Многоканальный и аномальный тлеющий разряды с металлическим анодом, входящим в электролитический катод тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ
|
Багаутдинова, Лилия Наилевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Казань
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
005008118
14/
0}
БАГАУТДИНОВА ЛИЛИЯ НАИЛЕВНА
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ И АНОМАЛЬНЫЙ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯДЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ АНОДОМ, ВХОДЯЩИМ В ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ КАТОД
Специальность: 01.02.05- Механика жидкости, газа и плазмы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
1 9 Я Н В 2012
Казань 2012
005008118
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ».
- доктор физико-математических наук, профессор Гайсин Фивзат Миннебаевич
- Зиганшин Рафаэль Рахимзянович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ОАО «Вакууммаш»,' заместитель генерального директора по научно-техническому развитию
- Гумеров Айрат Завдатович, кандидат технических наук, доцент, Камская государственная инженерно- экономическая академия, доцент кафедры электротехники и электроники
Ведущая организация: - ОАО Специальное конструкторско- технологическое бюро "Мединструмент", г. Казань
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Защита состоится года в 14.00 часов на:
I заседании
диссертационного совета 'Д 212.080.11 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, Казань, ул. Карла Маркса, 68 (зал заседаний ученого совета).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.
Автореферат разослан «_
/Л» JW^Ü/lJL^ 2012 ]
/г / . (
Ученый секретарь диссертационного совета ;У/ i •'"• ,CV Герасимов A.B.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Актуальность работы. Электрические разряды (ЭР) в электролитах между металлическими электродами изучены достаточно хорошо. Наряду с изучением ЭР в электролитах между металлическими электродами большой интерес представляют разряды с твердым анодом, входящим в электролитический катод (ЭК). Одним из способов получения неравновесной низкотемпературной плазмы является использование многоканального (МР) и аномального тлеющего разряда (АТР) с металлическим анодом (МА), входящим в электролитический катод при атмосферном и пониженных давлениях. Последние годы наметились перспективные направления применения вышеуказанных ЭР в плазмохимии, электронике, машиностроении, медицине и область применения их расширяется. Несмотря на это, характеристики и особенности физических процессов, протекающих в МР с металлическим анодом, входящим в электролитический катод при атмосферном давлении изучены слабо, а АТР при пониженных давлениях практически не изучены. Нет также единого мнения о природе таких разрядов. Практически отсутствуют данные по взаимодействию плазмы МР с поверхностями МА с омывающей струей электролита, а также распределенного многоканального разряда на поверхности обрабатываемого материала и изделия. Все это задерживает разработку и создание плазменных установок с МР и АТР с электролитическими электродами и их внедрение в производство.
Целью данной работы является установление характеристик и выявление особенностей физических процессов, протекающих в многоканальном и аномальном тлеющим разрядах с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также с омывающей МА струей электролита и с распределенным МР на поверхности анода при атмосферном и пониженных давлениях и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.
Задачи исследования:
1. Разработать и создать устройства для получения МР и АТР с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также с омывающей струей электролита и с распределенным МР на поверхности МА при атмосферном и пониженных давлениях.
2. На основе проведенных экспериментальных исследований электрического разряда с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также МР с омывающей МА струей электролита и с распределенным многоканальным разрядом на поверхности обрабатываемого анода выявить основные формы, структуры ЭР, вольт-амперные характеристики (ВАХ), распределение плотности вероятности значения тока, колебания напряжения и тока ЭР, зависимость температуры электролита от величины тока в диапазоне давления Р = 0,9-9,8-104 Па, напряжения и = 200-^600 В и тока разряда I = 0,25+200 А, для различных составов (растворы №С1, (Ш^О«, ШЩОз в технической воде) и концентраций электролитов (от 0,5% раствора солей в технической воде и до насыщения).
3. Разработать и создать опытно-промышленную установку мощностью 50 кВт (УУМНР-50) для одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод.
4. Разработать методику одновременной очистки, полировки и повышения твердости поверхности МА, входящего в электролитический катод распределенным MP.
5. Разработать методику одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод аномальным тлеющим разрядом при пониженных давлениях.
6. Разработать методику одновременной очистки и полировки многоканальным разрядом с омывающей металлический анод струей электролита.
Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.
Для исследования электрического разряда создан измерительный комплекс, состоящий из:
1) универсального двухлучевого осциллографа типа GDS-806S;
2) статистического вольтметра, амперметра, мультиметра разных классов точности;
3) цифровой видеокамеры «SONY HSC-H9», «ROWER 3.2» и видеокамеры «SONY HDR-SR72E» и скоростной цифровой видеокамеры Fastec HiSpec;
4) пирометра Center-352;
5) микроскопа металлографического инвертированного марки «Микромед Мет» и микроскопа инвертированного марки Meiji IM 7200.
Для определения степени воздействия на поверхность МА многоканального, аномального тлеющего разряда при атмосферном и пониженных давлениях использовались электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-механических свойств.
Степень достоверности научных результатов определяется применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их результатов с известными опытными и теоретическими данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики.
Научная новизна исследований:
1. В результате экспериментальных исследований установлены формы, особенности и характеристики многоканального разряда в процессе одновременной очистки и полировки при атмосферном давлении:
обнаружен электрический пробой между металлическим анодом и электролитическим катодом с последующим ступенчатым переходом электрического пробоя в многоканальный разряд;
образование парогазовой оболочки цилиндрической формы и горение МР на границе парогазовой оболочки;
переход парогазовой оболочки в водяной колпак в форме усеченного конуса;
- развитие турбулентного перемешивания МР и электролита;
образование фонтана капель электролита и образование парогазовых пузырей различных размеров;
переход пузырькового режима в турбулентное перемешивание МР
и пористого электролита;
распыление материала анода и его смешивание с плазменно-
электролитной средой;
горение МР между электролитическим катодом и конденсированной фазой электролита вокруг металлического анода; особенности пульсаций напряжения и тока разряда; распределение плотности вероятностей значений тока МР, которое не описывается законом Гаусса;
особенности горения МР с омывающей МА струей электролита и горения распределенным МР на поверхности МА.
2. В результате экспериментальных исследований установлены формы и
особенности АТР при 0,9-104< Р <9,8-Ю4 Па:
горение АТР на неоднородных, расщепленных и струйных участках электролита.
Практическая ценность. Разработана и создана опытно-промышленная установка с мощностью 50 кВт (УУМНР-50) для одновременной очистки и полировки поверхности металлов и сплавов при атмосферном давлении.
