摘要
功能梯度阴极基于表面强化层实现耐烧蚀性能和传导性能的解耦，能够有效延长阴极服役寿命。本研究围绕Nb/Cu功能梯度阴极，采取激光增材于Cu基体表面制备出Nb覆层，表征了Nb/Cu梯度阴极的微观组织、成分和物相结构，分析了硬度和热导率自覆层表面向内的变化规律。进一步地，对Nb/Cu功能梯度阴极的氩气氛围电弧放电和烧蚀行为进行了研究，高速滤光捕捉下，阴极放电表面出现多个阴极斑点团簇，烧损面形成密集烧蚀坑和溅射颗粒。Nb/Cu阴极氩气电弧烧蚀速率（1.61 μg/C）相比无氧Cu阴极（2.18 μg/C）降低26.1%，更耐电弧烧蚀。功能梯度阴极具备的优异耐电弧烧蚀性能，与Nb表层耐烧蚀性和Cu基体高传导性密切相关。Nb/Cu功能梯度阴极具备作为新型阴极应用的潜能。
电极烧蚀是电极电弧放电时无法避免的过
现阶段，调控阴极斑点放电行为的策略分为斑点迁移行为控
综合当前提升阴极耐烧蚀性研究发现，基于表面强化制成的功能梯度阴极，能够同时发挥强化层的耐烧蚀性和基体的高导热导电性，进而实现耐烧蚀性能和传导性能的解
然而，尽管金属铌满足阴极表面强化层性能需求， 但是现阶段铌/铜功能梯度阴极电弧放电及烧蚀行为不明确；此外，金属铜对红外激光的吸收率不足5
本研究围绕Nb/Cu功能梯度阴极，以激光熔覆手段于Cu表面制备Nb覆层得到Nb/Cu功能梯度阴极，表征测试层状阴极成形质量和组织结构，明晰阴极由表向内的热导率和硬度演化行为。进一步地，对Nb/Cu功能梯度阴极的氩气电弧放电和烧蚀过程进行考核，分析烧损形貌及烧蚀坑形态结构，并基于光学轮廓重构计算阴极烧蚀速率作为定量化指标，揭示出低逸出功Nb表层对提升阴极烧蚀均匀性和缓解电弧烧蚀的贡献。
Nb/Cu功能梯度阴极增材熔覆使用商用球形铌粉，粉末具备高球形度特征，粒径范围40~75 μm，纯度不低于99.9%，由射频等离子体球化法制得。增材熔覆设备型号为ZKZM-4500，包含光纤激光器、光纤传输及熔覆头、刮板式送粉器、六轴机械臂、水冷系统和控制系统。激光器额定功率4500 W，红外激光波长1080 nm，熔覆头装夹于六轴机械臂末端，可实现0.05 mm的定位精度。氩气作为送粉气和保护气，运载铌粉经管路至熔覆头中心出粉孔。出粉孔外周环绕对称分布有3束激光孔，任意激光束额定功率1500 W，由独立模块控制。
送粉增材熔覆时，无氧紫铜为基板，熔覆头底端距离基板上表面距离设置为15.5 mm，略高于激光束焦距（15 mm），光束与粉末束流空间位置为“光包粉”，基板在激光高能束作用下形成直径约1.5 mm的圆形熔池。熔覆头依照程序预设轨迹往复移动，激光器和送粉器自初始直至熔覆结束始终开启。经过工艺探索后，Nb覆层熔覆增材工艺参数如
| Parameter | Nb/Cu |
|---|---|
| Metal powder | Nb |
|
Powder feed rate/g·mi | 4.4 |
| Laser power/kW | 4.0 |
|
Scanning speed/m· | 0.08 |
| Overlap rate/% | 75 |
熔覆增材的Nb/Cu块体以线切割方式制备成68 mm×18 mm×3 mm的片式阴极样品以测试氩气电弧放电行为。通过机械磨抛方式控制Nb覆层表面粗糙度低于3.2 μm后，作为阴极承载电弧弧根。阴极氩气电弧放电和烧蚀考核基于前期自主研发的片式阴极烧蚀测试平
通过光学金相显微镜分析Nb/Cu功能梯度块体的金相组织，在熔覆块体前、中、后3个部位切取试块观察界面组织结构以判断覆层-基体之间的结合性，以界面呈波浪起伏状、无气孔或开裂缺陷作为判定异质金属层间冶金结合的依据。以扫描电子显微镜和能谱仪明晰覆层和烧损阴极组织结构和成分信息。利用X射线衍射仪表征Nb覆层物相结构，使用显微维氏硬度计和电导率仪测试阴极的硬度和电导率。以配套滤光片的高速相机揭示阴极的氩气电弧放电行为。使用光学轮廓仪对烧损阴极进行表面三维轮廓重构，提取烧损区线轮廓和烧损体积信息，进而计算得到阴极烧蚀速率以定量化反映阴极耐电弧烧蚀性能，Nb/Cu功能梯度阴极烧蚀速率为5个阴极烧蚀速率的平均值。
