钛–锆–钼合金（TZM）电极选材、设计与工程应用建议
一、材料选型原则
应根据以下关键工况参数综合判断是否采用 TZM 及具体牌号／规格：
• 工作温度范围（一般 1200–2000°C；短时可更高）
• 电流密度与载荷工况（电-热-力耦合）
• 使用气氛（真空、惰性、还原性、含氧气氛）
• 热循环次数与升降温速率
• 零件几何形状（薄厚变化、尖角区、焊接结构是否存在应力集中）
• 对导电性与导热性的要求
• 表面电弧冲击与阳极／阴极行为差异
若存在频繁热冲击、高电流密度、严苛真空或惰性气氛条件，TZM 通常是优选材料；若存在显著氧化、腐蚀或高蒸汽压环境，则需额外的防护设计。
二、耐氧化与表面防护
TZM 在 600°C 以上易在空气中快速氧化，因此在存在氧或水蒸气的条件下必须：
采用表面防护涂层：
• 碳化物（如 TiC、ZrC、SiC）
• 硅化物（MoSi₂ 或复合硅化物）
• 稳定陶瓷涂层（YSZ、Al₂O₃、ZrO₂）
• CVD/PACT/LPCVD 方式沉积保护膜
设计惰性气氛或局部保护系统：
• Ar、He 流场保护
• 控制氧含量 < 10 ppm 的微氧环境
• 真空腔体中配置冷阱、吸气剂降低残氧
三、制造与加工工艺建议
材料制备
• 建议采用粉末冶金（PM）+ 热等静压（HIP）制备高致密度坯材，以控制孔隙率、提高抗蠕变性能。
• 后续进行锻造、挤压或热轧以细化晶粒并改善取向。
热处理与应力控制
• 机加工前应进行充分退火或应力消除处理，避免后续产生裂纹、翘曲或尺寸漂移。
• 热加工区应避免过度冷却以免产生热裂纹。
机械加工
• 减少冷加工比例，避免加工硬化导致的脆化倾向。
• 刀具选用硬质合金或 CBN，采用充分冷却液。
• 电极类零件尽量避免尖锐转角，保持均匀截面过渡。
四、关键质量检测与性能要求
对用于电弧、电阻加热、等离子体、电子束等工况的 TZM 电极必须进行系统质量评估：
无损检测
• 探伤：UT／RT／PT 视零件形状选用
• 显微组织：晶粒大小、孔隙度、第二相分布
• 析出物检测：Ti、Zr、碳化物的数量和均匀性
化学成分分析
• Ti、Zr 含量与均匀度
• C、O、N、H 等间隙元素（影响脆性与高温性能）
性能测试
• 高温拉伸、持久与蠕变性能
• 热导率、电阻率、比热等物性
• 电弧耐蚀性、表面烧蚀速率
• 热疲劳与热震寿命（急热急冷条件下）
五、电极设计要点
在电极结构设计中必须综合考虑以下因素：
电流与热场分布
• 避免局部高电流密度引发阳极斑点或电弧根温度过高
• 设计良好的导热路径与散热结构（冷却槽、背板、导热界面材料）
接触电阻与耦合方式
• 采用高稳定连接方式（钼-铜复合接口、扩散焊、真空钎焊）
• 控制接触面积及压力，降低电阻发热
表面形态与耐耗特性
• 表面应保持适度粗糙度以稳定电弧
• 对容易出现烧蚀的区域进行局部加厚或涂层强化
可维护性
• 电极寿命衰减曲线的监测
• 快速更换结构、模块化设计
六、特殊工况下的设计重点
频繁热循环
• 关注晶界强化和热疲劳裂纹萌生
• 选用高纯 TZM 或微合金化 TZM（如 La/Mo 或稀土强化型）
强电弧冲击
• 优化电极端部形状、避免尖峰电流区
• 设计电弧根稳定区以降低局部过热
真空高功率环境
• 控制蒸发速率与溅射，提高表面致密度和涂层附着性
• 避免高蒸汽压元素掺杂
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