Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях

Гайсин, Алмаз Фивзатович

Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Гайсин, Алмаз Фивзатович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях»

Автореферат диссертации на тему "Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях"

На правах рукописи

005003Ь»^

ГАЙСИН АЛМАЗ ФИВЗАТОВИЧ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ МЕЖДУ СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ КАТОДОМ И ТВЕРДЫМ АНОДОМ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ

Специальность: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

2 4 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2011

005003694

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

. Абдуллин Ильдар Шаукатович

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

профессор Желтухин Виктор Семенович

- кандидат технических наук, доцент Гумеров Айрат Завдатович

Ведущая организация: - ОАО СКТБ "Мединструмент", г. Казань

Защита состоится 16 декабря 2011 года в 14-00 часов на 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 <<■//11 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Герасимов А.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность работы. В настоящее время большой интерес представляют электрические разряды (ЭР) в газе между твердым и жидким электродами. Они создают УФ излучение, ударные волны и активные радикалы (ОН, О, пероксид водорода и т.д.), что делает эти разряды особенно пригодными для очистки и стерилизации. Неравновесная низкотемпературная плазма ЭР между твердым и жидким электродами имеет множество других новых эффектов, полезных с точки зрения технологических применений: очистка с одновременной полировкой металлических поверхностей, одностадийное получение мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей.

Наряду с изучением ЭР между твердым и жидким электродами большой интерес представляют разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Анализ литературных данных показал, что электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях практически не изучены. Не установлены особенности физических процессов, характеристики и формы разрядов между струйным электролитическим катодом и твердым анодом. Не исследовано взаимодействие плазмы электрического разряда на границе раздела струйного электролитического катода и твердого анода. Все это сдерживает разработку плазменных установок с использованием струйного электролитического катода и твердого анода при пониженных давлениях и их внедрение в производство. В связи с изложенным, экспериментальное исследование электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях является актуальной задачей.

Целью данной работы является установление характеристик и выявление особенностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.

Задачи исследования:

1. Разработать и создать устройство для получения ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях.

2. На базе созданной экспериментальной установки провести экспериментальные исследования ЭР между струйным электролитическим катодом (растворы хлорида натрия ЫаС1, гидрокарбоната натрия ЫаНС03, хлорида натрия М^СЛ в технической воде) и твердым анодом (медь М1, сталь Х18Н9Т, алюминий АМЦ40, марганец, эбонит) в диапазоне давления от Р = 103+8,9-104 Па, напряжения и = 0,1+1,5 кВ, тока разряда I = 0,01+2 А, расхода электролита в = 0,8+4,5 г/с, скорости электролита и = 0,2+0,5 м/с, диаметра струи электролита 4 = 1,5+4 мм, длины струи электролита /с = 10+40 мм для насыщенного и 2% растворов солей в технической воде.

На основе проведенных экспериментальных исследований изучить развитие электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода, развитие ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом, выявить основные формы разряда, вольтамперные характеристики (ВАХ), распределение потенциала и напряженности электрического поля, функции распределения плотности вероятности значения I, колебания тока разряда в широком диапазоне параметров Р, G, v, dc и /с.

3. Разработать методику локальной, одновременной, струйной очистки и полировки поверхности меди Ml и стали Х18Н9Т многоканальным разрядом (MP) и аномальным тлеющим разрядом (АТР) при пониженных давлениях.

4. Разработать методику локального, струйного повышения твердости поверхности алюминиевого и медного анода аномальным тлеющим разрядом (АТР) при пониженных давлениях.

Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.

Для исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в процессе очистки с одновременной полировкой и повышения твердости поверхности при пониженных давлениях создан измерительный комплекс, состоящий из:

1) одиночного зонда для измерения плавающего потенциала на поверхности и внутри струйного электролитического катода;

2) рН-метр;

3) цифровой фотокамеры «Sony DSC-H9», «Rower 3.2» и видеокамеры «Sony HDR-SR72E» и скоростной цифровой видеокамеры Fastec HiSpec, а также из микроскопа типа СП-52 для изучения границы раздела «струйный электролит - плазма» и горение АТР в процессе обработки твердых тел;

4) универсального двухлучевого осциллографа типа GOS-6030;

5) статистического вольтметра, амперметра, мультиметра разного класса точности.

Дня определения степени воздействия на поверхность твердого анода АТР и MP струйным электролитическим катодом при пониженных давлениях использовались электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-механических свойств материалов.

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:

В результате экспериментального исследования установлены развитие электрического пробоя, формы, особенности и характеристики ЭР при Р= 10^8,9-104 Па:

развитие электрического пробоя, как со стороны струйного электролитического катода, так и от плоского медного анода;

увеличение величины напряжения пробоя с ростом длины струйного электролитического катода и давления;

влияние характера течения и состояния струи (капельный, расщепленный, кипящий и пористый) на структуры, формы и пульсации тока MP и АТР;

- развитие электролитно-плазменной капли;

горение аномального тлеющего разряда в однородных участках и многоканального разряда в расщепленных участках струи при переходе MP в АТР или наоборот;

- переход MP в АТР при Р < 6,8-104 Па;

особенности развития АТР в случае отрыва струйного электролитического катода от поверхности металлического анода;

горение АТР со свечением и без свечения в случае отрыва аномального тлеющего разряда от поверхности металлического анода;

- горение АТР между пористым струйным электролитическим катодом и металлическим анодом без катодных и анодных пятен;

значения тока АТР при пониженных давлениях не описываются законом распределения Гаусса из-за большой величины асимметрии;

низкочастотные и высокочастотные пульсации тока разряда; распределение потенциала и напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического катода;

движение отрицательного тлеющего свечения (ОТС) различной формы вдоль струйного электролитического катода;

переход однородного ОТС вдоль струи в кольцевую форму; расслоение ВАХ для различных давлений и материалов анода; влияние концентрации и состава электролита на структуры, формы и характеристики MP и АТР.

Практическая ценность. Результаты исследования служат основой для понимания характеристик и особенностей физических процессов, протекающих в ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Разработано и создано устройство для получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Разработаны методики локальной, струйной, одновременной очистки и полировки поверхности металлов и сплавов, локального, струйного повышения твердости при пониженных давлениях.

Работа выполнена при поддержке РФФИ № 04-02-97501 в рамках проекта «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы

паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» и в рамках грантов программы ФСРМФП в НТС, ГНО ИВФРТ (Старт 1) и (Старт 2) № 6784р/9437, договор целевого финансирования при поддержке Государственной организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», проект №1/5, а также договор целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», № 246/Н. Гос. контракт № 02.740.11.0569 «Фундаментальные и прикладные исследования физики, кинематики и гидродинамики низкотемпературной плазмы и разработка плазменных технологий», Молодежный инновационный проект «50 лучших идей для РТ» «Новая технология локальной очистки и полировки наружней и внутренней поверхности материалов и изделий после сварки со струйным многоканальным разрядом», 2009 г.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования особенности развития электрического пробоя между струйным электролитическим катодом и медным анодом в диапазоне давлений 103-Н,9-104 Па, а также характеристик многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях Р > 6,8 • 104 Па.

