电弧加热方法及装置与流程

本发明涉及电弧加热技术领域，具体而言，涉及一种电弧加热方法及装置，用于加热由粉末压制和/或烧结成的基体。

背景技术：

加热是指热源将热能传给较冷物体而使其变热的过程，属于生活和生产中的常规操作方式。加热的方式一般可分为直接加热和间接加热两大类现有的加热方式主要有电弧放电加热、电流直接加热和微波加热的方式，其中电流直接加热的方式热能转化效率低，微波加热结构过于复杂，且在高温下容易损坏微波设备，因此电弧放电加热的方式更受青睐。

现有的很多被加热体是通过粉末或颗粒类物质通过压制或烧结而成的制成品，虽然其经过压制或烧结后内部孔隙率降低，形成了具有较高机械能的致密结构。但是，对于该类被加热体而言，在实际操作中发现，通过电弧加热的方式进行加热，在高能电弧的轰击下，容易使得由粉末压制和/或烧结成的基体出现破损，使得基体出现开裂、破损为碎块或颗粒，导致被加热体的使用寿命变短，尤其是对于尺寸越大的该类被加热体，高能电弧加热出现破损的现象越严重。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热方法及装置。

本发明的第一个方面，提供了一种电弧加热方法。

根据本发明实施例提供的用于加热由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热方法，其包括：

配置金属电极与所述基体接触连接，所述金属电极的熔点高于目标加热温度；

在真空环境下，通过电弧轰击的方式轰击所述金属电极背离所述基体的一侧，以对所述金属电极进行加热；

通过所述金属电极对所述基体以热传导的方式加热。

进一步的，所述基体包括由硼化物粉末烧结而成的基体。

进一步的，所述硼化物包括六硼化镧。

进一步的，所述金属电极的材质为钨或钨合金。

进一步的，所述基体为棒材，所述金属电极为管材，所述基体匹配插入在所述金属电极内。

本申请实施例的第二个方面，提供了一种由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热装置。

根据本发明实施例提供的用于加热由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热装置，其包括电弧发生器和真空腔，所述电弧发生器的阳极和阴极均位于所述真空腔内，所述阴极被配置成以热传导方式向所述基体提供热能。

进一步的，所述阴极贴覆所述基体表面，所述阳极设置在所述阴极背离所述基体的一侧。

进一步的，所述阴极包覆所述基体。

进一步的，所述基体为棒材，所述阴极为管材，所述基体匹配插在所述阴极内。

进一步的，所述基体为由六硼化镧粉末烧结而成的基体，所述阴极的材质为金属钨。

本发明的由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热方法及装置，利用电弧发生器阴极具有高密度耐高温的特性，使其接受电弧加热，在大电流的轰击下，金属电极不会出现崩裂损坏现象，且能将产生的高温通过接触传导的方式间接给有粉末压制或烧结成的基体加热，从而保证了被加热的基体的使用寿命。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，使得本发明的其它特征、目的和优点变得更明显。本发明的示意性实施例附图及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热方法的流程示意图；

图2为由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热装置的结构示意图；

图3示意性的给出了一种阴极与基体之间的连接方式；

图4示意性的给出了另一种阴极与基体之间的连接方式；

图5示意性的给出了再一种阴极与基体之间的连接方式；

图6示意性的给出了再一种阴极与基体之间的连接方式；

图7示意性的给出了一种阴极与阳极之间的连接关系图；

图8示意性的给出了另一种阴极与阳极之间的连接关系图；以及

图9示意性的给出了再一种阴极与阳极之间的连接关系图。

图中：

1、电弧发生器；2、真空腔；3、基体；4、阳极；5阴极；6、真空泵；7、电源。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其单元。

