一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，包括如下步驟：(1)將鍛造態(tài)純鎢棒根據(jù)所需陽(yáng)極部件尺寸加工成所需幾何形狀；(2)將加工好的純鎢陽(yáng)極部件進(jìn)行一定程度的表面毛化處理，隨后將表面清洗干凈，去除氧化層；(3)以六氟化鎢氣體為原料，氫氣為還原氣體，在350-600℃基材溫度條件下，在純鎢陽(yáng)極部件表面進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，以形成0.1-6mm厚度鎢涂層，即制得所述涂覆有鎢涂層的超高壓短弧氙燈陽(yáng)極部件。利用高純，高致密CVD鎢涂層表面具有一定粗糙度的形貌結(jié)構(gòu)，達(dá)到增大電極比表面積，提高電極散熱性能的目的。
【專利說(shuō)明】—種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]短弧高壓氙燈亦稱之為超高壓短弧氙燈(工作氣壓約10個(gè)大氣壓以上)、短弧氙燈(弧長(zhǎng)數(shù)毫米)、球形氙燈(外殼呈球形)、氙燈(燈內(nèi)充氙氣)。由于氙燈光譜分布、色溫等參數(shù)與日光相似，作為氣體放電燈具有光效高(30-70流明/瓦)，顯色性好(>95% )，功率大(最大可達(dá)6000瓦)，在演藝燈光及大型投影機(jī)的光源方面有廣泛的應(yīng)用。
[0003]氙燈由外殼，陰極和陽(yáng)極部件構(gòu)成，陰極和陽(yáng)極部件固定在充滿氙氣的石英殼體內(nèi)，通常處在直流的大電流工作狀態(tài)。陽(yáng)極在實(shí)際應(yīng)用中，本身具有極高的溫度(通常達(dá)到2000°C左右)，同時(shí)其附近存在的“高溫等離子球”會(huì)導(dǎo)致部分電弧被陽(yáng)極吸收，使陽(yáng)極進(jìn)一步加熱，導(dǎo)致陽(yáng)極端面具有極高的溫度。故陽(yáng)極部件的散熱性能是影響電極甚至氙燈壽命的最主要因素。
[0004]氙燈在應(yīng)用條件下，其陽(yáng)極的散熱方式主要靠熱輻射方式傳導(dǎo)給氙氣，僅少量熱量沿陽(yáng)極柄傳給鑰箔及引出線。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，陽(yáng)極上耗散的能量可達(dá)總輸入功率的1/3。在陽(yáng)極端面接受弧光的很 小區(qū)域(面積)上要承受的功率密度更大、溫度更高。過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致鎢的蒸發(fā)，使燈管發(fā)黑，同時(shí)會(huì)使陽(yáng)極引出線封接處溫度也升高，并易炸燈。
[0005]為此，在陽(yáng)極部件的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中要重點(diǎn)考慮其散熱問(wèn)題。根據(jù)熱輻射公式:Me = σ SB ε tT4，物體的熱輻射功率與其自身溫度有關(guān)，即陽(yáng)極部件的溫度越高，熱輻射的功率越大。但在提高電極熱輻射功率的設(shè)計(jì)中，鎢陽(yáng)極部件不能設(shè)計(jì)過(guò)大尺寸，且要保證陽(yáng)極工作溫度不超過(guò)2300K，故而需通過(guò)增大陽(yáng)極自身的熱輻射面積來(lái)彌補(bǔ)。目前常用的做法是在陽(yáng)極表面開出數(shù)條凹槽，通過(guò)增加陽(yáng)極表面的孔隙度和起伏來(lái)來(lái)增加陽(yáng)極表面的熱輻射面積，提高熱輻射性能，最大程度降低陽(yáng)極表面溫度，減少陽(yáng)極端面出現(xiàn)龜裂、凹陷、凸起的現(xiàn)象，延長(zhǎng)燈的壽命。
[0006]在氙燈陽(yáng)極部件制備過(guò)程中，其表面粗糙化工藝需對(duì)電極表面進(jìn)行機(jī)加工處理，同時(shí)對(duì)加工精度和尺寸均勻度具有較高的要求。目前，對(duì)于陽(yáng)極表面進(jìn)行粗糙化的主要方式有如下幾種:
[0007]I對(duì)陽(yáng)極表面采用機(jī)加工方式進(jìn)行刻槽，隨后在其表面涂覆鎢粉，經(jīng)燒結(jié)后形成一層薄鎢粉層來(lái)增加陽(yáng)極表面粗糙度，進(jìn)而提高其散熱性能；(徐琴玉，散熱型彎管氙燈，專利申請(qǐng)?zhí)?201320320745.7).[0008]2對(duì)陽(yáng)極表面采用激光進(jìn)行刻槽，槽深約為數(shù)百微米，類似散熱片形態(tài)(USHIO)；
[0009]3采用特殊處理方式將純鎢電極表面進(jìn)行粗糙化，獲得表面呈蜂窩狀的純鎢電極，顯著提高其表面散熱性能(Philip)。
[0010]采用上述幾種方法對(duì)純鎢電極表面進(jìn)行粗糙化存在以下問(wèn)題:
[0011](I)方法I采用機(jī)加工形式將電極表面切割成槽，隨后在其表面涂覆鎢粉進(jìn)行燒結(jié)形成純鎢涂層；盡管該方式可得到表面粗糙程度較高的純鎢陽(yáng)極，但在機(jī)加工過(guò)程中對(duì)凹槽的加工精度要求較高，所需工時(shí)較長(zhǎng)，且易出現(xiàn)表面機(jī)加工微小缺陷；在后期涂覆鎢粉及燒結(jié)過(guò)程中，對(duì)鎢粉厚度均勻性以及燒結(jié)方法均有較高要求，且燒結(jié)過(guò)程也易造成陽(yáng)極尺寸及內(nèi)部組織晶粒改變，從而影響其發(fā)光性能。