Разработаны методики:
1) одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод с АТР при пониженных давлениях;
2) одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод распределенным МР;
3) одновременной очистки и полировки многоканальным разрядом с омывающей МА струей электролита.
Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта «Фундаментальные и прикладные исследования физики, кинематики и гидродинамики низкотемпературной плазмы и разработка плазменных технологий» (Гос. контракт № 02.740.11.0569) и в рамках грантов программы ФСРМФП в НТС, ГНО ИВФРТ (Старт I) № 6784р/9437 и (Старт 2) № 9467р/9437 от 01.07.2011, договора целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан» (ИВФРТ), проект № 1/5 от 29.05.2009, а также
договор целевого финансирования при поддержке ИВФРТ № 246/н от 14.01.2008.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследования развития MP и его характеристик на поверхности металлического анода, входящего в электролитический катод в диапазоне Р = 8,8-104< Р < 9,8-Ю4 Па.
2. Результаты экспериментального исследования развития АТР и его характеристик на поверхности металлического анода входящего в электролитический катод в диапазоне Р = 0,9-104<Р< 8,8-Ю4 Па.
3. Результаты экспериментального исследования особенностей и характеристик MP, распределенного на поверхности MA, входящего в электролит и с омывающей MA струей электролита.
4. Методики одновременной очистки и полировки поверхности MA, входящего в электролитический катод при атмосферном давлении:
- распределенным MP на поверхности обрабатываемого MA;
- многоканальным разрядом с омывающей MA струей электролита.
5. Методика одновременной очистки и полировки поверхности металлического анода, входящего в электролитический катод аномальным тлеющим разрядом при пониженных давлениях.
Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на II международной конференции «Turbulent Mixing and Beyond» (июль 2009г., Италия), на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (27-28 октября 2009 г., Уфа), на VI международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (сентябрь 2009 г., г. Минск), на III международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (15-17 февраля 2010 г., г. Кострома), на VIII Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (26-28 октября 2009 г., Санкт-Петербург), на XXXVII Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (8-12 февраля 2010г., Звенигород), на XII международной выставке по физике сжимаемого турбулентного смешения (июль 2010 год, Москва), на II международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», г. Плес Ивановской обл. (21-25 июня 2010 г.), на III международной конференции «Имитирующие устройства и моделирование хаоса» (1-4 июня 2010, Крит, Греция), на IV международной конференции «Роль электрических полей в плазме» (Алушта, Украина, 13-18 сентября 2010).
Личный вклад автора в работу является определяющим. Автором разработана и создана опытно-промышленная установка мощностью 50 кВт (УУМНР-50) в соответствии с целями исследования, проведены эксперименты, выполнена обработка и анализ экспериментальных данных.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ (3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК и 15 работ в материалах международных конференций).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 134 источников отечественных и зарубежных авторов.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, формулируются задачи исследования, основные защищаемые положения и научная новизна результатов.
В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов между металлическим и электролитическим электродами при атмосферном и пониженных давлениях, а также обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведены описания экспериментальной установки, измерительной аппаратуры, методика проведения экспериментов и оценка точности измерений. Установка предназначена для исследования электрического разряда с МА, входящим электролитический катод при атмосферном и пониженных давлениях. Функциональная схема низковольтного электрического питания представлена на рис. 1.
Рис.1
Основными частями экспериментальной установки являются: трёхфазный источник электропитания 1 напряжением 380/220 В и частотой 50 Гц, выпрямитель 2, выпрямитель для блока управления 3, источник опорного напряжения 4, устройство управления 5, вакуумная камера б, разрядное устройство 7. Разрядное устройство состоит из диэлектрической ванны 8 с
электролитом 9, пластины 10 для подвода отрицательного потенциала в электролит, металлического анода 11, а также вакуумного насоса 12 типа 2НВР-5ДМ. Рабочее давление в вакуумной камере регулируется изменением скорости откачки воздуха, а измеряется вакуумметром ВТИ модель 1218 класса точности 0,6.
В экспериментах ВАХ снималась при помощи амперметров типа Ц4311 (класс точности 1,0) и прибором марки MY69 (класс точности 0,5), а напряжение в разрядном промежутке измеряли вольтметром типа С75 (класс точности 1,5) или щитовым прибором с классом точности 1,0. Относительная погрешность измерения напряжения и тока разряда не превышали 1,5%.
Для каждого набора значений давления, материала МА, состава и концентрации электролита регистрация ВАХ разряда проводилась не менее 7 раз. Температуру электролита измеряли ртутным термометром ТН4-М с ценой деления шкалы 0,1°С с погрешностью не более 1,2%, а также цифровым термометром Center-352. Фотографирование и видеосъемка разряда осуществлялось видеокамерой «Sony HDR-SR72E», а также проводилась видеосъемка на скоростную цифровую видеокамеру Fastec HiSpec.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований электрического разряда (MP и АТР) с металлическим анодом, входящим в электролитический катод в диапазоне давления Р = 0,9-104-г 9,8-104 Па, U = 200^600 В, /= 0,25-200 А для различного состава (растворы NaCl, (NtL^SOí, NH4NO3 в технической воде) и концентрации электролита (от 0,5% раствора солей в технической воде и до насыщения). В качестве анода использованы образцы из углеродистых и инструментальных сталей, латуни, меди, титана, цинка, алюминия различных геометрических форм и размеров.