2. Результаты экспериментального исследования характеристик аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом в диапазоне давлений 103-М5,8-104 Па.

3. Результаты экспериментального исследования особенности аномального тлеющего разряда между капельным катодом и металлическим анодом, а также характеристик АТР между струйным электролитическим катодом и диэлектрическим анодом (эбонит) в диапазоне давлений 103* 1,9-104 Па.

4. Методика локальной, одновременной, струйной очистки и полировки поверхности меди Ml и стали Х18Н9Т многоканальным разрядом и аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях.

5. Методика локального, струйного повышения твердости поверхности аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом (медь Ml, алюминий АМЦ40) при пониженных давлениях.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009 г.); на XXXVII и XXXVIII Международной конференции по физике плазмы УТС (Звенигород, 2010-2011 г.г.); на II Международной научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань, КГТУ, 2010 г.); на 12th International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing (IWPCTM-12).-Moscow, 2010; на 3rd Chaotic

Modeling and Simulation International Conference, Chania Crete Greece, 2010; на International Conference-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 (Crimea), Ukraine, September 13-18,2010.

Личный вклад автора в работу является определяющим. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнена обработка и анализ экспериментальных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ (3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 11 работ в материалах конференций и 3 препринта).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 113 источников отечественных и зарубежных авторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, формируются 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, там же обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы. В конце первой главы дана постановка задач исследования.

Во второй главе приведены описания экспериментальной установки, измерительной аппаратуры и методика проведения экспериментов, и оценка точности измерений. Установка предназначена для исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом (растворы NaCl, NaHC03, NH4C1 в технической воде) и твердым анодом в диапазоне Р = 103+8,9-104 Па, U = 0,1+1,5 кВ, / = 0,01+2 A, G = 0,8+4,5 г/с, о = 0,2+0,5 м/с, dc = 1,5+4 мм, /с = 10+40 мм для насыщенного и 2% раствора солей в технической воде. Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Она состоит из электрической схемы (I), разрядной камеры (II) и вакуумной системы (III).

Сетевое напряжение через выключатель SA 1.1 и предохранитель Fl поступает на трансформатор типа ТС-180, а затем через многоконтактный переключатель SA3 поступает на выпрямитель для преобразования переменного напряжения в постоянное. Этот выпрямитель собран на диодах типа КД 410 А по мостовой схеме. Предусмотрено емкостное сглаживание

пульсации выходного напряжения трансформатора ТР1. На передней панели имеется выключатели напряжения SA1.2 и SA2.1. Переключатель S A3 служит для ступенчатого изменения напряжения. Высоковольтное постоянное напряжение на струю электролита подается с клемм «+» и «-» Дополнительные выходы позволяют наблюдать колебания напряжения и тока разряда на экране универсального двулучевого осциллографа типа GOS-6030 Величину напряжения и тока разряда можно измерить с помощью мультиметра типа MY68. Одновременно на видеокамеру снимаются распределения величины тока разряда, а также пульсации величины Uni.

ВАХ электрического разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом измерялись с помощью вольтметра М367 класса точности 0,5 и статического вольтметра С50 класса точности 1,0, амперметром Ц-4311 класса точности 0,5 и мультиметром класса точности 0,5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1,5%. Разрядная камера состоит из электрической ванны 1, анодной пластины 2, струйного электролитического катода 3 и 4 для подвода отрицательного потенциала, а также для формирования струи 3. Вакуумная система установки состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса типа 2НВР-5ДМ. Рабочее давление в вакуумной камере регулируется изменением скорости откачки, а измеряется вакуумметром ВТИ модель 1218 класса точности 0,6, а также вакуумметром модель 1227 класса точности 0,25. Расход электролита определяется с помощью мензурки и секундомера. Скорость

вычислялась по формуле v= GlpS = Glpn\Íj , где р- плотность электролита,

S-сечение струи электролита. Водородные показатели pH измерены до и после эксперимента прибором рН-метр.

Для каждого набора значений величин /с, dc, Р, G, и, состава и концентрации электролита регистрация параметров ЭР проводилась не менее 11 раз. Фотографирование разряда осуществлялось фотоаппаратом «Sony DSC-Н9», «Rower 3.2», а также проводилась видеосъемка на видеокамеру «Sony HDR-SR72E» и скоростную цифровую видеокамеру Fastec HiSpec. Скорость съемки составляла 7259 кадров/с. Анализ получаемых видеороликов проводился в покадровом режиме. Распределения потенциала ср на оси разряда измерялись с помощью вольфрамового зонда с диаметром 0 8 мм координатника и статического вольтметра С50 класса точности 1,0. По измеренным <р проведены расчеты распределения напряженности электрического поля Е с использованием формулы E = -Sradq> с точностью ±5%. Колебания напряжения и тока разряда снимались с экрана универсального двухлучевого осциллографа типа GOS-6030 на видеокамеру «Sony HDR-SR72E».

Рельеф и микрорельеф поверхности исследовалась на электронном микроскопе «ZEISS (AXIVERT) 200 МАТ», а также на электронном микроскопе «XL-30 ESEM TMP». Металлографические исследования выполнялись с использованием оптического микроскопа ОГМЭ-П2.

Микротвердость поверхности образцов измерялась при помощи твердомера НХ-ЮОТМ. Для статистической обработки экспериментальных данных разработан алгоритм, реализация которого осуществлена в пакете прикладных математических программ МаЙ1СА£>14.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ЭР между струйным электролитическим катодом (растворы ЫаС1, №НСОз, МН4С1 в технической воде) и твердым анодом в диапазоне Р= 103+8,9-104 Па, и= 0,1+1,5 кВ, /= 0,01+2 А, в = 0,8+4,5 г/с, и= 0,2+0,5 м/с, ¿с = 1,5+4 мм, 1С = 10+40 мм для насыщенного и 2% раствора солей в технической воде.

Развитие электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода при пониженных давлениях представлено на фотографиях (рис. 2а-г). Время экспозиции одного кадра составляет ? = 0.04 с. Как видно из рис. 2а, на конце струи электролита горит аномальный тлеющий разряд. С течением

времени ATP распространяется вдоль струйного катода (рис. 26) и занимает одну четверть струи электролита. Как только АТР займет более половины струи электролита (рис. 2в), происходит электрический пробой (рис. 2г).

а б в г

Рис. 2. Фотографии развития электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода при Р = 103 Па, U= 980 В, /= 320 мА, 10 = 40 мм, dc = 3 мм и G = 4,5 г/с. Электролит - насыщенный раствор NaCl технической воде

С ростом давления в разрядной камере от 103 до 1,9-104 Па характер развития пробоя меняется (рис. 3). Аномальный тлеющий разряд вдоль струи имеет не цилиндрическую, а конусообразную форму (рис. За). С течением времени его размер увеличивается. При этом от вершины конуса происходит развитие АТР вдоль струи вверх (рис. 36). Перед пробоем наблюдается изменение формы АТР. Вершина конуса принимает дугообразную форму, а в направлении к медному аноду канал разряда сужается. В следующий момент времени происходит пробой (рис. Зв). Обнаружена еще одна особенность развития электрического пробоя вдоль струи электролита. Пробой развивается

а б в г

Рис. 3. Фотографии развития электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода при Р = 1,9-104 Па, U = 1024 В, 7= 520 мА, /с = 40 мм, dQ = 3 мм и G = 4,5 г/с. Электролит - насыщенный раствор NaCl в технической воде

также со стороны медной трубки, которая служит для подвода отрицательного потенциала к струе электролита (рис. Зг), в случае, когда струя отрывается от поверхности медного анода.

