Spritzer von Wolfram

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12210 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Während der Lichtbogenentladung wurde ein einzigartiger Mechanismus des Spritzens einer Anode auf Wolframbasis identifiziert. Zu Spritzern kam es durch das Abbrechen einer flüssigen Metallsäule, die sich verlängerte, nachdem sich auf der Oberfläche der geschmolzenen Anode eine lokale Konkavität gebildet hatte. Blauviolette Lumineszenz, die von Cerionen emittiert wird, die aus Additiven in der Anode auf Wolframbasis stammen, wurde vor der Konkavitätsbildung erfasst. Die Oberflächentemperatur überstieg zum Zeitpunkt des Spritzens den Siedepunkt der Zusatzstoffe. Die gemessenen Tröpfchengeschwindigkeiten ließen darauf schließen, dass eine elektromagnetische Kraft zu den Hochgeschwindigkeitsauswürfen beiträgt. Die energiedispersive Spektrometriekartierung zeigte auch einen Rest der Additive im Längsquerschnitt der Anode nach der Bogenentladung. Basierend auf diesen experimentellen Fakten wurde der Mechanismus des Anodenspritzens bei der Lichtbogenentladung wie folgt abgeleitet: Blasenbildung von Additiven bei Temperaturen oberhalb ihres Siedepunkts, Blasenplatzen an der Oberfläche, Erzeugung von Mikroplasmastrahlen, Verlängerung der Flüssigkeitssäule und Abbrechen unter Druck elektromagnetische Kraft und daraus resultierender Hochgeschwindigkeits-Tröpfchenausstoß.

Eine elektrische Entladung tritt auf, wenn ein elektrischer Strom durch ein leitfähiges Gasmedium fließt, das aus Elektronen und ionisierten Molekül- und Atomarten besteht. Ein solches Medium wird Plasma genannt. Eine Bogenentladung ist eine Art elektrische Entladung, die durch niedrige Spannung und hohen Strom zwischen einer Kathode und einer Anode unter atmosphärischem Druck verursacht wird. Da Lichtbogenentladungen bemerkenswert hohe Temperaturen (> 10.000 K) erzeugen können, wurde Lichtbogenplasma als einzigartige Wärmequelle beim Hochgeschwindigkeitsschneiden und -fügen von Metall eingesetzt1,2,3. Darüber hinaus erregt es wissenschaftliche und industrielle Aufmerksamkeit als vielversprechendes Werkzeug für die dreidimensionale Materialherstellung, bekannt als additive Fertigung4,5. Aufgrund seiner hohen Helligkeit wird Lichtbogenplasma auch als Lichtquelle eingesetzt. Da Photovoltaik in naher Zukunft als Quelle nachhaltiger Elektrizität erwartet wird, ist die Verbesserung der Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht in Elektrizität ein vorherrschendes gesellschaftliches Problem6,7. Um die Umwandlungseffizienz genau zu messen, ist eine stabile Lichtquelle mit einem Emissionsspektrum erforderlich, das dem des Sonnenlichts entspricht. Zu den Lichtquellen, die diese Anforderungen erfüllen, gehören Xenon-Bogenlampen und Metallhalogenid-Bogenlampen8,9,10. Kürzlich haben wir die einzigartige Dynamik einer geschmolzenen Elektrodenoberfläche identifiziert, die mit Lichtbogenplasma interagiert. Der vorliegende Beitrag geht auf diese Erkenntnisse ein.

Eine Kathode emittiert thermionische Elektronen, wenn sie auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Wenn der Lichtbogenstrom ausreichend allein durch thermionische Emission bereitgestellt wird, bleibt das Lichtbogenplasma relativ stabil. Aus diesem Grund muss das Kathodenmaterial auch bei Temperaturen über 3000 K fest oder flüssig sein. Das übliche Kathodenmaterial ist Wolfram, das einen hohen Schmelzpunkt und einen hohen Siedepunkt aufweist. Darüber hinaus hat Wolfram, das mit einigen Gewichtsprozent Oxiden dotiert ist, eine geringere effektive Austrittsarbeit und eine geringere thermionische Emission als reines Wolfram. Dadurch wird die Kathodentemperatur gesenkt und die Kathodenerosion unterdrückt11,12. Darüber hinaus haben Forscher durch die Berücksichtigung der Diffusion und Verdunstung von Zusatzstoffen in der Kathode bessere Vorhersagen zur Kathodenerosion getroffen13,14.

