Substitution of Thoria Additions by Lanthanum-Oxide Doping in Electrodes for Atmospheric Plasma Spraying

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

Autoren

Abstract

Um die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Elektroden auf Wolfram-Basis zu verbessern, werden üblicherweise geringe Mengen an Thoriumoxid (ThO2) beigegeben. Dadurch wird die Elektronenaustrittsarbeit gesenkt, was eine Erhöhung der Elektronen-Emission und ein stabileres Zündungsverhalten zur Folge hat. Aufgrund der Radioaktivität von Thoriumoxid, welche die Handhabung, das Recycling und die Entsorgung der Elektroden erschwert, sucht man intensiv nach alternativen, umweltfreundlichen Zusatzstoffen, welche die gleichen Verbesserungen bewirken. Eine der vielversprechendsten Alternativen zu Thoriumoxid ist Lanthanoxid (La2O3). Ziel dieser Arbeit ist ein Vergleich von Wolfram-Kathoden mit 2 m% Thoriumoxid (WT20) und mit 1 m% Lanthanoxid. Dazu wurden sowohl zyklische als auch kontinuierliche Plasmaspritzversuche durchgeführt, um die Lichtbogen-Zündung, die Plasmastabilität und die Lichtbogenerosion zu untersuchen. Zusätzlich wurden die Gefüge der gebrauchten Kathoden und von gespritzen Al2O3-Schichten auf Mo-Substrat analysiert. Sowohl im zyklischen als auch im kontinuierlichen Betriebsmodus ist die Abfallrate der Lichtbogenspannung für WL10-Elektroden geringer. Dies lässt auf eine längere Standzeit schließen, was auch durch die direkte Messung der Verschleißrate bestätigt wird. Aufgrund der niedrigeren Austrittsarbeit setzen WL10-Elektroden leichter Elektronen frei als WT20-Elektroden. Aus diesem Grund ist weniger elektrische Leistung erforderlich, weil bereits eine geringere Temperatur ausreicht, um das Plasma aufrecht zu erhalten. Trotzdem ist die im Plasma verbleibende Leistung gleich groß, weil im Fall von WT20 mehr Leistung durch Dissipation abgeführt wird. Die Unterschiede der beiden Materialen zeigen sich aber nicht nur bei den Prozessparametern, sondern auch in ihrer Mikrostruktur. Der Bereich unmittelbar an der Spitze der WT20-Kathode weist keine Oxide mehr auf und es liegt ein grobes Gefüge vor. Die Temperatur an der Spitze reicht vermutlich aus, um die Oxide zu verdampfen und zu einer Rekristallisation zu führen. Im Gegensatz dazu sind im Spitzenbereich der WL10-Kathode noch Oxide vorhanden, die für eine verbesserte Elektronen-Emission sorgen. Aufgrund der geringeren Kathodentemperatur ist der Verschleiß der WL10-Kathode geringer. Mit zunehmender Abnützung der Elektroden nimmt auch die Qualität der gespritzten Schichten ab. Da die Verschleißrate im Fall der WL10-Elektroden geringer ist, bleibt die Schichtqualität über einen längeren Zeitraum auf einem hohen Level. Die Ergebnisse zeigen, dass Elektroden mit Lanthanoxid-Zusätzen ein konkurrenzfähiger Ersatz für radioaktive, thorierte Elektroden sind.

Details

Titel in ÜbersetzungSubstitution von Thoriumoxid in Elektroden für das atmosphärische Plasmaspritzen durch Lanthanoxid
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung22 März 2013
StatusVeröffentlicht - 2013