Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований электрического разряда в газе между металлическим и электролитическим электродами 9
1.1 Особенности электрического разряда между твердыми и жидкими электродами 9
1.2 Характеристики разрядов с электролитическим электродом 15
1.3 Особенности и перспективы применений электрического разряда с нетрадиционными электродами в современной технике 25
1.4 Постановка задачи 29
Глава 2 Экспериментальная установка и методика измерений 43
2.1 Функциональная схема экспериментальной установки 43
2.2 Система электрического питания экспериментальной установки 44
2.3 Электролитическая ванна 45
2.4 Системы охлаждения и подачи электролита 46
2.5 Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений 47
Глава 3 Результаты экспериментальных исследований многоканального разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении 54
3.1 Особенности многоканального разряда и падение напряжения в проточном электролите 54
3.2 Вольт-амперные характеристики разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом 58
3.3 Плотности тока на проточном электролитическом катоде и металлическом аноде 60
3.4 Обобщенные вольт-амперные характеристики разряда 61
Глава 4 Устройства для получения струйного многоканального разряда с проточным электролитическим катодом и их характеристики 87
4.1 Устройство для получения одноструйного многоканального
разряда с проточным электролитическим катодом 87
4.2 Характеристики устройства для получения одноструйного многоканального разряда 88
4.3 Устройство для получения многоструйного многоканального разряда с проточным электролитическим катодом и его характеристики 90
4.4 Результаты упрочнения поверхностей металлических изделий при помощи устройств с одноструйным и многоструйным (четырех и шести) многоканальным разрядом 91
Выводы 110
Список использованной литературы
- Характеристики разрядов с электролитическим электродом
- Система электрического питания экспериментальной установки
- Вольт-амперные характеристики разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом
- Характеристики устройства для получения одноструйного многоканального разряда
Введение к работе
Электрические разряды в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо [1, 2 и др.]. Одним из способов получения низкотемпературной плазмы является использование разряда, возникающего между металлическим и электролитическим электродами, а также между двумя электролитическими неметаллическими электродами. В настоящее время такие разряды используются в плазменной технологии для нанесения высококачественных теплозащитных, антифрикционных, диэлектрических и противокоррозионных покрытий [3, 4], а также для нагрева металлов и сплавов в электролите [3, 5-7].
Однако возможности технологических применений генераторов плазмы с электролитными электродами ещё мало изучены. Актуальность исследований в этом направлении обуславливается целым рядом причин: дешевизной электролитов, высокой степенью чистоты технологических процессов с применением неравновесной плазмы газового разряда с электролитными электродами и др.
В настоящее время отсутствуют систематические экспериментальные исследования плазмы газового разряда с электролитическим катодом при повышенных токах и больших межэлектродных расстояниях. Существующие способы получения газового разряда с электролитическими электродами имеют ограниченные возможности. Не изучены физические процессы на границе раздела электролитического катода и плазмы, остается практически не исследованным взаимодействие плазмы многоканального разряда с поверхностями металлических тел. Всё это задерживает разработку генераторов газоразрядной плазмы с электролитическими электродами для практических применений. В связи с вышеизложенным, экспериментальное и практические исследования в разряде между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом, разработка генераторов плазмы
представляют собой актуальную задачу. Данная диссертационная работа,
состоящая из четырех глав, посвящена решению этих задач.
w, В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и
теоретических исследований разрядов горящих между электролитическим и металлическим электродами, а также обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведено описание экспериментальной установки.
Также описывается функциональная схема установки для получения разряда
между электролитическим катодом и металлическим анодом. Здесь же
Ф приводится измерительная аппаратура, методика проведения экспериментов
и оценка точности измерений.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных
исследований многоканального разряда между металлическим анодом
(охлаждаемый и неохлаждаемый) и проточным электролитическим катодом
при атмосферном давлении: структуры, В АХ многоканального разряда и
падение напряжения в электролитах; плотности тока на электролитическом и
металлическом электродах; распределение потенциала и напряженности
ґф электрического поля; катодное и анодное падения потенциала;
критериальное обобщение вольтамперных характеристик разряда между металлическим анодом и проточным электролитическим катодом.
