Струйный многоканальный разряд между твердым и электролитическим электродами в процессах модификации материалов при атмосферном давлении тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ГАЙСИН АЗАТ ФИВЗАТОВИЧ

СТРУЙНЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РАЗРЯД МЕЖДУ ТВЕРДЫМ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ В ПРОЦЕССАХ МОДИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Специальность 01 02 05 — Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань 2007

003060980

Работа выполнена на кафедре технической физики Казанского государственного технического университета им А Н Туполева (КАИ)

Научный консультант

- доктор технических наук, профессор Абдуллин Ильдар Шаукатович

Официальные оппоненты

■ доктор технических наук,

профессор Г Ю Даутов

■ доктор физико-математических наук

профессор Ю С Акишев • доктор физико-математических наук профессор А П Кирпичников

Ведущая организация

Московский физико-технический (государственный университет)

институт

Защита состоится « 17 » октября 2007 г в « 10 » часов на заседании диссертационного совета Д212 079 02 при Казанском государственном техническом университете им АН Туполева по адресу 420111, г Казань, ул К Маркса, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им А Н Туполева

Автореферат разослан «_»

2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

А Г Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы В настоящее время возможности модификации материалов и изделий с использованием традиционных методов обработки практически исчерпаны Новые технологические процессы позволяют экономить реагенты, сырье, повышать производительность труда, качество, надежность и долговечность изделий Одной из наиболее перспективных технологий является плазменная обработка материалов и изделий, в том числе с применением для этих целей неравновесной низкотемпературной плазмы струйного многоканального разряда Этот вид разряда характеризуется следующими параметрами концентрация электронов в разряде пе= 1017- 10 м-3, температура электронов Те - 104 К и температура газа Г« 1000 - 5000 К

Неравновесная низкотемпературная плазма струйного многоканального разряда обеспечивает повышение эффективности таких технологических процессов, как очистка материалов с одновременной полировкой, упрочнение, газонасыщение и активация поверхности твердых тел Этот вид разряда позволяет производить локальную обработку поверхностей материалов, обеспечивает одностадийное получение металлического порошка, нанесение тонких пленок металлов, синтез органических соединений в электролите, очистку воды, стерилизацию растворов и изделий Необходимость исследований струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами требуется также при электрохимических обработках материалов

В настоящее время существуют четыре модификации системы «парогазовый разряд - электролитическийэлектрод»

1) разряды в парогазовой среде между электролитическим и металлическим электродами (работы Б Р Лазаренко, В Н Дураджи, A Hicklmg, Z W Stenberg, Н Onako, А И Максимова, Э Б Сона, И Ш Абдуллина и др ),

2) разряды в парогазовой среде между электролитическими электродами (работы Б Р. Лазаренко, Ю И Баринова и др ),

3) разряды в парогазовой оболочке вокруг металлического электрода, погруженного в электролит (работы A Hickhng, М D Ingram, J Grabarz - Oliuier, ДИ Словецкий, БР Лазаренко, В Н Дураджи, А А. Факторовича, И.З Ясно-городского и др.),

4) микроразряды на погруженном в электролит аноде, покрытом слоем диэлектрика (работы НП Слугинова, НП Смирновой, С Иконописова, Л А Снежко, А К Vigh, Л А Одынеца, Л Т Бугаинко, О В Полякова, Г А Меркурьева, Е Е Аверьянова и др )

Несмотря на большие возможности использования многоканального разряда в промышленности, набор имеющихся в литературе экспериментальных данных не позволяет судить о закономерностях и механизмах струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессе модификации материалов и изделий

Физика плазмы струйного многоканального разряда с непроточными, проточными и струйными электродами в процессе обработки материалов практически не изучена Струйный многоканальный разряд между твердым и электролитическим электродами в процессе обработки твердых тел - принципиально новая и малоисследованная область практического применения электрических разрядов В настоящее время мало изучено взаимодействие неравновесной плазмы струйного многоканального разряда с поверхностями материалов Все это сдерживает разработку и создание плазменных установок и новых технологических процессов с использованием струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами и их внедрение в производство

' Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы комплексного исследования струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами (непроточные, проточные и струйные) в процессах модификации материалов, позволяющих существенно повысить технологические и эксплуатационные характеристики изделий из этих материалов за счет целенаправленного изменения их структуры, физических и механических свойств

В диссертации изложены результаты работы автора по исследованию струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессах обработки материалов в период 2002 - 2007 г

