автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Характеристики плазменной электротермической установки с жидкими электродами

РГ8 W1 к т " п Е Б У Р Г С К и и

■государственный технический уингп'сишг

■г. ü ri1-*'

Hfl Пр. 1РЛХ рукописи ♦ ♦

ХЛКИШВ Радик 1унарон1Ч

Характеристики плазменной электроткр:а!чбск.ой

7 установки с жидкими электродами

Специальность 05.09.10 - электротермические

процосси И :,::гли ч;;ги

Авторефер а т ^

диссертации па соисканно ученой степени кандидата технических наук'

Санкт- Петербург I

Работа выполнена в лаборатории "Высококонцентрированные источники энергии" кафедры электротехники и электропики Камского политехнического института г.Набережные Челпи.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

■профессор Гаисип Ф. М. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дресвин С. В.

кандидат физико - математических-, наук,зав;лаборатории Жолтухин B.C. Ведущая организация: НИИ Вакууммаш.

Защита состоится __января_д94Г

в Ж

аипяпа ____

.часов

на заседании специализированного совета К.063.38.25. по присуждению ученой степени кандидата технических Наук при Санкт-Петербургском Государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт - Петербург, »Политехническая ул.29, ауд.34, 9 уч.кор.

С диссертацией можно, ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного технического университета.

Автореферат разослан

декабря 1 gg;)r

Ученый секретарь специализированного Совета,

к .Т.н., доцент Л -! I. I вцо в

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Современная техника требует технологий управляемого воздействия на материалы с целью получения заданных Характеристик работы машин и изделий нашипоотрооним. Они позволяют экономить энергию, реагенты, сырье, повышать производитель--иость Труда и качество изделий. Составной частью проблемы созда- ' ■ния научных основ технологии управляемого <|!ориирования заданных свойств изделия является практически не исследованный вопрос ci воздействии неравновесной газоразрядной плазмы на различные материалы. В такой плазме температура атомов и молекул близка к .температуре окружающей среды, а электроны обладают энергией,достаточной для возбуждения,диссоциации.ионизации атомов и молекул. Использование неравновесной плазмы часто обеспечивает повышение ■■эффективности многих технологических процессов, таких irait плазмо-'• химическое формирование покрытий с заданными свойствами па раз-■личных материалах, получение композиционных материалов и т.д.;

Одним из способов получения низкотемпературной неравновесной плазмы является использование разряда,горящего между твердим и жидким электродами. Такие разряды используются для нанесения •.'высококачественных защитных покрытий , а также для нагрева металлов и Сплавов в электролите. Несмотря fia большие возможности использования их в народном Хозяйстве, набор имеющихся в литерату-• ре экспериментальных и теоретических данных не позволяет достаточно '.'.уверенно судить о закономерностях и механизмах разрядов, .'•горящих между твердым и жидким, а также между жидкими электрода-■ ми. Нёт единого мнения о природе разрядов .с жидкими электродами, отсутствуют надежные данные о вольт - амперных характеристиках (BÀX), о величинах анодного и катодного падения потенциалов, не изучена физика приэлектродных процессов. Остается малоизученном . взаимодействие плазмы разряда с поверхностями твердых тел. ; Все это препятствует широкому применению электротермических установок (ЭТУ) с жидкими электродами в промышленности. В связи с вышеизложенным, экспериментальное исследование разряда, горящего в газе между твердым и жидким электродами, а также между жидкими электродами, разработка математической модели его и создание на этой основе плазменных ЭТУ представляют собой актуальную задачу.

Цель работы.. Разработка новых видов плазменных электротермических- установок с жидкими электродани и последующее их вне дрение в производство, экспериментальное и теоретическое изучение газовых разрядов различных модификаций: между, жидким неметаллическим анодом и твердом катодом; между-жидким неметаллическим катодом и твердым анодом; между, двумя жидкими электродами: между струей жидкости и твёрдотельным электродом, а также исследование процессов взаимодействия плазмы этих разрядов с твердыми телами. Исследования показали» что -эти разряди можно использовать дли прошивки отверстий в металле, резки металла, снятия заусенцев, очистки : поверхности 'деталей, напыления металлической пленки на диэлектрическую подложку, создания плазмотронов.

При достижении поставленной цели решены следующие задачи:

1.Создана экспериментальная плазменная ЭТУ для установления закономерностей приэлектродных и объемных физических процессов в электрических разрядах с нетрадиционными электродами - Со струей электролита, с жидкими неметаллическими электродами.

2. Экспериментально исследованы напряжение зажигания и БАХ разряда с жидким'неметаллическим анодом,определены анодное! и катодное падения потенциала, пространственные-распределения потенциала и напряженности электрического поля в зависимости от межэлектродного расстояния, давления для различного состава и концентрации электролитов.Проведено критериальное обобщение результатов исследований ВАХ разрядов с жидким анодом для расчета ЭТУ с жидкими,электродами.

3. Составлена и решена математическая .модель плазменного столба (ПС) разряда, горящего между жидким и твердым электродами в двумерной геометрии с учетом квазинейтральности плазмы и амии-.полярной диффузии заряженных частиц.

4. Разработана и изготовлена опытно-промышленная плазменная ЭТУ со струей электролита и с жидкими электродами в электролити -ческой ячейке для применения в народном хозяйстве.