В четвертой главе на основе полученных результатов разработана и
создана плазменная установка для получения многоканального разряда
между электролитическим и металлическим электродами и их практическое
применение: устройство для получения струйного многоканального разряда с
электролитическим катодом и его характеристики; устройство для получения
кольцевого струйного многоканального разряда с электролитическим
-л катодом. Получены зависимости, описывающие влияние энергетических
параметров плазменной обработки на твердость поверхности обработанных материалов. Также в четвертой главе приводятся температурные характеристики плазмы, полученными данными устройствами в зависимости
>r
от величины тока разряда, межэлектродного расстояния, значения балластного сопротивления и длины плазменной струи.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Впервые установлены:
- возможность горения многоканального разряда между плазменным
шлейфом и проточным электролитическим катодом;
жгутообразный многоканальный разряд между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом;
- диффузный разряд между плазменным шлейфом и проточным
электролитическим катодом и переход его в жгутообразный многоканальный
разряд.
2. Выявлены комбинации многоканального и диффузного разрядов с
проточными электролитическими катодами.
созданы устройства, которые позволяют получить четырех- и шестиструйный многоканальный разряд между металлическим анодом и проточным электролитическим катодом.
Разработана методика упрочнения поверхности материалов в струйном многоканальном разряде между металлическим анодом и проточным электролитическим катодом.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты комплексного экспериментального исследования:
- структуры, ВАХ, плотности тока на проточном электролитическом
катоде и металлическом аноде, катодное падение потенциала
многоканального между проточным электролитическим катодом и
металлическим анодом для различной геометрической формы (сплошной,
полый) при атмосферном давлении в широком диапазоне 1,1 и da\
- жгутообразного многоканального разряда между проточным
электролитическим катодом и металлическим анодом;
- многоканального и диффузного разрядов между плазменным шлейфом и проточным электролитическим катодом.
Устройства для получения струйного многоканального разряда с проточным электролитическим катодом и его характеристики.
Методика упрочнения поверхности материалов в одноструйном многоканальном разряде между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом.
Характеристики разрядов с электролитическим электродом
Жидкий катод влияет как на развитие разряда, так и на характеристики стационарного разряда. Рассмотрим сначала особенности развития разряда. Электрический пробой в газе представляет сложный, быстропротекающий процесс. Исследованию пробоя газов при нормальной температуре между твердыми электродами посвящено большое число экспериментальных и теоретических работ [30], но до сих пор отсутствует полная теория, которая могла бы объяснить все известные экспериментальные факты и позволяла бы проводить расчеты в широком диапазоне параметров с удовлетворительной для практики точностью. Вопросы зажигания разряда между нетрадиционными электродами до последнего времени оставались практически не изученными.
Особенности зажигания разряда между металлическим и электролитическими электродами обусловлены действием электрического поля на электролит, влиянием поверхностного натяжения и силы тяжести жидкости. В работе [31] эти особенности исследовались экспериментально на установке, показанной на рисунке 1.1.
При повышении приложенного напряжения между жидкостью и твердым электродом возникает искровой пробой. На рисунке 1.2 приведены зависимости напряжения пробоя от межэлектродного расстояния.
Экспериментальные точки 1, 2, 3 и 4 получены соответственно при диаметрах анода da=2-103, 4-Ю3, 1,2-102 и 5-Ю2 м. Точки 5 соответствуют случаю, когда электролит служит анодом, а точки 6 - значениям напряжения пробоя из [32]. Из графиков видно, что при больших da в указанном диапазоне изменения / напряжение пробоя не зависит от того, является ли электролит катодом и анодом. Это объясняют тем, что в обоих случаях процессом, определяющим пробой, является фотоионизация газа, а /-процессы на катоде не играют существенной роли. Этот результат согласуется с выводами из [33] о том, что искровой пробой происходит при полном отсутствии каких бы то ни было /-процессов на катоде. Штриховые линии на рисунке 1.2 соответствуют напряжению пробоя при появлении коронного разряда.