[0012](2)方法2通過(guò)激光刻槽方式在陽(yáng)極表面增加深度約為數(shù)百微米的溝槽以增加電極的表面粗糙度，繼而增加其熱輻射性能；但激光加工工序復(fù)雜，工藝要求高，成本相對(duì)較高，一定程度上增加了電極的加工工序和時(shí)間。后期電極服役過(guò)程中，溝槽根部較易成為熱應(yīng)力裂紋萌生的薄弱位置。
[0013](3)方法3通過(guò)一定加工方式將電極表面加工成蜂窩狀，對(duì)于整體電極表面粗糙程度具有很大的提高，但在電極表面一次性加工大量的蜂窩狀凹坑，同時(shí)要求凹坑尺寸，深度相對(duì)一致，且不能出現(xiàn)微缺陷，所需的加工工藝水平，精度要求，難度均極高，并且加工時(shí)間也會(huì)極長(zhǎng)，從而造成電極成本顯著增加，對(duì)電極的大批量制造帶來(lái)困難。
[0014]由于鎢硬度高，脆性大，機(jī)加工困難，同時(shí)鎢電極需求量大，自身成本不高,對(duì)于能夠提高電極表面粗糙化的加工工藝，通常要求其工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，盡量在無(wú)需改變?cè)胁考Y(jié)構(gòu)條件下方便地完成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷和難度，提供一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法。
[0016]本發(fā)明的技 術(shù)方案如下:
[0017]用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法制備方法，包括如下步驟:
[0018](I)鍛造態(tài)純鎢棒根據(jù)陽(yáng)極部件要求加工成所需幾何形狀和尺寸；
[0019](2)將鍛造態(tài)純鎢電極表面采用1000#~3000#砂紙進(jìn)行打磨，去除表面氧化層，隨后采用丙酮超聲清洗除油，再依次用超純水，分析純酒精進(jìn)行清洗，吹干；
[0020](3)以六氟化鶴氣體為原料，以氫氣為還原氣體,在350-600°C的基材溫度條件下，在鍛造態(tài)純鎢電極表面進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，涂覆厚度為0.l_6mm鎢涂層，即制得所述具有粗糙的CVD-W涂層表面的短弧氙燈陽(yáng)極部件。
[0021]其中，所述陽(yáng)極部件可以為包括短弧汞燈和氙燈等在內(nèi)的短弧高壓氣體放電燈的陽(yáng)極部件。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述的一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:所述基材為鍛造態(tài)純鎢材料。
[0023]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，鍛造態(tài)純鎢電極表面根據(jù)需要保持磨光的平整表面。
[0024]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，鍛造態(tài)純鎢電極表面根據(jù)需要加工出具有一定尺寸，一定間距的凹槽。這些凹槽可以是螺紋等。
[0025]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，鍛造態(tài)純鎢電極表面根據(jù)需要加工成一定的表面形態(tài)，所述一定的表面形態(tài)包括凹坑或凹凸臺(tái)等。
[0026]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟(2)中將基材表面采用1000#~3000#
砂紙進(jìn)行表面打磨，毛化并去除表面氧化層。[0027]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟(3)中的基材溫度為400_580°C。
[0028]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟(3)中六氟化鎢和氫氣的純度至少為99.99% ;通入CVD反應(yīng)器前，六氟化鎢溫度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70-120kPa。
[0029]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，步驟(3)中所述通入的H2和WF6的摩爾比為1:2-3.5，化學(xué)氣相沉積的沉積速率為0.2-0.6mm/h。
[0030]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟(3)的鎢涂層的厚度為0.5_5mm。