Obwohl die Phänomene der Wolfram-basierten Kathode während der Bogenentladung gut untersucht wurden, sind die Phänomene der Wolfram-basierten Anode weitgehend ungeklärt. Ein solches Phänomen ist das Spritzen der geschmolzenen Anode. Da der Lichtbogenstrom entweder Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC)15,16,17 sein kann, wird eine einzelne Elektrode auf Wolframbasis sowohl zur Kathode als auch zur Anode. Die Physik von Anoden auf Wolframbasis ist jedoch kaum verstanden, so dass die Elektrodenphänomene während der Wechselstrom-Bogenentladung (die komplexer ist als die Gleichstrom-Bogenentladung) unbekannt bleiben. Insbesondere das Spritzen der geschmolzenen Anode beschleunigt die Anodenerosion und behindert die Bildung eines stabilen Lichtbogenplasmas. Darüber hinaus führt das Spritzen geschmolzener Metalle zu Verunreinigungen und verringert die Qualität von Anwendungen wie Bogenlampen, Materialverbindungen und additiver Fertigung. Mehrere Studien haben auch berichtet, dass ein Teil einer geschmolzenen Kathode während der Gleichstrom-Bogenentladung als Tröpfchen ausgestoßen wird18,19. Bemerkenswert ist jedoch, dass diese Studien unter bestimmten Bedingungen unmittelbar nach der Zündung oder dem Erlöschen des Lichtbogens durchgeführt wurden18,19. Im Gegensatz dazu beobachteten wir den Tropfenausstoß aus einer Anode auf Wolframbasis während des Dauerbetriebs einer Bogenentladung. Diese Studie enthüllt die Dynamik und den Mechanismus des Spritzvorgangs auf der Anodenoberfläche auf Wolframbasis während einer anhaltenden Gleichstrom-Bogenentladung. Diese neuen Erkenntnisse werden sowohl der Wissenschaft als auch den industriellen Anwendungen der Lichtbogenentladung zugute kommen.

Die Spritzerscheinungen der Anode während der Bogenentladung wurden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera visualisiert. Das Anodenmaterial war mit 2 Gew.-% Ceroxid dotiertes Wolfram und der Strom wurde auf 40 A eingestellt. Abbildung 1a zeigt das Aussehen der Anode während der Bogenentladung. Die verstrichene Zeit t wird durch die gelben Zeichen oben links in den Bildern angezeigt. Hier gibt t = 0,00 ms die Zeit an, die 3 s oder länger nach der Lichtbogenzündung vergeht. Bei t = 0,00 ms war die Anodenspitze geschmolzen und es traten keine Unregelmäßigkeiten oder andere besondere Formen auf der Anodenoberfläche auf. Konzentriert man sich auf den Bereich, der im ersten Bild vom roten Rahmen umschlossen ist, erscheint bei t = 0,01 ms eine blau-violette Lichtemission in der Nähe der Anodenoberfläche. Bei t = 0,20 ms bildete sich am Ort der Lichtemission ein Hohlraum mit einem Durchmesser von etwa 200 µm. Aus der Mitte des Hohlraums erstreckte sich eine Flüssigmetallsäule, deren Spitze gespalten war, um einen Tropfen geschmolzenen Metalls freizusetzen. Eine Reihe von Spritzphänomenen wurde auf einer Zeitskala von ~ 0,3 ms bestätigt.

Spritzerphänomene einer mit Ceroxid dotierten Wolframanode: (a) Tröpfchenemissionsprozess, aufgenommen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera (das Video ist in den Zusatzinformationen verfügbar); (b) Flugbahnen der Tröpfchen von der Anode; (c) Zusammenhang zwischen Spritzgeschwindigkeit und Tropfendurchmesser.

