Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 14
1.1 Рельсовые ускорители 16
1.2 Коаксиальные ускорители 24
1.3 Электрическая эрозия электродов и динамика ускорения плазменной перемычки в электромагнитных ускорителях 26
2 Устройство и принцип действия ускорительной системы на основе коаксиального мапштоплазменного ускорителя 32
2.1 Пульт управления и регистрации 32
2.2 Источник питания стенда, зарядное устройство 34
2.3 Емкостной накопитель энергии 35
2.4 Работа емкостного накопителя на нагрузку - КМПУ 37
2.5 Устройство коаксиального магнитоплазменного ускорителя 37
2.6 Принцип действия коаксиального магнитоплазменного ускорителя 43
3 Динамика ускорения и дифференциальный электроэрозионный износ поверхности ускорительного канала КМПУ 46
3.1 Динамика ускорения 46
3.2 Дифференциальный электроэрозионный износ поверхности ускорительного канала 56
3.3 Влияние энергии емкостного накопителя 59
3.4 Изменение энергетических характеристик путем отсечки хвостовой части импульса тока 65
3.5 Влияние условий снаряжения канала формирования плазменной структуры на характеристики ввода энергии, динамику ускорения и дифференциальный электроэрозионный износ 72
3.5.1 Влияние числа ЭВП и длины КФПС 72
3.5.2 Влияние газогенерирующего вещества 78
3.6 Влияние давления газа в свободном пространстве рабочей камеры 81
4 Интегральный электроэрозионный износ поверхности ускорительного канала коаксиального магнитоплазменного ускорителя 87
4.1 Наиболее значимый фактор электроэрозионного износа. Анализ результатов исследования электрической эрозии поверхности стволов из нержавеющей стали 87
4.2 Электроэрозионный износ поверхности УК стволов из меди, дюралюминия, титана 93
4.3 Анализ результатов по интегральному электроэрозионному износу поверхности УК из разных металлов 104
4.4 Снижение электроэрозионного износа поверхности УК 108
4.4.1 Использование высокоуглеродистых нержавеющих сталей 108
4.4.2 Снижение электроэрозионного износа поверхности УК введением в плазму разряда порошкообразного бора (В) и кремния (Si) 112
4.5 Влияние скорости плазменного течения на интегральный электроэрозионный износ 114
5 Повышение эффективности электроэрозионной наработки материала за счет оптимизации электромагнитной системы коаксиального магнитоплазменного ускорителя 123
5.1 Влияние направления аксиального внешнего магнитного поля соленоида и полярности электродов КМПУ 124
5.2 Влияние степени экранирования стенкой ствола ускорительного канала 128
5.3 Влияние короткозамкнутого фланца соленоида внешней индукционной системы 136
6 О возможностях технологии нанесения покрытий с использованием коаксиального магнитоплазменного ускорителя 142
6.1 Нанесение медного покрытия на алюминиевые контактные поверхности 144
6.2 Нанесение покрытий состава нержавеющей стали на металлические поверхности 149
6.3 Нанесение сверхтвердых покрытий на основе титана на металлические поверхности 152
6.3.1 Сверхтвердые покрытия на стальной подложке 153
6.3.2 Сверхтвердые покрытия на подложке из алюминиевого сплава 160
Заключение 167
Список использованных источников 169
Приложения 186
- Электрическая эрозия электродов и динамика ускорения плазменной перемычки в электромагнитных ускорителях
- Принцип действия коаксиального магнитоплазменного ускорителя
- Дифференциальный электроэрозионный износ поверхности ускорительного канала
- Электроэрозионный износ поверхности УК стволов из меди, дюралюминия, титана
Введение к работе
Актуальность темы. Значимость проблемы гиперскоростного ускорения плазмы, микро- и макротел обусловлена его использованием в самых современных и перспективных областях физики и новейших технологиях, в том числе технологиях двойного назначения. Характерной особенностью кондукционных электродинамических ускорителей с плазменным поршнем является сильная электрическая эрозия поверхности электродов в ускорительном канале (УК) [1]. В первом приложении -электродинамическом ускорении электроэрозионной плазмы с целью получения ультрадисперсных порошков металлов и некоторых соединений, и нанесения различных функциональных покрытий - это явление носит позитивный характер [2]. На нем основывается работа так называемых эрозионных электромагнитных ускорителей (ЭМУ). Получение рабочего материала эрозионным путем с поверхности электродов в процессе рабочего цикла является их отличием и преимуществом перед другими типами ЭМУ, например, электротермическими [3]. Во втором приложении -электромагнитном высокоскоростном метании макротел, электрическая эрозия поверхности электродов является принципиально негативным явлением, борьба с которым является одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками ЭМУ макротел и перспективных систем кинетических вооружений на новых физических принципах. Электроэрозионный износ поверхности электродов в УК препятствует получению высоких, теоретически прогнозированных, скоростей метания из-за накопления и вовлечения в движение большой паразитной эродированной массы [1], а так же исключает повторное использование УК.