На рис. 4 представлена фотография осциллограммы пульсации тока разряда, которая подтверждает ступенчатое развитие разряда. В начале в интервале времени т = 1,25 mS горит АТР, а затем происходит пробой вдоль струи электролитического катода с током ЭР до 1А. С дальнейшим течением времени ЭР между металлическими электродами, которые служат для подвода потенциала переходит в АТР, а затем тлеющий разряд гаснет и через т = 5 mS снова горит. Выявлено, что развитие электрического пробоя существенно

зависит от давления, диаметра и длины струи, характера течения струи, расхода и электропроводимости электролита.

Рис. 4. Осциллограммы пульсации тока разряда между струйным электролитическим катодом и медным анодом при Р = 103 Па, /с = 12 мм, ¿с = 1,5 мм и б = 1 г/с. Электролит -насыщенный раствор КаС1 в технической воде

Рис. 5. Фотография развития электролитно-плазменной капли при 11= 378 В, 1= 25 мА,

Р = 1,9 • 104 Па, в-0,5 г/с и 1С = 10 мм. Электролит - насыщенный раствор КаС1 в технической воде

На рис. 5 показана фотография развития разряда между капельным катодом и медным анодом при пониженном давлении. Как видно из фотографии рис. 5, конусообразную часть капли 1 и конец цилиндрической части металлической трубки 2 охватывает ОТС синего цвета. ЭР горит между острией 1 и падающей каплей 3, которую охватывает ореол оранжевого цвета. Падающая капля 3 также охвачена ОТС полусферической формы 4, а между каплей 3 и медным анодом горит АТР.

На рис. 6 приведены фотографии ЭР между струйным электролитическим катодом и медным анодом. Как видно из рис. 6а, струя электролита отрывается от поверхности анода. В данном случае между струйным электролитическим катодом и медным анодом горит АТР, состоящий из прикатодной и прианодной областей и плазменного столба (ПС). Конец струи электролита охватывает отрицательное свечение (ОТС) в форме полусферы синего цвета, которое переходит в слабосветящийся ПС. Плазменный столб опирается на сплошное анодное пятно, диаметр которого больше, чем диаметр ПС. Аномальный тлеющий разряд такой формы горит в течение 0,04 с, а затем переходит в ЭР в пористом электролите без катодных и анодных пятен (рис. 66). Этот разряд имеет свечение синего цвета. С течением времени ОТС увеличивается вдоль струи электролита (рис. 6в, 6г) и охватывает более половины струи (рис. 6Э). Выявлено, что по краям сплошного анодного пятна наблюдаются точечные пятна (рис. бе).

Анализ особенности течения и испарения струйного электролитического катода показал, что при Р = 103 Па образуется пористая структура струи и электролит на поверхности медного анода начинает кипеть, что приводит к образованию множества пузырьков различного диаметра. Эти пузырьки начинают двигаться вдоль струи вверх. С течением времени пористая струя цилиндрической формы отрывается от медного анода. В дальнейшем из-за испарения электролита струя расслаивается и начинает вблизи медного анода разрушаться. Вышеуказанные особенности течения и испарения пористой

струи электролита существенно влияют на горение и формы ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях.

i Я

Рис. 6. Фотографии ЭР между струйным электролитическим катодом и медным анодом при Р = 10 Па, й = 4,5 г/с, и= 514 В, /с = 40 мм и ¿с = 4 мм.

Электролит - насыщенный раствор N30 в технической воде

ЭР между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом и сравнение их с классическими видами ЭР показали, что струя является необычным электродом с различными областями переходов: первая область перехода - металл-струя; вторая - однородная-неоднородная части струи; третья - струя-металл (анод). Эти переходы существенно влияют также на характер развития электрического разряда. Поэтому наблюдаются различные формы и комбинации электрических разрядов вдоль поверхности струйного электролитического катода. На границах переходов видны ЭР. При пониженных давлениях Р ~ 103 Па струя отрывается от металлического анода и наблюдается электрический разряд, подобный классическим видам между металлическими электродами.

U, В 600

500

400

300

200

2 \

4\/

1 г

1 / □ //

7 V

100

150

200

250

, тА

Рис. 7. ВАХ многоканального и аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом (насыщенный раствор NaCI в технической воде) и медным анодом при /с = 12 мм, d0 = 2 мм, G = 1 г/с, и = 0,25 м/с для различных давлений: 1-Р- 1,9-104; 2- Р = 3,9-104; 3-Р = 6,8-104;

4-Р = 8,8-104Па

Из сравнения кривых 1, 2, 3 я 4 (рис. 7) следует, что с повышением давления величина I снижается. Это объясняется тем, что с ростом давления от 1,9-10 до 6,8-10 Па размеры ОТС вдоль струйного электролитического катода

уменьшается. В данном случае горит АТР без плазменного столба. При Р > 6,8-104 Па происходит переход АТР в MP, который горит микроканалами. Эти микроканалы занимают малую часть струйного электролитического катода.

Рис. 8. ВАХ многоканального и аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом (насыщенный раствор хлористый аммоний NH4C1 в технической воде) и медным анодом при /с = 20 мм, (4 = 2 мм, G = 1 г/с, и = 0,25 м/с для различных давлений: 1 - Р = 1,9-104;

200'-—-i_ 2-Р = 2,9-104; 3 - Р = 3,9-104;

75 1.™» = 6,8-104; 5 — = 8,8-104 Па

___-Л

Г5 Г* /з ~

/ 4 - / 2

17-■-/

В случае насыщенного струйного электролитического катода из Ш4С1 при /с = 20 мм с ростом Р от 1,9-104 до 8,8-104 Па величина I существенно падает (рис. 8). Это объясняется уменьшением количества зарядов переносимых вдоль струйного катода с ростом /с.

Рис. 9. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом (насыщенный раствор №НС03 в технической воде) и анодом из различных материалов {1,2- медь, 3, 4 - сталь) при 4 = 20 мм, ¿4 = 2 мм, й = 1 г/с, и = 0,25 м/с для различных давлений: 1 -Р= 1,9-104; 2-Р = 6,8-104; 5-Р=1,9-104;¥-Р = 6,8-104 Па

I, тА

О 25 50

На рис. 9 представлены ВАХ аномального тлеющего разряда для различных материалов и давлений. Из сравнения кривых 1 и 3 следует, что при С/ = 700 В для стального анода ток разряда уменьшается в три раза по сравнению с током разряда для анода из меди.

Анализ ВАХ (рис. 10) аномального тлеющего разряда для эбонита (кривая 1) показал, что токи АТР уменьшаются по сравнению со сталью (кривая 2) и медью (кривая 3). Все ВАХ имеют возрастающий характер.