Abbildung 1b zeigt die von der Anode aus während 0,1 s visualisierten Spritzbahnen. Dieses Bild wurde durch Bildverarbeitung erstellt. Der Farbbalken gibt die Anzahl der Durchläufe des Tröpfchens über die von jedem Pixel während des 0,1-s-Intervalls erfassten Koordinaten an (Bildrate = 75.000 fps). Die rötlichsten Bereiche zeigen an, wo viele Tröpfchen über die Position oder mit langsamer Geschwindigkeit geflogen sind. Der Rand der Anode (ebenfalls rot dargestellt) war etwa 0,4 mm breit, was darauf hindeutet, dass die Anode geschmolzen war und während der Bogenentladung oszillierte. Um die vergrößerte Kantenbreite im geschmolzenen Bereich hervorzuheben, wird die Fest-Flüssigkeits-Grenze der Anode als weiße gestrichelte Linie dargestellt. Den Visualisierungsergebnissen zufolge traten Spritzer sowohl von der Anodenspitze als auch etwa 1,5 mm oberhalb der Spitze auf. Abbildung 1c ist ein Diagramm der Spritzgeschwindigkeit gegenüber dem Durchmesser vieler verspritzter Tröpfchen, gemessen über einen Zeitraum von 1 Sekunde. Die Spritzgeschwindigkeiten großer Tröpfchen (~ 200 µm Durchmesser) betrugen weniger als 4 ms−1. Im Gegensatz dazu lagen die Spritzgeschwindigkeiten von Tröpfchen mit Durchmessern unter 100 µm weit verbreitet zwischen 0,2 und 14 ms−1. Der durchschnittliche Durchmesser und die Geschwindigkeit der Tröpfchen betrugen 99 µm bzw. 3,2 ms−1.

Um den Spritzmechanismus zu klären, der während der Lichtbogenentladung an der Anode auf Wolframbasis auftritt, müssen wir die treibende Kraft des in Abb. 1a gezeigten Spritzens identifizieren. Unseres Wissens wurde jedoch nicht über einen Tröpfchenauswurf an lokalen Konkavitäten auf der Anodenoberfläche berichtet. Daher haben wir untersucht, warum sich während der Bogenentladung lokale Konkavitäten auf der Anodenoberfläche bilden. Zu diesem Zweck konzentrierten wir uns zunächst auf die blau-violette Lumineszenzzone, die bei t = 0,01–0,12 ms beobachtet wurde und unmittelbar der Konkavitätsbildung vorausging. Cerionen zeigen starke Linienemissionsspektren bei Wellenlängen unter 460 nm20, was der blau-violetten Farbe des Emissionsbereichs entspricht. In einem früheren Experiment beobachteten wir ähnliche blau-violette Lichtemissionen um eine mit Cerdioxid dotierte Wolframkathode, nachdem nur die Elektrodenpolarität umgekehrt wurde21. Die spektroskopische Analyse ergab ein Linienemissionsspektrum mit einer Wellenlänge von 456,2 nm, das von Cerionen stammt. Diese Lumineszenz wurde durch den Dampf von Ceroxid (einem Elektrodenzusatzstoff) verursacht, der verdampfte und zu einem Plasma wurde21. Daher wurde die blau-violette Lumineszenzzone in Abb. 1a als Dampf abgeleitet, der von Ceroxid (einem Zusatzstoff in der Anode) stammt. Es wurde begründet, dass die Vergasung von Ceroxid einen großen Einfluss auf die Spritzerbildung an der Anode hat.

Mittlerweile haben Studien zu anderen Strömungstechniken als der elektrischen Entladung gezeigt, dass Hohlräume durch das Platzen von Blasen an Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen entstehen und dass Tröpfchen mit dem Wachstum einer Flüssigkeitssäule ausgestoßen werden22,23,24. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass im Inneren der Anode erzeugte Ceroxidblasen an der Anodenoberfläche platzen. Dampf wird durch Lichtemission ausgestoßen und bildet bei der Bogenentladung einen Hohlraum auf der Oberfläche.