图1 Nb/Cu阴极截面组织和Nb覆层中部放大图
Fig.1 Cross-sectional microstructure of the Nb/Cu cathode (a) and magnified image of the Nb layer (b)
为明确功能梯度电极物相结构，选取Nb覆层中部进行X射线衍射分析，结果如
图2 Nb覆层XRD图谱
Fig.2 XRD pattern of the Nb cladding
进一步地，选取Nb/Cu局部界面，进行组织结构表征和成分测试。异质界面无气孔或裂纹缺陷，如
图3 Nb/Cu梯度阴极界面组织、元素线分布及元素面分布
Fig.3 Microstructure of partial Nb/Cu interface (a), elemental distribution along the yellow dashed line in Fig.3a (b), and EDS mappings corresponding to Fig.3a (c–d)
电极在服役环境中持续放电时，阴极表面承受电弧弧根极强的热输入，表面瞬时烧损剧烈。自阴极壁面向内的热耗散过程，同时受到阴极热导率、壁厚等因素调控。阴极具备较高的热导率时，能够控制阴极整体温度于较低水平。因此，热导率是评估阴极综合性能的重要指标之一。同时，阴极还需具备一定的结构强度，以避免服役过程出现软化变形。
| （1） |
式中，（W·
图4 Nb/Cu功能梯度阴极自表向内热导率、显微维氏硬度变化
Fig.4 Thermal conductivity and microhardness along the build direction of the prepared Nb/Cu FGC
自功能梯度阴极表面向内，热导率随测试位点深入而升高，硬度自Nb覆层较高水平至Cu基体逐渐降低。Nb覆层的热导率为102.5 W·
就硬度而言，Nb覆层靠近表面处硬度最高， 329.6 HV0.2，随后硬度随测试位点深入稳定于相应水平，Nb覆层平均硬度为315.7 HV0.2，硬度在跨越Nb覆层与Cu基体时发生骤降，由304.6 HV0.2降低至59.6 HV0.2。
值得注意的是，Nb覆层热导率仅为Cu基体1/4，而硬度则达到后者5倍以上，在如此大性能差异下实现的异质界面冶金结合，与覆层界面处成分渐变区发挥的层间过渡作用紧密相关。
综合而言，Nb/Cu功能梯度阴极内部组织均匀，覆层与基体结合紧密。高铌含量表层的制备，能够降低阴极的表面逸出功，有助于提升耐电弧烧蚀性能。
为探明Nb/Cu阴极的电弧烧蚀行为，进行阴极电弧放电、烧蚀实验，预设阴极-阳极相对位置如
图5 Nb/Cu功能梯度阴极与阳极相对位置示意图及氩气氛围燃弧放电滤光捕捉片段
Fig.5 Schematic diagrams of the cathode and anode set up (a), and the captured image of cathodic arc discharge process (b)
Nb/Cu阴极氩气氛围显示出的放电行为，本质为裸露金属表面形成的数个高速迁移的阴极斑
进一步地，针对氩气氛围持续电弧放电10 s后的Nb/Cu功能梯度阴极，观测其烧损表面形貌如
图6 氩气氛围放电10 s后Nb/Cu功能梯度阴极烧损表面形貌
Fig.6 Surface morphology of the ablated Nb/Cu FGC (a) and partial enlargement of the ablated center (b)