На рис. 2а-к представлены фотографии MP при атмосферном давлении в процессе обработки медного полого цилиндра (длиной 15 мм, диаметром 6 мм) от начала горения до затухания разряда. Видеосъемка проводилась на видеокамеру SONY HDR-SR72E. Время экспозиции одного кадра составляет t = 0,04 с. Полное время обработки детали 2 с. После включения источника питания вокруг цилиндрического анода образуется парогазовая оболочка в форме цилиндра, которая отличается по цвету от основного электролита (рис. 2а). Эта парогазовая оболочка является началом образования водяного колпака в виде усеченного конуса. На границе парогазовой оболочки с электролитом наблюдается многоканальный разряд в виде кольца. Многоканальный разряд горит между парогазовой оболочкой и медным анодом. Анализ экспериментальных данных показал, что MP может гореть также между парогазовой оболочкой и конденсированной фазой электролита. С течением времени (í = 0,01 с) начинается интенсивное испарение с поверхности электролита в виде конуса. Из рис. 26 видно, что на поверхности электролита образуется водяной колпак в виде усеченного конуса (í = 0,02 с). Высота конуса 30 мм, средний диаметр 30 мм. На вершине конуса идет испарение, и образуются брызги. Поверхность электролита деформирована и вогнута
вовнутрь Как видно из рис. 2в (г = 0,03 с), начинается разрушение водяного колпака и под колпаком на повеохности металлического электрода горит многоканальный разряд. Происходит интенсивное образование брызг и испарение электролита. У поверхности металлического анода начинается процесс турбулентного перемешивания МР и электролита. На рис. 2г наблюдается полное разрушение водного колпака и начинается интенсивное нестационарное турбулентное перемешивание плазмы и электролита. Идет сильное вертикальное испарение электролита и распыление материала анода в виде микрочастиц. В дальнейшем эти частицы перемешиваются с электролитом
Рис.2. Фотографии развития МР в процессе обработки медного анода в насыщены растворе ЫаС! при атмосферном давлении: о- при [/=480 В, / = 1,5 А; б- [/=470 В, 1=2 А' в -и= 465 В. /= 2,5 А; г - 1/ = 450 В,/=ЗА;д-£/ = 405 В, /= 4,5 А; е-и= 375 В, 1= 6,5 А; ж-£/= 370 В, /= 8,3 А; з- и=360 В,/= 10 А
и выпадают в осадок в виде гидроокиси обрабатываемого металла. В данном случае МР горит в трех областях: две области по бокам и одна на торце анода в мес-е соприкосновения с электролитом. На рис. 2д (0,04 с) наблюдаем развитие
МР в процессе обработки материалов. Область горения МР увеличивается. С течением времени (рис, 2е) МР охватывает полностью металлический электрод. В момент времени Г = 2 с (рис. 2ж-к) источник питания отключается и начинается процесс затухания МР, испарение и брызги электролита. На рис, 2д-к видна полированная поверхность медного анода.
а б в
Рис.3 Фотографии МР, снятые с помощью скоростной камеры при атмосферном давлении, и = 520 В и / = 5-10 А
На фотографиях рис. 3а-в представлены развитие и затухание МР в электролите, которые были сняты с помощью скоростной камеры Ра51ес Шврег (2133 кад/с) в процессе очистки и полировки поверхности латуни в 2% растворе хлорида натрия. Как видно из фотографий рис. 3а-в, происходит турбулентное перемешивание плазмы МР в «пористом» электролитическом катоде. Ниже представлены фотографии распределенного МР на поверхности МА и торце стального анода (рис. 4а, бив).
а б в
Рис.4. Фотографии распределенного МР в процессе обработки стального анода в 10% хлориде натрия в технической воде при атмосферном давлении, а~и= 500 В, / = 5 А; б— {/ = 410 В, / = 9 А; в - ¡7= 317 В,/ = 12 А
Сравнение фотографий рис. 4а, бив показывает, что увеличение тока разряда приводит к бурному перемешиванию плазмы многоканального разряда и электролита.
На рис. 5а-к представлены фотографии АТР при пониженном давлении (Р = 0,9-104 Па) в процессе обработки нержавеющей стали марки 12Х15Г9НД (AiSi201) в 1%-ном растворе (NH4)2S04 в технической воде. Длина сплошного Т-образного цилиндрического анода составляет 50 мм, а Т-образный конец входит в электролит на 5 мм. Из фотографий рис. 5а-к видно, что вокруг
Рис.5. Фотографии тлеющего разряда между электролитическим катодом и стальным анодом Т-образной формы при Р = 0,9-104 Па: a~U = 300 В, / = 3 А; б-е - [/=350 В, 1= 5 А; ж.к _ и = 400 В, 1 = 6 А. Электролит - 1 % раствор (NH4)2S04 в технической воде
металлического анода образуется «пористый» электролит, из которого формируются струи различных диаметров и длин. Они носят капельный, расщепленный и однородный характер. В «пористом» электролите различной структуры горит аномальный тлеющий разряд (АТР) с ярким фиолетовым свечением. Из анализа фотографии рис. 5а следует, что между металлическим анодом 1 и электролитом 2 в пористой среде 3 горит аномальный тлеющий разряд 4. С ростом тока от ЗА (рис. 5а) до 5А (рис. 56 и в) характер горения АТР меняется в зависимости от структуры пористой среды 3. На рис. 5в наблюдается некоторая особенность в связи с формированием в верхней левой части пористой среды струи электролита 5. Эта струя охвачена отрицательным
тлеющим свечением (ОТС) 6. Весь АТР сосредоточен вокруг обрабатываемого образца - анода. Анализ фотографий рис. 5г-е показал, что на рис. 5г вдоль положительного анода формируются две однородные струи 7 без разряда. Т-образный анод окружен возмущенной в процессе горения АТР поверхностью электролита 8. С течением времени t = 0,12 с весь объем пористого электролита вокруг анода поднимается и две однородные струи 7 на фотографии рис. 5г переходят в пористые струи 9 на рис. 5д. На поверхности пористого электролита возникают распределенные пятна ОТС 10. С дальнейшим течением времени t = 0,2 с пористая среда поднимается наверх еще больше, охватывает положительный анод и распределенные пятна ОТС 10 охватывают весь объем пористой среды (рис. 5е). Из фотографии рис. 5ж видно как в начальный момент времени t = 0,04 с возникает плоская расщепленная струя 11, в которой горит АТР 12. Фотография рис. 5ж снята при ярком освещении. Анализ фотографий рис. 5з и к (t = 0,4 с) показал, что вокруг обрабатываемого образца возникает полый цилиндрический «стакан» 13 диаметром 50 мм и высотой 30 мм, из которого вырастают две струи электролита 14. По краям водного «стакана» 13 струи 15 вблизи анода наблюдается ОТС. На фотографии рис. 5к (t = 0,44 с) полый цилиндрический объем разрушается и АТР горит в другой структуре электролита.
На рис. 6 приведены ВАХ многоканального разряда между электролитическим катодом и твердым анодом для различной глубины погружения медного анода в электролит при атмосферном давлении.