Um unsere Hypothese zu überprüfen, haben wir untersucht, ob Spritzer in einem Bereich auftreten, der heißer ist als der Siedepunkt der Zusatzstoffe. Zu diesem Zweck haben wir die Anodenoberflächentemperatur gemessen. Abbildung 2a zeigt die über ein 0,1-s-Intervall gemessenen Spritzmengen für verschiedene Stromwerte. Aufgetragen sind die Durchschnittswerte von fünf Messungen und deren Fehlerbalken (begrenzt durch die Maximal- und Minimalwerte). Bei 30 A wurde kein Spritzen beobachtet. Bei 35, 40 und 45 A betrugen die Spritzmengen etwa 50, 184 bzw. 565 µg. Offensichtlich nahm die Spritzmenge mit der Strömung zu. Abbildung 2b zeigt die Oberflächentemperaturverteilungen entlang der Anodenachse für verschiedene Stromwerte. Bei einer Stromstärke von 30 A betrug die Temperatur an der Anodenspitze 3950 K und die Oberflächentemperatur lag unter dem Siedepunkt von Ce2O3 (4003 K)25. Bei 35, 40 und 45 A betrugen die Temperaturen an der Anodenspitze 4120, 4300 bzw. 4171 K und überstiegen damit den Siedepunkt von Ce2O3. Die Temperatur lag über dem Siedepunkt von Ce2O3 bei etwa 1,3, 1,8 und 2,8 mm von der Anodenspitze entfernt bei 35, 40 bzw. 45 A. Diese Ergebnisse können die Zunahme der Spritzmenge mit der Strömung erklären; Insbesondere wurde durch die Erhöhung des Stroms der Bereich erweitert, in dem der Temperaturbereich den Siedepunkt von Ceroxid überstieg.

Einfluss des Siedepunkts des Additivs auf das Spritzphänomen: (a) Spritzmengen; (b) axiale Verteilungen der Oberflächentemperatur der mit Ceroxid dotierten Anode bei verschiedenen Strömen; (c) Spritzmengen; (d) axiale Verteilungen der Oberflächentemperatur von Anoden mit unterschiedlichen Zusatzmaterialien.

Ähnliche Messungen wurden an Wolframanoden mit unterschiedlichen Dotierstoffen durchgeführt. Abbildung 2c zeigt die gemessenen Spritzmengen von Anoden mit W–2 Gew.-% Ce2O3, W–2 Gew.-% La2O3 und W–2 Gew.-% ThO2 bei konstantem Strom (40 A). Die durchschnittlichen Spritzmengen betrugen etwa 184, 26 bzw. 7 µg von den mit Cerdioxid dotierten, Lanthana-dotierten bzw. Thoriumoxid-dotierten Wolframanoden. Abbildung 2d zeigt die Oberflächentemperaturverteilungen entlang der Mittelachse der mit verschiedenen Additiven dotierten Anoden sowie den Siedepunkt jedes Additivs25,26,27. Die Spitzentemperaturen der mit Ceroxid, Lanthanoxid und Thorium dotierten Wolframanoden betrugen 4300, 4340 bzw. 4180 K. Die Oberflächentemperaturverteilungen unterschieden sich bei den Anoden mit unterschiedlichen Zusatzmaterialien nicht deutlich, obwohl die tatsächlichen Temperaturen je nach Zusatz um bis zu 400 K schwankten. Der große Unterschied in den Spritzmengen trotz ähnlicher Temperaturverteilungen wurde auf die unterschiedlichen Siedepunkte der Additive zurückgeführt. Wenn die Anode aus mit Ceroxid dotiertem Wolfram bestand, überstieg die Oberflächentemperatur den Siedepunkt von Ce2O3 (4003 K) bis zu 1,8 mm über der Anodenspitze. Im Gegensatz dazu lag die Oberflächentemperatur der Lanthana-dotierten Wolframanode an allen Positionen unter dem Siedepunkt von La2O3 (4473 K) (~ 130 K niedriger an der Anodenspitze). Ebenso lag die Oberflächentemperatur der mit Thoriumdioxid dotierten Wolframanode an allen Positionen unter dem Siedepunkt von ThO2 (4673 K) (~ 500 K niedriger an der Anodenspitze). Daher waren die Spritzmengen der mit Lanthanoxid und Thoriumoxid dotierten Wolframanoden geringer als die der mit Ceroxid dotierten Wolframanoden, da ihre Oberflächentemperaturen niedriger waren als die Siedepunkte ihrer jeweiligen Additive.