В [29] визуальное наблюдение структуры разрядного промежутка разряда с электролитным катодом обнаруживает зоны, характерные именно для тлеющего разряда — катодный слой и область отрицательного тлеющего свечения. Вплоть до предельно высоких токов разряда (104 А) на электролитном катоде устойчив тлеющий режим разряда. В [29] также приводятся результаты исследований разряда между жидким неметаллическим катодом и металлическим анодом в диапазоне Р = (532-7-10") Па, / = (1-5-15)-104 мА и / = (і-г 15) мм для различного состава и концентрации жидкого катода. При атмосферном давлении плазменный столб 1 (рисунок (ф 1.3) от твердого анода до жидкого неметаллического катода принимают вид усеченного конуса. Вершина конуса - пятно 2 малого размера на поверхности металлического анода. Основание конуса - почти точечные пятна 3 на поверхности жидкого катода. В теории тлеющего разряда его опорные пятна не принято называть катодными и анодными пятнами. Эти термины применяются для краткости. Непосредственно у поверхности катода имеется ярко светящийся слой фиолетового цвета с резкими границами. В (ф) исследованном диапазоне параметров цвет этого слоя не зависит от концентрации соли и величины тока. Когда катодом служила техническая вода, свечение положительного столба было фиолетовое и в направлении оси почти не менялось. В случае катода из раствора соли NaCl нижняя часть столба имеет желтый цвет, характерный для паров натрия. По мере удаления от катода появляется красный цвет, который затем переходит в фиолетовый. В прианодной области цвет свечения зависит от материала твердого анода. Если в качестве анода используется медь, то в прианодной области имеет (ф) место зеленое свечение. Это объясняется проникновением паров меди в положительный столб из анодного пятна. Анодное пятно имеет ярко-красный цвет. Его диаметр увеличивается с ростом тока. При атмосферном давлении (рисунок 1.3, в) / = 9,5 мм и 7 = 100 мА разряд состоит из центрального токопроводяшего плазменного столба (ПС) фиолетового цвета / и ореола 2. Цвет ореола зависит от состава жидкого катода. ПС на расстоянии 5 мм от анода имеет почти цилиндрическую форму диаметром 2 мм и опирается на контрагированное пятно. На расстоянии 4,5 мм от катода он постепенно расширяется и приобретает форму усеченного конуса. Вблизи поверхности Ш жидкого катода ПС распадается на множество микроразрядов опирающихся на точечные пятна 4. При малых / от каждого точечного пятна формируются отдельные микроразряды
Система электрического питания экспериментальной установки
Система охлаждения установки служит для охлаждения металлического электрода. Она питается из магистральной водопроводной сети. Система охлаждения работает под напором воды водопроводной сети, и давление воды в ней регулируется с помощью водопроводной запорной арматуры. Функциональная схема снабжения электролитной ячейки электролитом показана на рисунке 2.1. Подача электролита 6 в электролитическую ячейку (рисунок 2.1) осуществляется насосом 13. Расход электролита измеряется ротаметром марки РС-7 или определяется измерением его расхода из промежуточной емкости. Предварительная тарировка ротаметра позволяет измерять расход электролита с погрешностью не более 5%. Расход электролита регулируется вентилем 10. Межэлектродное расстояние регулируется оснасткой 7 (рисунок 2.1) перемещением электрода 9 и устанавливается с точностью ±0,5-10"3 м.