Работа выполнялась в Казанском государственном техническом университете им А Н Туполева (КАИ) в 2002 - 2003 п по Межотраслевой программе сотрудничества Минобразования РФ и АО «АвтоВАЗ» (создание новых материалов и технологий для автомобилестроения) и в течение 2002 - 2004 гг по Межотраслевой программе сотрудничества Минобразования РФ и Министерства обороны РФ по направлению «Научно-инновационные сотрудничества» (создание перспективных, конструкционных, специальных и топливных материалов), по программе Минобразования РФ проводились исследования в области производственных технологий по разделу «Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении» (2004 г ) В течение 2005 - 2006 гг проводились ориентированные фундаментальные исследования РФФИ по проекту «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» №04-02-97501

Цель и задачи исследования Целью работы являются комплексные исследования струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами в процессах модификации материалов и изделий, результаты которых позволяют создавать технологические процессы для направленного изменения структуры, физических и механических свойств этих материалов и изделий 2

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач

1)проведение комплексных экспериментальных исследований струйного многоканального разряда между металлическим анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом,

2) проведение комплексных экспериментальных исследований струйною многоканального разряда между металлическим катодом (обрабатываемое тело) иэлектролитическим анодом,

3) создание физической модели горения и математической модели зажигания струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами,

4) разработка технологических процессов модификации материалов струйным многоканальным разрядом между твердым анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом,

5) разработка технологических процессов модификации материалов струйным многоканальным разрядом между твердым катодом (обрабатываемое тело) и электролитическим анодом,

6) разработка и создание разрядных устройств струйного многоканального разряда между твердыми электролитическим электродами для реализации технологических процессов обработки материалов

Методика исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы исследований

Для исследования параметров струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессе обработки материалов создан измерительный комплекс, состоящий из

1) спектрографов ИСП-30 и ДФС - 8-2 для снятия спектра в видимой и УФ областях излучения плазменного столба струйного многоканального разряда и для измерения концентрации электронов по Штарковскому уширению спектральных линий водорода Нр в серии Бальмера,

2) ЯМР - спектроскопа для изучения свойств электролита до и после обработки плазмой,

3) одиночного зонда Ленгюмера для измерения распределения потенциала на поверхности и внутри электролита в процессе обработки материалов,

4) проточных калориметров для определения теплового баланса струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов,

5) термопар типа ТПП группы ПП и ТПР (условные обозначения градуировок ПП-1 и ПР 30/6) и вторичного прибора ПП-63 класса точности 0,05 для измерения температуры в струйном многоканальном разряде в процессе упрочнения поверхности материалов,

6) рН-метра с использованием милливольтметра М907-3,

7) цифровой фотокамеры «Panasonic» ДМС-FZIO и видеокамеры «Sony», фотоаппаратов «Rower 3 2», «Зенит» и микроскопа типа СП-52 для изучения границы раздела «электролит - плазма» и горения струйного многоканального разряда в процессе обработки твердых тел

Для определения степени воздействия струйного многоканального разряда на материалы и изделия использовались электронная микроскопия, рентгеност-руктурный и рентгенографический анализ, стандартные методики измерения физико-механических свойств

Достоверность сформулированных в диссертации научных положений и практических рекомендаций обеспечена применением физически обоснованного комплекса современных методов экспериментальных и теоретических исследований, их статистической обработкой и согласованием экспериментальных и теоретических результатов с данными других авторов

Научная новизна. 1 Впервые выявлены в процессе обработки материалов струйным многоканальным разрядом между металлическим анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом

- жгутообразный многоканальный разряд между твердым анодом и электролитическим катодом,

- многоканальный разряд между плазменным шлейфом и электролитическим катодом,

- объемный разряд между плазменным шлейфом и электролитическим катодом,

- переход объемного разряда в жгутообразный многоканальный разряд с ростом тока и межэлектродного расстояния,

- переход многоканального разряда в объемный разряд,

- различные структуры катодных пятен на поверхности электролита (правильные круги, подковы и нитевидные пятна),

- волнистые, нитевидные линии в объеме разряда и их переход в ярко очерченные микроканалы многоканального разряда

2 Впервые установлены в процессе обработки материалов струйным многоканальным разрядом между твердым (обрабатываемое тело) катодом и электролитическим анодом.

- возможность горения струйного многоканального разряда и его основные формы,

- структуры границы раздела «плазма - электролитический анод»,

- образование и наложение поперечных волн на поверхности электролита,

- переход регулярной поверхностной ряби в бурлящую вспененную зону турбулентного смешивания плазмы многоканального разряда и электролита

4

3 Впервые обнаружены горение и распространение многоканального разряда в процессе взаимодействия струи электролита с поверхностью твердых тел и жидкостей

- многоканального разряда внутри струи,

- многоканального разряда вдоль струи, на границе раздела «струя - электролит» и в объеме электролита,

- многоканального разряда на поверхности диэлектриков (оргстекло, пластмассы и т д) и в объеме пористых тел,

- многоканального разряда между микроразрядами в струе и твердым электродом,

- многоканального разряда в форме усеченного конуса,

- многоканального разряда на границе между стекающей каплей электролита и поверхностью твердого тела,

- многоканального разряда между каплями электролита,

- многоканального разряда между отрывающейся каплей электролита и твердым телом,

- струйного объемного разряда, .