На рис. 11 показано распределение Е вдоль струйного электролитического катода. Видно, что распределение напряженности электрического поля имеет ступенчатый характер. На длине струи от 0,5 до 5,5 мм наблюдается горение ЭР, а на расстоянии от 5,5 до 9,5 мм наблюдается однородная струя электролита, где разряд не горит из-за отсутствия расщепления электролитического катода. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что с понижением давления от 5-Ю4 до 104 Па величина Е на участке от 5 до 9,5

мм уменьшается до 1,5 раза. В прианодной области величина Е снижается незначительно.

и, в 500 400 300 200 100

Е, В/мм

40302010

г1 V

/ / 3.

100 l,mA

Рис. 10. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом (насыщенный раствор ЫаС1 в технический воде) и анодом из эбонита (кривая 1), стали (кривая 2) и меди

(кривая 3) при Р = 1,9-104 Па, в = 0,8 г/с, А?с = 1,5 мм, /с = 20 мм, рН = 6,9 и рН = 7,34 до и после эксперимента соответственно

/ / / 1

У /

л / 2

Рис. 11. Распределение напряженности электрического поля для различных давлений и токов при /„= 10 мм, с/с = 2мм: 1 -Р = 5-104 Па, 1= 0,3 А, гу„6 = 400 В; 2 - Р = 104 Па, 1= 0,2 А, иаб = 400 В. Электролит 2% раствора КаС1 в технической воде

2 3 4 5 6 7

На рис. 12 представлена функция распределения значения плотности вероятности тока АТР при Р = 1,9-104 Па, /с = 12 мм, ¿4 = 1,5 мм и G = 1 г/с. Точки - эксперимент, сплошная линия - расчет. После статистической обработки экспериментальных данных получено: среднее /ср = 266,5 мА, дисперсия £>/ = ст2, среднеквадратическое отклонение aj = 42,5, моменты третьего порядка т/3= - 5,5-104, моменты четвертого ml4 = 1,47-107 порядка. Рассчитаны распределения плотности вероятности тока, а также определена асимметрия А\ = - 0,7, критерий по асимметрии для тока 0,21, эксцесса Е\ = 1,53, критерий по эксцессу для тока 0,4. Сопоставление параметров асимметрии и эксцесса по току с их теоретическими критериями, показывает, что распределение плотности вероятности значения тока отличается от нормального.

Таким образом, установлены характеристики и выявлены особенности физических процессов, протекающих в ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом, которые являлись базой для разработки методики локальной, струйной, одновременной очистки и полировки, повышения твердости поверхности меди, стали и алюминия при пониженных давлениях.

Рис. 12

В четвертой главе в результате исследования ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях разработаны и созданы: устройство для получения МР и АТР и методики локальной, струйной очистки с одновременной полировкой и повышения твердости поверхности меди М1, стали Х18Н9Т и алюминия АМЦ40.

Как видно из рис. 13 (а, б и в) кратковременная обработка I = 5с поверхности меди позволяет производить локальную, одновременную, струйную очистку и полировку с использованием АТР со струйным катодом! Анализ опытных данных по обработке поверхности показал, что с увеличением Г от 5 до 60 с можно получить до Да < 0,1 мкм. Анализ образца стали марки Х18Н9Т также показал, что в результате. локальной, струйной обработки с использованием МР можно достичь также одновременной очистки и полировки до высокого класса < 0,1 мкм. Установлено, что на качество очистки и полировки существенно влияют также параметры как С/, 1,1а с1с, Си/.

Рис. 13. Фотографии необработанной (я) и обработанной (б) поверхности меди Ml при Р = 10 Па, {/= 350 В, 7 = 150 мА, /с = 15 мм, ¿4 = 2 мм, G = 1,5 г/с, t = 5 с (время обработки) с использованием АТР (в) между струйным электролитическим катодом (раствор хлористого аммония ~ NH4CI в технической воде) и медным анодом

Рис. 14. Фотографии необработанной (а) и обработанной (б) поверхности стали Х18Н9Т при Р = 7,8-104 Па, U= 750 В, /= 150 мА, /с,= 20 мм, <4= 2 мм, G = 2 г/с, i = 5 с с использованием МР (в) между струйным электролитическим катодом (раствор NH4C1 г технической воде) стальным анодом в течении 5с

Из сравнения фотографий рис. 14а и б следует, что для обработки стали с использованием MP при Р = 7,8-104 Па необходимо увеличить время обработки, чем для обработки меди с АТР при Р = 103 Па. На фотографиях рис. 14в и г представлены MP, которые были сняты с помощью видеокамеры «Sony HDR-SR72E» и скоростной видеокамеры Fastec Hispec (7259 кадр/с) в процессе очистки и полировки поверхности стали. Как видно из фотографий рис. 14в и г, происходит распыление материала с поверхности анода.

Предложена методика локального, струйного повышения твердости поверхности анода из меди Ml и алюминия АМЦ40 с использованием АТР при пониженных давлениях. Анализы образца меди Ml до и после обработки показали, что при t = 5 с удалось увеличить твердость по методу Роквелла от 22 до 25 HRB (фотографии рис. 15а и б), а алюминия АМЦ40 от 40 до 45 HRB (фотографии рис. 16«, б и в). Микротвердость поверхности образцов измерялась при помощи твердомера НХ-100ТМ.

1Ш 4 ' -

Ж ЩШЩШ г Ш i"' i

А:тдШ • -унS • ;t» i ', J*

Рис. 15. Фотографии неповышенной (а) и повышенной твердости (б) поверхности меди Ml (5-кратное увеличение) при Р= 1,9-104 Па, U= 320 В, 1= 150 мА, /„= 12 мм, = 1,5 мм и G = 1,2 г/с. Электролит - насыщенный раствор NaCl в технической воде

Рис. 16. Фотографии неповышенной (а) и повышенной твердости (б, в) поверхности алюминия АМЦ40 (100-кратное увеличение) при Р= 1,9-104 Па, ¡7=600 В, /= 150 мА, 4 = 12 мм, с1с = 1,5 мм и й = 1,2 г/с. Электролит - насыщенный раствор №С1 в технической

воде

Анализ образцов показал, что в процессе локального, струйного повышения твердости поверхности происходит одновременная очистка поверхности как меди, так и алюминия.

С учетом трехфакторного эксперимента получено уравнение регрессии, которое может быть использовано для нахождения оптимальных режимов технологического процесса локальной, струйной очистки с одновременной полировкой поверхности меди марки М1 при Р = 8,9-104 Па. Для выявления влияния параметров разряда на свойства обрабатываемой поверхности был проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ). Основными факторами, влияющими на степень шероховатости поверхности обрабатываемого изделия являются: t - время обработки, /с - длина струи электролита, U - напряжение разряда. Минимальные и максимальные значения факторов tmin = 5 с, tmm = 30 с, lmi„ = 10 мм, /тах = 20 мм, Umin = 700 В, £/тах = 890 В. Средние значения факторов: /сср = 15 мм, fccp = 17,5 с, t/ccp = 795 В. Интервалы варьирования:

Аt = tmm tmin Al=lsmZ!m. ДГ/- ^max

2 2 2

Интервалы варьирования факторов: Дг = 12,5 с, А/ = 5 мм, ДС/= 95 В.