•5. Исследованы .процессы прошивки отверстий в металле, резки металла, снятия заусенцев,очистки внутренних поверхностей трубок с помощью плазмы электрического разряда, горящего между струе» электролита и твердым электродом.

6. Исследованы процессы получения оксидного порошка вязких

Г- з -

*

и тугоплавких металлов при пониженных давлениях, напыления слоя металла,на диэлектрические подложки методой ионно - плазменного, распиления в плазме разряда с жидкими электродами при атмосферном давлении. Установлены возможности практического применения разряда между двумя жидкими неметаллическими электродами для создания новых плазменных электротермических установок.

Научная новизна исследований заключается в следующем: гч

; 1. Впервые установлена возможность существования самостоя-тельЕюго' тлеющего и многоканального разрядов,горящих между струей электролита и твердым электродом, а также между двумя струями электролита.- Изучены параметры этих разрядов: структуры и ВЛХ, плотности тока, условия самоподдержания разряда в зависимости от тбка, длины струи, расхода, состава и концентрации электролита.

2.. Впервые составлена и решена математическая модель ПС разряда постоянного тока, горящего межЬу твердым и жидким электродам^ с учетом квазинейтральности плазмы и амбиполярной диффузии, частиц для двумерной геометрии разрядной области.

3.Впервые в критериальной форме обобщены ВЛХ разряда с жидким неметаллическим анодом. Найдены формулы, предназначенные для расчета зависимостей напряжения разряда от силы тока, давления и межэлектродного расстояния.

„:; • 4. Экспериментально исследованы структура, электрические характеристики разряда, горящего между жидким неметаллическим анодом и -твердым катодом, а также между двумя жидкими электродами в широком диапазоне давлений 102*10 5Па, межэлектродных расстояний •'.0\0,22м. Установлено, что между жидким анодом и твердым катодом горит или тлеющий разряд (при пониженных давлениях) или разряд с пленочным пятном на аноде и контрагированным пятном на катоде (при повышенных давлениях). Показано, что плотность тока на аноде, распределение напряженности электрического поля и анодные падения .существенно зависят от состава и концентрации электролита.

5. Впервые установлено, что между жидкими неметаллическими катодом и анодом горит тлеющий разряд со структурой, отличной в Прикатодгюй области от традиционной, а в специальных разрядных камерах между электролитами со слабой проводимостью горит многоканальный разряд.После зажигания разряда величина плотности тока на катоде или аноде с ростом тока возрастает, достигает максиму-

ма, а затем снижается с дальнейшим переходом в предельный режим, где выполняется закон Геля с нормальной плотность» тока.Установлено, что характер зависимости плотности тока на жидком катоде и жидком аноде от давления определяется составом и концентрацией электролита.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит В ТОМ, что:

- результаты исследований расширяют' представления о физике электрических разрядов с жидкими электродани,а также способствуют дальнейшему систематическому изучению подобных систем с позиций применения плазмы этих разрядов для обработки материалов.

- данные о физике процесса зажигания и горения разряда с жидким электродом в парогазовой среде можно использовать как в исследовательских целях, таки для поиска подходов к управлению параметрами разряда в технологических процессах очистки поверхности металлов и полупроводников, снятия заусенцев;

- показана возможность непосредственного получения оксидного порошка из.материала электрода в разряде с жидким электродом, что позволяет при использовании композиционных электродов синтезировать сложные оксидные соединения, обладающие особыми электрог физическими" и механическими свойствами; ,

~ выявлены возможности технологического применения в машиностроении плазмы разряда со струей электролита;

-установлена возможность использования плазмы электрического разряда с двумя жидкими электродами при создании плазмотрона;

- показана возможность напыления металла при атмосферном давлении на диэлектрическую подложку с помощью плазмы электрического разряда в трубе с жидким катодом;

- впервые предлагается, математическая модель плазменного столба разряда с жидким электродом и способ ее расчета;

' - результаты исследований были использованы в КамПИ при выполнении хоздоговорных работ №10-04, 10-05, 10-06,с предприятием НПО "Татэлектромаш", №111/02 с предприятием НПО "Мединструмент";

- результаты исследований использованы при выполнении госбюджетной. темы №327/89 "Изучение взаимодействия плазмы нетрадиционных источников с поверхностью твердых тел и со.'Я.мпие основ новых технологий распыления и нанесения защитных 'кжритшг ;

- разработанные экспериментальные плазменные ЭТУ полупро-ягоюешгого образца используются в ДО "КамАЗ", НПО "Татэлоктрог лаш", НПО " Мединструмент" и в исследовательской лаборатории каре дры электротехники и электроники КамПИ.Акт oí) ииользовании результатов' диссертации и об их- внедрении на заводе ПРЗ АО "КамАЗ" приложен'к диссертации.

!. На защиту выносятся следующие научно-технические положения:

.1 . Результаты исследования приэлектродных и объемных процессов стационарных разрядов с жидкими электродами. Структуры, ВАХ разрядов,, пространственные распределения потенциала и напряженности электрического поля, плотности тока на твердых и жидких электродах из дистиллированной и технической воды,из водных растворов 'солей (Haci, CuS04, и т.д.) в диапазоне давлений Р= 102 * 10^На, межэлектродных расстояний 1=0*0, 22м. Результаты обобщений электрических характеристик- разряда с жидким анодом в критериальном виде и найденные формулы для их расчета,которые используются при разработке ЭТУ с жидкими электродами.