在本发明中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

本申请实施例提供了一种电弧加热方法，该方法适用于对由粉末直接压制而成的基体、由粉末直接烧结而成的基体或由粉末经过压制后烧结成的产品进行加热，如图1所示，该电弧加热方法包括以下步骤：首先，配置金属电极与基体接触连接，配置金属电极的熔点高于目标加热温度；然后，在真空环境下，通过电弧轰击的方式轰击金属电极背离基体的一侧，以对金属电极进行加热；最后通过经电弧加热后的金属电极对基体以热传导的方式加热。金属电极具有高密度、耐高温的性质，所以在大电流的轰击下，金属电极不会出现崩裂损坏现象，且能将电弧轰击产生的高温通过接触传导的方式间接给基体加热，以加热到生产生活中所需的温度，避免了通过电弧加热的方式直接加热基体，不会导致被加热的基体出现破损，从而保证了基体的使用寿命。

上述实施例中的基体优选为由粉末经压制、烧结后的基体，用于形成基体的粉末包括但不限于氧化物、硼化物、金属和黏土矿物等。其中硼化物包括但不限于三氧化二硼、氮化硼和六硼化镧。

本申请实施例中的基体最好选择为六硼化镧基体，六硼化镧lab6现在已经成功应用于雷达航空航天、电子工业、仪表仪器、医疗器械、家电、冶金和环保等二十余个军事和高科技领域。六硼化镧是制作大功率电子光、磁控器、电子束以及加速器阴极的最佳材料，可以通过对六硼化镧进行加热，在高温下六硼化镧会逸出电子，可以对电子加以应用。本申请实施例中的六硼化镧基体是指以硼化镧为主晶相的陶瓷，立方晶型，呈紫色，密度为4.76g/立方厘米，熔点2530℃，线膨胀系数6.4*10^-6℃^-1，弹性模量460gpa，显微硬度2.76mpa，耐酸碱，具有优良的热辐射性。六硼化镧基体的制备方法可以为：将三氧化二镧与四硼化碳在惰性气氛或还原气氛中高温合成六硼化镧粉末；然后将六硼化镧按照陶瓷工艺在氮气保护下烧结为六硼化镧基体。通过配置金属电极与上述的六硼化镧基体接触连接，然后，在真空环境下，通过电弧轰击的方式轰击金属电极背离六硼化镧基体的一侧，通过经电弧加热后的金属电极对六硼化镧基体以热传导的方式加热，在高温下六硼化镧基体会逸出电子。

上述的电弧加热方法中采用的金属电极的材质优选为具有高密度和耐高温特性的金属或合金，包括但不限于紫铜、钨和钨合金等。在一些实施例中，金属电极的材质选择为金属钨，钨的熔点高度3410℃，且在电弧轰击下一般不会发生崩裂，属于本申请实施例理想的金属电极材料。

在一些实施例中，上述的电弧加热方法中基体设计为棒材，金属电极为设计为管材，基体匹配插入在金属电极内，即棒材匹配插入在管材内。通过棒材与管材的匹配连接，一方面，可以获得较大的接触面积，从而提高了六硼化镧基体与金属钨之间的热传导效率；另一方面，管材水平放置的情况下，可以对内部插接的棒材起到固定作用，只需要将棒材插入即可，无需其他的固定结构。

在上述实施例中，电弧轰击加热金属钨所处的真空环境的真空度范围不大于可以根据具体的需要来进行调节，优选为10^-4-10^-2pa，最终能保证电弧加热方式的有效实施即可。

当采用金属钨作为金属电极，对六硼化镧基体进行加热的情形下，为了实现在加热过程中逸出较多电子的目的，发明人通过多次试验确定合适的加热温度为1200℃～1800℃，即通过金属钨对六硼化镧基体的加热过程中控制加热温度范围为1200℃～1800℃，可以获得较多的逸出电子。最为优选的，在真空度为10^-3pa的情况下，通过金属钨对六硼化镧基体的加热过程中控制加热温度为1600℃。

实施例2

为了实现实施例1所提供的用于加热由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热方法，本申请实施例提供了一种电弧加热装置，用于加热由粉末压制和/或烧结成的基体。

