Введение к работе
Актуальность проблемы В настоящее время возможности модификации материалов и изделий с использованием традиционных методов обработки практически исчерпаны Новые технологические процессы позволяют экономить реагенты, сырье, повышать производительность труда, качество, надежность и долговечность изделий Одной из наиболее перспективных технологий является плазменная обработка материалов и изделий, в том числе с применением для этих целей неравновесной низкотемпературной плазмы струйного многоканального разряда Этот вид разряда характеризуется следующими параметрами концентрация электронов в разряде пе= 1017- 10 м~\ температура
электронов Те - 104 К и температура газа Г« 1000 - 5000 К
Неравновесная низкотемпературная плазма струйного многоканального разряда обеспечивает повышение эффективности таких технологических процессов, как очистка материалов с одновременной полировкой, упрочнение, газонасыщение и активация поверхности твердых тел Этот вид разряда позволяет производить локальную обработку поверхностей материалов, обеспечивает одностадийное получение металлического порошка, нанесение тонких пленок металлов, синтез органических соединений в электролите, очистку воды, стерилизацию растворов и изделий Необходимость исследований струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами требуется также при электрохимических обработках материалов
В настоящее время существуют четыре модификации системы «парогазовый разряд - электролитическийэлектрод»
разряды в парогазовой среде между электролитическим и металлическим электродами (работы Б Р Назаренко, В Н Дураджи, A Hicklmg, Z W Stenberg, Н Onako, А И Максимова, Э Б Сона, И Ш Абдуллина и др ),
разряды в парогазовой среде между электролитическими электродами (работы Б Р. Лазаренко, Ю И Баринова и др ),
разряды в парогазовой оболочке вокруг металлического электрода, погруженного в электролит (работы A Hickhng, М D Ingram, J Grabarz - Ohuier, ДИ Словецкий, БР Лазаренко, В Н Дураджи, А А. Факторовича, И.З Ясно-городского и др.)>
4) микроразряды на погруженном в электролит аноде, покрытом слоем
диэлектрика (работы НП Слугинова, НП Смирновой, С Иконописова,
Л А Снежко, А К Vigh, Л А Одынеца, Л Т Бугаинко, О В Полякова, Г А Мер
курьева, Е Е Аверьянова и др )
Несмотря на большие возможности использования многоканального разряда в промышленности, набор имеющихся в литературе экспериментальных данных не позволяет судить о закономерностях и механизмах струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессе модификации материалов и изделий
Физика плазмы струйного многоканального разряда с непроточными, проточными и струйными электродами в процессе обработки материалов практически не изучена Струйный многоканальный разряд между твердым и электролитическим электродами в процессе обработки твердых тел - принципиально новая и малоисследованная область практического применения электрических разрядов В настоящее время мало изучено взаимодействие неравновесной плазмы струйного многоканального разряда с поверхностями материалов Все это сдерживает разработку и создание плазменных установок и новых технологических процессов с использованием струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами и их внедрение в производство
' Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы комплексного исследования струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами (непроточные, проточные и струйные) в процессах модификации материалов, позволяющих существенно повысить технологические и эксплуатационные характеристики изделий из этих материалов за счет целенаправленного изменения их структуры, физических и механических свойств
В диссертации изложены результаты работы автора по исследованию струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессах обработки материалов в период 2002 - 2007 г
Работа выполнялась в Казанском государственном техническом университете им А Н Туполева (КАИ) в 2002 - 2003 п по Межотраслевой программе сотрудничества Минобразования РФ и АО «АвтоВАЗ» (создание новых материалов и технологий для автомобилестроения) и в течение 2002 - 2004 гг по Межотраслевой программе сотрудничества Минобразования РФ и Министерства обороны РФ по направлению «Научно-инновационные сотрудничества» (создание перспективных, конструкционных, специальных и топливных материалов), по программе Минобразования РФ проводились исследования в области производственных технологий по разделу «Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении» (2004 г ) В течение 2005 - 2006 гг проводились ориентированные фундаментальные исследования РФФИ по проекту «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» №04-02-97501