и, в
т _
Л V^4^
ТгЧ \\ 1* I
1 \ 2 \
: ] \
15 I. А
Рис.6. ВАХ многоканального и аномального разрядов при атмосферном давлении для различной глубины погружения и расположения медного трубчатого анода в насыщенном растворе ШС1 в
технической воде: 1-2 - глубина погружения медной трубки 5 мм и расстояние от стенки (кривая 1) электролитической ванны А = 0, а кривая 2 при А = 60 мм; 3 - глубина погружения 10 мм и А = 60 мм; 4 - медная трубка горизонтально лежит на поверхности электролита и А = 60 мм; 5 - медная трубка (анод) горизонтально погружена в электролит на глубину диаметра анода (6 мм) и А = 60 мм.
Анализ кривых 1-5 показал, что ВАХ имеют как возрастающие, так и падающие участки. Следует отметить, что при небольших токах /= 0,5-1 А кривая 4 имеет возрастающий участок, где горит АТР. Для кривой 5 участок горения аномального тлеющего разряда наблюдается в интервале силы тока от 3 до 5 А.
Как видно из рис. 7, ВАХ распределенного МР на поверхности МА имеют своеобразный характер. Сначала величина и снижается с ростом I до определенной величины, а затем с уменьшением / напряжение также уменьшается. Это объясняется тем, что в данном случае распределенный МР горит на двух участках поверхности.
420 320 220 120
T^L : J
- -I i
А. : 1 ч \ 1
- * -i-
10
12
I,А
480
470
460
450
1 f \
/ i 3 _ ._ 1 . ___
//
jf / rX -
Рис.7. ВАХ многоканального разряда, распределенного на поверхности металлического анода (сталь ХВГ): 1 - электролит - 3% МН4М03 в технической воде, 2 - электролит - 10% ШС1 в технической воде
2 4 6 1,А
Рис.8. ВАХ аномального тлеющего разряда между электролитическим катодом (1% раствор (ЫН4)г504 в технической воде) и стальным анодом марки 12Х15Г9НД при: 1-Р = 8,8-104Па; 2-Р = 7,8-Ю4 Па; 3 - Р = 6,8-104 Па; 4 - Р = 5,8-Ю4 Па
На рис. В приведены ВАХ аномального тлеющего разряда для различных давлений. Из сравнения кривых 1, 2, 3 и 4 следует отметить, что с понижением давления горит АТР, занимая большую часть обрабатываемого материала анода.
На рис. 9 представлены зависимости температуры электролита различной концентрации от силы тока. Температура измерялась на поверхности электролита вблизи положительного электрода на расстоянии 1-2 см от него. Как видно из рис. 9, температура электролита сначала с ростом тока от 0,5 до 2 А возрастает от 20 до 40°С, а затем в диапазоне тока от 2 до 10А наблюдается медленный рост температуры электролита от 40 до 45 °С. Из сравнения кривых 7 и 2 следует, что при / = 2 А с уменьшением концентрации электролита от 7 до 3% наблюдается скачкообразное уменьшение температуры.
01 23456789 1, л
Рис.9. Зависимость температуры электролита различной концентрации от I
при Р = 10 Па: 1- 3% раствор ЫаС1 в технической воде; 2 - 7% раствор ЫаС1 в технической воде. Анод- медная трубка
L ♦ _ . f ♦ 1__*_Li*
Рис. 10 Осциллограмма колебаний тока разряда
На рис. 10 представлена осциллограмма тока разряда. Как видно из рис. 10, в момент времени ^ происходит пробой и горит кратковременный МР, а
затем величина I уменьшается ступенчато, как в первом, так и во втором случае. Во втором случае длительность флуктуации (Дт=20гш) величины I увеличивается, а затем ток уменьшается до нуля. В момент времени Ц происходит пробой между медным анодом и электролитом. В последнем случае MP не горит.
На рисунке 11 представлены осциллограммы колебаний напряжения разряда при атмосферном давлении. Пунктирной линией изображена осциллограмма напряжения на холостом ходу. Концентрация электролита (сульфат аммония в технической воде) составляет 2%. Как видно из рис.11а, при больших токах (1=15 А) наблюдаются микроразряды с большой амплитудой и длительностью. С уменьшением тока от 15А до 5А количество микроканалов увеличивается (рис.116). Это объясняется ростом напряженности электрического поля на поверхности обрабатываемого анода.
—^ ...... ---------------—----------------—
1 0 ( а б
Рис. 11. Осциллограммы колебаний напряжения источника питания на холостом ходу и напряжения и многоканального разряда
На рис. 12 представлено распределение плотности вероятности значения тока МР при атмосферном давлении. Точки - эксперимент, а сплошная линияМ, т 1 1 т "Ч расчет. После статистической обработки
экспериментальных данных получено: среднее значение тока /ср=1,35 А, дисперсия О/ = <т2, среднеквадратическое отклонение <ц = 0,652, моменты третьего порядка ш/3 = 0,431, моменты четвертого порядка т/4=1,376. Рассчитаны распределения плотности вероятности тока, а также определена асимметрия А[=1,552, критерий по асимметрии для тока 0,16, эксцесса Е] = 2 3 4 1 ,А 4,602, критерий по эксцессу для тока 0,316.
Рис.12. Распределение плотности Сопоставление параметров асимметрии и вероятности значения тока разряда эксцесса по току с их теоретическими критериями показывает, что плотность вероятности значения тока разряда не подчиняется нормальному распределению.
Таким образом, установлены формы, структуры, характеристики и выявлены особенности электрических разрядов (МР и АТР), физических процессов, протекающих в ЭР с металлическим анодом, входящим в
электролитический катод, а также с омывающей МА струей электролита и в распределенном МР на поверхности МА в диапазоне давления Р = 0,9-104-г 9,8Т04 Па, что являлось базой для создания опытно-промышленной установки (УУМНР-50) для одновременной очистки и полировки поверхности материалов и изделий, а также для разработки методики одновременной очистки и полировки при пониженных давлениях, с распределенным МР, многоканальным разрядом с омывающей МА струей электролита.
В четвертой главе, в результате исследования многоканального и аномального тлеющего разряда с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, в широком диапазоне тока, состава и концентрации электролита разработаны и созданы устройства для получения многоканального и аномального тлеющего разряда при атмосферном и пониженных давлениях, а также методики очистки с одновременной полировкой поверхности изделий и материалов.
На рис. 13 представлена опытно-промышленная установка мощностью 50кВт (УУМНР-50), которая состоит из источника питания 1, электролитической ванны 2, стального каркаса 3, приспособление 4 для подвода положительного потенциала и закреплении детали, окно для наблюдения 5, регулятора режима 6, вольтметра 7, амперметра 8, УУМНР-50 имеет 8 режимов очистки и полировки металлов и сплавов, 9 - кран для слива электролита.