Электролитическая ванна состоит из диэлектрического корпуса 1 (рисунок 2.3), медной пластинки 2, служащей для подвода напряжения к электролиту 3, медного или стального охлаждаемого электрода 4. Электрод 4 закрепляли на координатном устройстве 7 (рисунок 2.1), позволяющем регулировать межэлектродное расстояние. В качестве электролита использовались дистиллированная или техническая вода, растворы различной концентрации солей NaCl и C11SO4. Температура жидкости измеряли ртутным термометром ТН4-М ценой деления шкалы 0,1 С, т. е. с погрешностью не более 1,2%. Разрядный ток изменяли регулированием напряжения источника питания регулятором напряжения типа ИР 60 УХЛ 4 или с помощью регулируемого балластного сопротивления. Разрядный ток измеряли амперметром типа Ц4311 (кл. точности 1,0) и прибором марки MY68 (кл. точности 0,5), а напряжение в разрядном промежутке измеряли ( емкостным киловольтметром типа С75 (кл. точности 1,5) или щитовым прибором класса точности 1,0. Общий вид экспериментальной плазменной установки представлена на рисунке 2.4. Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений
Экспериментально исследовался электрический разряд между жидким катодом и твердым металлическим анодов в диапазоне / = 1-И00 мм, 7 = 0,01- 10 A, U = 0-7-3000 В. В качестве электролитического катода использовалась дистиллированная и техническая вода, растворы NaCl, C11SO4 различной концентрации и т.д. С целью обеспечения хорошей повторяемости результатов измерений использовались твердые электроды с определенной шероховатостью поверхности Ra от 0,8 до 1,6 мкм. До начала эксперимента они подвергались тренировке электрическим разрядом. Для тренировки выбирались режимы, когда разряд горел устойчиво и поверхность твердого электрода была покрыта свечением. В течение 10-30 минут тренировки напряжение разряда уменьшалось на 1-3%. Дальнейшее увеличение времени тренировки электродов не вызывало изменения напряжения разряда. Поэтому металлические электроды подвергались тренировке в течении не менее 30 минут. Перед каждым экспериментом ареометром определялась плотность электролитного катода. Одной из основных характеристик электрического разряда в газе является его вольтамперная характеристика. В экспериментах ВАХ записывалась с помощью двухкоординатного планшетного самописца ПДП-4-002. Относительная погрешность измерения напряжения и тока разряда не превышали 1,5%. При определении вольтамперных характеристик сначала измерялось суммарное падение напряжения в разряде и электролите. Затем анод вводился в электролит так, чтобы его смоченная поверхность равнялась площади катодного пятна, и определялось падение напряжения в электролите. Падение напряжения в разряде определялось как разность вышеуказанных величин.
Для каждого набора значений давления, межэлектродного расстояния, материала, состава и диаметра электрода регистрация ВАХ разряда проводилась не менее 3-5 раз.
Температура среды над поверхностью электролитной ячейки и электролита контролировалась с помощью термометров с ценой деления 0,1 С.
Анодное и катодное падение потенциала были получены графической экстраполяцией измеренных значений потенциала на граничные поверхности электродов. По измеренным распределениям потенциала Up проведены расчеты распределения напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве с использованием формулы
Вольт-амперные характеристики разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом
Одним из наиболее важных электрических параметров является вольт-амперная характеристика разряда. Результаты экспериментального исследования ВАХ разряда между проточным электролитическим катодом из технической воды и медным анодом различного диаметра для различных межэлектродных расстояний при атмосферном давлении показаны на рисунке 3.6. Они имеют падающий характер. Напряжение значительно увеличивается с ростом межэлектродного расстояния. Сравнивая кривые 1 и 3 можно увидеть, что при одинаковых других параметрах разряда, увеличение диаметра металлического анода приводит к увеличению напряжения разряда. При использовании металлического охлаждаемого анода из материала Ст45 В АХ имеет не монотонный характер (рисунок 3.7). Сначала все характеристики возрастают. Своего пикового напряжения достигают при разных токах разряда в зависимости от межэлектродного расстояния: при / = 5 мм / = 1 А; при / = 20 мм I = 2,2 А; при / = 40 мм или 1-А А в зависимости от диаметра анода. Дальнейшее увеличение тока для всех межэлектродных расстояний приводит к плавному уменьшению напряжения. Эта закономерность не зависит от межэлектродного расстояния и диаметра анода. На рисунке 3.7 кривая 3 соответствует многоканальному разряду; кривая 2 — многоканальному и диффузному паровоздушному разряду; кривая / - многоканальному разряду между плазменным шлейфом-анодом и проточным электролитическим катодом; кривая 4 - крупному жгутообразному многоканальному разряду.