- переход струйного объемного разряда в многоканальный разряд,

- развитие электрического пробоя вдоль струи электролита

4 Установлено, что струйный многоканальный разряд между металлическим анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом позволяет эффективно производить модификацию малогабаритных материалов и изделий очистку с одновременной полировкой, поверхностное насыщение азотом и кислородом, повышение коррозионной стойкости металлов и сплавов, упрочнение материалов в струе и нанесение тонких пленок металлов

5 Установлено, что струйный многоканальный разряд между металлическим катодом (обрабатываемое тело) и электролитическим анодом позволяет наиболее эффективно производить модификацию крупногабаритных материалов и изделий сложной конфигурации очистку с одновременной полировкой, одностадийное получение металлического порошка и упрочнение материалов в струе плазмы

6 Установлено, что многоканальный разряд со струей электролита позволяет производить снятие заусенцев с кромок изделия, локальную очистку и полировку внешних и внутренних поверхностей деталей, прошивку отверстий в металле (медь, сталь и титан) и резку металла

7 Обобщены ВАХ многоканального разряда с использованием методов теории подобия и размерности

8 Созданы физические модели горения и математические модели зажигания струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов и изделий

Практическая ценность работы На основе результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами разработаны следующие технологии обработки материалов

• Плазменная очистка с одновременной полировкой (от Яа = 0,63 до Яа < 0,1 мкм) поверхности металлов и сплавов, удалением дефектов механической обработки (следы, глубокие царапины, трещины, рельефные слои, забоины) и после литья (морозы, сетки разгара) перед формированием высококачественных покрытий с заданными свойствами материалов Плазменная очистка с одновременной полировкой существенно уменьшает время полировки до 20 с, энергозатраты в 6 - 15 раз, а площадь, занимаемая комплексом оборудования в 10 раз меньше по сравнению с электрохимическим полированием

• Одностадийное получение оксидного порошка из различных материалов (Ст 3, Ст 20, Ст 45, У8, У8А, У10), позволяющие существенно сократить время технологического процесса получения порошка по сравнению с использованием химической технологий Получение оксидного порошка железа сферической формы с более высокими магнитными свойствами показали, что 90% порошка составляет магнетит Рез04, остальная часть состоит из оксида железа ЕеО и основная масса полученного порошка (около 75%) имеет дисперсность 0,025 - 0,03 мм

• Упрочнение поверхности углеродистых и инструментальных сталей в струе плазмы, позволяющее увеличить микротвердость по Виккерсу НУ50 в среднем в 4 раза при глубине упрочненного слоя 0,9 - 1,5 мм по сравнению с исходным образцом

• Поверхностное насыщение металлов и сплавов, за счет чего увеличивается износостойкость материалов почти в 2 раза по сравнению с исходным образцом

• Локальная обработка поверхности металлов и сплавов для получения заданной шероховатости, прошивки и резки

• Нанесение тонких пленок металлов при атмосферном давлении увеличивает адгезионную прочность в 2 - 4 раза по сравнению с адгезионной прочностью пленки при вакуумном напылении

• Результаты обобщения электрических характеристик в процессе обработки материалов использованы для инженерного расчета плазменных технологических установок струйным многоканальным разрядом

Созданные технологические процессы и специальное оборудование для модификации материалов внедрены в промышленное производство ОАО «Казанский завод Электроприбор» и ФГУП СКТБ «Мединструмент» с суммарным экономическим эффектом 10 млн руб

Результаты данной работы вошли в 50 лучших инновационных идей Республики Татарстан в 2006 г 6

На защиту выносятся

1 Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым анодом (обрабагываемое гело) и электролитическим катодом (непроточные и проточные) при атмосферном давлении в процессе модификации материалов и изделий

2 Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым катодом (обрабатываемое тело) и электролитическим анодом (непроточные и проточные) при агмо-сферном давлении в процессе модификации материалов и изделий

3 Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым телом и струей электролита, между непроточным электролитом и струей электролита в процессе обработки материалов и изделий

4 Физические модели горения и математические модели зажигания струйного многоканального разряда в процессах модификации материалов

5 Технологии модификации поверхности материалов с применением струйного многоканального разряда'между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами при атмосферном давлении, позволяющие за счет эффективной обработки регулировать эксплутационные свойства материалов и изделий