Den gemessenen Spritzmengen und Anodenoberflächentemperaturen zufolge kam es zu Spritzern, wenn die Anodentemperatur den Siedepunkt des Additivs in der Anode überstieg. Dies legt nahe, dass das Additiv innerhalb der Anode vergast werden kann. Um das Auftreten oder Nicht-Auftreten einer Vergasung zu bestätigen, wurde der Querschnitt der Anode nach der Bogenentladung analysiert. Abbildung 3a zeigt Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) des Längsquerschnitts der mit Ceroxid dotierten Wolframanode nach drei Sekunden Bogenentladung bei 40 A. Innerhalb des vom roten Rahmen umschlossenen Bereichs befinden sich mehrere Hohlräume mit einem Durchmesser von ca. 40 µm sichtbar. Abbildung 3b zeigt die Abbildungen der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) eines Hohlraums. Wolfram, das Hauptanodenmaterial, wurde außerhalb des Hohlraums nachgewiesen, aber Cer und Sauerstoff waren im Hohlraum angereichert, was darauf hindeutet, dass der Hohlraum mit Ceroxiddampf gefüllt war. Körniges Ceroxid mit Durchmessern von ~ 5 µm wurde vor der Lichtbogenentladung in der Anode dispergiert11. Nach der Lichtbogenentladung waren die Hohlraumdurchmesser etwa zehnmal größer als die ursprünglichen Ceroxidkörner. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass die Ceroxidkörner vergast wurden und sich im Inneren der Anode Blasen bildeten, als die Anodenspitze während der Lichtbogenentladung über den Siedepunkt des Ceroxids erhitzt wurde.

Analyse des Inneren der W–2 wt%Ce2O3-Anode nach der Lichtbogenentladung: (a) REM-Bild des Längsquerschnitts der Anode; (b) REM-Bild und EDS-Karten eines Hohlraums im Inneren der Anode nach der Bogenentladung.

Das mechanische Verhalten nach einer Konkavitätsbildung wurde in Studien zur Strömungsmechanik diskutiert28,29,30. Die auf den Rand der Konkavität wirkende Oberflächenspannung treibt die Strömung zum Boden der Konkavität und bildet eine Flüssigkeitssäule. Während der Lichtbogenentladung wirken auch andere Antriebskräfte als die Oberflächenspannung auf die Anodenoberfläche, die Auswirkungen dieser Kräfte auf den Tropfenausstoß sind jedoch nicht geklärt.

Um den Prozess der Flüssigkeitssäulenbildung zu diskutieren, konzentrieren wir uns auf die Tröpfchenausstoßgeschwindigkeit. Wie in Abb. 1c bestätigt, hängt der Tropfendurchmesser von der Tropfenausstoßgeschwindigkeit während der Lichtbogenentladung ab. Zusätzlich wird die durch die Oberflächenspannung verursachte Tröpfchenausstoßgeschwindigkeit beim Platzen der Blase bestimmt als31

Dabei ist \(v\) die Tröpfchenausstoßgeschwindigkeit, \(\sigma\) die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, \(\rho\) die Flüssigkeitsdichte und \({d}_{\mathrm{b }}\) ist der Durchmesser der Blase beim Platzen an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche. Um den Einfluss anderer Antriebskräfte als der Oberflächenspannung zu untersuchen, wurde die Tröpfchenausstoßgeschwindigkeit anhand von Gl. (1) wurde mit der experimentell ermittelten Spritzgeschwindigkeit verglichen.

Zur Schätzung der theoretischen Geschwindigkeit nach Gl. (1) müssen wir den Durchmesser der Blase kennen, die an der Anodenoberfläche platzt. Allerdings konnten die Blasendurchmesser im vorliegenden Experiment nicht gemessen werden. In früheren Studien zu Tröpfchenauswürfen, die durch das Platzen von Blasen in Meerwasser- und Ethanollösungen verursacht wurden, waren die Blasendurchmesser etwa zehnmal größer als die Durchmesser der ausgestoßenen Tröpfchen32,33. Darüber hinaus wird Berichten zufolge die Beziehung zwischen Blasendurchmesser und Tröpfchendurchmesser durch die Oberflächenspannung, Dichte und Viskosität der Flüssigkeit beeinflusst34,35. Daher kann der in Meerwasser- und Ethanollösungen bestätigte Zusammenhang nicht auf geschmolzenes Wolfram übertragen werden.