2: Математическая модель ПС разряда с жидким неметаллическим и- твердым'электродами и решение полученной модели методом итераций в двумерной геометрии ПС; разряда с учетом квазинейтральности плазмы и-амбигюлярной диффузии заряженных частиц.Эта' модель позволяет. рассчитать распределения концентраций носителей зарядов, потенциала и напряженности электрического поля, ВАХ разряда при заданных граничных условиях, .'и результаты расчета могут быть использованы для подбора оптимальных параметров плазмы разряда при расчетах электротермических установок с; жидкими электродами.

3.: Результаты исследований электрического разряда, горящего между струей электролита и твердым электродом при атмосферном давлений: закономерности зажигания и существования разряда между струей электролита и твердым электродом, структура и вид разряда, его ВАХ, зависимости плотности тока па жидком электродегструи от тока разряда, расхода и концентрации электролита.

4.' Способы очистки поверхностей металлов, снятия заусенцев, прошивки отверстий и резки металлов с помощью плазмы разряда, горящего между струей электролита и твердым электродом,а также характеристики ЭТУ со струей- электролита в зависимости от тока, плотности тока на струи электролита и расхода электролита.

- б -

5. Способ получения оксидного порошка из тугоплавких металлов в плазме разряда с жидким электродом, зависимость производительности процесса получения порошка от плотности тока.

6. Опытно-промышленная плазменная ЭТУ с жидкими электродами в электролитической ячейке и со струей электролита,предназначенная для осуществления технологических операций прошивки отверстий, резки металлов,очистки поверхности, снятия заусенцев с труднодоступных участков, получения оксидного порошка, напыления металлов на диэлектрические подложки при атмосферном давлении.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции "Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности" (01 "02.06.1988. Свердловск), VI Республиканская научно- техническая конференция КамАЗ - КамПИ "Научно-производственные и социально-экономические проблемы производства автомобиля "КАМАЗ"" (10* 11. 06.1988. Наб. Челны), Республиканская научно-техническая конференция "НАУКА-ПРОИЗВОДСТВУ" КамАЗ-КамПИ, посвященная 10 - летию КамПИ (27 * 29.1990. Наб.Челны), Всесоюзная научно - техническая конференция "Состояние и перспективы развития вакуумной техники. "Вакуум-91"" (2Г23.05.1991. Казань), VI - конференция по физике газового разряда (23*25.06.1992. Казань.),"Проблемы и прикладные вопросы„физики" (19*20.05.1993. Саранск), в хи - международной школе-семинаре по проблемам механики сплошных сред:"Модели в механике сплошных сред" (29.06*7.07.1993. Казань). По результатам диссертационной работы получено одно а.с. №1582464 СССР, приоритет от 1.12.87. Результаты работы использовались при составлении отчетов по г/б теме №327/89 "Изучение взаимодействия плазмы нетрадиционных источников с поверхностью твердых тел и создание основ новых технологий очистки, распыления и нанесения защитных покрытий", по х/д теме №111/02 "Исследование процесса модификации рабочих, элементов мединструментов с помощью тлеющего разряда с жидким электродом", а.также по х/д темам №10-0.4, 10-05 и 10-06 с ПО "Татэлектромаш".

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы восемнадцать печатных работ.

Степень достоверности результатов определяется применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследова-

шй с Использованием разных методов и сравнением их результатов «5жду собой, с известными опытными и теоретическими донными других авторов.Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокой точности на,стабильно Функционирующей установке с хорошей- воспроизводимостью данных, обра'х> •• ганных-на ЭВМ с применением методов гл-угематичеокой статистики.

Объём и структура диссертации.Диссертация состоит из рводе-пи'я, четырех глав, выводов, библиографии, примечания и 2 приложений. Работа изложена на 186 страницах, включает г>о рисунков, '¿п .'/орография, 4 таблицы, список литературы и;.; 12! я,чин^,чок'лгтил и L20 страниц машинописного текста.

, СОДЕРЖАНИЕ РАБОТН

Во;введении обоснована актуальность проблемы, практическая цённос1ъ.' и реализация результатов работы, научная новизна исследований,- сформулированы цель: работы и защищаемое положения.

В ; первой главе ' проведен '.критический анализ известных теоретических и эксперинеыталышх-'исследований разрядов в газе горя . щих между жидкими и твердыми электродами, а также обсуждаются области .'их некоторых практических применений; п<[ормулирсг>:шм за дачи диссертационной работы.

Во ..Второй главе приведены описания экспериментальной плазменной ¿ТУ с жидкими электродами в электролитической ячейке и со струей 'электролита', а также'измерительной аппаратуры и методики измерений параметров разряда' с жидкими электродами и электротермических процессов. Представлены результаты оценки точности измерений И вычислений характеристик исследованных разрядов.