План ПФЭ приведен в таблице, где введены кодированные факторы:

bzbs.

А/с ' 2 AU > 3 Д/

В качестве выходного параметра было принято изменение класса шероховатости поверхности после обработки К

№ х0 X, х2 х3 Х^—Х\Х2 Xß—Х2Х3 Xj—X1X2X2 ужсп 7оасч

1 1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 0 0

2 1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 0 0

3 1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 1 1

4 1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 6 6

5 1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 1 1

6 1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 -1 3 3

7 1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 4 4

8 1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 5 5

S 8 0 0 0 0 0 0 0 20 20

Уравнение регрессии

F = e0 + в,*, + в2х2 + в3х3 + в„х4 + е5х5 + в6х6 + в7х7. Коэффициенты регрессии рассчитывались по формуле

Полученные значения коэффициентов регрессии: в0 = 2,5; в, = 1; в2 = 1,5; в3 = 0,75; е4 = 0,5; в5 = - 0,25; в6 = - 0,25; в, = - 0,75.

Установлено, что с использование МР и АТР струйным электролитическим катодом для локальной обработки поверхности меди М1 и стали марки Х18Н9Т можно достичь Ла < 0,1 мкм при пониженных давлениях. Выявлено, что на качество локальной, струйной, одновременной очистки и полировки существенно влияет напряжение и ток разряда, геометрические параметры и характер течения и состояния струи (капельный, расщепленный, кипящий и пористый), а так же время обработки. Обнаружено, что в процессе локального повышения твердости струйным электролитическим катодом одновременно происходит так же очистка поверхности меди и алюминия. Выведено уравнение регрессии для нахождения оптимальных режимов локальной, струйной очистки с одновременной полировкой поверхности меди при пониженном давлении.

Основные выводы

1. Разработана и создана экспериментальная установка для исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях в широком диапазоне I, II, <4 О, и и /с для различного состава (N3«, Ш4С1, №НС03) и концентрации электролита. Установка позволяет проводить экспериментальные исследования структуры и формы, электрических характеристик и распределения потенциала, напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического катода в диапазоне параметров: ¡7 = 0,1+1,5 кВ, I = 0,01+2 А, в = 0,8+4,5 г/с,

и = 0,2+0,5 м/с, 4 = 1,5+4 мм, /с = 10+40 мм для насыщенного и 2% растворов солей в технической воде.

2. Изучено развитие электрического пробоя между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом. Выявлены особенности развития электрического пробоя, как со стороны струйного электролитического катода, так и от плоского медного анода.

3. На базе проведенных исследований установлено, что в интервале 6,8-10 < Р < 8,9-104 горит МР, а в диапазоне от 103 до б,8-Ю4 горит АТР. Показано развитие электролитно-плазменной капли. Установлено, что при переходе МР в АТР или наоборот в зависимости от характера течения струйного электролитического катода наблюдаются горение аномального тлеющего разряда в однородных участках струи и многоканального разряда в расщепленных участках струи. ВАХ между струйным электролитическим катодом и твердым анодом имеют возрастающий характер и значительно зависят от (?, и, с!с, состава и концентрации электролита. Водородный показатель рН для струйного электролитического катода из растворов ЫаС1 и

NH4CI в технической воде слабокислый, а для ЫаНСОз щелочность электролита увеличивает на 0,2.

4. Экспериментально исследованы и проведены расчеты функции распределения плотности вероятности значения тока аномального тлеющего разряда при пониженных давлениях. Установлено, что значения тока АТР не имеют нормальную функцию распределения с большим отрывом асимметрии.

5. Изучены структуры и формы MP и АТР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в широком диапазоне давления. Показано существенное влияние характера течения струи (капельный, расщепленный, кипящий и пористый) на характеристики и формы MP и АТР при пониженных давлениях. Выявлены особенности пульсации тока разряда. Обнаружен переход однородного сплошного катодного пятна вдоль струйного электролитического катода в кольцевую форму. Обнаружено горение АТР со свечением и без свечения в случае отрыва аномального тлеющего разряда от поверхности металлического анода.

6. Разработано и создано устройство для получения MP и АТР между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях.

7. Разработаны методики:

- локальной, струйной, одновременной очистки и полировки поверхности меди Ml и стали Х18Н9Т многоканальным разрядом и аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях;

- локального, струйного повышения твердости на поверхности аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом (медь Ml, алюминий АМЦ40) при пониженных давлениях.

8. Выведено уравнение регрессии для нахождения оптимальных режимов локальной, струйной очистки с одновременной полировкой поверхности меди при пониженном давлении.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК

1. Гайсин Ал.Ф. Паровоздушные разряды между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. 2010. -Т. 48, № 3. - С. 1-4.

2. Гайсин Ал.Ф. Электрический пробой вдоль струйного электролитического катода при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. 2010 -Т. 48, № 5. - С. 785-800.

3. Гайсин Ал.Ф. Характеристики электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - № 8. - С. 81-85.

Работы опубликованных в других изданиях

4. Гайсин Ал.Ф. Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин // Сборник трудов под ред. А.П. Кудинова «Высокие технологии, прикладные исследования, промышленность». -Санкт-Петербург, 2009. - С. 76-78.

5. Gaisin Al.F. Emergence of plasma-electrolyte boundary between electrolyte jet and a solid bode at low pressures / Al.F. Gaisin, E.E. Son, R.Sh. Basyrov // 12th International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing (IWPCTM-12). -Moscow, 2010. - P. 59.

6. Гайсин Ал.Ф. Обработка материалов с использованием тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Л.Н. Багаутдинова // Тез. докл. II Междун. научно-технич. конф. «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии». -Плес, 2010. - С. 118.

7. Gaysin Al.F. Gas-vapour discharge between jet electrolyte cathode and solid anode at low pressures / Al.F. Gaysin // 3rd Chaotic Modeling and Simulation International Conference. Chania Crete Greece, 2010. - P. 22.

8. Gaysin Al.F. Turbulent mixing in gas-vapor discharge plasma with jet electrolyte cathode / Al.F. Gaisin, R.Sh. Basyrov // 3rd Chaotic Modeling and Simulation International Conference. Chania Crete Greece, 2010. - P. 7.

9. Gaisin Al.F. Experimental investigation of gas-vapor discharge between jet electrolyte cathode and solid anode at low pressures / Al.F. Gaisin, L.N. Bagautdinova, R.Sh. Basyrov // Alushta-2010. International Conference-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 (Crimea), Ukraine, September 13-18, 2010. - P. 144.

10. Гайсин Ал.Ф. Электрический пробой вдоль струйного электролитического катода при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Тез. докл. XXXVII Междун. (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС -Москва, 2010. -С. 264.

11 .Гайсин Ал.Ф. Электрический разряд между струйным электролитическим анодом и пористым катодом при атмосферном и пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, Н.А. Логинов // Препринт, Казанский государственный технологический университет. - Казань, 2010. - 23 с.

12. Гтеин Ал.Ф. Электрический разряд между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом при атмосферном и пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, P.P. Каюмов // Препринт, Казанский государственный технологический университет. - Казань, 2010. - 28 с.