Как видно из рисунка 3.8, при использовании электролитическим катодом 5%-го раствора C11SO4 в очищенной воде при одинаковых параметрах разряда (межэлектродное расстояние, диаметр анода) материал металлического анода существенно не влияет на ВАХ. Все приведенные характеристики, в отличии от предыдущих, имеют возрастающий характер. Такая же закономерность наблюдается при использовании 10%-го раствора C11SO4 в очищенной воде в качестве проточного электролитического катода (рисунок 3.9). Как видно из этих графиков, также наблюдается повышение напряжения при увеличении межэлектродного расстояния, а также диаметра металлического анода. Применение медного анода вместо стального существенно понижает напряжение разряда при одинаковых силах разрядного тока.
ВАХ разряда между охлаждаемым полым металлическим анодом из материала Ст45 и проточным электролитическим катодом из технической воды представлена на рисунке 3.10. Кривая 1 соответствует межэлектродному расстоянию 5 мм. В этом случае у нас горит многоканальный дождевой разряд и поэтому она имеет падающий характер. Некоторое повышение напряжения на кривых 2 и 3 характерен для перехода одной формы разряда в другую: многоканального в жгутообразный многоканальный разряд с микроканалами, а последнего, в свою очередь, в ЖМР с крупными каналами. Такая же закономерность наблюдается и при использовании в качестве металлического анода медного неохлаждаемого полого электрода (рисунок 3.11). Плотности тока на проточном электролитическом катоде и металлическом аноде
Важнейшими параметрами электрического разряда являются значения плотности тока на катоде и аноде. Сначала рассмотрим зависимость плотности тока на металлическом аноде. Как видно из рисунка 3.12, с ростом тока разряда до 7=1 А наблюдается некоторое падение плотности тока. При этом наблюдается увеличение пятна на поверхности металлического анода. При критическом значении 7=1 А это пятно полностью покрывает нижнюю часть цилиндрического электрода. При дальнейшем увеличении тока разряда площадь анодного пятна не изменяется. Этим и объясняется рост плотности тока на металлическом аноде при увеличении тока разряда. Изменение межэлектродного расстояния на характер плотности тока не влияет (рисунок 3.12, кривые 7 и 2). Сравнивая кривые 7 и 2 можно выяснить, что увеличение межэлектродного расстояния приводит к некоторому уменьшению плотности тока. Дальнейшее увеличение межэлектродного расстояния и тока разряда приводит к переходу многоканального разряда на другой вид, как это описано выше. На поверхности металлического анода появляются контрагированные точки диаметрами 1- -2 мм, число которых зависит от величины тока разряда. Так как эти контрагированные точки постоянно хаотично движутся по поверхности металлического анода, определить точно площадь анодного пятна невозможно. Можно только констатировать, что наблюдается резкое уменьшение площади анодного пятна. И в связи с этим резко возрастает плотность тока с ростом тока разряда.
Важным параметром для понимания физических процессов, происходящих на границе раздела электролитического катода и плазмы является плотность тока на проточном электролитическом катоде. На рисунке 3.13 представлены зависимость плотности тока на проточном электролитическом катоде от тока разряда для двух межэлектродных расстояний. Из рисунка видно, что зависимость плотности тока на проточном электролитическом катоде носит немонотонный характер. В интервале тока от 0,5 до 1 А величина j резко уменьшается. При этом визуально можно наблюдать увеличение площади катодного пятна от 0,142 до 1,67 см . При увеличении тока разряда от 1 до 3 А площадь катодного пятна практически не меняется и из рисунка 3.13 можно увидеть, что на участке от 1 до З А выполняется закон Геля. Зависимость плотности тока от площади пятна на поверхности проточного электролитического катода для двух межэлектродных расстояний приводится на рисунке 3.14.