6 Результаты обобщения ВАХ многоканального разряда между электролитическим катодом и твердым анодом, а также между электролитическим анодом и твердым катодом в широком диапазоне изменения напряжения и тока разряда, межэлектродного расстояния в процессе обработки материалов и изделий при атмосферном давлении

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное и социальное значение и заключающуюся в создании комплекса новых процессов модификации материалов и изделий для улучшения эксплуатационных, потребительских и технолошческих свойств изделий, с применением струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами, а также между струей электролита и твердым телом, непроточным элекфолитом и струей электролита

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на 10-й международной конференции «Ю'1' International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing» (Paris, France, 2006), второй Международной научно-практической конференции «Исследования, разработки и применение высоких

7

гсхполошй и промышленности» (Санкт-Ileiербург, 2006 г), 9-й Международной конференции «High technology plasma processes» (Sankt-Peterburg, 2006), международных конференциях «International Conference Plasma Technology Contributed i'apes» (Minsk, Belarus, 2003, 2006), 3-ей Всероссийской конференции молодых ученых с международным участием Демидовские чтения «Фундаментальные проблемы новых шхнолошй в 3-м тысячелетии» РАН, (Томск, 2006), международном симпозиуме но теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2002, 2005), XI Школе но плазмохимии для молодых ученых России и сграп СНГ, международной научно-1ехнической конференции «Электрохимические и злекфолишо-нлазменные методы модификации металлических поверхностей» (Кострома, 2003), симпозиуме «Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования в регионе Прикамья» (Набережные Челны, 2002), международной конференции «Автоматизация и информационные тех-нолопш» (Набережные Челны, 2002), межвузовской научно-технической конференции «Вузовская наука - России» (Набережные Челны, 2005), на международной молодежной конференции Туполевские чтения КГТУ (КАИ) им А Н Туполева (2002 - 2006, Казань). '

Основные резулыаш изложены в 55 публикациях, в том числе 10 статей в ведущих рецензируемых журналах, и решение о выдаче патента на изобретение, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторской диссер-шщи, и одной монох рафии

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке цели и задач исследований, выборе методики эксперимента, непосредственном участи в их проведении, анализе и обобщении экспериментальных резулыашв, в разработке физической и математической моделей зажигания и трения cipymioio mhoi оканального разряда в процессе обработки материалов и изделий, в разрабо1ке технологий обработки материалов струйным многоканальным ра «рядом между твердым и электролитическим электродами Вклад автора является решающим на всех стадиях работы

Структура и объем диссерхации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 пшв, выводов, библиографии (159 наименования) и приложения Изложена на 200 сфаницах машинописного текста, содержит 180 рисунков и 17 таблиц

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы исследования и изложена основная цель, поставлены задачи и представлена структура диссертации, сформулированы научная новизна, практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту 8

В первой главе дан обзор известных исследований и применений орун-ного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами Установлено, что одним из наиболее перспективных методов плазменной обработки материалов является струйный мши оканальный разряд между пюрдым и электролитическим электродами при атмосферном давлении

На основе анализа литературных данных по исследованию мши окапалыкм о разряда между твердым и электролитическим элею родами сформулированы цель и основные задачи работы

Во второй главе приведены описания плазменной экснеримсшалыюй установки, методики и аппаратура для экспериментальных исследований С1руй ного многоканального разряда между твердым и электролитическим >лсктро дами в процессе обработки материалов и изделий

Для разработки новых технологий модификации материалов, позволяющих экономить реагенты, сырье, повышать производительность фуда, качссто, надежность и долговечность изделий за счет уменьшения шероховатости, одностадийного получения порошка, упрочнения материалов, поверхностною пасы щения азотом и кислородом и нанесения тонких пленок металлов, проводились исследования взаимодействия неравновесной плазмы струйного мно! окадолмкя о разряда с металлами и их сплавами Выбор материалов определялся но степени применяемости их в машиностроении В качестве образцов для обработки в ты углеродистые и инструментальные стали, вольфрам, молибден, медь липа М1, латунь, бронза, алюминиевые сплавы и германиевые полупроводники Для обработки медицинских инструментов из металлов выбирались с шли коррозион ностойкие и износостойкие типа Х13, 12Х18Т1, 08Х18Т1, 65X13, ишаноныс сплавы ВТ-6 и ВТ-8

Обработка проводилась на плазменной установке (рис 1) Основными час тями экспериментальной установки являлись система электрическою питания /, система контроля II и рабочая система III,

Рис 1 Функциональная схема плазменной установки с различными конструкциями разрядных усгройсш для обработки материалов 1 - стабилизатор напряжения,