Экспериментальная установка прел,назначена для исследований электрических разрядов в диапазоне параметров нопртенпй разряда

и '-102f'8-103B, токов J=0,01 * 300А., давлений le Ю'- 1к/'Па, можэлйк-р

родных .'расстояний 1=-0,02* 0, 22н, давлений э лектролита на выходном конце наконечника Р=10°*2-104Па, расходов электролита g- 1<.Г6,5-• i0~d .'м?/сек .чпя различного ¡состава и концентрации жидкого электролита. Be Функциональная схема приведена на рис.!. Она состоит из стабилизированного регулируемого источника питания 1 с ко мглу-Тируещими цеилми. электролитической ячейки 2. егшуумиой системы;

Рис Л

системы сбора, хранения,очистки,регулирования параметров и пола чц электролита (бак 3,вентиля 4, насосы 5 и т.д.), измерительной аппаратуры.параметров электролита и разряда; устройств регулирования межэлектродного расстояния 6, подачи электролита 7 и отсоса паров воды и газов 8. Суммарная '«электрическая гющпоеть, потребляемая установкой, не превышает 8,9кВт. .Амплитуда пульсаций напряжения источника питания была в предела;; 1з:*2г.а относительные погрешности измерений напряжений,токов, температуры электролита не превышали 1,5%,2Х. давлений и межо.моктрошшх расстоянии-10*122. Относительная погрешность измерения плавящего потенциала иг максимальна у металлического электрода, составлю о' 1и'1'.й и уменьшается в направлении жидкого'элект| и »да. Координаты и размеры зонда, размеры электродных пятен определяли с погрешностью не более *5Ю~4м, а с помощью отсчетного микроскопа СИ - 52 - с погрешностью *Ы0'4м. Площади электродных пятен олпгчой <|»рми определяли графически с помощью миллиметровой сетки.

В. третьей главе изложены математическая модель ПС разряда с жидким электродом и способ ее решения, результаты экспериментальных исследований структуры электродных пятен, ВАХ ра-рядов, ре.' ультаты исследований пространственных распределений п> оенцнала и напряженности электрического ноля, величин ютоднш • > и анодного падений потенциала. В этой же главе обсуждаются результаты исхли-

дований ' зависимостей плотностей токл на электрода* от ые.жэлнктр-одного.расстояния и давления в разрядной каморе.Показаны возможности применения плазмы 'исследованных разрядов с жидкими электродами для технологических целей.

В основе предлагаемой модели ПС разряд-! с одним жидким эле • ктродом лежит модель пятикомпонеитного < ммцюнп. отрицательные и положительиие ионы,нейтральные атомы газа и ионы атомов, попадающих в TIC из электролита) кеазиотационарнбго lie при пониженных и средних давлениях» Модель учитывает основные элементарные процессы,, происходящие в ПС (ионизации и рекомбинации в объеме, отлипания.и прилипания и т. д. )'.разряда в электроотрицательной среде при наличии свободной поверхности жидкого Неметаллического электрода.Для описания ПС используются уравнения'баланса частиц, Пуассона,- условия потенциальности электрического поля, условие квазинейтральпости плазмы и закон Ома:

~div(D' >grad(n )4Ц ,-n -Е )-а.'.-п' -а -п -кх.-п О . -ri n -H n n в 4 е' 'е е г, о a р d - » vi e - ' ср ч р

-div(tí.+-gradOi4 )-Ц+ -Ё)=а/,пе-рс. -пе -п , - p.¡ . -n_ •» ,

^div(D '.-■grad(ti_ )+{Jt -n ■ Е -nр- а i -ri "PjJn '■n + -|}i-n_ -n

-div(D -gradin -U -n -Ë)=a. -n -0 -n n -fl. n n . p • P rP p if? с 1 ер e p 1 ip - P

ht p s 4% • p • e ; rot<.'5)= 0; nç4ni_:- n^-tn ; E - -arad (<(>>. ' j-E » е.- ne-К ¿ Ц n -Б';> Ц^ п ^- К n -Ц -Б) ,

Наличие свободной поверхности электролига учитывается и граничными условиями. Принятые граничные условия следующие:

дч

la ■ !к

<Р| =0,; Ф| =-Up, ф

= 0, -Х--

а.к ' ЗГ

=0, и I --О. п I -п , и I -О. t '' Iа !'|к-

На.остальной Границе ne-=n+-n =пр = (.»; ^ =■ о. Эти ура&Еюния приводятся к смешанной квазилинейной эллиптической системе уравнений, т. е. приходим к задаче об отыскании четного по х решения системы уравнении:

An - к.,-п t к,п'П 4 Imi'I (i-' I n ) 1 I: . . п и ,

" е 11 е 12 - I i е - 11 ** р

Ли = к„, -п • к.,,-п + 1: ,„-п (n t n ) 1к,.,,п • п

• 21 <? ¿2. - 23 - ' о - 24 - Р '

An = к„. п + к.>0-п -п 1 к0., п -и

Р 31 и 32 е р 33 - £•

Лф = f (че, п_, Пр)

В области d - {-ь 5 х ' ь, о у ' i>. i; ^-числовые коэффициенты. Решение этой задачи строим методом итерации с (юследущим разложением'". искомых функций в ряд Фурье. Коэффициенты разложения Ак

определяются из бесконечной системы.алгебраических уравнений: 00

L С„ u--A„=ci„, где С, ^ и d -числовые величины, ини вычисляются

—Q п, ft п. п Г1 , ft П

по известным значениям постоянных, характеризующих коэффициенты элементарных процессов,, величин давления,температуры,напряжения, межэлектродного расстояния, размеров камеры,электродов и' граничных условий. Расчетом на ЭВМ определены распределения концентраций п , n , п , потенциала <р , напряженности поля Ё и значение

, ® — Р

тока J =j■s, где s-сечение ПС, j- плотность тока. Результаты расчетов для разряда с жидким анодом показывают, удовлетворительное совпадение их с измеренными'нами ВАХ.На рис.2 показаны расчетная кривая 5 и экспериментальные.ВАХ разряда. Исследования показали, что в исследованном диапазоне давлении и токов, все ВЛХ разряда с жидким анодом возрастающие, с увеличением Р и. 1 напряжение разряда возрастает. С изменением состава и концентрации анода вид этих зависимостей несколько меняется. . и, в] ___