如图2所示，该电弧加热装置包括电弧发生器1、真空腔2和基体3，基体3和电弧发生器1的正阴极均位于真空腔2内，电弧发生器1的阳极4和阴极5的材质均为金属，阴极5被配置成以热传导方式向基体3提供热能，阳极设置在阴极5背离基体3的一侧。上述实施例提供的电弧加热装置的具体工作过程可以为：对真空腔2抽真空，使其保持在一定真空度，接通电源7使电弧发生器1工作，电弧发生器1上设置的用于产生电弧的两个电极相对设置，位于同一水平面上，并保持端部不接触，电弧发生器1通电时阳极4和阴极5之间产生放电电弧，大电流轰击作为阴极5的金属产生热量，阴极5将热量通过热传导的方式传递给与其连接的基体3，实现对基体3的加热。在电弧加热装置中，由于金属材质的阴极5具有高密度、耐高温的性质，所以在大电流的轰击下，阴极不会出现崩裂损坏现象，且能将电弧轰击产生的高温通过接触传导的方式间接给基体3加热，避免了通过电弧加热的方式直接加热基体3，不会导致被加热的基体3出现破损，从而保证了基体3的使用寿命。

上述实施例中的阴极5用于接受高能电弧的轰击，发热后将热量以热传导的形式传递给基体3，二者的接触连接用于实现热传导，阴极5与基体3之间的具体连接方式可以为多种形式。

可选的，如图3所示，阴极5与基体3之间为相互贴合，即阴极5贴覆基体3表面，阳极4设置在阴极5背离基体3的一侧，使得在阳极4与阴极5之间产生的电弧不会轰击到基体3。优选的，如图4所示，阴极5包括相互垂直设置第一段501和第二段502，其中第二段502的一端连接在第一段501的中部，形成图4所示的截面为t字形的阴极结构，阴极5的第一段501背离第二段502的一面朝向阳极4，第一段501和第二段502相连接的直角处用于固定基体3，如图所示，基体3此时可以设置有两个，每个基体3分别贴合在第一段501和第二段502上，可以增大基体3的受热面积。

可选的，阴极5被配置为包覆基体3，在增加接触面积，提高传热效率同时，可以通过阴极5实现对基体3的固定，可以在整体结构中减少固定结构。作为一种可选的实施方式，如图5所示，阴极5的截面形状为u字形，基体3设置在阴极5的u字形内部，通过阴极5实现对基体3三个方向的包覆；作为一种可选的实施方式，如图2和6所示，阴极5的截面形状为封闭的图形，基体3设置在阴极5的内部，通过阴极5实现对基体3四个方向的包覆。其中图2和6所示的阴极均设计为管材，基体3设计为棒材，图2中阴极为圆管设计，基体3设置为可匹配插入阴极的圆柱设计；图6中阴极为方管设计，基体3设置为可匹配插入阴极的长方体设计。

可选的，如图7所示，阳极4和阴极5在真空腔2内设置有多组，多个阴极5呈圆形阵列均匀排布，多个阳极4设置在阴极5组成的圆形阵列内部。上述的设置可以充分利用真空腔2内部的空间，允许多组阳极4和阴极5同时工作，可以同时为多个基体3进行加热。

可选的，如图8所示，阳极4在真空腔内设置有多个，本实施例附图给出的阳极4为3个，阴极5在真空腔2内设置有一个，阴极5的截面呈圆环状，环绕在多个阳极4的外围。上述的设置可以充分利用真空腔2内部的空间，允许多组阳极4同时与一个阴极5之间产生电弧放电，环形设置的阴极5可以获得更大的表面积用于加热基体。

可选的，如图9所示，阳极4在真空腔内设置有1个，本实施例附图给出的阳极4为圆柱状，阴极5在真空腔2内设置有多个，本实施例附图给出的阴极5的数量为4个，4个阴极5呈圆形阵列均匀排布，阳极4设置在阴极5组成的圆形阵列内部。上述的设置可以充分利用真空腔2内部的空间，允许一个阳极4同时对多个阴极5电弧放电，可以通过多个阴极5同时为多个基体3进行加热。