Цель и задачи исследования Целью работы являются комплексные исследования струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами в процессах модификации материалов и изделий, результаты которых позволяют создавать технологические процессы для направленного изменения структуры, физических и механических свойств этих материалов и изделий 2
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач
1)проведение комплексных экспериментальных исследований струйного
многоканального разряда между металлическим анодом (обрабатываемое тело)
и электролитическим катодом,
проведение комплексных экспериментальных исследований струйною многоканального разряда между металлическим катодом (обрабатываемое тело) иэлектролитическим анодом,
создание физической модели горения и математической модели зажигания струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами,
разработка технологических процессов модификации материалов струйным многоканальным разрядом между твердым анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом,
разработка технологических процессов модификации материалов струйным многоканальным разрядом между твердым катодом (обрабатываемое тело) и электролитическим анодом,
6) разработка и создание разрядных устройств струйного многоканально
го разряда между твердыми электролитическим электродами для реализации
технологических процессов обработки материалов
Методика исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы исследований
Для исследования параметров струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессе обработки материалов создан измерительный комплекс, состоящий из
спектрографов ИСП-30 и ДФС - 8-2 для снятия спектра в видимой и УФ областях излучения плазменного столба струйного многоканального раз-рада и для измерения концентрации электронов по Штарковскому уширению спектральных линий водорода Щ в серии Бальмера,
ЯМР - спектроскопа для изучения свойств электролита до и после обработки плазмой,
одиночного зонда Ленгюмера для измерения распределения потенциала на поверхности и внутри электролита в процессе обработки материалов,
проточных калориметров для определения теплового баланса струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов,
термопар типа ТПП группы ПП и ТПР (условные обозначения градуировок ПП-1 и ПР 30/6) и вторичного прибора ПП-63 класса точности 0,05 для измерения температуры в струйном многоканальном разряде в процессе упрочнения поверхности материалов,
"5
рН-метра с использованием милливольтметра М907-3,
цифровой фотокамеры «Panasonic» flMC-FZ20 и видеокамеры «Sony», фотоаппаратов «Rower 3 2», «Зенит» и микроскопа типа СП-52 для изучения границы раздела «электролит - плазма» и горения струйного многоканального разряда в процессе обработки твердых тел
Для определения степени воздействия струйного многоканального разряда на материалы и изделия использовались электронная микроскопия, рентгеност-руктурный и рентгенографический анализ, стандартные методики измерения физико-механических свойств
Достоверность сформулированных в диссертации научных положений и практических рекомендаций обеспечена применением физически обоснованного комплекса современных методов экспериментальных и теоретических исследований, их статистической обработкой и согласованием экспериментальных и теоретических результатов с данными других авторов
Научная новизна. 1 Впервые выявлены в процессе обработки материалов струйным многоканальным разрядом между металлическим анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом
жгутообразный многоканальный разряд между твердым анодом и электролитическим катодом,
многоканальный разряд между плазменным шлейфом и электролитическим катодом,
объемный разряд между плазменным шлейфом и электролитическим катодом,
переход объемного разряда в жгутообразный многоканальный разряд с ростом тока и межэлектродного расстояния,
переход многоканального разряда в объемный разряд,
различные структуры катодных пятен на поверхности электролита (правильные круги, подковы и нитевидные пятна),
волнистые, нитевидные линии в объеме разряда и их переход в ярко очерченные микроканалы многоканального разряда
2 Впервые установлены в процессе обработки материалов струйным многоканальным разрядом между твердым (обрабатываемое тело) катодом и электролитическим анодом.