Рис'.;2 ВЛХ разряда горящего между дистиллированной водой сЛ) и стальным катодом <d = О,004м> при различных 1 ~и Pi. Кривые ГЗ uj >и Р-2Ш)Г1а, 4-Р=532Ю!1а. Кривые 1,' 4 при 1-0.01м 2-1= 0,02м; 3 1-= 0,03м. 1Г 0,02м, Р~- 270011а,'' и- 7530В. '

О 50 100 150 J -ТО3., Л Сравнение экспериментальных данных показывает, чго при одинаковых условиях опыта -разрядный ток между жидким людом и неметаллическим катодом в несколько раз больше,- чем разрядный ток с жидким катодом из того же электролита, и металлическим онодоц.

Рис.3 Характернее завнси мости плотностей'тока h i жидком аноде j,,.., (I -2> и

500

^жа'^к

А/м

> -iof

0,6 0,4 0,2 О

- 1

1 ——А—* 4

1 ... 1 . 3 3 - 1

стальном катод*:

к

О 2660- 5320 7980 Р, Па

■<d ^ о,004м> от давления. Кривые 2, 4 для Ь% и кри -вые 1. .3 для .'i с -х волних .растворов Cut'.o4: J » 0.1 А и J - 0,01м.

Из сравнения кривых 1 и 2 следует, что „1 на аноде из 202 раствора Сп304 в интервале Р-1300'С700Па меньше, чем ^ на аноде из 5%-го раствора Си304 в дистиллированной воде.С дальнейшим ростом Р до 10700 Па величина 5жа (кривая 1) начинает резко расти-квадратично относительно давления и превышает ¿юдИя 5%-го раствора. Плотности тока ак с ростом Р растут линейно. Из сравнения кривых 2 и '1 следует, что в диапазоне Р= 1300! 10700Па при использование 5*-го р-ра Сиво^ о превышает э'к3*8 раз. На этом примере зависимостей ажа(Р) и эк(Р) можно показать,что с ростом 1 эжа уменьшается и растет пропорционально квадрату Р-■♦"{Г остальном характеры зависимостей ожа(Р> и ок(Р> для разряда с разнородными анодами сохраняется. Анализ полученных результатов показывает.что замена жидкого катода на жидкий анод на один порядок увеличивает плотность тока на жидком электроде при прочих равных условиях.

Используя известный закон подобия Пашена, метод размерностей к разряду с жидким анодом в неподвижном газе и избавляясь от физических постоянных, упрощенную структуру критериального уравнения обобщенных ВАХ запишем в виде

и I0'5 г J ча й

—^--= с- —[Г751■(Р'1) - Логарифмируя его и применяя метод

наименьших квадратов для средне-квадратичного отклонения искомого функционала от экспериментальных точек, находим формулы для расчета неизвестных с,а,р.С помощью расчета на ЭВМ для разряда с жидким анодом получаем уравнения обобщенных ВАХ в диапазоне Р=-102,105Г1а, 1=0,001*0,22м, м= 0,02*2Асо значениями С,а,р: Таблица • .

Наименование электролита-анода с (X Р

Дистиллированная вода 645 1 780 -0, 72 -0, 49

Техническая вода О. 975 -0,054

'."с - и р-р. мaC i, сплошное катодное пятно 5220 -0,995 -о, зо;

'.ü lí р-р МаС]., точечное катодное пятно 30.10 134 -0.96 0,19

20» р--р CuSo4, сплошное катодное пятно е.. 93 0,26,

20% р-р.Сизо^,точечное катодное пятно 2930 -1,10 -0,085

Сравнения этих формул показывают, что они количественно сильно отличаются друг от друга, что указывает на различия физических

. - -

процессов в разрядах со сплошным пленочный и точечным катодными пятнами. Максимальное среднеквадратичное отклонение экснерммен-тальных значений и разряда от расчетных составляет ЮМ '<:%. Поэтому полученные обобщенные характеристики могут быть рекомендованы для использования в расчетах ЭТУ с жидким анодом.

В главе 3 также приводятся результаты исследований характеристик разряда, горящего между струей электролита и металлическим электродом.На рис.4 и 5 приводятся ВАХ разряда и зависимость тока^ разряда от расхода электролита с при давлении Р- КГ'Па:

¿.к

А 5

405

0,2 0,8 1,4 2.0 О, А Рис.4.ВАХ разряда со струей элек-

0

КМ • 10','ы /с

Рис. 5. Зависимость то/га от ¡-ас хода электролита дли различии* 1: 1. К-тех.вода. 1-0.01Зм.2!5 К- 10% -Й ИаС1. 2. 1= 0,011-1. 3, 1= 0,014м; 4. 1 - 0,022м: 5. 1 - 0.03м.

тролита. Кривая 1.Катод-тех. вода. 1-=0,01м,с!=0, 006м; 2*3 К-10% N»01; 2*5 с!=0,003м; 2 1=0,01м: 3'5 ь 0,015м; 4-1=0,045м; 5; Л-5* сиао4 1=0,015м; 6. А - 10% р-р Си304, 1 = 0,035м, с1 = 0,005м.

