Введение к работе
За последние 20 лет технологии с использованием низкотемпературной плазмы нашли широкое применение в современной науке и технике, например, в области плазменного нанесения технологических покрытий, обработки поверхностей деталей, производства мелкодисперсных материалов, ускоренного макетирования (Rapid Prototyping), создания систем газодинамических лазеров. В частности, активно исследуются процессы в динамическом вакууме. С одной стороны, нанесение покрытий в динамическом вакууме отличается на порядки более низким уровнем нежелательных химических реакций по сравнению с напылением при атмосферном давлении, а с другой - существенно большими расходами плазмообразуюшего газа и распыляемого материала (более высокой производительностью процесса) по сравнению с высоковакуумными методами. Использование же злектродуговых плазмотронов обеспечивает высокую энтальпию плазменного потока, что позволяет распылять практически любые материалы, поскольку температура газа в центральной
-г*
части дуги достигает 13000 - 16000 К и выше.
Особенностью плазменных технологий в динамическом вакууме является принципиальная возможность эффективной генерации паровой фазы подаваемого мелкодисперсного материала при сохранении высокой производительности процесса, что может привести к повышению качества наносимых покрытий по сравнению с покрытиями, получаемыми из капельной фазы.
В связи с этим, первостепенное значение приобретает изучение потоков низкотемпературной плазмы, их взаимодействия с частицами
мелкодисперсного материала, особенностей образования фаз и течения сложных двух- и многофазных плазменных потоков.
Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование процессов нагрева и ускорения потока низкотемпературной плазмы аргона в линейном каналовом электродуговом генераторе плазмы при пониженном давлении (10М01 Па), и взаимодействия такого потока с частицами и парами мелкодисперсного материала с целью изучения характеристик и особенностей двухфазных плазменных потоков, и их влияния на процесс плазменного распыления материалов, выявление возможности и определение условий для эффективного испарения подаваемого материала в пределах длины канала плазмотрона.
Проведен анализ физико-математических моделей и результатов численных расчетов течения низкотемпературной плазмы в цилиндрическом
канале плазмотрона при пониженном давлении (р=10 Па) в одно- и двухтемпературном приближешіях. Показана необходимость учета отрыва электронной температуры для корректного решения поставленной задачи.
Предложен метод расчета течения низкотемпературной плазмы в линейном каналовом плазмотроне при пониженном давлении, позволяющий получать решение в дозвуковой, переходной и сверхзвуковой областях. Проведенные расчеты выявили ряд характерных особенностей, а именно: а) скорость звука на оси потока достигается уже внутри канала; б) температура электронов за срезом канала падает быстрее температуры тяжелой компоненты плазмы; в) в
пристеночной области наблюдаются зоны избыточной массовой скорости холодного газа, которые обусловливают вдув этого газа в горячее ядро потока вниз по течению. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Предложен метод расчета взаимодействия частиц мелкодисперсного материала с потоком низкотемпературной плазмы, учитывающий механизм концентрационной диффузии и охватывающий как случай одиночных частиц, так и случай коллектива частиц. Показано, что в случае течения в канале плазмотрона: а) динамическое взаимодействие частиц с движущимся газом вызывает дополнительные гидродинамические потери, связанные с их ускорением в потоке газа и испарением; б) концентрационная диффузия паров способствует более тггенсивной массоотдаче капли, а температура ее поверхности снижается до некоторого равновесного значения и при определенных условиях может быть ниже температуры кипения материала. Неучет этого эффекта приводит к существенно заниженной потребной длине испарения мелкодисперсного материала.
Проведенное экспериментальное исследование эффективности нагрева порошков мелкодисперсных материалов (на примере меди и хрома) в плазменных потоках в канале электродугового технологического генератора плазмы, подтвердило зависимости, полученные расчетным путем, и показало, что, в случае подачи в канал медного порошка со средним диаметром частиц 40 мкм, для получения жидкометаллической фазы достаточны токи 7=300-600 А, а для преимущественного получения паров металла необходимы токи 7=1000 А и выше, при расходах рабочего газа G=0,25-0,6 г/с.
Проведенное исследование имеет определенное практическое значение для оптимизации рабочих процессов и геометрических параметров сильноточных генераторов плазмы технологического назначения, работающих в условиях динамического вакуума, некоторых конфигураций электродуговых двигателей на инертных газах, а также - для изучения рабочих процессов в мощных газодинамических лазерах на парах металлов.
В результате исследования разработана физико-математическая модель, позволяющая получать необходимую количественную и качественную информацию об особенностях течения низкотемпературной плазмы в канале плазмотрона и при истечении в вакуум, а также - о процессах динамического, теплового и массового взаимодействия в потоках низкотемпературной плазмы при введении мелкодисперсных материалов. Предложенная модель позволяет проводить численные расчеты случаев сложного теплообмена, характерных как для технологических генераторов плазмы, так и для теплообменных аппаратов.
Полученные зависимости параметров плазмы (температуры, скорости, давления и т.д.) на различном удалении от катода, в частности - для высоких значений разрядного тока, позволяют прогнозировать динамические и тепловые характеристики электродуговых генераторов плазмы и истекающих из них в вакуум сверхзвуковых струй низкотемпературной плазмы.
Учет выявленных особенностей течения плазменного потока в канале и их влияния на интенсивность нагрева, плавления и испарения введенных в плазму частиц мелкодисперсного материала позволяет корректно рассчитывать эффективную длину испарения частиц мелкодисперсного материала, а также определять требуемые условия разряда для
преимущсственного испарения подаваемого материала при заданной геометрии плазмотрона и параметрах частиц.
На основании результатов проведенного исследования, даны рекомендации по выбору оптимальных режимов и конфигурации технологических, электродуговых генераторов плазмы при необходимости эффективного образования паровой фазы, например, для нанесения различного рода покрытий. Показано, что, в случае подачи в канал медного порошка со средним диаметром частиц 40 мкм, для получения жидкометаллической фазы достаточны токи /=300-600 А, а для преимущественного получения паров металла необходимы токи 7=1000 А и выше, при расходах рабочего газа 0=0,25-0,6 г/с.
Составлен пакет прикладных программ для ЭВМ типа ЮМ PC, позволяющий проводить расчеты двухфазных плазмеїгаьіх потоков с использованием разработаїгаой модели, что позволяет определять теплофизические и динамические характеристики двухфазных потоков низкотемпературной плазмы в электродуговом плазмотроне при варьируемых входных параметрах и значительно сократить объем необходимых экспериментальных работ.