Эти особенности присущи как рельсовым ускорителям (РУ), так и коаксиальным ускорителям (КУ) с сильноточным разрядом типа Z-пинч. Не является исключением и гибридный коаксиальный магнитоплазменный ускоритель (КМПУ) [4], рассматриваемый в настоящей работе. В отличие от
РУ и традиционных Z-пинч ускорителей гибридный КМПУ имеет более высокую эффективность преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию ускоряемой массы [5] и электроэрозионной наработки рабочего материала.
В связи с этим исследование электроэрозионного износа поверхности УК КМПУ является актуальной задачей.
Цели работы и задачи исследований. Цель работы заключается в установлении основных закономерностей динамики ускорения и электроэрозионной наработки рабочего материала с поверхности УК КМПУ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследование динамики ускорения электроразрядной плазмы и дифференциального электроэрозионного износа по длине УК.
Определение наиболее значимого фактора и основных закономерностей интегрального электроэрозионного износа в зависимости от энергетических и конструктивных параметров КМПУ.
Повышение эффективности КМПУ за счет оптимизации системы электромагнитного взаимодействия.
Поиск возможностей снижения эрозионного износа поверхности УК.
Работы по теме выполнялись в рамках следующих научно-технических программ:
Сотрудничество Министерства Образования РФ и Министерства Обороны РФ по направлению "Научно-инновационное сотрудничество" по теме: «Создание высокоэффективной гибридной электромагнитной системы гиперскоростного метания масс», 2002-2003 гг.
Министерство Образования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники". Подпрограмма (202): "Новые материалы". Проект 202.05.02.034. «Разработка научно-технических основ динамического синтеза сверхтвердых материалов и получение покрытий на их основе», 2002 г.
Министерство Образования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники". «Исследование взаимодействия сильноточного дугового разряда с конденсированными средами при высоких динамических нагрузках и в сильных магнитных полях», 2003 г.
Министерство Образования РФ: Санкт-Петербургский государственный университет. «Исследование процесса электроэрозионной наработки материала с поверхности ускорительного канала коаксиального магнитоплаз мен ного ускорителя для нанесения функциональных покрытий на металлические поверхности», 2004 г.
Министерство Образования и науки РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники". «Исследование явления сверхглубокого проникания вещества гиперзвуковой струи коаксиального магнитоплазменного ускорителя в металлические преграды», 2005 г.
Научная новизна. В работе проведены исследования и получены следующие результаты:
Установлена связь между волновой неустойчивостью скорости плазменного течения в УК КМГГУ с волновой неравномерностью электроэрозионного износа поверхности УК.
Установлены закономерности влияния энергетических и конструктивных параметров КМПУ на интегральную величину электроэрозионного износа поверхности УК.
Найдены возможности снижения электроэрозионного износа поверхности УК.
Установлены особенности влияния электромагнитной системы КМПУ на динамику ускорения и электроэрозионный износ поверхности УК.