В результате анализа и обобщения большого количества экспериментальных данных изучения разряда в газе между твердым анодом и струей жидкости (катод) установлено, что горит многоканальный разряд, характеризующийся следующими параметрами: цвет разряда зависит от природы и концентрации электролита, величины разрядного тока и незначительно зависит от материала твердого электрода; разряд состоит из множества микроразрядов; разряд на -поверх• ности жидкого катода- струи опирается на подвижные точечные пятна; рост тока приводит к увеличению числа микроканалов-: устойчивость горения разряда существенно зависит от расхода эднкт|.ч»дита и диаметра струи жидкости; происходит интенсивный локальный плазменно- электролитный нагрев и эрозия поверхности твердого электрода; нагрев электролитного катода'сильно влияет на р.-нряд.

В четвертой главе описывается разработанная и созданная па ochoi'O полученных в работе1 результатов плазменная Э'1У о жидкими электродами в электролитической .ячейке и со струей электролита, которая предп а значена для ойуществ.чения 'мюктр' тонических про -цесоов. воздействия гидами разряда па материалы*. приведено ¡ ю.чу.ч!,-тати исследований разработанных епосопов приписки отверстии,pea кй,очистки труднодоступных участков с помину Ю плазмы разряда.горящего-между струей электролита и деталью. В ..»топ г лат также рассматриваются способы получения оксидного порошка.очистки новер-хности, напыления тонких пленок метална на диа.'нктричо-.куг) попе -рхиость при атмосферном давлении и снятия заусенцем с кромок до-талей плазмой разряда постоянного ток;-! с жидкими электродами.

На .рис.G приведен;) зависимость скорости снятия заусенцев с высотой '-до 3?0мкм от плотности тока на струи.После обработки высоты заусенцев уменьшились до 1, Птм.Ум^пнтипт скорости ицпгил-щения струи позволяет еще на 1'2кл. улучшать качество поверхности.

• А ■

Рис. П -Зависимость скорости

V10

м/сек

:9

: 6

!•'3 о

.0

5 10 15 j л.1'0 , Л/м'-.,

скорости снятия заусенцев от плотности тока на струи при

£Г

Р - 10'" Па. Материал -- медь марки N11 . Струя - катод., ¿0Z [11111 полный раствор NaCl. Давление струи на когте на-

жк"4' копечника Р 8-Ю''Иа.

Электротермическая установка представляет собой комплекс оборудования с рабочим напряжением в пределах гио'Юоов многоцелевого. назначения обеспечивающая удельный с л-ем металла 0,4 * 1,Г>

3 ' 3

мм /(Л-Мин) при средней скорости съема металла 0,2 о,Умм"/мин. ЭТУ при рабочем напряжении позволяет получать плотности тока в диапазоне Ц'50)■10"1Л/м^.

В. заключении сформулированы осноыдм.ре ;ультаты_ и. вы_врды диссертационной работы :

1... Из проведенного анализа известных работ выявлено современное -.-.состояние исследований ожштрпчос/сега разряда в газе с жидкими, неметаллическими электродами, определен круг вопросов, которые необходимы для решения задач, обеопечиващих разработку и создание норой плазменной эло|ггротерн11чо<-..,еи \>-.гпштки для ее дальнейшего внедрения в п| оклик'тшооь.

2. Создана экспериментальная плазменная электротермическая установка для исследования характеристик разряда и электротермических процессов в газе между жидким анодом и твердим катодом, между струей электролита и металлическим электродом, между двумя жидкими электродами в диапазоне давлений ао2* 10ьГ1а>, межэлектродных расстояний (-0,02 * 0,22м), напряжений разряда (100 ' 8000В), токов (0,01 4 250А). Создан комплекс аппаратуры для измерения параметров разряда с жидкими электродами.

3.Впервые.составлена математическая модель плазменного столба разряда,горящего в;газе между жидким неметаллическим и твердым электродами с учетом элементарных процессов ионизации атомов нейтрального газа, атомов легкоионизируемой примеси, попадающих в разрядный промежуток из электролита, процессов отлипания и прилипания электронов, процессов электрон-ионной, ион-ионный и отрицательный ион-ион атома легкоионизируемой примеси рекомбинации.Составленная модель решена методом итерации в двумерной геометрии в условиях квазинейтральности плазмы и амбиполярной диффузии.

4. Экспериментально исследованы структуры разрядов с жидкими неметаллическими электродами, измерены ВАХ, плотности тока на электродах, распределения потенциала и напряженности электричес-' кого поля в плазме в широком диапазоне параметров. Выявлено, что в разряде с жидким неметаллическим анодом в зависимости от условий эксперимента горит, тлеющий разряд с пленочным пятном на 'аноде и на металлическом катоде или разряд с контрагированныы пятном на катоде и пленочным пятном на аноде. Разряд с контрагиро-ванным катодным пятном горит при больших токах и повышенных давлениях. Показано,что при пониженных давлениях в случае сплошного пятна на аноде и катоде все ВАХ возрастающие, а в разряде с кон-трагированным пятном на катоде и сплошным пятном на аноде и - л характеристики слабо зависят от тока.Установлен неоднородный характер анодного пятна вдоль его радиуса. Выявлено, что о ростом проводимости анода диаметр ПС уменьшается, а площадь анодного пятна зависит от межэлектродного расстояния. Показано, что при атмосферном давлении может гореть несколько отдельных разрядов с точечными пятнами на катоде, а ВАХ разряда с анодом из технической воды имеют возрастающий и падающий участки. Установлен':», что плотность тока на жидком неметаллическом аноде существенно зависит от тока. При малых л она близка к нормальной плотности тока.

