Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время разряд с жидкими электродами нашел широкое применение в химической технологии и в технологии обработки материалов, а также в других областях науки и техники.
Классические методы электрического воздействия на поверхность сталей, такие как электрохимические, электроэрозионные, электротермические и электромеханические имеют недостатки. Интерес представляет формирование микрорельефа поверхности металлов с помощью плазменно-электролитной обработки, заключающегося в совмещении двух процессов: эрозионного разрушения металла и его анодного растворения. Актуальность исследований в данном направлении обуславливается рядом преимуществ данного способа обработки перед традиционными методами: малый расход энергии, экологическая чистота процесса, отсутствие проблем утилизации побочных продуктов, высокая экономическая эффективность. Также следует отметить, что исследование многофазных систем носит фундаментальный характер.
На данный момент отсутствуют систематические экспериментальные исследования разряда в многофазных средах. Не исследованы условия зажигания разряда с жидким электролитическим катодом. Не изучены физические процессы на границе раздела плазмы и жидкости. Нет механизма влияния разряда в парогазовом пузырьке на поверхность металлов. Все вышеприведенные причины задерживают разработку технологии плазменно-электролитного формирования микрорельефа поверхности.
Работа направлена на исследование плазменно-электролитных процессов и решение актуальной проблемы создания нового метода формирования микрорельефа поверхности металлов и выполнена в рамках НИР № 1.26.11 «Физические основы плазменно-электролитного процесса», проводимого КФУ по заданию Министерства образования и науки, а также при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программ СТАРТ 1, гос. контракт №5021р/7400 "Разработка оборудования нанесения микродефектов на поверхность медицинских игл, предназначенных для ультразвуковой визуализации" и СТАРТ 2 гос. контракт №8024р/7400 «Исследование методов контроля и разработка системы контроля качества поверхности медицинских игл при микроплазменной обработке».
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось изучение механики взаимодействия плазмы разряда с жидким электролитическим катодом с поверхностью твердого тела и разработка технологии формирования микрорельефа поверхности металлов с заданными параметрами. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Провести обзор известных экспериментальных и теоретических исследований разрядов многофазных средах между твердыми металлическими и жидкими неметаллическими электродами, а также определить области их практических применений.
-
Разработать и изготовить установки для исследования характеристик разрядов с электролитическим катодом при плазменно-электролитном воздействии на поверхность металлов;
-
Установить условия возникновения анодных микроразрядов на поверхности твердых тел и выявить возможный механизм самоподдержания разряда;
-
Исследовать зависимость процесса формирования микрорельефа поверхности металлов от параметров электрического разряда, определить механику воздействия плазмы разряда парогазового пузырька на обрабатываемую поверхность.
-
Разработать технологию формирования микрорельефа поверхности с заданными параметрами.
Объект и методы исследования. Основным объектом исследования являются плазменно-электролитные процессы воздействия на поверхность твердых тел, а также сама поверхность металлов, при таком воздействии.
Для исследования параметров разряда с электролитическим катодом и определения условий возникновения анодных микроразрядов проводились измерения напряжения и тока разряда, температуры электролита и электрода, распределения потенциала в зоне разряда и в толще электролита, кислотности электролита; проводилась скоростная видеосъемка образования пузырьков в межэлектродном пространстве. Обработанные поверхности исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа, определялись параметры шероховатости и микротвердости поверхности.
Научная новизна работы.
-
Исследован разряд с жидким электролитическим катодом в диапазоне U = 0 - 250В; I = 0 - 50 А; рН = 1 - 12; Т= 20 - 110 С.
-
Впервые исследован переход от процесса классического электролиза в режим горения разряда в паровоздушной оболочке.
-
Обнаружены анодные микроразряды в диапазоне напряжений 40 - 100
В;
-
Установлена зависимость напряжения зажигания разряда от кислотности электролитического катода.
-
Определено влияние формы прикладываемого напряжения на режимы плазменно-электролитного воздействия.
-
Определен механизм воздействия электрических разрядов в многофазных средах на обрабатываемую поверхность.
Практическая ценность работы. На основе экспериментальных исследований параметров разряда с электролитическим катодом разработана плазменно-электролитная технология формирования микрорельефа поверхности, в том числе медицинских игл с повышенной ультразвуковой визуализацией, которые были использованы в Республиканской клинической больнице №1 г. Казань.
Внедрены в промышленность технологические процессы и оборудование для плазменно-электролитной обработки. Экономический эффект составил 6 млн. руб в год.
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:
-
Результаты комплексных экспериментальных исследований генерации потоков плазмы разряда с электролитическим катодом в процессе плазменно-электролитной обработки поверхности.
-
Результаты исследований перехода из классического электролиза в режим горения разряда в паровоздушной оболочке.
-
Существование анодных микроразрядов в диапазоне напряжений 40-100В.
-
Зависимость режимов генерации потоков плазмы при плазменно-электролитном формировании микрорельефа от формы прикладываемого напряжения.
-
Закономерность влияния кислотности электролитического катода на напряжение зажигания разряда.
-
Механика воздействия потока плазмы электрических разрядов на обрабатываемую поверхность.
-
Технология плазменно-электролитного формирования микрорельефа медицинских игл для ультразвуковой визуализации.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: 4-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии 13-18 мая, Иваново 2005г; Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению "Индустрия наносистем и материалы", МИЭТ, Москва, 2005; Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани «Туполевские чтения», Казань, 2005; London international youth science forum. London 2005; 4-я Курчатовская молодежная научная школа, 20-22 ноября 2006 г., Москва; научных сессиях Казанского государственного технологического университета, Казань, 2006 - 2011; V и VI Российских ежегодных конференциях молодых научных сотрудников и аспирантов. ИМЕТ им. А.А. Байкова, Москва, 2008,2009; 6-я международная конференция "Физика плазмы и плазменные технологии" (ФППТ-6), Минск, Беларусь, 2009; XXXVI, XXXVII и XXXVIII Международных (Звенигородских) конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород. 2009, 2010, 2011; I, II и III Республиканских научно-технических конференциях «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий», Казань, 2009,2010, 2011.
Основные результаты исследований изложены в 26 публикациях (тез. докл. на научных конференциях - 13, статей - 12, из них 3 опубликованы в журналах, определенных ВАК, 1 патент).
Личный вклад автора состоит в получении, обработке и интерпретации полученных экспериментальных данных, в подготовке материалов к публикациям. Автором изготовлены экспериментальные установки в соответствии с целями исследования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 120
наименований. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 7 таблиц.