На защиту выносятся следующие положения: 1. Волнообразная неравномерность электроэрозионного износа поверхности УК КМПУ обусловлена волновой неустойчивостью
скорости плазменного течения в УК, вызванной установлением квазистационарного гиперзвукового течения с характерной "бочкообразной" ударно-волновой структурой в полном соответствии с основными газодинамическими закономерностями гиперзвуковых течений.
Интегральный электроэрозионный износ поверхности УК определяется величиной подведенной энергии. Обобщающая зависимость удельного интегрального электроэрозионного износа m/W от удельной подведенной энергии W/VyK носит линейный характер, в диапазоне изменения энергии от 20 до 200 кДж.
Существенное снижение эрозионного износа обеспечивается введением в плазму разряда углерода, бора, кремния (подтверждено патентом РФ). Этот эффект усиливается с уменьшением потенциала ионизации вещества добавки.
Максимальная эффективность использования энергии на электроэрозионную наработку материала достигается при: встречном направлении аксиального магнитного поля внешней индукционной системы, с короткозамкнутым витком на выходе соленоида и при минимально возможном экранировании УК цилиндрической стенкой ствола.
Практическая значимость результатов работы. Совокупность
полученных результатов представляют собой научно-технические основы
способа, который ляжет в основу создания новых технологий нанесения
функциональных покрытий на твердые поверхности и получения новых
сверхтвердых материалов. Наиболее перспективным направлением
практического использования представляется:
1. Нанесение медных покрытий на металлические контактные поверхности
с целью согласования контактных пар и снижения переходного
сопротивления.
Нанесение покрытий состава нержавеющей стали на рабочие поверхности электродов электроразрядных устройств с целью повышения стойкости к внешним воздействиям и электроэрозионной стойкости.
Получение сверхтвердых материалов на основе: W, Ті, Al, Si, В, и нанесение сверхтвердых покрытий на их основе на металлические поверхности с целью:
получения твердосплавного слоя (в виде покрытия) на режущие поверхности металлообрабатывающего лезвийного инструмента;
поверхностного упрочнения пластин средств индивидуальной броневой защиты.
4. Полученные результаты используются при разработке электромагнитных
ускорителей макротел с целью повышения эффективности метания и
ресурса ствола.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях:
"KORUS-2003". Proceedings the 7lh Korea-Russia International Symposium on Science and Technology. — Republic of Korea, Ulsan. The IEEE. 28 June - 6 July 2003;
IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology Contributed Papers. Minsk, Belarus. 15-19 September 2003;
Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии. Материалы II Всероссийской конференции молодых ученных. Томск: ИФПМСОРАН,2003;
Энергетика: экология, надежность, безопасность. Материалы докладов 9-ой Всероссийской научно-технической конференции. Томск, 2003;
Современные техника и технологии. Х-Юбилейная международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск. 29 марта - 2 апреля 2004;
"KORUS-2004". Proceedings the 8th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology. Tomsk. 26 June — 3 July 2004;
13th International Symposium on High Current Electronics. Proceedings Edited by B. Kovalchuk and G. Remnev. Russia, Institute of HCE Tomsk. 25-29 July 2004;
European Pulsed Power Symposium. Hamburg-Germany DESY. 20-23 September 2004;
Энергетика: экология, надежность, безопасность. Материалы докладов 10-ой Всероссийской научно-технической конференции. Томск, 2004;
Современные техника и технологии. ХІ-Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых. Томск. 28 марта- 1 апреля 2005;
"KORUS-2005". Proceedings the 9th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology. Russia, Novosibirsk. 26 June - 2 July 2005.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 26 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, и получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 190 страницах, состоит из введения, 6 глав, заключения, списка используемой литературы (158 наименований) и приложений.