возможность горения струйного многоканального разряда и его основные формы,
структуры границы раздела «плазма - электролитический анод»,
образование и наложение поперечных волн на поверхности электролита,
переход регулярной поверхностной ряби в бурлящую вспененную зону турбулентного смешивания плазмы многоканального разряда и электролита
3 Впервые обнаружены горение и распространение многоканального разряда в процессе взаимодействия струи электролита с поверхностью твердых тел и жидкостей
многоканального разряда внутри струи,
многоканального разряда вдоль струи, на границе раздела «струя - электролит» и в объеме электролита,
многоканального разряда на поверхности диэлектриков (оргстекло, пластмассы и т д ) и в объеме пористых тел,
многоканального разряда между микроразрядами в струе и твердым электродом,
многоканального разряда в форме усеченного конуса,
многоканального разряда на границе между стекающей каплей электролита и поверхностью твердого тела,
многоканального разряда между каплями электролита,
многоканального разряда между отрывающейся каплей электролита и твердым телом,
струйного объемного разряда, .
переход струйного объемного разряда в многоканальный разряд,
развитие электрического пробоя вдоль струи электролита
Установлено, что струйный многоканальный разряд между металлическим анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом позволяет эффективно производить модификацию малогабаритных материалов и изделий очистку с одновременной полировкой, поверхностное насыщение азотом и кислородом, повышение коррозионной стойкости металлов и сплавов, упрочнение материалов в струе и нанесение тонких пленок металлов
Установлено, что струйный многоканальный разряд между металлическим катодом (обрабатываемое тело) и электролитическим анодом позволяет наиболее эффективно производить модификацию крупногабаритных материалов и изделий сложной конфигурации очистку с одновременной полировкой, одностадийное получение металлического порошка и упрочнение материалов в струе плазмы
Установлено, что многоканальный разряд со струей электролита позволяет производить снятие заусенцев с кромок изделия, локальную очистку и полировку внешних и внутренних поверхностей деталей, прошивку отверстий в металле (медь, сталь и титан) и резку металла
Обобщены ВАХ многоканального разряда с использованием методов теории подобия и размерности
Созданы физические модели горения и математические модели зажигания струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов и изделий
Практическая ценность работы На основе результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами разработаны следующие технологии обработки материалов
Плазменная очистка с одновременной полировкой (от Ra = 0,63 до Ra < 0,1 мкм) поверхности металлов и сплавов, удалением дефектов механической обработки (следы, глубокие царапины, трещины, рельефные слои, забоины) и после литья (морозы, сетки разгара) перед формированием высококачественных покрытий с заданными свойствами материалов Плазменная очистка с одновременной полировкой существенно уменьшает время полировки до 20 с, энергозатраты в 6 - 15 раз, а площадь, занимаемая комплексом оборудования в 10 раз меньше по сравнению с электрохимическим полированием
Одностадийное получение оксидного порошка из различных материалов (Ст 3, Ст 20, Ст 45, У8, У8А, У10), позволяющие существенно сократить время технологического процесса получения порошка по сравнению с использованием химической технологий Получение оксидного порошка железа сферической формы с более высокими магнитными свойствами показали, что 90% порошка составляет магнетит Рез04, остальная часть состоит из оксида железа FeO и основная масса полученного порошка (около 75%) имеет дисперсность 0,025 - 0,03 мм
Упрочнение поверхности углеродистых и инструментальных сталей в струе плазмы, позволяющее увеличить микротвердость по Виккерсу HV5o в среднем в 4 раза при глубине упрочненного слоя 0,9 - 1,5 мм по сравнению с исходным образцом
Поверхностное насыщение металлов и сплавов, за счет чего увеличивается износостойкость материалов почти в 2 раза по сравнению с исходным образцом
Локальная обработка поверхности металлов и сплавов для получения заданной шероховатости, прошивки и резки
Нанесение тонких пленок металлов при атмосферном давлении увеличивает адгезионную прочность в 2 - 4 раза по сравнению с адгезионной прочностью пленки при вакуумном напылении
Результаты обобщения электрических характеристик в процессе обработки материалов использованы для инженерного расчета плазменных технологических установок струйным многоканальным разрядом