[0031]本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積方式，在加工態(tài)電極表面涂覆一層具有一定厚度的高純(6N以上)，高致密(19.2g/cm3以上)鎢涂層，利用CVD-W晶體結(jié)構(gòu)自身生長(zhǎng)所具有的粗糙表面(涂層厚度越大，表面粗糙度越大)，在電極服役中可具有良好的熱輻射性能。同時(shí)CVD方法簡(jiǎn)單，流程極短，技術(shù)難度較低，獲得的鎢涂層涂覆均勻，與基材結(jié)合性能良好，且可批量化制備，成本增加較少。因此，本發(fā)明CVD鎢涂層在制造超高壓短弧氙燈陽(yáng)極部件表面純鎢涂層，具有非常好的應(yīng)用前景。
[0032]本發(fā)明的有益效果是: [0033](I)相比對(duì)電極表面機(jī)加工切槽-涂覆鎢粉進(jìn)行燒結(jié)、表面激光切槽及表面加工為蜂窩狀形態(tài)等方式，本發(fā)明方法具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、加工周期短，成本低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)
占.[0034](2)本發(fā)明方法采用氣相沉積方式制備具有粗糙表面的純鎢涂層，基材可以是復(fù)雜幾何形狀，不局限于圓柱狀結(jié)構(gòu)，相比機(jī)加工切槽、激光切槽等工藝，適應(yīng)性更廣；
[0035](3)本方法將鎢涂層厚度控制在0.1.0-6.0mm范圍內(nèi)，將沉積溫度(即所述基材溫度)控制在350-600°C范圍內(nèi)(優(yōu)選在400-580°C范圍內(nèi))，亦可適當(dāng)提高沉積速率，粗化晶粒，提高涂層表面粗糙程度；
[0036](4)本發(fā)明方法采用高純WFf^PH2為原料，可制備高純(6N以上)，高致密(19.2g/cm3以上)鎢涂層，晶體組織均勻，無(wú)缺陷。涂層與基材界面結(jié)合力好。采用其他加工方式，如機(jī)加工切槽，表面加工蜂窩等，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生局部微觀缺陷，影響電極服役過(guò)程中的發(fā)光性能和壽命。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1為實(shí)施例1所制備的含鎢涂層電極結(jié)構(gòu)示意圖，A鍛造態(tài)純塢基材立體示意圖、B添加CVD-W涂層后剖視圖；1_鎢電極；2-CVD-W涂層；
[0038]圖2為實(shí)施例2所制備的含鎢涂層電極結(jié)構(gòu)示意圖，A鍛造態(tài)純塢基材立體示意圖、B添加CVD-W涂層后剖視圖；1_鎢電極；2-CVD-W涂層；3_螺紋；
[0039]圖3為電極表面涂覆的一定厚度鎢涂層表面微觀形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0040]通過(guò)以下【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明和描述。
[0041]實(shí)施例1
[0042]本實(shí)施例用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，參見圖1，具體實(shí)施步驟如下:[0043](I)將鍛造態(tài)純鎢棒根據(jù)所需尺寸加工成所需的幾何形狀，該電極基材的表面為普通磨光狀態(tài)。
[0044](2)將加工好的純鎢電極基材的表面采用2000#~3000#砂紙適當(dāng)打磨，采用超純水清洗干凈，去除表面氧化層，用丙酮和無(wú)水酒精超聲脫水，最后用氮?dú)獯蹈伞?br> [0045](3)將處理后的基材放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室，并抽真空至LOXKT1Pa左右，通入氮?dú)鈱⒊练e腔氣壓補(bǔ)充至常壓，反復(fù)三次，隨后通入氫氣，在氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行升溫。待基材表面溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的沉積溫度580°C且穩(wěn)定后，將純度為99.99%的六氟化鎢和氫氣的混合氣體由沉積爐上通氣口通入沉積爐內(nèi)，其中六氟化鎢流量為0.lmol/min (WF6溫度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70-120kPa)，氫氣流量為0.2mol/min，混合氣體在基材表面及其附近發(fā)生反應(yīng)，生成鎢和氟化氫氣體。沉積時(shí)間約為20min。鎢沉積在基材表面形成涂層，生成的氟化氫氣體和未反應(yīng)氣體排出沉積爐。
[0046](5)反應(yīng)完成后，關(guān)閉六氟化鎢，停止加熱，繼續(xù)通入氫氣至爐內(nèi)溫度降至100°C以下，改通氮?dú)饫鋮s至室溫，然后拆爐，取出樣品，即制得涂覆了鎢涂層的電極部件。鎢涂層(CVD-W)厚度0.2mm，鎢涂層沉積速率約為0.6mm/h。涂層表面平整，無(wú)凸起顆粒，涂層無(wú)開裂，起皮現(xiàn)象。
[0047]實(shí)施例2
[0048]本實(shí)施例用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的制備方法，參見圖2，具體實(shí)施步驟如下:
[0049](I)將鍛造態(tài)純鎢棒根據(jù)所需尺寸加工成所需的幾何形狀，在該電極基材表面采用車刀精加工出一定尺寸，彼此存在一定間隔的凹槽，這些凹槽排列為螺紋狀。