Stattdessen wurde der Blasendurchmesser durch Einführung zweier dimensionsloser Zahlen geschätzt, der Bond-Zahl \(Bo\) und der Morton-Zahl \(Mo\). Die Bond-Nummer wird berechnet als

wobei \(g\) die Erdbeschleunigung und \(L\) die charakteristische Länge ist. Hier sind \({Bo}_{\mathrm{b}}\) und \({Bo}_{\mathrm{d}}\) als \(Bo\) definiert, wenn der Blasendurchmesser \({d} Als charakteristische Länge werden jeweils _{\mathrm{b}}\) und der Tropfendurchmesser \({d}_{\mathrm{d}}\) verwendet. Die Morton-Zahl ergibt sich aus:

wobei \(\eta\) der Viskositätskoeffizient ist. Wenn Tröpfchen durch Platzen einer Blase an der Flüssigkeitsoberfläche ausgestoßen werden, hängen die Bond- und Morton-Zahlen wie folgt zusammen34:

wobei \(\mathrm{A}\) eine Konstante ist (\(8,3\times {10}^{-6}\))34. Da \({Bo}_{\mathrm{d}}\) und \({Bo}_{\mathrm{b}}\) Funktionen des Tropfen- bzw. Blasendurchmessers sind, gilt der Blasendurchmesser beim Platzen am Die Größe der Anodenoberfläche unmittelbar vor dem Tropfenausstoß kann aus den physikalischen Eigenschaften von geschmolzenem Wolfram36 und dem durch Beobachtung des Aussehens der Anode gemessenen Tropfendurchmesser abgeschätzt werden.

Abbildung 4a vergleicht die durch Gleichung geschätzte Tröpfchenausstoßgeschwindigkeit. (1) und die Spritzgeschwindigkeiten von Tröpfchen mit unterschiedlichen Durchmessern, die aus Anodenbeobachtungen gewonnen wurden. Die gemessene Spritzgeschwindigkeit tendierte bei allen Tropfendurchmessern dazu, die theoretische Geschwindigkeit zu überschreiten. Darüber hinaus erreichten die gemessenen Geschwindigkeiten relativ kleiner Tröpfchen (Durchmesser ≤ 100 µm) 10 ms−1 oder mehr, während die theoretische Geschwindigkeit nur 1,2 ms−1 betrug. Daher war der Unterschied zwischen den theoretischen und den gemessenen Ergebnissen bei kleinen Tropfendurchmessern übertrieben.

Demonstration der auf die Flüssigkeitssäule wirkenden Antriebskraft: (a) Vergleich der gemessenen und geschätzten Ausstoßgeschwindigkeiten von Tröpfchen mit unterschiedlichen Durchmessern; (b) Wirkung der elektromagnetischen Kraft auf den Tröpfchenausstoß während der Lichtbogenentladung.

Da die experimentellen Geschwindigkeiten die theoretischen Geschwindigkeiten überstiegen, beeinflussten wahrscheinlich andere Antriebskräfte als die Oberflächenspannung den Tröpfchenausstoß während der Bogenentladung. Als dominierende Antriebskraft wurde hier die elektromagnetische Kraft angesehen. Abbildung 4b zeigt den Prozess des Flüssigkeitssäulenwachstums auf der Anodenoberfläche während der Bogenentladung. Zunächst wird durch eine Blase, die an der Anodenoberfläche platzt, eine Konkavität gebildet. Unter der am Rand der Konkavität wirkenden Oberflächenspannung wird die Strömung zum Boden der Konkavität getrieben und es bildet sich eine Flüssigkeitssäule. Die sich verlängernde Flüssigkeitssäule verändert die Form der Äquipotentialflächen innerhalb und um die Säule herum und erhöht so die durch die Säule fließende Stromdichte. Die elektromagnetische Kraft drückt die Säule zusammen und drückt sie zur Außenseite der Elektrode, wodurch das Wachstum der Flüssigkeitssäule gefördert wird37. Folglich werden Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit von der Anodenoberfläche ausgeschleudert.