Электрическая эрозия электродов и динамика ускорения плазменной перемычки в электромагнитных ускорителях
Особенностью рассмотренных типов и разновидностей ЭМУ является то, что они относятся к электродинамическим ускорителям кондукционного типа, у которых в процессе работы электроды замыкаются через плазменную перемычку (сильноточный дуговой разряд), которая ускоряется под действием электродинамических сил. Наличие дугового разряда (плазменного поршня) обеспечивает повышение эффективности преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию МТ, за счет электротермического механизма [7]. Однако сильноточный дуговой разряд вызывает эрозию поверхности электродов ускорителя, препятствует получению высоких скоростей метания из-за накопления в плазменном поршне и вовлечения в движение эродированной массы материала УК [1], а так же исключает повторное использование ствола. В литературе [67] показано, что плазменную перемычку можно заменить металлическим якорем, через который будет замыкаться ток, протекающий через ускоритель, тем самым исключить газовый разряд. Однако при такой конструкции ускорителя возникает другая проблема сложность изготовления УК и металлического якоря, и, тем не менее, при высоких скоростях метания все же возникают отдельные разряды, вызывая эрозию электродов [67]. В связи с этим проблема борьбы с электроэрозионными процессами всегда наиболее остро стояла перед всеми разработчиками электродинамических ускорителей кондукционного типа. В [68] рассмотрено влияние эрозии электродов РУ на его работу. Анализ работы рельсовых ЭМУ твердых тел с учетом присоединенной за счет эрозии электродов массы m показал существование предельной скорости, до которой можно ускорить макрочастицу.
В предположении постоянного тока в цепи нетрудно получить формулы [69], соответствующие двум обычно рассматриваемым в литературе механизмам эрозии: нагрев этой массы до температуры плазмы (20 000 -т- 30 000 К [70]) и ионизацию, получаем а2 0,05-т-0,15. Приа2=0,15; h=4,7-106 Дж/кг, Ру=10"3 Ом, m = 10"3 кг, 10 = 4-Ю5 А, находим, что гігДІт = 11,8 км/с и т2 = 300 мкс. При значении t = 300 мкс получаем х \ = 4,5 км/с, и2 = 5,9 км/с. Хотя вышеприведенный анализ является грубым, тем не менее, он показывает, что при оценке предельных кинематических характеристик и потенциальных возможностей РУ макрочастиц необходимо учитывать сопротивление цепи и эрозию электродов. Учет этих факторов приводит, как и следовало ожидать, к ухудшению коэффициента преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию МТ, так как от этих нежелательных факторов практически избавится трудно. В [71] показано, что электроэрозионный износ по длине УК в РУ сильно неравномерен (рисунок 1.10). Коэффициент заполнения поверхности зонами привязки (поражение) S = Sn/S0 (где: Sn — площадь поражения поверхности, S0 - площадь контрольной поверхности) составляет величину порядка 0,15 -г- 0,20 и не зависит от материала электрода. Там же показано, что полученный результат был позднее подтвержден в экспериментах с ускорением тела при токе 600 кА на участке активного разгона (I = const). Т.о. принимать в такой ситуации гипотезу непроницаемости плазменного поршня хотя бы в приэлектродной области невозможно. В [72] показано, что плазменная перемычка в РУ не компактна, а распределена на некоторой длине, причем ее ширина по мере движения изменяется. Динамика движения передней границы ускоряется не монотонно, а с колебаниями скорости (рисунок 1.11). В литературе [73, 74] показано, что наиболее очевидным способом уменьшения эрозии - это использование электродов с большей температурой плавления.
В [75] показано влияние стойкости материалов электродов к электрическому разряду, происходящего в камере размером 8x8x100 мм , представляющей собой часть УК РУ. В качестве изолятора использовался текстолит. Сборка помещалась в стальной бандаж. Разряд инициировался взрывом медной фольги размером 0,03x1x8 мм3. ИЭП служила конденсаторная батарея емкостью 3,4 мФ или 6,8 мФ с напряжением до 5,0 кВ. Амплитуда тока менялась от 150 кА до 400 кА. Полный заряд, прошедший через плазменный промежуток мог изменятся от 5 до 30 Кл. Измерение тока и напряжения на плазменном промежутке показали, что величина JlUdt (где: 1-ток, U-напряжение) прямо пропорциональна величине Р=Д dt. Это позволяет записать Iudt= RpJl2dt и оценить сопротивление плазменного промежутка. Эксперименты показали, что Rp остается примерно постоянным и равным 0,75 мОм для медных и 0,9 мОм для молибденовых и вольфрамовых электродов. На рисунке 1.12 представлена зависимость интегральной величины эродированной массы от величины Р для меди, молибдена и вольфрама.