[0050](2)將鍛造態(tài)純鎢電極基材表面用3000#左右的砂紙打磨，采用丙酮清洗干凈，去除表面氧化層，無(wú)水酒精超聲脫水，最后用氮?dú)獯蹈桑?br> [0051](3)將上述清洗，吹干的基材放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室，并抽真空至1.0X KT1Pa左右，通入氮?dú)鈱⒊练e腔氣壓補(bǔ)充至常壓，反復(fù)三次，隨后通入氫氣，在氫氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行升溫。待基材表面溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的沉積溫度550°C且穩(wěn)定后，將純度為99.99%的六氟化鎢和氫氣的混合氣體由沉積爐上通氣口通入沉積爐內(nèi)，其中六氟化鎢流量為0.134mol/min (WFj^度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70_120kPa)，氫氣流量為0.402mol/min,混合氣體在基材表面及其附近發(fā)生反應(yīng)，生成鎢和氟化氫氣體。沉積時(shí)間約為lOmin。鎢沉積在基材表面形成涂層，生成的氟化氫氣體和未反應(yīng)的氣體排出沉積爐。
[0052](4)反應(yīng)完成后，關(guān)閉六氟化鎢，停止加熱，繼續(xù)通入氫氣至爐內(nèi)溫度降至100°C以下，改通氮?dú)饫鋮s至室溫，然后拆爐，取出樣品，即制得涂覆有粗糙的CVD鎢涂層表面的電極部件，其表面微觀圖見圖3。鎢涂層(CVD-W)厚度為0.1mm，鎢涂層沉積速率約為0.6mm/h。涂層表面平整，無(wú)凸起顆粒，涂層無(wú)開裂，起皮現(xiàn)象。
[0053]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，SP依本發(fā)明專利范圍及說(shuō)明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)鍛造態(tài)鎢棒根據(jù)要求加工成所需幾何形狀和尺寸； (2)將鍛造態(tài)純鎢電極表面采用1000#~3000#砂紙進(jìn)行打磨，去除表面氧化層，隨后進(jìn)行丙酮超聲清洗除油，再依次用超純水，分析純酒精進(jìn)行清洗，吹干； (3)以六氟化鎢氣體為原料，以氫氣為還原氣體，在350-600°C的基材溫度條件下，在鍛造態(tài)純鎢電極表面進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，形成0.1-6mm厚度的鎢涂層，即制得具有高純，高致密鎢涂層的短弧氙燈陽(yáng)極部件。
2.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:所述陽(yáng)極部件基材為鍛造態(tài)純鎢材料。
3.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:鍛造態(tài)純鎢電極表面根據(jù)需要保持磨光的平整表面。
4.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:鍛造態(tài)純鎢電極表面根據(jù)需要加工出具有一定尺寸，一定間距的凹槽。
5.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:鍛造態(tài)純鎢電極表面根據(jù)需要加工成一定的表面形態(tài)，所述一定的表面形態(tài)包括凹坑或凹凸臺(tái)。
6.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:所述步驟(2)中將基材表面采用1000#~3000#砂紙進(jìn)行表面打磨，毛化并去除表面氧化層。
7.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:所述步驟(3)中基材溫度為400-580°C。
8.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:所述步驟(3)中六氟化鎢和氫氣的純度至少為99.99% ;通入CVD反應(yīng)器前,六氟化鎢溫度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70-120kPa。
9.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:步驟(3)中所述通入的H2和WF6的摩爾比為1:2-3.5，化學(xué)氣相沉積的沉積速率為0.2-0.6mm/ho
10.如權(quán)利要求1所述一種用于短弧高壓氣體放電燈陽(yáng)極表面粗糙化的方法，其特征在于:所述步驟(3)的鎢涂層厚度為0.5-5_。
【文檔編號(hào)】C23C16/14GK104018135SQ201410171689
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】呂延偉, 于洋, 宋久鵬, 黃志民, 顏彬游, 劉俊勇 申請(qǐng)人:廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司