Abbildung 5 ist eine schematische Darstellung des Spritzmechanismus der mit Ceroxid dotierten Wolframanode, abgeleitet aus den obigen experimentellen Erkenntnissen. Wenn die Anodentemperatur den Siedepunkt von Ceroxid überschreitet, vergast das Ceroxid in der Anode und bildet Blasen, die durch Konvektion im geschmolzenen Metall zur Anodenoberfläche transportiert werden. Die Blasen platzen und geben Ceroxidgas in das Lichtbogenplasma frei. Im Hochtemperatur-Lichtbogenplasma wird das Ceroxidgas dissoziiert und zu Plasma ionisiert. Währenddessen wird durch das Platzen von Blasen und die Erzeugung eines Gasstrahls die Oberfläche der geschmolzenen Anode niedergedrückt. Wie in Studien zur Strömungsmechanik häufig berichtet wird28,29,30, treibt die auf den Rand der Konkavität wirkende Oberflächenspannung die Strömung zum Boden der Konkavität, und die schnelle Konzentration des geschmolzenen Metalls am Boden führt zur Bildung einer Flüssigkeit Spalte. Darüber hinaus beeinflusst die sich verlängernde Flüssigkeitssäule die Form der Äquipotentialflächen innerhalb und um die Säule herum und erhöht so die durch die Säule fließende Stromdichte. Diese Aktivität erzeugt eine elektromagnetische Kraft, die die Flüssigkeitssäule zusammendrückt und zur Außenseite der Elektrode drückt. Das Säulenwachstum wird gefördert, die Spitze der Säule bricht ab und verteilt sich als Hochgeschwindigkeitströpfchen.

Spritzmechanismus einer Ceroxid-Wolfram-Anode während der Lichtbogenentladung.

Das Anodenspritzen bei der Lichtbogenentladung ist ein einzigartiges Phänomen, das durch eine Reihe von Prozessen verursacht wird: Schmelzen des Grundmetalls, Blasenbildung von Zusatzstoffen, Blasenplatzen an der Oberfläche, Erzeugung eines Mikroplasmastrahls, Bildung einer Flüssigkeitssäule aufgrund der Oberflächenspannung, Säulendehnung und -abbruch durch elektromagnetische Kraft sowie Hochgeschwindigkeitströpfchenausstoß. Diese neuartige Erkenntnis wird zur Stabilisierung von Lichtbogenentladungen beitragen und die Erforschung und Entwicklung neuer Technologien wie Materialverbindung, additive Fertigung dreidimensionaler Drucke und Solarenergieumwandlung unterstützen.

Abbildung 6a ist eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus für die Bogenentladung. Der Lichtbogen wurde mit einer Schweißstromquelle (DA300P, DAIHEN) erzeugt und aufrechterhalten. Das Anodenmaterial war Wolfram mit verschiedenen Zusätzen (2 Gew.-% Ceroxid, 2 Gew.-% Lanthanoxid oder 2 Gew.-% Thoriumoxid). Der Anodendurchmesser und der Anodenspitzenwinkel vor der Bogenentladung betrugen 3,2 mm bzw. 60°. Während der Lichtbogenentladung wurde der obere Teil der Anode wassergekühlt und die Düsenspitze wurde 5 mm von der Anodenspitze entfernt platziert. Als Kathode wurde eine wassergekühlte Kupferplatte verwendet. Die Kathodenoberfläche und die Anodenspitze waren 2 mm voneinander entfernt. Während der Entladung wurde ein Schutzgas aus reinem Helium mit 25 l/min durch die Düse geleitet. Der Düsendurchmesser betrug 12,7 mm.

Schematische Darstellung der experimentellen Methoden: (a) System zur Erzeugung von Bogenentladungen; (b) Messungen des Tröpfchenvolumens und der Geschwindigkeit spritzender Tröpfchen; (c) Aufbau zur Messung der Anodenoberflächentemperatur.

Farbbilder des Erscheinungsbilds der Elektrode wurden mit einer Hochgeschwindigkeits-Farbkamera (MEMRECAM ACS-1 M16, Nac Image Technology) aufgenommen. Das Kameraobjektiv bestand aus einem Einzelfokusobjektiv (ED AF MICRO NIKKOR 200 mm 1:4 D, Nikon), einem Telekonverter (TELEPLUS HDpro 2X DGX, Kenko) und einem Neutraldichtefilter (ND2, Kenko). Blende, Belichtungszeit und Bildrate wurden auf f/32, 0,6 µs bzw. 75.000 Bilder pro Sekunde eingestellt.

Die Spritzbahnen in jedem Bild wurden durch Bildverarbeitung mit Image J38,39 visualisiert. Zunächst wurden Kantenerkennung und Binarisierung angewendet, um die vom Lichtbogenplasma stammende Lichtemission zu entfernen und die Tröpfchen zu klären. Der Binarisierungsprozess wandelt die Helligkeitswerte im Bild in binäre Daten (0 oder 1) um. Nach identischer Verarbeitung von 7500 aufeinanderfolgenden Bildern (Gesamtzeit 0,1 s) wurden die numerischen Daten summiert. Große und kleine Unterschiede in den numerischen Daten spiegelten den Grad der Überlappung der Frames wider. Um die Spritzbahnen zu visualisieren, wurden die Überlappungsgrade durch Farben dargestellt40.