2 - система контроля межэлектродного расстояния, 3- система контроля параметров электролита, 4 - система контроля электрических параметров разряда, 5 - вытяжная вентиляция, б - насос перекачки электролита, 7 - фильтр

для очистки электролига, 8 - емкость с электролитом, 9 - насос подачи электролита в электролитическую ванну, 10 - электролитическая ванна, 11 - металлический электрод с системой охлаждения, 12 держатель металлического электрода с приводом, 13 - блок выпрямителей, 14 - трансформатор, 15- регулятор напряжения

Источник питания с быстродействующей системой защиты от коротких замыканий, система контроля, управленияи регулирования электрических и технологических параметров Источник 'питания обеспечивает подачу регулируемого постоянного напряжения по токоподводам на разрядный промежуток высоковольтное напряжение (выходное напряжение 500-8300 В при токе 0,3-10 А), низковольтное напряжение (выходное напряжение 600 В при токе 1-200 А) В рабочей системе III металлический электрод 11 может быть заменен на струи электролита, а электролитическая ванна 10 на металлический электрод

Электролит во время работы постоянно перекачивают из нижней емкости в верхнюю и через дренажное отверстие он вновь стекает в нижнюю емкость с электролитом 8, благодаря чему происходит его постоянное перемешивание На дне верхней емкости установлена изолированная от корпуса электродная пластина Во время экспериментальных исследований электролит нагревается и загрязняется. Поэтому для поддержания постоянства характеристик электролита используются системы очистки и охлаждения электролита

На основании анализа характерных особенностей процессов, протекающих в неравновесной низкотемпературной плазме струйного многоканального разряда при атмосферном давлении, разработан и создан комплекс для экспериментальных исследований параметров плазмы в процессе обработки материалов

Исследования проводили при варьировании входных параметров установки в следующем диапазоне.

1 Струйный многоканальный разряд между твердым анодом и электролитическим катодом

а) напряжение разряда U = 300 - 4000 В, ток разряда 1 = 400 - 10000 мА, межэлектродное расстояние / = 2 - 50 мм и диаметр анода da - 5 - 40 мм (обрабатываемое тело вне электролита),

б) U ~ 400 - 550 В, I = 10 - 150 А, глубина погружения обрабатываемого тела в электролите hr = 1 - 12 мм (обрабатываемое тело внутри электролита)

2 Струйный многоканальный разряд между твердым катодом и электролитическим анодом

а) U ~ 410 - 4000 В, / = 500 - 10000 мА, / = 2 - 100 мм и диаметр катода dK = 5 --• 40 мм (обрабатываемое тело вне электролита),

б) U = 410 - 550 В, / = 10 - 150 А, hr = 1 - 20 мм (обрабатываемое тело внутри электролита)

3 Многоканальный разряд со струйным электролитическим катодом

и ■= 130 - 1500 В,/ = 30 - 6000 мА, длина струи электролита lc = 1 - 120 мм, диаметр струи электролита dc - 1,5 - 3 мм и расход электролита G = 1,4 - 8,3 г/с

Экспериментальные исследования проводились при различном составе и концентрации электролитов и твердых электродах из металлов и сплавов с различной геометрической формой

Потенциал на поверхности и внутри электролита измерялся цилиндрическим зондом, который вводился в зону разряда через направляющий капилляр Измерения потенциала производились с использованием электростатического вольтметра типа С50 класса точности 0,5 Для определения распределения потенциала менялось расстояние между металлическим и электролитическим электродами и фиксировалось изменение напряжения в разряде при постоянной величине тока Экстраполяция к нулевому расстоянию между металлическим и электролитическим электродами дают приэлектродные падения потенциала По измеренным распределениям потенциала С/ф проведены расчеты распределения напряженности электрического поля Е в межэлектродиом пространстве с использованием формулы Ё = - gradVф с точностью ± 5% Осредненная плотность тока на электродах определялась как отношение тока разряда к площади катодного или анодного пятна Площади катодного и анодного пятен определялись путем измерения их диаметров с помощью микроскопов типа СП-52 с погрешностью ±0,05 мм Для каждого набора значений межэлектродного расстояния, состава и концентрации электролита регистрация параметров струйного мноюканального разряда проводилась не менее 7 раз Фотографирование разряда осуществлялось цифровой камерой «Panasonic» ДМС-Р220 и видеокамерой «Sony», а также фотоаппаратами «Rower 3 2» и «Зенит»

Температура электролита контролировалась с помощью ртутного термометра ТН4 М 17 с ценой деления 0,2° С, а также цифровым прибором M890G с точностью ±0,5% Температура в плазменной струе измерялась термопарой ТПП группы Г1П и ТПР (условные обозначения градуировок ПГ1-1 и ПР 30/6) и вторичным прибором ППбЗ класса точности 0,5 В экспериментах термопара вводилась в струю плазмы с помощью координатника До начала эксперимента и после эксперимента рН-раствор контролировался рН-метром Спектроскопические исследования излучения плазменного столба (ПС) мноюканального разряда производились с помощью спектрографов ИСП-30 и ДФС-8-2