Рис. 13. Опытно- промышленная установка (УУМНР-50)
На рис. 14 представлены образцы из стали и алюминия, обработанные в течение 5с многоканальным разрядом (УУМНР-50) при атмосферном давлении. До и после обработки детали (рис. 14а и в) отчетливо видны следы от сварки шва, а на алюминиевой детали теплообменника (рис. 14в)- острые края от штамповки.
На рис. 15 представлены образцы зубных протезов до и после обработки многоканальным разрядом (УУМНР-50).
■f -
■'' ' IT '
г
Рис. 14 Образцы из стали и алюминия до (о, в) и после обработки (б, г)
Рис. 15. Образцы зубных протезов до (а) и после обработки (б) МР.
Материал протеза - сталь марки 25X18Н9С2
Разработана и создана методика одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод аномальным тлеющим разрядом при пониженных давлениях. На рис. 16 изображен образец до (а), после (в) и во время обработки (б) тлеющим разрядом при пониженных давлениях. На рис. 166 вокруг нижней части стального штыря над поверхностью электролита горит аномальный тлеющий разряд с характерным фиолетовым свечением.
Рис. 16. Фотографии необработанной (а) и обработанной (в) поверхности стали при Р = 3,9-104 Па, U = 470 В, 1 = 5 А с использованием АТР (6) между электролитическим катодом (1% раствор сульфата аммония в технической воде) и стальным анодом марки 12Х15Г9НД (AiSi201)
Разработана и создана методика одновременной очистки, полировки и повышения твердости поверхности стали с распределенным MP. На рис. 17в и г
фотографии сделаны с помощью микроскопа металлографического инвертированного марки «Микромед Мет» и микроскопа инвертированного марки Meiji IM 7200 (увеличение в 20 раз). Величина шероховатости R(z) до обработки равна 800 нм. Измерение проводилось с помощью микроскопа со встроенной к ней программой ЗБ-моделирования участка поверхности. Величина твердости HV равна 34. Величина шероховатости R(z) после обработки равна 700 нм. Произошло спекание поверхности гильзы (рис. M г). При этом величина твердости HV повышается до 41.
а б в г
Рис. 17. Фотографии необработанной (а; в) и обработанной (б, г) поверхности стального штыря (сталь ХВГ ГОСТ 5350-2000), обработанной распределенным МР
Разработана и создана методика одновременной очистки и полировки многоканальным разрядом с омывающей металлический анод струей электролита. Анализ образцов показал, что кратковременный, распределенный МР с омывающей МА струей электролита позволяет проводить одновременно очистку и полировку без порчи поверхности в месте контакта.
Таким образом, разработаны и созданы:
- малогабаритная опытно-промышленная установка с мощностью 50 кВт (УУМНР-50) для одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод при атмосферном давлении;
- методика очистки и полировки МА, входящего в электролитический катод аномальным тлеющим разрядом при пониженных давлениях;
- методики очистки и полировки МА кратковременным, распределенным и МР с омывающей МА струей электролита.
Указанные устройства и методики позволяют провести одновременную очистку, полировку и повышение твердости поверхности металлов и сплавов.
Основные результаты и выводы
1. Разработана и создана экспериментальная установка для исследования электрических разрядов с металлическим анодом, входящим в электролитический катод в диапазоне Р = 0,9Т04т 9,8-104 Па, [/ = 200+600 В, I - 0,25+200 А для различного состава (растворы №С1, (МЬОгБО^ М^ЫОз в технической воде) и концентрации электролита (от 0,5% раствора солей в технической воде и до насыщения). В качестве анода использованы образцы
углеродистых и инструментальных сталей, латуни, меди, титана, цинка, алюминия различных геометрических форм и размеров.
2. Установка позволяет проводить экспериментальные исследования электрических разрядов с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также МР с омывающей металлический анод струей электролита и распределенного многоканального разряда на поверхности металлов и сплавов.
3. Изучены структуры и формы МР и АТР в электролите при атмосферном и пониженных давлениях. Обнаружен электрический пробой между металлическим анодом и электролитом с дальнейшим ступенчатым переходом в МР. Показано образование парогазовой оболочки цилиндрической формы и горение МР. Выявлен переход парогазовой оболочки в водяной колпак в форме усеченного конуса. Показано развитие турбулентного перемешивания МР и электролита. Обнаружено образование фонтана капель электролита и парогазовых пузырей различных размеров. Установлен переход пузырькового режима в турбулентное перемешивание МР и пористого электролита. Показано горение МР между электролитическим катодом и конденсированной фазой электролита вокруг металлического анода. Выявлены особенности горения с распределенным на поверхности анода МР и с омывающей металлический анод струей электролита. Установлено горение АТР на неоднородных, расщепленных и струйных участках электролита при пониженных давлениях.
4. Изучены электрические и температурные характеристики МР и АТР при атмосферном и пониженных давлениях. ВАХ электрических разрядов с МА, входящим в электролитический катод, а также распределенного МР на поверхности металлического анода имеют как возрастающие, так и падающие участки. Определены зависимости температуры электролита различной концентрации от силы тока вблизи медного анода.
5. Выявлены особенности колебаний напряжения и тока МР. Экспериментально исследованы и проведены расчеты распределения плотности вероятности значения тока МР при атмосферном давлении. Установлено, что значения тока МР не подчиняются нормальному распределению с большим отрывом асимметрии.
6. Разработана и создана опытно-промышленная установка мощностью 50 кВт (УУМНР-50) для одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод.
7. Разработаны методики:
- одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод аномальным тлеющим разрядом при пониженных давлениях;
- одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод распределенным МР;
- одновременной очистки и полировки многоканальным разрядом с омывающей металлический анод струей электролита.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК
1. Багаутдинова Л.Н. Многоканальный разряд в проводящей жидкости при атмосферном давлении / JI.H. Багаутдинова, Ф.М. Гайсин // Теплофизика высоких температур. -М„ 2010. - Т. 48, № 1. - С.135-151.
2. Bagautdinova L.N. Non-stationary turbulent mixing of multichannel discharge plasma and electrolyte / L.N. Bagautdinova, Al.F. Gaisin, E.E. Son, F.M. Gaisin // «Physyca Scripta», published 31 December 2010, online at stacks.iop.org/PhysScr/T142/014036.