Die Bewegung jedes Tröpfchens wurde wie in Abb. 6b gezeigt verfolgt. Die Tröpfchenverfolgungsmethode misst die Tröpfchengröße, die Spritzgeschwindigkeit und die Spritzmenge. Die blauen und roten Teile in Abb. 6b sind die Ergebnisse der Bilder n-1 bzw. n nach Kantenerkennung und Binarisierung der Bilder. Der violette Teil zeigt den überlappenden Bereich in den beiden binarisierten Bildern. Ein einzelnes Tröpfchen wurde durch Vergleich jedes in den Bildern n-1 und n erkannten Tröpfchens erkannt. Um die Anzahl der Kandidaten für das gleiche Tröpfchen einzuschränken, wurde angenommen, dass 1) der Durchmesser eines Tröpfchens während der Bewegung über einen kurzen Zeitraum ungefähr konstant bleibt und 2) das Tröpfchen sich innerhalb eines Frames nicht mehr als 0,12 mm bewegt. Unter den ausgewählten Kandidaten wurde das Tröpfchen mit der geringsten Bewegung seines gewichteten Zentrums als dasselbe Tröpfchen behandelt. Die weißen Linien in Abb. 6b zeigen die Bewegungen der gewichteten Zentren der Tröpfchen von Bild n-1 bis Bild n. Die gelbe Linie ist die Tröpfchenerkennungslinie, die anhand der Position der Anodenspitze ermittelt wird (im grünen Rahmen angezeigt). Wenn sich das gewichtete Zentrum eines bestimmten Tröpfchens über die Erkennungslinie bewegte, wurde dieses Tröpfchen als ausgestoßenes Tröpfchen gezählt. Die Spritzgeschwindigkeit wurde aus der zurückgelegten Distanz des gewichteten Zentrums zu einem bestimmten Zeitpunkt berechnet. Darüber hinaus wurde davon ausgegangen, dass die Tröpfchen kugelförmig sind, und die Spritzmenge wurde anhand des gemessenen Tröpfchendurchmessers und der Dichte des geschmolzenen Wolframs bestimmt25.

Die Anodenoberflächentemperatur wurde mittels Zweifarbenpyrometrie gemessen41. Basierend auf dem Planckschen Strahlungsgesetz berechnet diese Methode die Temperatur aus dem Verhältnis der Emissionsintensitäten eines Objekts, die bei zwei verschiedenen Wellenlängen in einem schmalen Wellenlängenband erhalten werden. Abbildung 6c ist eine schematische Darstellung des Temperaturmessgeräts. Das von der Objektivlinse einfallende Licht wurde durch Spiegel in zwei Strahlen aufgeteilt, durch zwei Bandpassfilter mit unterschiedlichen Wellenlängen geleitet und mit dem ladungsgekoppelten Bildsensor einer Hochgeschwindigkeitskamera (MEMRECAM q1v, Nac Image Technology) abgebildet. In dieser Studie betrugen die Wellenlängen der Bandpassfilter 950 und 980 nm.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Forschungsinstitut für Füge- und Schweißtechnik, Universität Osaka, Osaka, Japan

Kenta Iida, Hisaya Komen und Manabu Tanaka

Abteilung für Maschinenbau, Tohoku-Universität, Sendai, Japan

Masaya Shigeta

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KI und HK konzipierten die Experimente. KI führte die Experimente durch und analysierte die Daten. HK, MS und MT halfen bei der Interpretation der Ergebnisse. KI hat hauptsächlich das Manuskript geschrieben. HK hat teilweise das Manuskript geschrieben. MS hat teilweise das Manuskript geschrieben und mehrere Kunstwerke mit Figuren angefertigt. MT betreute das Projekt. Alle Autoren trugen zur wissenschaftlichen Diskussion des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Kenta Iida.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Iida, K., Komen, H., Shigeta, M. et al. Spritzer der Anode auf Wolframbasis während der Lichtbogenentladung. Sci Rep 13, 12210 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39274-4

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Eingegangen: 10. Mai 2023

Angenommen: 22. Juli 2023

Veröffentlicht: 27. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39274-4

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