联系功能梯度阴极燃弧放电滤光捕捉片段可知，阴极表面形成的融合状烧蚀坑，与阴极斑点团簇的附着及迁移行为直接相关。阴极斑点作为阴极电弧弧根内部的特征结
为明确功能梯度阴极的电弧放电烧蚀机制，对氩气氛围放电10 s后的Nb/Cu阴极进行截面组织结构表征，如
图7 烧损Nb/Cu功能梯度阴极截面组织
Fig.7 Cross-sectional microstructure of the ablated Nb/Cu FGC surface (a) and magnified images of the ablated surface (b–d)
烧蚀坑的形成及结构演化，与阴极斑点关系密切，反映Nb/Cu功能梯度阴极的斑点放电行为是其氩气氛围放电烧蚀的本征特性。
使用光学轮廓仪对氩气电弧放电后的Nb/Cu功能梯度阴极进行表面三维轮廓重构，持续放电10 s后阴极烧损区的3D轮廓如
图8 烧损Nb/Cu功能梯度阴极三维轮廓和基于#A截面提取的线轮廓
Fig.8 3D morphology of the ablated Nb/Cu FGC (a) and cross-sectional profile extracted from the deepest ablated areas (#A) of the cathode in Fig.8a (b)
为定量化考核功能梯度阴极的耐电弧烧蚀性能，以光学轮廓法对阴极电弧烧蚀速率进行计算，定义未烧损平面高度为基准值后，光学轮廓仪配套软件自动计算Nb/Cu阴极烧损区低于该高度的体积作为阴极烧损体积，继而以
| （2） |
式中，c为阴极烧蚀速率（μg/C）。m和Q分别为阴极烧损质量（μg）和电荷量（C）。ρ、V、I 和 t依次为阴极密度 （μg/μ
Nb/Cu覆层阴极显示出的优异耐电弧烧蚀性能，与铌覆层促成的阴极斑点顺滑迁移关系密切。低逸出功铌相易于产生发射电子以形成阴极斑点放电，进而促使放电时众多阴极斑点在其寿命周期内能够迁移至阴极表面更广阔区
基于以上研究结果，提出Nb/Cu功能梯度阴极氩气电弧放电和烧损机理，如
图9 Nb/Cu功能梯度阴极结构示意图和阴极电弧烧蚀示意图
Fig.9 Schematic diagrams of the prepared Nb/Cu FGC (a) and cathodic arc discharge process (b)
Nb/Cu功能梯度阴极（
基于激光熔覆增材制备的Nb/Cu功能梯度阴极，完成了表层和基体差异化性能需求的解耦。Nb覆层在Nb/Cu功能梯度阴极中负责以更低的逸出功、更高的熔点抵御电弧等离子体烧蚀，同时促成燃弧区域内阴极斑点顺滑迁移，相应地，铜基体以较高的导电和导热能力及时完成电弧弧根输入热量的传导耗散。得益于Nb覆层耐烧蚀和铜基体高导热的协同作用，功能梯度阴极氩气氛围电弧烧蚀趋于缓和，显示出较低的电弧烧蚀速率。
值得注意的是，尽管Nb/Cu功能梯度阴极较之纯Cu具备更强的耐电弧烧蚀性能，但放电时电弧烧蚀仍集中于阴极表面较为狭窄的区域，集中放电和烧蚀行为不利于阴极的长期稳定服
1）增材Nb覆层厚约950 μm，与Cu基体紧密冶金结合。覆层内部无明显气孔或裂纹缺陷，成形质量较高。Nb覆层近乎由单一Nb相构成，Nb含量高达92.6at%，余下为Cu（7.4at%）。Nb覆层热导率102.5 W·
2）Nb/Cu层状阴极氩气氛围放电时，表面出现数个团簇状的阴极斑点密集区，电弧弧根明显分散。烧损Nb/Cu阴极表面形成密集烧蚀坑和溅射颗粒，中心部位烧蚀坑尺寸和密集程度最高，至边缘部位逐步下降。与Cu阴极相比，Nb/Cu层状阴极电弧烧蚀过程相对缓和，阴极烧蚀速率1.61 μg/C，相比后者降低26.1%，Nb/Cu阴极兼具表面耐烧蚀和基体高导电导热的优势，具备作为新型阴极的潜能。
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