3. Багаутдинова JI.H. Экспериментальные исследования колебаний напряжения и тока электрического разряда в электролитической ячейке с твердым электродом./ Л.Н. Багаутдинова, Ал.Ф. Гайсин, Ш.Ч. Мастюков, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - № 23. - С.79-82.
Работы, опубликованные в других изданиях
4. Багаутдинова JI.H. Турбулентное перемешивание плазмы многоканального разряда и электролита / Л.Н. Багаутдинова, Ал.Ф. Гайсин, Ф.М. Гайсин // Туполевские чтения: тез. докл. междунар. конф. -Казань, 2009. -Т.2. -С. 104-106.
5. Багаутдинова JI.H. Исследование электрических и тепловых характеристик многоканального разряда / Л.Н. Багаутдинова, Ф.М. Гайсин И Туполевские чтения: тез. докл. междунар. конф. -Казань, 2009. -Т.2. -С. 103-104.
6. Багаутдинова Л.Н. Nonstationary turbulent mixing of multichannel discharge plasma and electrolyte / L.N.Bagautdinova, Al.F.Gaysin, E.E.Son, F.M.Gaysin // Материалы междунар. конф. «Turbulent Mixing and Beyond». 2 July - 7 August, 2009. Trieste, Italy. -P. 58.
7. Багаутдинова Л.Н. Многоканальный разряд в процессе обработки металлов и сплавов / Л.Н. Багаутдинова, Ф.М. Гайсин // Тез. докл. VI междунар. конф. «Физика плазмы и плазменные технологии» (ФППТ-6). -Минск, 2009. -Т.2. -С. 494-497.
8. Багаутдинова Л.Н. Новые технологии модификации поверхности материалов и изделий / Л.Н. Багаутдинова, Ал. Ф. Гайсин // Тез. докл. VIII междунар. научно-практич. конф. "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 27-28 октября 2009 г., -С.-П., 2009. -С. 97-98.
9 .Багаутдинова Л.Н., Механизм турбулентного смешения плазмы многоканального разряда и электролита в процессе обработки металлов и сплавов / Л.Н. Багаутдинова, Ал.Ф. Гайсин, Ф.М. Гайсин // Тез. докл. Всероссийской науч. конф. «Мавлютовские чтения», 27-28 октября 2009 г. -Уфа, 2009. -Т.2. -С. 147-148.
10. Багаутдинова Л.Н. Влияние турбулентного перемешивания низкотемпературной плазмы многоканального разряда и электролита в процессе модификации поверхности материалов и изделий / Л.Н. Багаутдинова, Ф.М. Гайсин // Тез. докл. XXXVII междунар. конф. по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 8-12 февраля 2010 г. Звенигород. URL: http://www.fpl.gpi.rU/Zvcnigorod/XXXVII/T.html#SekcijaT.
11. Багаутдинова Л.Н. Использование многоканального разряда для электролитно-плазменной обработки поверхности металлов и сплавов / Л.Н. Багаутдинова, Ал. Ф. Гайсин II III междунар. научно-технич. конф. «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей», 15-17 февраля 2010 г. -Кострома. -С. 247-248.
12. Багаутдинова Л.Н., Исследование вольтамперной характеристики разряда в растворе (NH^SC^ в технической воде / Л.Н. Багаутдинова, Ф.М. Гайсин, Ш.Ч. Мастюков // Туполевские чтения: тез. докл. междунар. научн. конф. - Казань, 2010. -Т.2 -С. 162-164.
13. Багаутдинова Л.Н. Пульсации напряжения многоканального разряда с электролитическим катодом / JI.H. Багаутдинова, Ф.М. Гайсин, Ш.Ч. Мастюков // Туполевские чтения: тез. докл. междунар. научн. конф. -Казань, 2010. -Т.2. -С. 164-165.
14. Bagautdinova L.N., The turbulent phase of the multichannel discharge burning with the electrolytic cathode / L.N. Bagautdinova, F.M. Gaisin, E.E. Son // 3rd Chaotic Modeling and Simulation International Conference, 1-4 June 2010, Chania Crete Greece. -P.5.
15. Багаутдинова Л.Н., Влияние концентрации электролита на режимы горения многоканального разряда в процессе обработки металлов / JI.H. Багаутдинова, Ал.Ф. Гайсин, Ш.Ч. Мастюков // Тез. докл. II Междунар. научн. конф. «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», г. Плес, 21-25 июня 2010 г. -С. 89.
16. Bagautdinova L.N., The hydrodynamic instability of the liquid phase in the process of multichannel discharge burning / L.N. Bagautdinova, F.M. Gaisin, Sh.C. Mastjukov,
E.E. Son U 12th International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing, July 2010. -M. P.24.
17. Bagautdinova L.N., Low temperature plasma at low pressures in the process of surface treatment of materials / L.N. Bagautdinova, R.Sh. Basyrov, Al.F. Gaisin,
F.M. Gaisin II International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion and 4-th Alushta International Workshop on the Role of Electric Fields in Plasma Confinement in Stellarators and Tokamaks Alushta, Ukraine, September 13-18 2010.-P. 188.
18. Багаутдинова Л.Н., Исследование электрического разряда в струйном и непроточном электролите при атмосферном давлении / Л.Н. Багаутдинова, Ф.М. Гайсин, Ш.Ч. Мастюков // Тез. докл. Междунар. конф. «Физика высокочастотных разрядов», г. Казань, 5-8 апреля 2011 г. -С. 230-231.
Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная Печ.л. 1,25. Усл. печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 105. Заказ О 183.
Типография Казанского государственного технического университета 4201 И, Казань, К. Маркса, 10
61 12-5/1642
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.Н. Туполева-КАИ
На правах рукописи
БАГАУТДИНОВА ЛИЛИЯ НАИЛЕВНА
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ И АНОМАЛЬНЫЙ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯДЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ АНОДОМ, ВХОДЯЩИМ В ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ КАТОД
01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РТ Гайсин Ф.М.