13. Гайсин Ал.Ф. Электрический разряд между металлическим катодом и электролитическим анодом / Ал.Ф. Гайсин, Л.Р. Саримов // Препринт, Казанский государственный технологический университет. - Казань 2010 -23 с.

14. Гайсин Ал.Ф. Особенности электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин // XXXVIII Междун. (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. - Москва, 2011. С.

15. Гайсин Ал.Ф. Некоторые особенности характеристики тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин // Междун.

конференция «Физика высокочастотных разрядов» посвященная 100-летию со дня рождения Г.И. Бабата. ICPRFD 2011.- С. 239.

16. Гайсин Ал.Ф. Колебания тока электрического разряда между струйным электролитическим катодом и медным анодом при пониженных давлениях / Ал.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин // Междун. конференция «Физика высокочастотных разрядов» посвященная 100-летию со дня рождения Г.И. Бабата. ICPRFD 2011.-С. 241.

17. Гайсин Ал.Ф. Электрический разряд между струйным электролитическим катодом и твердым металлическим анодом в процессах модификации поверхности / Ал.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин, М.Ф. Ахатов, P.P. Каюмов // II Республ. научно-технич. конф. «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий», 8-12 ноября 2010. - Казань: Изд-во Казан, гос. технол. ун-та, 2011. - С. 164-167.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная Печ.л. 1,25. Усл. печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ О 136.

Типография Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Гайсин, Алмаз Фивзатович

Принятые обозначения Введение.

Глава 1.

1.1. 1.2.

Глава 2. 2.1.

Современное состояние исследований электрического разряда в газе между металлическим и электролитическим электродами.

Зажигание электрического разряда между твердым и электролитическим электродами.

Особенности горения электрического разряда между электролитическим катодом и твердым анодом.

Некоторые особенности электрического разряда между электролитическим анодом и твердым катодом.

Электрический разряд между струйным электролитическим и твердым электродами.

Практическое применение электрического разряда между электролитическим и твердым электродами.

Цели и задачи диссертации.

Экспериментальная установка и методика измерений.

Функциональная схема экспериментальной плазменной установки при пониженных давлениях.

Высоковольтная экспериментальная установка (выходное напряжение до 4000 В и при токе 10 А).

Высоковольтная экспериментальная установка (выходное напряжение 1500 В и при токе 2 А).

Вакуумная система экспериментальной установки.

Разрядная камера с электролитической ванной.

Измерительная аппаратура и методика проведения экспериментов, и оценка точности измерений.

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях.

3.1. Особенности электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода.

3.2. Формы МР и АТР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом.

3.3. Вольтамперные характеристики аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом растворы №С1, №НС03, МН4С1 в технической воде) и твердым анодом (медь М1, сталь Х18Н9Т, алюминий АМЦ40, эбонит).

3.3.1. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом из хлорида натрия (ЫаС1) в технической воде и медным анодом.

3.3.2. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом из гидрокарбоната натрия

ЫаНС03) в технической воде и медным анодом.

3.3.3. ВАХ аномального тлеющего разряда между электролитическим катодом из хлористого аммония (МН4С1) в технической воде и медным анодом.

3.3.4. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом из хлорида натрия (№С1) и анодом из эбонита.

3.4. Формы и характеристики аномального тлеющего разряда между капельным электролитическим катодом и медным анодом

3.5. Распределение потенциала и напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического катода.

3.6. 3.7. Распределения значения плотности вероятности тока АТР Колебания тока электрического разряда между струйным электролитическим катодом и медным анодом.

Глава 4. Устройство для получения электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом и методики локальной, струйной, одновременной очистки и полировки, и повышения твердости поверхности твердых тел (медь М1, сталь Х18Н9Т, алюминий

АМЦ40, эбонит) при пониженных давлениях.

4.1. Устройство для получения электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях.

4.2. Методика локальной, струйной, одновременной очистки и полировки поверхности меди М1 и стали Х18Н9Т многоканальным разрядом, аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях.

4.3. Методика локального, струйного повышения твердости поверхности аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом (медь М1, алюминий АМЦ40) при пониженных давлениях

4.4. Уравнение регрессии для нахождения оптимальных режимов локальной, струйной очистки с одновременной полировкой поверхности меди при пониженном давлении.

Введение диссертация по механике, на тему "Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях"

Электрические разряды в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо [1-17 и др.]. Одним из новых способов получения низкотемпературной плазмы является использование электрического разряда между металлическим и электролитическим электродами [18-47]. В настоящее время такие разряды используются в плазменной технологии. Большое внимание уделяется разработке новых эффективных методов для очистки, полировки, а также для нагрева металлов, нанесения покрытий с данными свойствами на поверхности различных материалов.

Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к качеству металлов и сплавов. В настоящее время возможности очистки металлов и сплавов с использованием традиционных методов обработки: механических, химических практически исчерпаны. Эти методы имеют ряд недостатков: низкая производительность, качество и точность обработки поверхности; повышенную энергоемкость и экологическую вредность технологии; необходимость применения специальных мер для удаления отходов; высокую стоимость расходного материала, что приводит к снижению конкурентоспособности продукции. В связи с этим возникает задача разработки новых технологических процессов очистки поверхности металлов и сплавов. Перспективным направлением ее решения является использование высокоэнергетических методов: лазерных, плазменных и электронно-лучевых. Они позволяют экономить сырье и реактивы, повышают производительность труда, улучшают качество поверхности обрабатываемого материала и дают возможность получать материалы с новыми физико-механическими свойствами. Одной из перспективных технологий в области очистки поверхности металлов и сплавов является ее обработка низкотемпературной плазмой электрического разряда. Интерес к плазменным разрядам с жидким электродом для использования в технологических целях заключается в том, что в нем сочетаются свойства двух технологий: химической и плазменной.

Использование неравновесной плазмы многоканального разряда (МР) часто обеспечивает повышение эффективности многих технологических процессов, таких как плазмохимическое формирование поверхностей с заданными свойствами на различных материалах.

Однако возможности технологических применений генераторов плазмы с струйным электролитическими электродами еще мало изучены. Актуальность исследований в этом направлении обуславливается целым рядом причин: дешевизной, высокой степенью чистоты технологических процессов с применением неравновесной плазмы парогазового разряда с электролитными электродами и др.

В настоящее время практически отсутствуют экспериментальные исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Существующие устройства и способы получения парогазового разряда с электролитическими электродами имеют ограниченные возможности. Не изучены характеристики и физические процессы на границе раздела струйного электролитического катода и твердого анода при пониженных давлениях. Взаимодействие плазмы струйного электролитического катода с поверхностью твердого тела при пониженных давлениях остается практически неисследованным. Все это задерживает разработку генераторов электрического разряда с электролитическими электродами для практических применений. В связи с вышеизложенным экспериментальное исследование электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях является актуальной задачей.

Данная диссертационная работа, состоящая из трех глав, посвящена решению этих задач.