В третьей главе представлены результаты экспериментальногоисследования и обобщения характеристик струйного многоканального разряда (MP) между электролитическим катодом (непроточные, проточные и струйные) и твердым анодом (обрабатываемое тело) в паровоздушной среде для различного состава электролита (техническая и очищенная вода, растворы NaCl, CuSC>4, КС1, NH4C1, КОН, NaHC03, Na2C03, СаС12, глицерин, муравьиный спирт + глицерин и их комбинации) и его концентрации от 0,05% по массе до насыщения

И .жсиериментах в качестве металлического анода (обрабатываемое тело) использованы стали различных марок (Ст 3, Сг 20, Ст.35, Ст.45, У8, У8А, медь тина М1, латунь, гатановые сдлавы, вольфрам) с различной геометрической формой (сплошной и полый цилиндр, сплошной и полый усеченный конус)

Известно, ччо при небольших / = 15-200 мА и / = 0,5-5 мм разряд с электролитическим катодом отнесли к тлеющему разряду [Энциклопедия низко-юмиерагурной платы / Под ред В Е. Фортова. М Наука, 2000 г С 241-263] С ростом / > 200 мА в тлеющем разряде с электролитическим катодом наблюдались волнистые, шпевидные линии и их переход в ярко очерченные каналы МР В данном случае в исследованном диапазоне параметров / и / горит многоканальный разряд Изучено развитие катодных пятен на поверхности проточного -циркулирующею электролитическою катода (техническая вода) При малых межэлек'тродных расстояниях (1=5 мм) и токах (/ = 500 мА) и напряжении ((/--700 В) наблюдается пятно, которое показано на рис 2,а

а б в г д е ж з

Рис 2 Разновидности катодных иятен на поверхности ПЭК в зависимости 01 неличины разрядного юка и межэлектродного расстояния

Каюдное пятно повторяет геометрическую форму металлического анода ¿4-15 мм и имеет форму кольца Диаметр кольца больше диаметра металлического анода (С 1 45)

Внутри кольца наблюдается темная область в форме круга С ростом I от 0,5 до 2 А внутреннее катодное пятно на поверхности проточного электролитического катода (ПЭК) начинает светиться (рис 2,6)

Интенсивность внутреннего пятна слабее, чем наружного Катодное пятно состой» из мельчайших иятен, которые имеют корневые структуры С увеличением 101 2 до 2,5 А (¡У - 600 В) при / = 5 мм пятно на поверхности ПЭК переходит в форму подковы (рис. 2,в). При / = 3,5 А катодное пятно теряет свою усюйчивость и распадается на несколько пятен (рис 2,г и д) Количество пятен зависит 01 величины тока разряда Эти катодные пятна могут вращаться как но часовой стрелке, так и против На рис 2,е показано комбинированное каюдиое шгшо

В данном случае юриг одновременно жгуаообразный многоканальный разряд (ЖМР) с микроканалами и объемный разряд (внутреннее пятно) Объемный разряд опирается на слабосветящиеся распределенные пятна Это комбинированное пятно на поверхности ПЭК вызывает поперечные волны, распространяющиеся 01 центра 12

При I- 3,3 А и / = 30 мм катодное пятно полностью переходш в распре деленные волнистые пятна (рис 2,ж) С ростом / от 5 до 40 мм при / 6 Л (С/ = 1500 В) наблюдается катодное пятно (рис 2,з), которое имст 1очечные пятна в центральной области Катодное пятно наружного кольца имеет распределенные корневые структуры В данном случае величины пло-шосш юка на катоде— 0,1 А/см2 и на анодеуа = 2,1 А/см2.

