氧化钨,分别占总环境影响的78.56%和55.15%;在工艺链中环境热点为烧结工艺,分别占总环境影响的9.50%和32.30%。两种钨电极的环境影响比较结果显示,相比于钍钨电极,多元复合稀土钨电极可降低35.81%的总环境影响,具有环境优势。对两种钨电极资源消耗、能源消耗和温室气体排放3类环境影响类型贡献结构进行分析,结果显示上游原料对这3类指标贡献较为突出。

Zr掺杂形式对钨电子发射材料组织性能的影响

采用中频感应加热烧结方法制备了W-1.5%La2O3-0.1%Y2O3-0.1%ZrO2和W-1.5%La2O3-0.1%Y2O3-0.08%ZrH2电子发射材料,烧结样品的致密度约为95.5%。热电子发射测试结果表明,添加氢化锆的热电子发射材料样品的零场发射电流密度大于添加氧化锆的样品,分析认为是添加的氢化锆在烧结时,发生分解,生成活性的Zr可以捕获钨晶界中的杂质氧,净化晶界,从而提高了电子发射;维氏显微硬度表明添加氢化锆样品的硬度高于添加氧化锆的样品,分析表明是氢化锆的添加有效改善了钨晶粒之间的结合性,提升了钨电子发射材料的硬度。利用SEM,EDS,XRD、金相显微镜等表面分析设备对样品进行了表征,样品结构显示添加氢化锆与添加氧化锆相比,不仅钨晶粒尺寸由13.63μm降至11.63μm,而且稀土相尺寸由1.87μm降至1.66μm,这种组织结构的变化有利于电子发射。

纳米级和微米级稀土氧化物掺杂W-La_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)-ZrO_(2)阴极尖端的组织和性能

使用粉末冶金法将纳米级(70–80 nm)和微米级(500–600 nm)稀土氧化物(La_(2)O_(3),Y_(2)O_(3))与钨粉混合,随后通过冷等静压、中频感应烧结、旋锻、拉拔等一系列工艺制备了W-1.5La_(2)O_(3)-0.1Y_(2)O_(3)-0.1ZrO_(2)(质量分数,%)材料。对含有纳米和微米尺寸稀土氧化物的阴极样品使用相同的焊接电流,分别进行了0.5、1、2 h的氩弧焊。结果表明,具有纳米级稀土氧化物的样品在焊接过程中表现出更高的工作稳定性,烧损同比降低了近85.4%。此外,随着工作时间的延长,阴极尖端不同区域的稀土氧化物聚集度显著增加。结合COMSOL Multiphysics温度模拟发现,第二相的扩散活化能降低了近34%。这是因为更为细小的第二相有效地控制了钨基体组织的演变,保留了大量晶界作为通道,促进了活性物质在电子发射过程中的扩散。