В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов, горящих между электролитическим и твердым электродами, а также обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе описываются экспериментальные установки для получения и исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом для различных межэлектродных расстояний при пониженных давлениях. Система электрического питания предназначена для обеспечения электролитической ячейки и вспомогательного оборудования электролитической энергией. Вакуумная система состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса и вакуумной арматуры. Электролитическая ячейка заполняется исследуемыми электролитами необходимой концентрации. Здесь же приводятся измерительная аппаратура, методика проведения экспериментов и оценка точности измерений.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик и особенности электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Приведены результаты электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода при пониженных давлениях. Представлены формы электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом (металл и диэлектрик). Установлен переход многоканального разряда в тлеющий разряд при пониженных давлениях. Приведены результаты исследования вольтамперных характеристик электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в широком диапазоне давления. Представлены распределения потенциала и напряженности электрического поля вдоль струйного электрического катода в многоканальном и тлеющих разрядах при пониженных давлениях. Приведена функция распределения значения плотности вероятности тока АТР. Представлены результаты исследования колебания напряжения и тока многоканального и тлеющего разрядов при пониженных давлениях.

В четвертой главе на основе полученных результатов разработаны и созданы устройства для получения электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом и методики локальной, струйной, одновременной очистки и полировки, и повышения твердости поверхности твердых тел (медь М1, сталь Х18Н9Т, алюминий АМЦ40, эбонит) при пониженных давлениях.

Получена регрессивная зависимость локальной очистки с одновременной полировкой поверхности материалов и изделий от условий технологического процесса при пониженных давлениях.

Научная новизна исследований:

В результате экспериментального исследования установлены развитие электрического пробоя, формы, особенности и характеристики ЭР при Р= 103-8,9-104 Па:

- развитие электрического пробоя, как со стороны струйного, электролитического катода, так и от плоского медного анода;

- увеличение величины напряжения пробоя с ростом длины струйного электролитического катода и давления;

- влияние характера течения и состояния струи (капельный, расщепленный, кипящий и пористый) на структуры, формы и пульсации тока МР и АТР;

- развитие электролитно-плазменной капли;

- горение аномального тлеющего разряда в однородных участках и многоканального разряда в расщепленных участках струи при переходе МР в АТР или наоборот; переход МР в АТР при Р < 6,8-104 Па; 9

- особенности развития ATP в случае отрыва струйного электролитического катода от поверхности металлического анода;

- горение АТР со свечением и без свечения в случае отрыва аномального тлеющего разряда от поверхности металлического анода;

- значения тока АТР при пониженных давлениях не описываются законом распределения Гаусса из-за большой величины асимметрии;

- низкочастотные и высокочастотные пульсации тока разряда;

- распределение потенциала и напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического катода;

- движение отрицательного тлеющего свечения (ОТС) различной формы вдоль струйного электролитического катода;

- переход однородного ОТС вдоль струи в кольцевую форму;

- расслоение ВАХ для различных давлений и материалов анода;

- влияние концентрации и состава электролита на структуры, формы и характеристики MP и АТР.

Разработаны методики:

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментального исследования особенности развития электрического пробоя между струйным электролитическим катодом и медным анодом в диапазоне давлений 103ч-1,9-104 Па, а также характеристик многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях Р > 6,8 ■ 104 Па.

4. Методика локальной, одновременной, струйной очистки и полировки поверхности меди М1 и стали Х18Н9Т многоканальным разрядом и аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях.

5. Методика локального, струйного повышения твердости поверхности аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом (медь М1, алюминий АМЦ40) при пониженных давлениях.

Заключение диссертации по теме "Механика жидкости, газа и плазмы"

Вывод

1. Разработана и создана экспериментальная установка для исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях в широком диапазоне I, U, dc, G, и и /с для различного состава (NaCl, NH4C1, NaHCCb) и концентрации электролита. Установка позволяет проводить экспериментальные исследования структуры и формы, электрических характеристик и распределения потенциала, напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического катода в диапазоне параметров: U = 0,1ч-1,5 кВ, I = 0,01ч-2 A, G = 0,8-г4,5 г/с, v = 0,2ч-0,5 м/с, dc = 1,5-й- мм, /с = 10ч-40 мм для насыщенного и 2% растворов солей в технической воде.

3. На базе проведенных исследований установлено, что в интервале 6,8-104 < Р < 8,9-104 горит MP, а в диапазоне от 103 до 6,8-104 горит АТР. Показано развитие электролитно-плазменной капли. Установлено, что при переходе MP в АТР или наоборот в зависимости от характера течения струйного электролитического катода наблюдаются горение аномального тлеющего разряда в однородных участках струи и многоканального разряда в расщепленных участках струи. В АХ между струйным электролитическим катодом и твердым анодом имеют возрастающий характер и значительно зависят от G, и, dc, состава и концентрации электролита. Водородный показатель рН для струйного электролитического катода из растворов NaCl и NH4C1 в технической воде слабокислый, а для NaHCCb щелочность электролита увеличивает на 0,2.

5. Изучены структуры и формы МР и АТР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в широком диапазоне давления. Показано существенное влияние характера течения струи (капельный, расщепленный, кипящий и пористый) на характеристики и формы МР и АТР при пониженных давлениях. Выявлены особенности пульсации тока разряда. Обнаружен переход однородного сплошного катодного пятна вдоль струйного электролитического катода в кольцевую форму. Обнаружено горение АТР со свечением и без свечения в случае отрыва аномального тлеющего разряда от поверхности металлического анода.

6. Разработано и создано устройство для получения МР и АТР между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях.

7. Разработаны методики:

- локальной, струйной, одновременной очистки и полировки поверхности меди М1 и стали Х18Н9Т многоканальным разрядом и аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях;

- локального, струйного повышения твердости на поверхности аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом (медь М1, алюминий АМЦ40) при пониженных давлениях.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Гайсин, Алмаз Фивзатович, Казань

1. Энгель А., Штеенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах, т.Н; Пер. с нем. /Под ред. Капцова H.A. -М.: -Д.: ОНТИ. 1936.

2. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах: Пер. с англ. /Под ред. Капцова H.A. -М.: -Л.: Гостехиздатель, 1950. -672 с.

3. Капцов H.A. Электрические явления в газах и вакууме. -Изд. 2-е. -М.: -Л.: Гостехиздат, 1950. -836 с.

4. Капцов H.A. Электроника. -М.: Гостехиздат, 1956. -459 с.

5. Энгель А. Ионизированные газы. -М.: Физматгиз, 1959. -332 с.

6. Мик Дж., Крег Дж. Электрический пробой в газах. -М.: ИЛ, 1960. -601 с.

7. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. -М.: Госатомиздат, 1961. -323 с.

8. Ретер Г. Электронные лавины и прибой в газах. -М.: Мир, 1968. -390 с.

9. Грановский В.Л. Электрический ток в газе /установившийся ток/. -М.: Наука, 1971.-544 с.

10. Смирнов Б.М. Физика слабоионизированного газа. -М.: Наука, 1972.

11. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. -М.: Наука, 1980.-416 с.

12. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. -М.: Наука, 1987. -591 с.