Принцип действия коаксиального магнитоплазменного ускорителя
Принцип действия КМПУ заключается в следующее. В исходном состоянии КМПУ включен в разрядный контур ЕНЭ С, как показано на рисунке 2.5. Накопитель заряжен до требуемого напряжения. При замыкании ключа К, что в реальной схеме равнозначно одновременному или поочередному запуску игнитронных разрядников, по обозначенному стрелками контуру начинает протекать нарастающий ток разряда конденсаторной батареи. В этот контур последовательно включены: один полюс С, центральный электрод 1, ЭВП 4, ствол-электрод (начало ствола) 2, контактный цилиндр 5 , соленоид 5", контактный фланец 5 ", стяжные токоведущие шпильки (на рисунке 2.5 не показаны, а показаны на фотографии рисунка 2.6.), второй полюс С. При достижении разрядным током i(t) некоторого уровня, происходит электровзрыв проводников 4 и возникает дуговой разряд с плазменной структурой типа Z-пинч с круговой плазменной перемычкой. Для усиления начальной динамики ускорения КФПС в изоляторе центрального электрода может заполняться водород онасыщенным ГГВ (более 10 % водорода), например трансформаторным маслом или техническим вазелином [87]. Кроме того, в некоторых случаях это вещество наполнялось порошкообразным графитом массой до 1,0 г, реагентом для динамического синтеза карбида титана.
При контакте с плазмой разряда ГГВ термически разлагается с высвобождением водорода. Водород (легкий газ) нагревается и расширяется с большой скоростью, обеспечивая начальное ускорение круговой плазменной перемычки, за которой вытягивается токоведущий плазменный жгут 11 . Устойчивое состояние плазменной структуры обеспечивается магнитным давлением поля собственного тока, а также магнитным давлением аксиальной составляющей ВМП соленоида индукционной системы. При токе 105 А и предполагаемом диаметре плазменного жгута - 5,0 мм индукция этих составляющих равняется соответственно 8 Тл и - 3 Тл. При этом на плазменную перемычку действует пандеромоторная сила Лоренца, независимо от направления тока в коаксиальном контуре: где: I - ток перемычки, L - погонная индуктивность коаксиальной системы, равная - 0,3-10 3 Гн/м, которая при I = 100 кА составляет - 1500 Н. В процессе работы ускорителя в разряде постоянно накапливается и вовлекается в течение масса материала, наработанного электроэрозионным путем с металлической поверхности ускорительного канала. Этот материал выносится струей из ускорительного канала [61, 71, 75, 88-97] и является основой для нанесения покрытия на мишень-подложку 10, расположенную на некотором расстоянии от среза ствола КМПУ.
