1 前 言

钨熔点高(3683℃±20℃)，电子发射能力强，弹性模量高，蒸气压低，故很早就被用作热电子发射材料[1]。纯金属钨极的发射效率很低，且在高温下再结晶形成等轴状晶粒组织而使钨丝下垂、断裂。 为克服上述缺点，适应现代工业新技术、新工艺的发展，各国材料工作者正致力于研究和开发各种新型电极材料。以钨为基掺杂一些电子逸出功低的稀土氧化物，既能提高再结晶温度，又能激活电子发射。稀土金属氧化物具有

优良的热电子发射能力，稀土钨电极材料一直是替代传统放射性钍钨电极材料的开发方向。本文介绍了几种稀土钨电极材料的制备和研究成果，以及电极材料的有关应用情况，并展望了钨电极广阔的应用前景，旨在为我国稀土钨电极材料研究与应用提供参考。

2 稀土钨电极材料的制备

钨电极是氩弧焊、等离子体焊接和切割工艺中的关键材料。1913年发现了W—ThO2电极材料，是在纯钨中掺入2％(质量分数，下同)左右的ThO。其逸出功降低至2．63 eV(纯钨为4．55 eV)，发射效率大大提高，可达50～70 mA／W(经碳化的纯钨电极只有25～40 mA／w)。而且W—ThO2电极的引弧和稳定性能也比纯钨的大大提高[2]。但是钍属于天然放射性元素，在生产和使用中产生放射性污染，日益受到关注的环保要求限制了它的发展，而且W—ThOz电极的电弧稳定性和耐久性也不能满足日益发展的焊接技术等要求，因而各国材料工作者都一直在进行研究和开发新的代钍钨电极材料。由于稀土金属氧化物具有优良的热电子发射能力，至今的研究都集中在稀土钨电极材料方面。对于目前稀土

钨电极材料的主要研究，介绍如下。

2．1铈钨电极

铈钨是为了取代钍钨材料而发展起来的新型电极材料，早在20世纪60年代前苏联就有报道，我国也于70年代由上海灯泡厂首先研制成功并应用。目前，国内一般还沿袭黄钨加铈、经二次还原制粉的工艺路线。国外则大多采用纯钨粉与铈化合物直接混合的方法制取铈钨粉末。成都虹波实业股份有限公司阙兴正通过采用蓝钨湿法掺杂二氧化铈，一次性还原、酸洗、等静压成形、轧制开坯等工艺所研制的铈钨电极，经检测和使用表明，铈钨粉末纯度高，压制性能和烧结性能好；铈钨坯的铈含量均匀，加工性能良好；电极一致性好，起弧效果佳，耐烧损，寿命长。铈钨电极产品赢得了用户的广泛好评。

铈钨电极在小规模焊接用钨电极方面成功地取代了钍钨，但是在交流氩弧焊电极、气体放电光源等方面尚不能完全取代。而且铈钨电极还存在引弧较差，使用寿命短，不适合大功率应用等不足之处。

2．2镧钨电极

为了制取电性能优良且无污染的钨电极，李淑霞等在三氧化钨粉末中添加氧化镧，经过还原、压制、垂熔、旋锻、拉伸制得了镧钨电极。经分析，镧钨电极的电性能明显优于铈钨和钍钨电极，镧钨中的氧化镧的迁移速率和蒸发速率低，能形成较好的燕尾搭接金相组织，具有良好的高温抗蠕变性能。陈文革等嘲采用高能球磨和真空热压烧结工艺制备出块体纳米晶W—La2O3电极材料，研究了不同La2O3含量对纳米晶钨电极材料电性能的影响，同时用扫描电镜和能谱仪测定了燃弧后电极尖端镧的分布及显微组织。结果表明：纳米晶W—La203电极的电性能优于传统的粉末冶金粗晶钨电极。当La2O3含量在6％～8％时，其热电子发射能力和稳定性最好，但是随着稀土La2O3含量的增大，镧钨电极的成形和加工更加困难。

2．3钇钨电极

日本东芝公司Y Ishiwata和Y Itoh采用粉末冶金的方法制备出弥散氧化钇与钨的复合材料，并且对Y2O3／W的烧结性能、抗熔融金属腐蚀性能和其他独特性能进行了研究，他们认为氧化钇的加入对于钨材的烧结致密性有明显的改善作用，且烧结时出现液态的Y2(WO3)4，可抑制熔融金属渗浸到钨晶界中，从而提高钨对熔融金属的抗腐蚀性。低逸出功的Y2O3化合物覆盖了电极表面，从而电极烧损很小。