а с ростом J она почти на порядок превышает нормальную плотность тока.В случае анода из концентрированных растворов солеи зависимость jjjjgCP) становится квадратичной, а на металлическом катоде-линейной.С ростом межэлектродного раостоянич вблизи жидкого анода напряженность электрического ноля повышается,, а с ростом проводимости анода электрическое поле становится существенно неоднородным. Проведено критериальное обобщение, ПАХ разряда с жидким 'анодом в'широком диапазоне параметров для различных электролитов. .Получены формулы•позволяющие рассчитывать напряжения разряда о погрешностью не более -Т-10* 12%.

5. В случаях,когда в качестве катода используются дистиллированная и техническая вода,ВАХ разряда в трубке становятся воз-.растающйми, а с ростом тока наблюдается ступенчатое снижение напряжений разряда. Установлено, что при атмосферном давлении между ■'жидкими неметаллическими анодом и катодом горит многоканальный разряд, :а площадь анодного пятна всегда меньше общей площади катодного' пятна. С ростом тока площадь катодного пятна существенно растет, а на аноде площадь пятна растет незначительно. При этом ' на поверхности катода наблюдаются только точечные пятна,а анода-пленочное пятно.Структуры электродных пятен и ПС зависят от про-•водимости жидких электродов.. ВЛХ разрядов с электролитными элек-•.тродами, в исследованном диапазоне имеют только растущий вид.

' 6. . Впервые при атмосферном давлении получен и исследованы '.условия зажигания и горения разряда постоянного тока горящего ме^ду' струей электролита и твердым электродом. Установлена .структура и измерены ВАХ этого разряда.Показано,что разряд горит в диапазоне токов 0,2'6А,расходов электролита 0,001*0,005л/сек и .длин струи 1= 0,005*0,03м. Выявлены критические значения расхода . электролита g-. при g<g . и ö>g , разряд между струей электролита и твердым электродом не горит.Величины критических расходов Gmin и Gmax зависят от диаметра струи, ее длины и напряжения.-

7.Разработан способ очистки внешних и внутренних поверхностей металлических трубок и труднодоступных -участков деталей плазмой разряда со струей электролита. Показана возможность прошивки отверстий и резки металлов этим разрядом.Способ имеет преиму-ества при очистке труднодоступных маетой деталей, обработке вяз-их и тугоплавких металлов. Получены зависимости'качества поверхности и скорости снятия заусенцев от плотности тока.Установлено,

что плотность тока на твердой катоде в разряде с жидким аноде! почти на- порядок превышает плотность тока на твердом аноде раз ряда с жидким катодом, что позволяет в 2'з раза «иегсгйвиие очи щать поверхности и удалять заусенцы. ,

8. Разработан способ получения оксидных порошков и други; соединений с кислородом и водородом таких металлов, как и о,»., Та сталей с. помощью плазмы разряда с жидким анодом при пониженны: давлениях. Найдены оптимальные режимы-получения порошков. Получи ны гистограммы-распределения частиц порошка по диаметрам, зависимость интенсивности образования порошка от плотности тока( характеризуются 'предельными значениями,, зависящими от токаь; Средни! диаметр частиц порошка линейно зависит от плотности тока, уменьшается при повышении температуры плавления металла.При использо Вс.нии композиционных материалов можно получить сложные оксидны' химические соединения непосредственно из материала электродов.

9. Показана возможность использования разряда в трубке " при атмосферном давлении между двумя жидкими электродами для создания плазмотронов. Используя разряд в-.трубке при атмосферном дав лении с жидким катодом можно - осуществить ионно- плазменное напы ление материала твердого'- анода или электролита на диэлектрическую подложку. Адгезия полученной пленки с подложкой в 2 ' 4 раз; превышает адгезию вакуумно-напыленных пленок.

10. Разработана и создана опытно' --промышленная плазменная электротермическая установка с электролитом в.электролитическое ячейке й со струей электролита предназначенная для выполнена операций прошивки отверстий в.металле, резки металлов, очистке внешних; и внутренних . поверхностей, снятия заусонцов с кромок V труднодосгубных' участков-деталей, получения 'оксидного порошка, напыления металлов на диэлектрические подложки при атмосферно? давлении- электрическим разрядом постоянного тока. Определены характеристики плазменной .электротермической установки с жидким 'электродами в электролитической ячейке и со струей электролита.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах: Г. ГайСин Ф. Н., Шакиров К).И., Хакимов' Р.Г. Материалы для панепе ния плазменных покрытий //Тезисы докладов У1 научно техническое конкуренции КамАЗ - КамГШ "Научно- производственное и .социально экономические проблемы производства автомобиля " КАМАЗ"" 10' Илв 1988. -Наб. Челны. ~С..78.;

2.Гайсин Ф.M., Ильясов P.III. , Хакимов Р. Г. и др. Электрофизический метод снятия заусенцев с различных металлов и деталей //Тезисы докладов Республиканской научно - технической-.конференции КамЛЗ-КамПИ. 27' 29 марта J 990. -Моб. Челны. - С. <13* <14.'