Характеристики устройства для получения одноструйного многоканального разряда
Вольт-амперные характеристики всех трех видов разрядных камер при малых межэлектродных расстояниях (до 2 мм) существенно не отличаются друг от друга. Поэтому рассмотрим характеристики разрядной камеры в форме усеченного полого цилиндра (рисунок 4.1,а). ВАХ данного устройства, когда в качестве проточного электролитического катода служит техническая вода, представлена на рисунке 4.4. Как видно из рисунка, обе кривые падающие. На рисунке 4.5 приведены вольт-амперные характеристики устройства с камерой в форме обратно усеченного полого цилиндра, которые также можно рассматривать как падающие.
Одним из важных параметров устройств данного типа является температура плазменной струи. Зависимость температуры плазменной струи от диаметра струи представлена на рисунке 4.6. Температура в плазменной струе измерялось термопарой типа ТГШ группы 1111 и ТПР (условные обозначения градуировок ПП-1 и ПР 30/6) и вторичным прибором класса точности 0,05. Данная термопара позволяет измерять температуру до 2600 К. При расстоянии 5 мм от поверхности устройства в центре струи термопара расплавилась. На рисунке 4.6 пунктирными линиями показана температура, полученная при помощи математической аппроксимации. Как видно из этого графика, максимальная температура струи возникает около поверхности устройства и достигает 3200 К. При помощи данного устройства можно проводить не только нагрев, сварку, и упрочнение поверхности изделий, а также их резку.
Зависимость температуры в плазменной струе от высоты струи над поверхностью устройства приведена на рисунке 4.7. Данный график доказывает, что максимальная температура достигается непосредственно над поверхностью устройства. Также можно отметить, что длина плазменной струи над поверхностью устройства существенно зависит от межэлектродного расстояния, тока разряда и температуры проточного электролита, а когда используется разрядная камера в форме усеченного полого цилиндра, и использование диэлектрической трубки. Зависимость длины струи над поверхностью устройства от межэлектродного расстояния представлена на рисунке 4.8. Как видно из графика, максимальная высота плазменной струи достигается при межэлектродном расстоянии 1=1 мм. При этом использовалась разрядная камера в форме обратно усеченного полого цилиндра следующих размеров: наружный диаметр D=32 мм; внутренний диаметр /=10 мм; высота #=60 мм. Эти размеры получены экспериментальным путем и являются оптимальными для данной разрядной камеры. Изменение внутреннего диаметра разрядной камеры приводит к уменьшению высоты плазменного столба. В качестве проточного і ф) электролитического катода использовалась техническая вода. Устройство для получения многоструйного многоканального разряда с проточным электролитическим катодом и его характеристики
Предыдущее устройство позволяет нагревать и упрочнять поверхности металлических изделий малой площади (около 10 см ). Для обработки изделий с большей площадью приходится использовать одновременно несколько устройств. Это негативно влияет на производительность и требует использования источника питания большей мощности. С целью устранения этих недостатков, разработаны устройства многоструйного (четырех и шести) многоканального разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом. Разрез разрядной камеры и рабочий процесс данного устройства представлены на рисунке
Данное устройство позволяет получить одновременно, в зависимости от конструкции, четыре или шесть плазменные струи. Это позволяет увеличить площадь обрабатываемой поверхности изделия до 50 см . Обработка проводилась при варьировании входных параметров в следующих параметрах: расстояние от поверхности проточного электролитического катода до нижней кромки разрядной камеры менялось от 1 до 15 мм; ток разряда от 1 до 3 А. Вольт-амперная характеристика устройства четырехструйного многоканального разряда для двух межэлектродных расстояний (10 и 15 мм) представлена на рисунке 4.10. Как и для предыдущих устройств, кривые имеют слегка падающий характер.