Казань - 2012
Содержание
Принятые обозначения и сокращения................................................................................5
Введение......................................................................................................................................................6
Глава 1 Обзор исследований электрического разряда с
электролитическими и металлическими электродами............11
1.1 Некоторые особенности электрического разряда между металлическим и электролитическим электродами..............11
1.2 Электрические разряды между жидкими электродами............29
1.3 Электрические разряды с пористым электродом..........................30
1.4 Практическое применение электрических разрядов с электролитическими и металлическими электродами............32
1.5 Постановка задачи....................................................................................................40
Глава 2 Экспериментальная установка и методика измерений................43
2.1 Функциональная схема экспериментальной установки..........43
2.2 Вакуумная система экспериментальной установки....................45
2.3 Электролитическая ванна....................................................................................47
2.4 Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений................................47
Глава 3 Результаты экспериментальных исследований
многоканального и аномального тлеющего разрядов с металлическим анодом, входящим в электролитический
катод при атмосферном и пониженных давлениях........... 49
3.1 Многоканальный разряд с металлическим анодом, входящим в электролитический катод при атмосферном
давлении............................................................... 49
3.1.1 Формы многоканального разряда с металлическим
анодом, входящим в электролитический катод............... 50
3.1.2 Формы распределенного многоканального разряда на поверхности металлического анода, входящего в электролитический катод.......................................... 55
3.1.3 Вольт-амперные характеристики электрического разряда 57
3.1.4 Вольт-амперные характеристики распределенного многоканального разряда.......................................... 61
3.1.5 Температурные характеристики многоканального разряда 62
3.1.6 Колебания напряжения и тока электрического разряда при атмосферном давлении....................................... 63
3.1.7 Плотность вероятности значения тока электрического разряда.................................................................. 68
3.2 Аномальный тлеющий разряд с металлическим анодом, входящим в электролитический катод при пониженных давлениях............................................................. 70
3.2.1 Формы аномального тлеющего разряда........................ 71
3.2.2 Вольт-амперные характеристики аномального тлеющего разряда................................................................ 75
Глава 4 Устройства для получения электрического разряда с металлическим анодом, входящим в электролитический катод и методики очистки с одновременной полировкой поверхности изделий и материалов............................ 77
4.1 Опытно-промышленная установка для получения многоканального разряда мощностью 50 кВт при атмосферном давлении............................................ 77
4.2 Методика очистки и полировки материалов и изделий при атмосферном давлении............................................. 79
4.3 Методика очистки и полировки материалов и изделий при пониженных давлениях............................................ 81
4.4 Методика очистки и полировки материалов и изделий распределенным многоканальным разрядом....................................82
4.5 Устройство для получения многоканального разряда с омывающей струей электролита при атмосферном давлении..............................................................................................................................84
Выводы..........................................................................................................................................................86
Список использованной литературы................. ................................................88
Примечание................................................................................................................................................102
Принятые обозначения и сокращения
/ - сила тока разряда; U - напряжение разряда; Р- давление;
jMa - плотность тока на металлическом аноде; da - диаметр металлического анода; h- расстояние от стенки электролитической ванны; Т - температура электролита; t - время обработки детали, изделия, заготовки; г - длительность флуктуаций тока разряда.
Сокращения
АТР- аномальный тлеющий разряд;
ВАХ - вольт-амперная характеристика;
МА- металлический анод;
MP - многоканальный разряд;
ОТС- отрицательное тлеющее свечение;
ЭК- электролитический катод;
ЭР- электрический разряд.
Введение
В последние годы большое внимание уделяется исследованию электрических разрядов (ЭР) между металлическим и электролитическим электродами [1-5]. Интерес к таким источникам низкотемпературной плазмы объясняется тем, что они используются в технологических целях и обладают рядом достоинств. Режимами горения разряда можно легко управлять изменением концентрации и состава электролита. Обработка изделий с помощью плазмы разряда между металлическим и электролитическим электродами возможна, когда другие методы более трудоемки, более дороги или их невозможно применять по другим причинам (например, экологическим). Благоприятное сочетание высокой температуры нагрева и элементов электролита в возбужденном и ионизованном состояниях позволяет осуществлять нагрев металлов и сплавов в электролите, электротермическую обработку материалов.
Одним из способов получения неравновесной низкотемпературной плазмы является использование многоканального (MP) и аномального тлеющего разряда (АТР) с металлическим анодом (МА), входящим в электролитический катод (ЭК) при атмосферном и пониженных давлениях.
Многоканальные разряды между металлическим и электролитическим электродами представляют практический интерес как генераторы неравновесной плазмы с большим отрывом электронной температуры от температуры тяжёлых частиц. Низкотемпературная плазма с указанными свойствами имеет множество эффектов полезных с точки зрения технологических применений: очистка и полировка металлических поверхностей; одностадийность получения мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей при атмосферном давлении [2]; синтез органических соединений в растворах электролитов [3]. Область применения электрического разряда между металлическим и электролитическим электродами расширяется. В последние годы
определились новые перспективные направления применения многоканального разряда между металлическим и электролитическим электродами в плазмохимии, электронике и машиностроении. Однако не исчерпаны различные способы и варианты получения низкотемпературной плазмы с помощью многоканальных разрядов с электролитическим и металлическим электродами.
Многоканальные разряды между металлическим и электролитическим электродами являются полезными не только с точки зрения технологических применений, но и имеют большое значение для изучения физических явлений. Такие разряды между металлическим анодом и электролитическим катодом отличаются особой устойчивостью. Они имеют стабильную диффузную структуру даже при атмосферном давлении. Несмотря на это, характеристики и особенности физических процессов, протекающих в МР с металлическим анодом, входящим в электролитический катод при атмосферном давлении изучены слабо, а АТР при пониженных давлениях практически не изучены. Нет также единого мнения о природе таких разрядов. Практически отсутствуют данные по взаимодействию плазмы МР с поверхностями МА с омывающей струей электролита, а также распределенным многоканальным разрядом на поверхности обрабатываемого материала и изделий. Все это задерживает разработку и создание плазменных установок с МР и АТР с электролитическими электродами и их внедрение в производство.
Поэтому исследования характеристик многоканального разряда между металлическим и электролитическим электродами представляют собой актуальную задачу. Данная диссертация, состоящая из четырёх глав, посвящена решению этих задач.
Содержание работы по главам.
В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов между металлическим и электролитическим электродами при атмосферном и пониженных
давлениях, а также обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведено описание экспериментальной установки. Представлена функциональная схема низковольтной экспериментальной установки для исследования электрического разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом. Приведены описания экспериментальной аппаратуры и методики измерений параметров разряда.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований многоканального и аномального тлеющего разрядов с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также МР с омывающей МА струей электролита и распределенным многоканальным разрядом на поверхности обрабатываемого анода. Изучены основные формы, структуры ЭР, вольт-амперные характеристики (ВАХ), распределение плотности вероятности значения тока разряда, колебания напряжения и тока ЭР, зависимость температуры электролита от величины тока в диапазоне давления Р = 0,9-104-т- 9,8-Ю4 Па, напряжения 17= 200-^600 В и тока разряда I = 0,254-200 А, для различных составов (растворы в технической воде №С1, (КН4)2804, КЩЧОз) и концентрации электролита (от 0,5% раствора солей в технической воде и до насыщения).