Созданные технологические процессы и специальное оборудование для модификации материалов внедрены в промышленное производство ОАО «Казанский завод Электроприбор» и ФГУП СКТБ «Мединструмент» с суммарным экономическим эффектом 10 млн руб
Результаты данной работы вошли в 50 лучших инновационных идей Республики Татарстан в 2006 г 6
На защиту выносятся
Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым анодом (обрабагываемое гело) и электролитическим катодом (непроточные и проточные) при атмосферном давлении в процессе модификации материалов и изделий
Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым катодом (обрабатываемое тело) и электролитическим анодом (непроточные и проточные) при агмо-сферном давлении в процессе модификации материалов и изделий
Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым телом и струей электролита, между непроточным электролитом и струей электролита в процессе обработки материалов и изделий
Физические модели горения и математические модели зажигания струйною многоканального разряда в процессах модификации материалов
Технологии модификации поверхности материалов с применением струйного многоканального разряда'между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами при атмосферном давлении, позволяющие за счет эффективной обработки регулировать эксплутационные свойства материалов и изделий
Результаты обобщения ВАХ многоканального разряда между электролитическим катодом и твердым анодом, а также между электролитическим анодом и твердым катодом в широком диапазоне изменения напряжения и тока разряда, межэлектродного расстояния в процессе обработки материалов и изделий при атмосферном давлении
Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное и социальное значение и заключающуюся в создании комплекса новых процессов модификации материалов и изделий для улучшения эксплуатационных, потребительских и технолошческих свойств изделий, с применением струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами, а также между струей электролита и твердым телом, непроточным злекіролитом и струей электролита
Апробация работы Основные результаты работы докладывались на 10-й международной конференции «101'1 International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing» (Paris, France, 2006), второй Международной научно-практической конференции «Исследования, разработки и применение высоких
техиолоіий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006 г), 9-й Международной
конференции «High technology plasma processes» (Sankt-Peterburg, 2006), меж
дународных конференциях «International Conference Plasma Technology Contrib
uted Papes» (Minsk, Belarus, 2003, 2006), 3-ей Всероссийской конференции мо
лодых ученых с международным участием Демидовские чтения «Фундамен
тальные проблемы новых іехнолошй в 3-м тысячелетии» РАН, (Томск, 2006),
международном симпозиуме но теоретической и прикладной плазмохимии
(Иваново, 2002, 2005), XI Школе но плазмохимии для молодых ученых России
и сграи СНГ, международной научно-іехнической конференции «Электрохи
мические и элекфолишо-нлазменные методы модификации металлических по
верхностей» (Кострома, 2003), симпозиуме «Проблемы выживания и экологи
ческие механизмы хозяйствования в регионе Прикамья» (Набережные Челны,
2002), международной конференции «Автоматизация и информационные тех-
нолопии» (Набережные Челны, 2002), межвузовской научно-технической кон
ференции «Вузовская наука - России» (Набережные Челны, 2005), на междуна
родной молодежной конференции Туполевские чтения КГТУ (КАИ) им А Н
Туполева (2002 - 2006, Казань). ґ
Основные резульгаш изложены в 55 публикациях, в том числе 10 статей в ведущих рецензируемых журналах, и решение о выдаче патента на изобретение, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторской диссер-іации, и одной моної рафии
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке цели и задач исследований, выборе методики эксперимента, непосредственном учасіии в их проведении, анализе и обобщении экспериментальных резулыаюв, в разработке физической и математической моделей зажигания и трения сіруиноіо мної оканального разряда в процессе обработки материалов и изделий, в разрабоїке технологий обработки материалов струйным многоканальным раїрядом между гвердым и электролитическим электродами Вклад автора является решающим на всех стадиях работы
Сірукгура и объем диссер\ации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 і лав, выводов, библиографии (159 наименования) и приложения Изложена на 200 сіраницах машинописного текста, содержит 180 рисунков и 17 таблиц
Похожие диссертации на Струйный многоканальный разряд между твердым и электролитическим электродами в процессах модификации материалов при атмосферном давлении