Изучена общая структура многоканального разряда между П'Ж (юхничс-ская вода) и металлическим анодом (обрабатываемое тело), между плазменным шлейфом-анодом и ПЭК Как видно из рис 3,я, плазменный столб МР имсел объемно-дождевой вид С ростом тока от 0,8 до 4,5 А (17 1500 В) при с1я 40 мм и / = 4 мм меняется цвет ПС от фиолетового до белого Из рис 3,6 видно, что при /=1,5 Л, 17 ~ 900 В и с?а = 25 мм с ростом межэлектродног о рассюяния от 4 до 20 мм внутри МР выделяются контрагированные каналы бело! о цвета Диаметр анодного пятна контрагированнош канала составляет 2,5 мм 11ри / 2 А, V- 1000 В и / = 20 мм горит комбинированный разряд Па рис 3,в 1 орш мпто ока нальный разряд фиолетового цвета и ЖМР с точечным пятном на мемлличс-ском аноде и распределенными пятнами на ПЭК Плазменный столб (ПС) лою разряда состоит из микроканалов Эти каналы окружены ореолом желтою цвета При / = 2,4 А комбинированный разряд переходит в ЖМР (рис 3,г) Дальнейший рост межэлектродного расстояния от 20 до 25 мм и тока разряда до 3 А приводи! к тому, что на кромке металлического анода (обрабатываемое юло) поянлякнея два точечных пятна (рис 3,д), которые образуют плазменный шлейф белою цвета Шлейф распространяется у металлическою анода (обрабатываемое тело) и по форме напоминает струю пламени газовой горелки.

Между плазменным шлейфом-анодом и ПЭК горит многоканальный рафяд с микроканалами синего цвета С ростом / от 25 до 30 мм при /~3,3 А комбини рованный разряд переходит в объемный разряд со слабым свечением ПС и катод ного пятна на поверхности ПЭК (рис. 3,е) В данном случае плазменный шлейф охватывает полностью металлический анод (обрабатываемое тело) При / 3,5 А, /У = 1180 В и / = 35 мм объемный разряд начинает переходить в ЖМР с крун ными микроканалами (рис 3,ж) Диаметр крупных микроканалов досттаст до 1 мм Эти каналы снаружи окружены микроканалами Объемный ра «ряд между плазменным шлейфом-анодом и проточным элекфолитическим кашдом при / =4Аи/-40мм переходит на отдельный ЖМР (рис 3, *)

С дальнейшим ростом I между металлическим анодом и ПЭК вошикжм многоканальный разряд, состоящий из нескольких ЖМР (рис 3,и)

-ез.

" е ж з и

Рис 3 Формы многоканальных разрядов между металлическим анодом Ст 45 , и проточным электролитическим катодом

Таким образом, анализ экспериментальных данных в широком диапазоне параметров по исследованию ЖМР между металлическим анодом (обрабатываемое тело) и ПЭК, МР между плазменным шлейфом-анодом и ПЭК, объемного разряда между плазменным шлейфом-анодом и ПЭК показал, что горение этих разрядов и их взаимный переход существенно зависят от I, I, <4, состава и концентрации электролита

На рис 4 приведены ВАХ многоканального разряда Показано, что ВАХ многоканального разряда в случае использования технической воды в качестве ПЭК (кривые 1, 2 и б) в интервале / = 0,5 - 1 А имеют возрастающий характер, а с ростом тока от 1 до 5 А - падающий Сравнение кривых / и 2 показывает, что увеличение диаметра металлического анода (обрабатываемое тело) приводит к увеличению напряжения разряда при одинаковых других параметрах Когда в качестве проточного электролитического катода используется 5%-й или 10%-й растворы Си804 в технической воде, характер ВАХ почти не меняется (кривые 3, 4 и 5) Таким образом анализ ВАХ показал, что на напряжение разряда влияет материал и диаметр металлического анода (кривые 7 и 8), межэлектродное расстояние, состав и концентрация электролита

с/, В

1400

1200

1000

< -ч.

Vх

у 9 К А Л

* Г" к-—-* ■'С )— 0 i

г 0 Г Ч8 1

/, А

Рис 4 ВАХ многоканального разряда между металлическим анодом и проточным электролитическим катодом 1 - Ст 45, <4=15 мм, техническая вода, / = 20 мм, 2- Ст 45, = 40 мм, техническая вода, I — 20 мм, 3 - Ст 45, ¡4 = 20 мм, 5% раствор

Си8()4 в технической воде, 1-20 мм, 4 - Ст 45, <4 = 20 мм, 10% раствор СивО., в технической воде, / = 20 мм, 5 - медь,

с4 = 20 мм, 10% раствор СиБСЫ в технической воде, / - 20 мм, б-медь, <4=15 мм, техническая вода, / = 15 мм,

7 - анод Ст 45, <4=15 мм, I = 40 мм, 10% раствор Сив04 в технической воде, 8 - анод медь, ¿4=15 мм, / = 40 мм, 10% раствор Си8()4 в технической воде

Важнейшими параметрами многоканального разряда для определения режима обработки поверхности материалов являются тип пост тока на метро литическом катоде и металлическом аноде Как видно из рис 5 (кривая 1 и 2), с ростом /от 0,5 до 1 А происходит уменьшение плотности юка на новерхноои обрабатываемого металлического анода При /=■ 1 А анодное пялю нокрывас! полностью торцевую часть электрода цилиндрической формы С дальнейшим ростом / площадь анодного пятна не изменяется Это приводит к росту у„, а увеличение I не влияет на характер изменения плотное!и юка па аноде Зависимость плотности тока на проточном электролитическом катоде о( 1 ноет немонотонный характер В интервале тока 01 0,5 до 1 А величина у„ режо уменьшается, а с дальнейшим ростом / от 1 до 3 А площадь кагодною шина практически не меняется