13. Ховатсон A.M. Введение в теорию газового разряда: Пер. с англ. ИванчикаИ.И. -М.: Атомиздат, 1980.

14. Велихов Е.П., Голубев B.C., Пашкин C.B. Тлеющий разряд в потоке газа. Успехи физ.наук, 1982. Т. 137, вып. I. С 117-150.

15. Баранов В.Ю., Напартович А.П., Старостин А.И. Тлеющий разряд в газах повышенного давления. В кН.: Итоги науки и техники. Физика плазмы. -М.: ВИНИТИ. Т.5. 1984. С. 90-171.

16. Велихов Е.П., Ковалев A.C., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме. -М.: Наука, 1987. С. 160.

17. Словецкий Д.И, Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. -М.: Наука, 1980. -130.

18. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Возникновение и развитие объемного разряда между твердыми и жидкими электродами. //Химия плазмы. Под ред. Смирнова Б.М.-М.: 1990. Т.16. С. 120-156.

19. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Электрофизические процессы в разрядах с твердыми и жидкими электродами. Свердловск. Изд-во Уральского университета. 1989. -432 с.

20. Гортышов Ю.Ф., Гайсин Ф.М., Тонконог В.Г. Теплофизический эксперимент и исследования в потоках газа и плазмы. -Казань, 2005 г.

21. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е., Шакиров Ю.И. Объемный разряд в парогазовой среде между твердыми и жидкими электродами. -М.: Изд-во ВЗПИ, 1990. -90с.

22. Фортов В.Е., Сон Э.Е., Бромберг Л., Гайсин Ф.М., Сон К.Э., О Джон Хе, И Хе Ионг. Плазменные технологии (на корейском языке) МФТИ, KOFST, 2006.-135с.

23. Гайсин Аз.Ф., Абдуллин И.Ш., Гайсин Ф.М. Струйный многоканальный разряд с электролитическими электродами в процессах обработки твердых тел. Монография, Казань: Изд-во Каз. гос. техн. ун-та, 2006. -446с.

24. Son Е.Е., Fortov V.E., Gaisin F.M., Bromger L., Son K.E., Oh Jhon He, I He Young. Plasma Technologies. ГОУ ВПО Мое. физ.-технический ун-т (гос. ун-т). Изд-кий сектор оперативной полиграфии. Долгопрутный, 2007.-135 с.

25. Кутепов A.M., Захаров А.Г., Максимов А.И. Вакуумно-плазменное и плазменно-растворенное модифицирование полимерных материалов. -М.: Наука. 2004 г. -496с.

26. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Электрические разряды в парогазовой среде с нетрадиционными электродами // Энциклопедия низкотемпературной плазмы / под ред. Фортова В.Е. М.: Наука, 2000. С. 241.

27. P. Mezei and Т. Ceserfalvi. Electrolyte cathode atmospherie glow dischartsyges for direct solution analysis Appl. Spectrosc. Rev 42 (2007), 573 (обзор).

28. Ясногородский И.З. в сб. «Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов». М.: Машиностроение, 1971. С. 117.

29. Факторович A.A. Электрические разряды в электролитах. / A.A. Факторович, Е.К. Галанина // Электрохимическая обработка металлов / Под общ. ред. Ю.Н. Петрова. Кишинев, 1971. С. 122.

30. Гайсин Ф.М. Физические процессы в газовых разрядах с твёрдыми, жидкими и плазменными электродами. /Ф.М. Гайсин// Дисс. на соиск. уч. степени д.ф.-м.н. -Казань, 1991.

31. Гайсин Аз.Ф. Струйный многоканальный разряд между твердым и электролитическим электродами в процессах модификации материалов при атмосферном давлении. /Аз.Ф. Гайсин// Дисс. на соиск. уч. степени д.т.н. -Казань, 2007. -350с.

32. Шакиров Ю.И. Характеристики плазменной электротермической установки с жидким катодом. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. -Ленинград, 1990.-132с.

33. Хакимов Р.Г. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. «Характеристики плазменной электротермической установки с жидкими электродами». -Санкт-Петербург. 1993.

34. Галимова Р.К. Характеристики плазменной электротермической установки с жидкими электродами (электролиты с добавлением неорганических и органических примесей). /Р.К. Галимова// Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. -Санкт-Петербург, 1997. -202с.

35. Тазмеев Б.Х. Электрические и тепловые характеристики генераторов неравновесной газоразрядной плазмы с жидкими электродами. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. -Казань, 2000. -170с.

36. Гайсин Аз.Ф. Характеристики парогазового разряда между металлическим и жидким (непроточные и проточные электролиты) электродами. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. -Казань, 2002. -140с.

37. Хазиев P.M. Характеристики паровоздушного разряда переменного и постоянного тока с электролитическими электродами при пониженном и атмосферном давлениях. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. -Казань, 2004. -120с.

38. Нуриев И.М. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. «Характеристики многоканального разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении». -К.: 2005.-81 с.

39. Гумеров А.З. Характеристики струйного многоканального разряда между электролитическим анодом (проточный и непроточный) и металлическим катодом при атмосферном давлении. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. -Казань, 2006.

40. Тазмеев А.Х. Снижение техногенной нагрузки на окружающую среду путем плазмохимической переработки отходов полимеров. Дисс. на соиск. уч. степени к.х.н. -Казань, 2007.

41. Ахатов М.Ф. Дисс. на соискание уч. степени к.т.н. «Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении». -К.: 2008. -65 с.

42. Тазмеева P.H. Характеристики газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом (со вдувом и без вдува газа). Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. -Казань, 2008.

43. Садриев Р.Ш. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. «Дуговой разряд малой мощности в паровоздушной среде и в струе электролита при атмосферном давлении». -Казань, 2008.

44. Каюмов P.P. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. «Электрический разряд между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом». -Казань, 2010. -118с.

45. Логинов H.A. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. «Электрический разряд между струйным электролитическим анодом и пористым катодом».- Казань, 2010. 101 с.

46. Дураджи В.Н., Парсаданян A.C. Нагрев металлов в электролитной плазме. /Под общей ред. проф. A.C. Парсаданяна. Кишинев «Штиинца» 1988.

47. Taylor G.J., Mcewan A.D. The stability of horizontal fluid interface in a vertical electric field//J. Fluid Mech. 11965. Vol. 22, ptl. P. 1-16.

48. Иванов A.H., Рыбкин B.B., Шутов Д.А. Исследование пробоя с водными катодами. XXXVII (Звенигородская) конференция по физике плазмы в УТС, 8-12 февраля 2010 г. Ивановский гос-ый химико-технол. ун-т, г. Иваново. С. 261.

49. Plante G. Recherches sur les phenomenes Produits dans les Liquides par de Courants Electriques de Haute Tension // C.R. Hebd. Seanses Acad. Sei 1875. № 80. P. 1133-1137.

50. Ясногородский И.З. Нагрев металлов и сплавов в электролите / И.З. Ясногородский//М.: Машгиз, 1949. С. 128.

51. Сапрыкин В.Д. О природе свечения прианодного слоя при электролизе с выносным анодом / В.Д. Сапрыгин // Электрохимия, 1965. Т. 1, № 2. Сю. 234-236.53.54,55,5657,58