Динамика ускорения электроразрядной — электроэрозионной плазмы исследовалась экспериментально на описанном выше стенде. Использовалась конструкция КМПУ с мощной индукционной системой (рисунок 3.1). Отдельные элементы, узлы и собранный КМПУ показаны на фотографиях рисунка 2.6. Особенность методики, выбранной для изучения динамики движения фронтальной границы плазменной структуры (головной ударной волны), заключалась в том, что высокоскоростная кадрированная фотосъемка процесса производилась в срез ствола КМПУ (рисунок 2.5). В качестве мишени на пути гиперзвуковой струи устанавливалось толстое оргстекло (8 = 40 мм). Оно усиливало основное окно рабочей камеры и предотвращало повреждение его внутренней поверхности. В экспериментах использовались стволы из нержавеющей стали с относительно большим диаметром ускорительного канала dyK = 24 -г- 25,7 мм, с целью увеличения размеров объекта фотосъемки. Энергетические параметры работы ускорителя, напряжение на его электродах U(t) и рабочий ток І(і) осциллографировались. На рисунке 3.2 приведены типичные осциллограммы напряжения U(t) и тока i(t) полученные в эксперименте в следующих условиях: индуктор НСИ-4 (рисунок 2.6), материал УК - нержавеющая сталь марки 12Х18Н9Т, внутренний диаметр ускорительного канала dyK=24 мм, длина УК Еук=266 мм, число ЭВП п = 8 (медь, диаметр 0,5 мм, длина ЭВП 16 мм), ГТВ — технический вазелин, массой 0.33 г, С = 48 мФ, U3= 3,0 кВ, внешняя среда — воздух при нормальном давлении. Кривая электрической мощности развиваемой ускорителем P(t) построена в соответствии с выражением
Дифференциальный электроэрозионный износ поверхности ускорительного канала
Внешний вид поверхности УК КМПУ после плазменного выстрела, показанный на рисунке 3.4, а так же изменение толщины стенки ствола по его длине указывают на сильную неравномерность электроэрозионного износа поверхности УК. Поэтому изучение электроэрозионного износа с использованием лишь данных полученных путем определения разницы массы ствола до и после выстрела, соответствующей массе материала вынесенной из ствола, является поверхностным. Эти данные не дают представления ни о полной интегральной эрозии, ни о ее распределении по длине УК, ни о динамике процесса электроэрозионного износа и наработки рабочего материала для нанесения покрытий. Поэтому были проведены исследования дифференциального электроэрозионного износа по длине ствола с целью определения характера и основных закономерностей этого процесса [107] в связи с динамикой ускорения плазменной структуры.
Исследования проводились по следующей методике. Отработанный ствол (взвешенный до и после выстрела) разрезался на токарном станке узким резцом (1-2) мм на части длиной (10-20) мм. Производилось точное взвешивание каждого отрезка на аналитических весах с точностью до 0,01 г (± 0,1%) и точное измерение его длины до 0,05 мм (±0,5%). Предполагалось отсутствие деформации трубы-ствола в радиальном направлении. Величина дифференциального электроэрозионного износа, усредненная по длине отрезка, определялась по выражению: где: m0 - масса кольца (шириной 1 мм) исходной трубы-ствола; Е; - длина і-го отрезка разрезанного ствола; т;- масса І-го отрезка разрезанного ствола; dyK- внутренний диаметр УК.
Расчеты по этому выражению производились на PC в программе KaleidaGraph. По полученным данным строились эпюры дифференциального электроэрозионного износа по длине ствола Дт(ук).
Полученная таким образом эпюра Дш( ук) для рассматриваемого случая показана на рисунке 3.76. Величина интегрального электроэрозионного износа поверхности УК определялась по следующему выражению:
Для рассматриваемого примера расчет дает значение m = 15.314 г, что с точностью до 99.9 % совпадает с величиной m = 15.30 г, определенной как разница масс целого ствола до и после выстрела, что свидетельствует о достоверности и высокой точности принятой методики.
Видно, что износ по длине УК, сильно неравномерен и носит колебательный характер. Причем колебания Ат( ук) достаточно точно, но в противофазе соответствуют колебаниям скорости фронта плазменной структуры по длине УК и(ук) (рисунок 3.7а). Начальное, относительно высокое значение скорости, обусловленное электровзрывом проводников 4 (рисунок 3.3) и разлетом электровзрывной плазмы на расстояние до 10 мм. Поэтому, в самом начале УК Дт = 0. Далее плазма резко тормозится, a Am быстро увеличивается до первого максимума, примерно соответствующего по координате минимуму скорости движения плазмы. Затем, по мере роста тока в формирующемся дуговом разряде скорость начинает вновь увеличиваться, a Am соответственно уменьшаться. Координата появления второго максимума скорости так же соответствует положению второго минимума эрозии и так далее. Некоторая неточность соответствия экстремумов Дгл( уК) и о( уК) обусловлена нестационарностью течения и погрешностью при интервале усреднения по длине УК 10-К20 мм. Действительно, кривые и( к) получены при первом прохождении плазмы по УК в режиме постоянно нарастающей мощности, как это видно из рисунков 3.2 и 3.6. Рассмотренные же эпюры Дт( ук) соответствуют полному импульсу мощности. Тем не менее, по-видимому, следует, принять допущение о квазистационарности течения на некотором интервале времени работы КМПУ.
