气体放电灯是高效节能的电光源之一,已被广泛应用于各种照明场合。随着气体放电灯的不断发展,采用新工艺制造复杂形状和性能优越的钨电极受到越来越多的关注。
粉末注射成形作为制造三维复杂形状金属或陶瓷零部件的形状复杂、高性能零件的特点。采用PIM制备制造小尺寸、复杂形状的钨零件近年来受到科研和工业界的重视。这类零件一般为高温下的功能部件,对于高温强度和疲劳性能的要求不是十分苛刻,这样虽然牺牲了钨电极致密度方面的要求,但实现了净成形,免去了钨零件较高的机加工成本。采用PIM制造高压气体放电灯用钨电极,与传统钨丝缠绕式电极相比,可以成形复杂形状的电极,从而使设计人员可以根据电极的功能设计电极的形状。
PIM是将塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新技术。该技术的最大特点是可以实现近净成形,且其产品尺寸精度高、组织均匀、性能优异、易于实现自动化连续作业。研究采用PIM工艺制备了应用于大功率闪光灯、激光泵浦灯、氤灯等电光源中的储备式钡钨阴极和钍钨-钨复合电极。其中储备式钡钨阴极具有表面逸出功底、工作稳定性好、电子发射密度大、耐电子轰击等特点,因此被广泛应用于特种光源中; 其次钍钨-钨复合电极中钍钨电极的电子发射能力强,性能稳定,但由于钍具有放射性,减少钍钨的用量成为当前的趋势。可采取的方案有两种:以为开发一种能替代钍钨电极的新材料,二是改变电极的结构设计、减少单个电机中钍的用量。
传统工艺采用钍钨杆车削制备钍钨电极,但单个阴极中钍含量高,且加工成本高。一种新的设计思路就是采用钍钨-钨复合材料,在承担热传导作用的外围部分采用烧结态纯钨电极材料。负责热传导的纯钨一般需要传热学方面的优化设计,以及时将阴极尖端产生的热带走。
总之,PIM技术具有可成形复杂形状、密度均匀等特点,可以利用其特点制备高质量、高性能的钨电极;采用PIM技术制备了储备式钡钨阴极,将其安装于1000W大功率闪光灯中进行测试,使用寿命可达闪光30000次以上;采用PIM技术制备了钍钨-钨复合电极,外层钨的致密度可以到达95%以上,烧结钨和钍钨杆之间可以实现无缺陷冶金结合,单个电极中钍含量降低约75%。