3.Гайсин- Ф.М.,Шакиров К).И., • Хакимов ¡'.Г. и др.Исследование разряда, между твердым и жидким электродами //т<,:;ипи докладов Республиканской научно-технической иоп'счкчщин Кам/\-: - КамПИ. г?" 20 марта 1990. -II. Челны. -C.1G1.

4.Гайсин Ф-М. ЛНакиров Ю.И., Хакимов Р.Г. П.-¡уinn -технический от чет по г/б теме №327/89 "Изучение взмимодеч'л-вия плазмы нетрадиционных- Источников с. поверхностью тг-ердкх тел и создание основ новых технологий очистки, распыления и пап-¡сепия защитных покрытий." ГОС. per. №0291 000302, -Казань. 1990. с л 37. -

•5.Д.с.№1582404 СССР. Способ получения металлического порошка //Гайсин .Ф. М.. Хакимов Р. Г., Шакиров Ю. II: Зарегистрировано I ■ 04. по.

б.Басыров P.III., Гайсин Ф. И., Хакимов Р. Г. Мол т> плазменного стол ба тлеющего разряда между нетрадиционными электродами //Тезисы докладов '-Всесоюзной научно-технический конференции •.•Состояние и • перспективы развития вакуумное техники". зг/ч мая 1991.-Казань.

4.1.- -С.ИЗЧМ. V

- .7.Гайсин Ф. М., Исрафилов И.Х., Хокишв Р. Г. и др. 'Исследование .электрического разряда с жидким катодом при средних и повышенных давлениях //Рч;..ВИНИТИ. Физика 9Г402ЛБН Н"21<Ж-П91 23:05.3!, -13с.

. 8.Гайсин Ф.М., Сон 3.F,., Хакимов Р. Г. Научно технический отчет по х/д'теме "Исследование процесса модифик--иш1 рабочих элементов мединструментов с помощью тлеющего разряда с жидким электродом". .

- М. МФТИ, X/ д №111/02. 1991.'. - i 47с.

9. Гайсин Ф.М., Л-аутовГ.Ю., Хакимов р. Г. и дрлнюбщеипые характеристики разряда в парогазовой среде меяду твердым катодом и жидким- анодом //Тезисы докладов yj конференции по Физике газового разряда. Казань, 23*25 июня J 992 года. -С. I Ь'У 153.

10. Гайсин Ф.М., Ильясов Р.Ш., Хакимов Р.Г. и др. Возникновение разряда между струей электролита и тверды.* электродом //Тезисы докладов YI конференции по физике газового разряда. —Казань, 23' 25 июня 1992 года. -С.154'156. ,

11. Гайсин Ф.М.', Мухлисов Ф.Г., Хакимов P.I. к модели разряда в газовом промежутке между металлическим и электролитным электро-дами//Тезисы докладов п конференции И" фи-ике газового разряда.

-Казань, 23*25 июня 1992. -С.157! 158.

12.'Гайсин Ф. М., Хакимов Р. Г. Научно-техшг'пгкий отчет но г/б теме №327/89 "Изучение взаимодействия плазмы нетрадиционных источников с поверхностью твердых тел и создание основ п^вых.технологий распыления и нанесении защитных покрытий". . Гос. регис.№0193. 0090624. -Казань. 1992, КАИ, инв. №02.9:30 000241. 15с.

13.Гайсин Ф.М., Хакимов Р.Г., Шакиров Ю. И.Научно-технический отчет по тейе №327/89 "Изучение взаимодействия плазмы нетрадиционных источников с поверхностью твердых тел и создание основ новых технологий распыления и нанесения защитных покрытии". Гос. per. №0191.0000143. Казань' КАИ, инв. №02.9.40 000367. 1990. -45с/

14.Гайсин .Ф.М., Хакимов Р.Г:, Добкин C.B. Научно-технический от--чет rio г/б теме №327/89 "Изучение взаимодействия плазмы нетрадиционных . источников с поверхностью твердых тел и создание основ новых технологий-распыления и,нанесения защитных покрытий". -Казань. КГТУ. 1993, инв. №01.930 0001-47 -45с.

15.Гайсин Ф.М., Хакимов Р.Г.,- Шакиров Ю.И. Газовый разряд между неметаллическими электродами//Тезисы докладов научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики", Саранск 18' 20 мая 1993. Изд.. МГПИ. -12с.

16. Гайсин Ф.М.,- Хакимов Р.Г. , Шакиров К). И. Разряд в газе между струей жидкости И твердым электродом .//Тезисы докладов научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физйки", -Саранск 18*20 мая 1993. МГПИ. -34с. -..

17.Гайсин Ф.М., Ильясов Р.Ш.,- Хакимов Р.Г', и др.Очистка.металлов плазменной электротермической установкой с; жидким катодом //Тезисы докладов научно- технической конференции ' "Проблемы и прикладные вопросы физики" , -Саранск. 18*2.0 мая 1993. Изд. МГПИ, -35с.

18.Гайсин Ф.М., Галимова Р.К., Хакимов Р.Г. Многоканальный:раз: ряд в процессах нанесения тон/сих пленок металла//То той докладов научно-технической конференции"Проблемы и прикладшю вопроси физики" , -Саранск 18'20 мая 1993. Изд. МГПИ. 40с.

Подписано к печати 25.11.93г. Тира:': к«) -ж?.

Заказ № 365 Уч.- изд. л. 1.0_________ Бесплатно________

'.Отпечатано на ротапринте КамПИ 423810, Наб. Челны, проспект Мира, 68/.19