Соответствие колебательного характера кривых \)(ук) и Дт( ук) получено в большом количестве экспериментов в различных условиях, что показано ниже.
На основании анализа полученных в работе данных можно утверждать, что характерный для всех режимов работы КМПУ колебательный характер дифференциального электроэрозионного износа поверхности УК обусловлен колебательным характером скорости гиперзвукового течения.
Следует отметить, что в работе [71] для РУ обнаружено волнообразное изменение коэффициента заполнения поверхности катода по его длине эрозионными пятнами ("привязками"), который прямо пропорционален Дт. Однако авторы не сопоставили этот факт с колебательным характером изменения скорости, который ими же был установлен для РУ электроразрядной плазмы.
Электроэрозионный износ поверхности УК стволов из меди, дюралюминия, титана
Аналогичные экспериментальные исследования были проведены для стволов из таких металлов как: медь, дюралюминий и титан. Эти материалы представляют большой интерес в плане создания новой технологии на основе КМПУ по нанесению функциональных высокоадгезионных покрытий состава нержавеющей стали [101] (например, на поверхности электродов электроразрядных устройств), медных и алюминиевых покрытий на контактные поверхности [112, 113], сверхтвердых композиционных покрытий на основе титана [114]. В этом приложении двойной технологии эле ктроэроз ионный износ и наработка рабочего материала является важнейшим процессом технологического цикла, который должен иметь максимальный к.п.д. использования энергии на наработку материала с поверхности УК. Электроэрозионный износ поверхности УК медного ствола На рисунке 4.7 приведены некоторые эпюры дифференциального электроэрозионного износа по длине УК Ат(Сук) для различного уровня подведенной энергии, изменяемой за счет: шунтирования разряда в УК, и энергии в накопителе, номера которых соответствуют номерам экспериментов в таблице 4.1. Как и в выше рассмотренных случаях на стволах из меди наблюдается колебательный характер дифференциального износа по длине ствола. Видно увеличение эродированной массы с увеличением W как за счет увеличения U3ap и С, так и за счет использования системы шунтирования разряда в УК. На эпюрах Ат(ук) имеются участки в конце УК, на которых Дт принимает отрицательные значения. Это свидетельствует о наслоении эродированного материала на поверхность УК неподверженную эрозии. Следует отметить, что минимальные эродированные длины УК ук.э имеют место на медном стволе, вследствие большей теплопроводности и большего экранирующего действия.
Поэтому большая СуК нецелесообразна в связи с уменьшением выносимой из ствола массы и неэффективным использованием исходного материала - медной трубы. Оптимальная длина УК ствола из меди составляет - 150 мм. В связи с этим в работе предложено техническое решение, позволяющее решить задачу повышения эффективности использования материала ствола с сохранением динамических характеристик струйного течения. Оно заключается в том, что длина медного ствола выбирается несколько меньшей, чем Еук.э, а недостающая длина дополняется диэлектрической насадкой с продолжением канала, как показано на рисунке 4.8. Данные и результаты такого эксперимента представлены в таблице 4.1 (столбец 7). Получен ожидаемый результат - вся поверхность укороченного УК подвергается относительно равномерному электроэрозионному износу (без наслоения), из ствола выносится весь эродированный материал. Причем эпюра Am(JK) получается практически идентичной эпюре для ствола полной длины с некоторым увеличением Дт на срезе, так как здесь заканчивается проводящий участок и на него замыкаются линии тока.
