Éclaboussures de tungstène

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12210 (2023) Citer cet article

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Un mécanisme unique d'éclaboussement d'une anode à base de tungstène a été identifié lors d'une décharge en arc. Les éclaboussures se sont produites par rupture d'une colonne de métal liquide, qui s'allonge après qu'une concavité locale se soit formée sur la surface de l'anode fondue. La luminescence bleu-violet, émise par les ions cérium provenant des additifs présents dans l'anode à base de tungstène, a été capturée avant la formation de la concavité. La température de surface dépassait le point d'ébullition des additifs au moment des projections. Les vitesses mesurées des gouttelettes suggèrent qu’une force électromagnétique contribue aux éjections à grande vitesse. La cartographie par spectrométrie à dispersion d'énergie a également montré un reste d'additifs sur la section transversale longitudinale de l'anode après la décharge de l'arc. Sur la base de ces faits expérimentaux, le mécanisme d'éclaboussure de l'anode lors d'une décharge en arc a été déduit comme suit : formation de bulles d'additifs à des températures supérieures à leur point d'ébullition, éclatement de bulles à la surface, génération de jets de micro-plasma, allongement et rupture de la colonne de liquide sous un courant d'air chaud. force électromagnétique et, par conséquent, une éjection de gouttelettes à grande vitesse.

Une décharge électrique se produit lorsqu'un courant électrique circule à travers un milieu gazeux conducteur constitué d'électrons et d'espèces ionisées de molécules et d'atomes. Un tel milieu est appelé plasma. Une décharge en arc est un type de décharge électrique provoquée par une basse tension et un courant élevé entre une cathode et une anode sous pression atmosphérique. Étant donné que les décharges d'arc peuvent produire des températures remarquablement élevées (> 10 000 K), le plasma d'arc a été utilisé comme source de chaleur unique dans le découpage et l'assemblage de métaux à grande vitesse1,2,3. De plus, elle attire l’attention scientifique et industrielle en tant qu’outil prometteur pour la fabrication de matériaux tridimensionnels, connue sous le nom de fabrication additive4,5. En raison de sa luminosité élevée, le plasma à arc est également utilisé comme source lumineuse. Comme le photovoltaïque devrait devenir une source d’électricité durable dans un avenir proche, l’amélioration de l’efficacité de la conversion de la lumière solaire en électricité constitue un problème social dominant6,7. Pour mesurer avec précision l’efficacité de la conversion, une source de lumière stable avec un spectre d’émission équivalent à celui de la lumière solaire est nécessaire. Parmi les sources lumineuses satisfaisant à ces exigences figurent les lampes à arc au xénon et les lampes à arc aux halogénures métalliques8,9,10. Récemment, nous avons identifié la dynamique unique d’une surface d’électrode fondue interagissant avec un plasma d’arc. Le présent article développe ces résultats.

Une cathode émet des électrons thermoioniques lorsqu'elle est chauffée à haute température. Lorsque le courant d'arc est suffisamment fourni par la seule émission thermoionique, le plasma d'arc reste relativement stable. Pour cette raison, le matériau cathodique doit être solide ou liquide même à des températures supérieures à 3 000 K. Le matériau cathodique habituel est le tungstène, qui a un point de fusion et un point d'ébullition élevés. De plus, le tungstène dopé avec quelques pour cent en poids d'oxydes a un travail de sortie effectif inférieur et une émission thermoionique inférieure à celle du tungstène pur. Par conséquent, la température cathodique est réduite et l’érosion cathodique est supprimée11,12. De plus, en considérant la diffusion et l’évaporation des additifs dans la cathode, les chercheurs ont amélioré leurs prévisions sur l’érosion de la cathode13,14.

Bien que les phénomènes de la cathode à base de tungstène lors d'une décharge en arc aient été bien étudiés, les phénomènes de l'anode à base de tungstène restent largement inexpliqués. L'un de ces phénomènes est l'éclaboussement de l'anode fondue. Comme le courant d’arc peut être soit un courant continu (CC), soit un courant alternatif (AC)15,16,17, une seule électrode à base de tungstène devient à la fois la cathode et l’anode. Cependant, la physique des anodes à base de tungstène est mal comprise, de sorte que les phénomènes d'électrode lors d'une décharge en arc AC (qui est plus complexe que l'arc DC) restent inconnus. En particulier, les éclaboussures de l'anode fondue accélèrent l'érosion de l'anode et empêchent la formation d'un plasma d'arc stable. De plus, les éclaboussures de métaux en fusion provoquent une contamination et réduisent la qualité des applications telles que les lampes à arc, l'assemblage de matériaux et la fabrication additive. Plusieurs études ont également rapporté qu’une partie d’une cathode fondue est éjectée sous forme de gouttelettes lors d’une décharge en arc CC18,19. Il convient toutefois de noter que ces études ont été menées dans des conditions spécifiques immédiatement après l’amorçage ou l’extinction de l’arc18,19. En revanche, nous avons observé les éjections de gouttelettes d’une anode à base de tungstène lors du fonctionnement continu d’une décharge en arc. Cette étude révèle la dynamique et le mécanisme du processus d'éclaboussure sur la surface de l'anode à base de tungstène lors d'une décharge d'arc CC soutenue. Ces nouvelles connaissances bénéficieront à la fois aux applications scientifiques et industrielles de la décharge par arc.