В четвёртой главе приведены устройства для получения многоканального разряда между металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также МР с омывающей МА струей электролита и распределенным многоканальным разрядом на поверхности обрабатываемого анода при атмосферном и пониженных давлениях. Разработаны методики очистки с одновременной полировкой поверхности изделий из сплавов цветных металлов при помощи данных устройств и опытно-промышленная установка для получения многоканального разряда мощностью 50 кВт при атмосферном давлении.
Научная новизна исследований:
1. В результате экспериментальных исследований установлены формы, особенности и характеристики многоканального разряда в процессе одновременной очистки и полировки при атмосферном давлении:
- обнаружен электрический пробой между металлическим анодом и электролитическим катодом с последующим ступенчатым переходом электрического пробоя в многоканальный разряд;
- образование парогазовой оболочки цилиндрической формы и горение МР на границе парогазовой оболочки;
- переход парогазовой оболочки в водяной колпак в форме усеченного конуса;
- развитие турбулентного перемешивания МР и электролита;
- образование фонтана капель электролита и образование парогазовых пузырей различных размеров;
- переход пузырькового режима в турбулентное перемешивание МР и пористого электролита;
- распыление материала анода и его смешивание с плазменно-электролитной средой;
- горение МР между электролитическим катодом и конденсированной фазой электролита вокруг металлического анода;
- особенности пульсаций напряжения и тока разряда;
- распределение плотности вероятностей значений тока МР, которое не подчиняется нормальному распредению Гаусса;
- особенности горения МР с омывающей МА струей электролита и горения распределенного МР на поверхности МА.
2. В результате экспериментальных исследований установлены формы и особенности АТР при 0,9-104< Р <9,8-104 Па:
- горение АТР на неоднородных, расщепленных и струйных участках электролита.
Разработана и создана опытно-промышленная установка мощностью 50 кВт (УУМНР-50) для одновременной очистки и полировки поверхности металлов и сплавов при атмосферном давлении.
Разработаны методики:
1) одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод с АТР при пониженных давлениях;
2) одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод распределенным МР;
3) одновременной очистки и полировки многоканальным разрядом с омывающей МА струей электролита.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Результаты экспериментального исследования развития МР и его характеристик на поверхности металлического анода, входящего в электролитический катод в диапазоне Р = 8,8-104<Р<9,8-104 Па.
2. Результаты экспериментального исследования развития АТР и его характеристик на поверхности металлического анода входящего в электролитический катод в диапазоне Р = 0,9-104 < Р < 8,8-104 Па.
3. Результаты экспериментального исследования особенностей и характеристик МР, распределенного на поверхности МА, входящего в электролит и с омывающей МА струей электролита.
4. Методики одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод многоканальным разрядом при атмосферном давлении:
- распределенным МР на поверхности обрабатываемого МА;
- многоканальным разрядом с омывающей МА струей электролита.
5. Методика одновременной очистки и полировки поверхности металлического анода, входящего в электролитический катод аномальным тлеющим разрядом при пониженных давлениях.
Глава 1
Обзор исследований электрического разряда с электролитическими и
металлическими электродами
1.1. Некоторые особенности электрического разряда между металлическим и
электролитическим электродами
Среди большого разнообразия видов газового разряда - тлеющий разряд отличается легкостью осуществления сильно неравновесного состояния плазмы. При обычных условиях эмиссия электронов с катода, даже в присутствии плазмы возле него, чрезвычайно мала. Только при прикладывании к разрядному промежутку, заполненным газом, напряжения, большего пробойного, устанавливается режим самостоятельного разряда. Он позволяет поддерживать в объеме низкотемпературную плазму, проводящую электрический ток.
Эта низкотемпературная плазма представляет собой объект, интересный для целого ряда приложений, для которых наиболее важно, что средняя энергия электронов, дрейфующих в электрическом поле, как правило, на порядок и более превышает тепловую энергию. Данное обстоятельство определяет высокую эффективность газоразрядных источников света с тлеющим разрядом. Получение неравновесного состояния - основное условие для достижения усиления света. Возможность ускорить химические реакции, оставляя газ холодным, обусловила широкое использование тлеющего разряда в плазмохимии. В настоящее время большое внимание уделяется разработке новых эффективных методов нанесения покрытий с заданными свойствами на поверхности различных материалов. Одним из перспективных методов является метод получения плазмы в газовом промежутке между обрабатываемым изделием из проводящего материала и электролитическим электродом.
Впервые разряд между электролитом и твердым анодом был получен Плантэ [6]. В его опытах анодом служил заостренный уголь, катодом -раствор хлористого натрия. Он предполагал связь наблюдаемого явления с разрядами типа шаровой молнии. Разряд гальванического тока через тонкий слой электролита описывается в [7]. В [8] описаны условия, при которых наблюдается указанное явление в процессе нагрева металлов в электролите. В [9, 10] изучалось влияние состава электролита на шаровой слой в разряде.
Эксперименты с разрядом между металлическим катодом и поверхностью раствора-анода из азотно-серебряной соли при различных давлениях проводились Губкиным [11]. В [12] приведено описание визуальных наблюдений разрядов в воздухе при атмосферном давлении, возникающих между металлическим острием и поверхностью электролита. В [12] полагают, что дуговой разряд возможен только при металлическом катоде. В этом случае катод может быть нагрет до высокой температуры. Когда металл служил анодом при напряжении, превышающем 500 В, наблюдалось подобие тлеющего разряда. Эксперименты со слабыми растворами кислоты и «горячими» и «холодными» электродами, находящимися на некотором расстоянии (1-10 мм) от поверхности электролита, показали, что существенной разницы в процессе между «горячим» и «холодным» анодом не обнаруживается [13]. В работе [14] показано, что на границе раздела раствор-газ наблюдается интенсивное образование гидроокисла, который в реакции ОН" + ОН" —>Н20 + О образует в газовой среде свободные молекулы воды. Они, как диэлектрики