需要说明的是，本实施例的电弧加热装置是为了实现实施例1所提供的用于加热由粉末压制和/或烧结成的基体的电弧加热方法，因此在实施例1中所有技术方案均适用于本实施例，例如，基体3可以为由六硼化镧粉末烧结而成的基体，阴极的材质可以为金属钨等等，此处不再赘述。

在上述实施例中，真空腔2可以设置于车间内，是电弧加热设备的主体。真空腔的作用在于为实现电弧发生器的电极之间产生电弧提供必要的真空环境，其可提供电弧发生所需要的真空度、真空泵6及检测功能组件。其中，真空度是指在电弧发生过程中利用真空抽气系统使在一定的空间内的气体达到一定的真空度，而这一真空度恰能满足电弧产生所要求的真空度，可以根据具体需求来合理设置，从另一个角度，真空度的设置有利于防止金属电极在高温下发生氧化，起到保护电极的作用；真空泵6用于为真空腔2维持所需要的真空条件及压力值，其包括但不限于机械泵、干泵、罗茨泵、分子泵和冷泵，当然，还可以设置真空阀门以及用于控制真空泵的控制电路，其适用于现有技术，此处不再赘述；检测功能组件是指为真空腔2内的压力、温度等提供实时监控，常用工具包括但不限于rga、真空计、光谱仪等，其不属于真空腔但可以附着于真空腔2上。需要说明的是，为了方便展示，本申请附图2中仅示意性的示出了真空腔的一种可选结构，用于形成真空条件的真空腔2并不局限于附图中所展示的结构和形状。

上述实施例中的电源7，用于给包括电弧发生器1的整个系统提供电力动力，电源7的电压可以设置从几伏到几千伏的直流电压，电流从几安到几百安，在使用过程中可根据被加热的六硼化镧基体的尺寸和需要的温度而进行具体设定。作为电弧发生器1的阳极4优选采用耐高温的金属钨制成，其形状包括但不限于圆柱体和圆环体。

当采用金属钨作为阴极5，对六硼化镧基体进行加热的情形下，为了实现在加热过程中逸出较多电子的目的，最优的加热温度为1600℃，为了获得较为精确的温度控制，在阴极5以及六硼化镧基体具体的尺寸确定的情况下，加热温度可以通过调整电源7对电弧发生器1的输出功率来实现。

可选的，阳极4和阴极5的材质均选择为金属钨，阴极5的形状加工为如图2所示的钨管，钨管的具体尺寸参数为：内径为150mm，外径为185mm，长度为350mm；基体3选择为六硼化镧基体，基体3是形状加工为如图2所示的棒材，尺寸参数为：直径为149mm，长度为350mm；阳极4与阴极5之间的距离为10mm；真空腔2内真空度维持在10^-3pa，在电弧没有发生时，通过电弧发生器的电源输出参数为：电压1150v，在大约10-12s后，形成稳定的等离子体流，使得阴阳极之间产生稳定的电弧后，电压会下降到70v以下，此时六硼化镧基体的温度可以保持在1600℃。

可选的，阳极4和阴极5的材质均选择为钨铼合金，阴极5的形状加工为如图5所示的钨管，钨管的具体尺寸参数为：截面外方环尺寸为20mm×20mm，内方环尺寸为17mm×17mm，钨管的长度为300mm；基体3选择为六硼化镧基体，基体3是形状加工为如图5所示的棒材，尺寸参数为：截面尺寸为16.8mm×16.8mm，长度为300mm；阳极4与阴极5之间的距离为12mm；真空腔2内真空度维持在10^-4pa，在电弧没有发生时，通过电弧发生器的电源输出电源参数为：电压1000v，在大约8s后，形成稳定的等离子体流，使得阴阳极之间产生稳定的电弧后，电压会下降到110v以下，此时六硼化镧基体的温度可以保持在1600℃。

本说明书中部分实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。