2．4复合稀土钨电极

随着焊接工业的不断进步与发展，对电极材料的可靠性和稳定性提出了更为苛刻的求。稀土氧化物以其高熔点、低电子逸出功、优良的热电子发射性能，而成为代替钍钨的主要材料，并在小规格焊接用钨电极方面成功地取代了钍钨，但在交流氩弧焊时仍存在引弧较差、使用寿命短等不足之处。一般来说，复合稀土钨电极的燃弧特性均优于单元稀土钨电极，而复合稀土钨电极中，三元复合又优于二元复合。

20世纪80年代后期，一批日本学者在研制新型钨电极材料方面取得了一些进展，特别是研究了一系列复合稀土钨电极材料。在电极成分设计、性能比较和机理探讨方面做了大量工作，发现二元复合稀土能改善钨电极的性能。大阪大学的学者们对复合(--元、三元)的稀土钨电极也进行了多方面的研究，有关研究结果表明：对二元稀土钨电极而言，CeO2：Y203=1：3(电极中Ce02的质量分数为0．5％，Y203的质量分数为1．5％)；Ce02：La203—1：1；La2O3：Y203=1：3，这三种成分的钨电极性能较为突出，尤其是耐久性，其中1：3的(La203+Y2O3)钨电极燃弧4 h(180 A)仍具良好的性能，燃弧10 h的耐久性也可接受，这比单元稀土钨电极的耐久性要强得多。对于三元稀土钨电极来说，最佳的稀土氧化物比例是CeO2：La2O3：Y203一1：1：3，这种

电极的良好操作性能可持续10 h(180 A)，较其他二元电极和单元w—La2O3电极(10 h熔化严重)的端部形状保持得更好。在复合稀土氧化物钨电极中，此类电极的工作温度最低，发射效率最高，电子逸出功最低，即发射本领最高，综合性能较为突出。

据报道，北京工业大学和北京钨钼材料厂合作研究二元复合稀土钨电极，以及三元复合稀土钨电极，认为复合钨电极的焊接电弧和工艺均优于单稀土钨电极和钍钨电极。

3 钨电极材料的应用

3．1焊接

随着钨电极惰性气体保护焊的发展和扩大应用，人们对钨电极的研究也愈来愈深入。在等离子弧焊接、切割及非熔化及亚弧焊中，过去都是采用钍钨电极，但由于钍的放射性影响(其比放射性活度达13．32×1015 Bq／kg)，会损害人体健康和污染环境，因而用氧化铈含量为2％～4％的铈钨电极代替了钍钨电极。在直流正接亚弧焊时，铈钨电极易于引弧，电极烧损量少，允许焊接电流密度比钍钨大；而在交流亚弧焊时，铈钨电极的烧损量比钍钨电极大，铈钨电极选用的焊接电流允许范围要小于钍钨电极。

3．2 电光源

除纯钨外，由于钨一稀土合金具有功函数低、熔点高和蒸气压力低等特点，故而也用其作灯用放电电极材料。难熔金属的这些性能可减低负载温度、减少电极烧损和溅蚀，从而延长灯泡使用寿命。但就掺杂钨而言，钨与钍的结合亦具有某些独特性能。由于钍在钨中的可溶度低，所以钍在灯泡整个使用期间扩散至电极头时能保持低的功函数，而且也表明蒸发钍能稳定电极电弧。

南京工业大学电光源材料研究所杨宇锋等利用液一固混合法制备的含稀土氧化物的钨基合金材料，经加工制成小功率金卤灯电极，并组装成70 W的金卤灯整灯。对不同电极材质的金卤灯发光特性进行了测定，并进行分析对比，镝钨和镝钇钨合金电极的金卤灯的启动防溅性能和抗腐蚀性能可达到钍钨合金电极的水平。

3．3等离子体发生器

电弧等离子体由于具有很高的热源温度、能量集中和加热效率高等优点，被广泛应用于切割、热喷涂、焊接、熔炼、新材料合成、超细粉制备、废水处理等领域。等离子发生器中的阴极作为这一系统的关键部件，工作条件十分恶劣，常常因受到高温辐射和高能离子轰击烧蚀，导致使用寿命缩短，严重妨碍了等离子技术的大规模应用。稀土钨电极材料被认为是目前应用在电弧等离子发生器中的较佳材料。

4 展望

  到目前为止，国内对镧钨、钇钨电极材料的研究仍很少，虽有个别厂家进行了生产，但生产工艺尚不成熟，没有大规模开发和推广应用。对复合稀土钨电极材料的研究少，钨电极产品也没有系列化和标准化，难以满足工业发展和人们生活进步的需求。我国既拥有丰富的钨资源，又拥有丰富的稀土资源(占世界总量的80％)，若能根据不同母材的性质、规格、形状及不同焊接工艺要求，研制不同的电极材料，凭借我国的资源优势，形成钨电极系列产品，这将是一个很大的产业，极具诱人而广阔的市场前景。