При этом скорость струи на срезе диэлектрической насадки остается практически такой же, как и при цельном медном стволе такой же длины. Это установлено при анализе соответствующей фотограммы скоростной съемки (рисунок 4.9.) Эта фотограмма интересна тем, что на кадрах виден конец диэлектрической полиэтиленовой насадки длиной 29 мм и на первых кадрах видно продвижение по нему фронта плазменной структуры. Это дало возможность определить скорость на конечном участке ствола и сравнить ее со скоростью, получаемой путем экстраполяции кривой затухания в свободном пространстве. Сравнение дало одинаковый результат, что подтвердило достоверность используемого способа оценки скорости на срезе ствола. По аналогии с анализом данных для стволов из нержавеющей стали, проанализированы результаты исследований удельного интегрального электроэрозионного износа поверхности УК медных стволов, представленные в виде линейной зависимости m/W=fi(W/VyK) на рисунке 4.10. Аппроксимирующее медном электроде-стволе также существует критическая энергия, при которой эрозия практически отсутствует, но ее значение существенно меньше, чем для нержавеющей стали, что обусловлено более низкой температурой плавления. В работе [75] приведены результаты подробных экспериментальных исследований эрозии медных электродов РУ, которые представлены в виде линейной зависимости: где: а = 0,13 г/Дж - коэффициент эрозии; Ек Ы0 Дж - критическая энергия. Экспериментально показано, что для разряда в рельсотроне сопротивление разряда остается практически постоянным (для меди 0,75 10"3 Ом). Пользуясь этими данными, а также приведенными в работе размерами УК рельсотрона (8x8x100 мм), произведен пересчет по предложенному в работе выражению. Результаты пересчета представлены в виде кривой 3 (рисунок 4.10). Сравнение показывает практически одинаковое значение критической удельной энергии, и близость результатов в диапазоне удельной подведенной энергии от критического значения до - 0,5 кДж/см3. При увеличении W/VyK эрозия в рельсотроне уменьшается по сравнению с КМПУ. Однако, эти результаты [75] получены без использования ГТВ. То есть при его использовании следует ожидать некоторого снижения электроэрозионного износа, и возможно, получения также линейной зависимости в данной системе координат. Следует отметить один важный факт, имеющий отношение к работе КМПУ с медным стволом и ограничивающий возможности в режиме работы с отсечкой хвостовой части импульса тока. Медь имеет значительно меньшее электрическое сопротивление, чем другие из рассматриваемых металлов. Поэтому, в поперечнике ствола наводится большой ток и увеличивается сила магнитного давления внешнего аксиального поля, сжимающая ствол. При отсечке тока и прекращении выделения энергии в УК нарушается баланс между величиной давления внутри УК и магнитным давлением, сжимающим ствол. В силу относительно низкой прочности медной трубы и высокой пластичности материала [115] происходит схлопывание ствола на участке, охваченном соленоидом (рисунок 4.11). Единственным способом исключения этого явления является разрыв короткозамкнутого витка путем продольного разреза ствола.
Однако это сильно усложняет технологию изготовления ствола. С другой стороны такой разрыв практически исключает экранирующее действие ствола и дает возможность существенно увеличить электрическую эрозию поверхности УК. Электроэрозионный износ поверхности УК дюралюминиевого ствола С целью получения гиперзвуковых плазменных струй с рабочим материалом преимущественно алюминиевого состава стволы с dyK - 16 мм и 25 мм, длиной Сук= 230-Т-270 мм изготавливались из дюралюминиевых труб марки АЛ2. Использовались индукторы АИ-6, МИ-8, НСИ-4. Параметры ЕНЭ изменялись в пределах: изар = ЗДН-3,5 кВ, С = 9-И-8 мФ. Основные данные экспериментов и полученные результаты сведены в таблицу 4.2. На рисунке 4.12 приведены типичные эпюры Дт(Сук) для различного уровня подведенной энергии, изменяемой за счет: шунтирования разряда в УК, использования разных калибров УК и других изменений условий снаряжения. Как и в выше рассмотренных случаях на стволах из дюралюминия наблюдается колебательный характер дифференциального износа по длине ствола с более явно выраженными колебаниями при относительно большом dyK=25 мм. Очевиден рост эродированной массы с увеличением W как за счет увеличения U3ap и С, так и за счет использования системы шунтирования. Однако, дюралюминиевые стволы не схлопываются, подобно медным, в таком режиме работы КМПУ. Оптимальная длина УК ствола из дюралюминия составляет также - 200 мм, как и для стволов из нержавеющей стали.