л»Л А/см2

35 3

V 2 1,5 1 Ц5

0,5 1 1,5 2 2,5 ¡,к

Рис 5 Зависимости плотностей тока на НЭК (техническая вода) и твердом аноде (стальной стержень - анод) от тока разряда для различных межэлектродных расстояний I -1 5 мм, 2- 1~ 15 мм, (1,2 и 4 jr)

Экспериментальные данные обобщены с использованием методов теории подобия и размерности при атмосферном давлении в диапазоне нарамефон 500< U <5000 В, 0,5< /<5А, и 5< / <50 мм Получено критериальное уравнение (1) для обобщенной В АХ открытого многоканального разряда между про i очным электролитическим катодом (техническая вода) и стальным анодом (обрабаты ваемое тело) для различных межэлектродных расстояний И* рис 6 видно, что максимальное отклонение обобщенной ВАХ от экспериментальных значений составляет не более 10%

и Л5 Г / " " - - = 10501 -¿5- (1)

и I" 1

Рис 6 Обобщенная ВАХ разряда между ПЭК и металлическим анодом при <4 = 15 мм 1-1=5 мм, 2 — 1 = 25 мм, 3-1 — 33 мм

Другой разновидностью струйного многоканального разряда являлся разряд соструйным электролитическим катодом Экспериментальные исследования многоканального разряда между металлическим анодом (обрабатываемое тело) и струйным электролитическим катодом проводились в диапазоне II =130 - 1500 В, I = 30 - 6000 мА, длина струи электролита 4=1- 120 мм, диаметр струи электролита в?с = 1,5-3 мм и расход электролита С = 1,4-8,3 г/с для различного состава и концентрации электролита В качестве электролита применялись техническая вода и растворы №С.1, Си804 и ЫаЫОз в очищенной воде Исследования показали, что горение разряда существенно зависит от электропроводности струи электролита Электропроводность зависит от концентрации растворенных в электролите компонентов и его температуры Исследования показали, что при токах / < /кр и расходе электролита О меньше некоторого значения <?тш многоканальный разряд со струйным электролитическим катодом не горит Критические значения тока /кр и Отт существенно зависят от состава и концентрации электролита, его температуры и длины струи Например, для струи из 10%-го раствора 1МаС1 в очищенной воде при £э = 293 К и /с = 0,045 м величина /кр равна 0,7 А, а Стш = 27 хЮ"5 м3/мин При Отк1 и С?тах наблюдается неустойчивое горение МР и дальнейшее увеличение О приводит к гашению разряда

В диапазоне 130 < {/< 1500 В ВАХ разряда является возрастающей Величина тока разряда линейно уменьшается с ростом длины струи электролита (рис 7)

Анализ экспериментальных данных показал, что между струйным электролити-

/, А

2

1

о

ч

Рис 7

(обрабатываемое тело) горит многоканальный разряд

Формы разряда показаны на рис 8 В интервале I = 30 - 50 мА и и = 450 - 610 В при /с = 30мм, ¿4 = 2,5 мм и С = 3,3 г/с мнот оканадьный разряд горит на границе струя - металл (рис 8,а и б) С ростом /с от 45 до 90 мм в интервале I = 330 - 612 мА и С/ = 140 -- 210 В микроразряды горят внутри неоднородного течения (II) (рис 8,в) и на границе струя-мет ли (рис 8,г) При I = 400 мА, и ~ 860 В и 4 = 45 мм наблюдается раснрос гранение МР вдоль наружной поверхности струйного электролитического катода между микрораз-рядами(Я) и твердым анодом (рис 8,д)

Многоканальный разряд своеобразной формы наблюдается также внутри струи (II) (рис 8,е), который непрерывно перемещается вдоль струи электролита Экспериментальные исследования позволили наблюдать МР в форме усеченного конуса (рис 8,ж) Установлено, что при » 5 - 15 мм происходит электрический пробой как снаружи (рис 8,з), так и внутри струи электролита (рис 8,и) Обнаружено, что при расстояниях между диэлектрической трубкой и металлическим анодом = 1 - 2 мм горит струйный объемный разряд (рис 8,к)

С увеличением / от 2 до 10 мм этот струйный объемный разряд переходит в многоканальный разряд (рис 8,л - м) Между отрывающейся каплей и металлическим анодом также наблюдается МР (рис 8,о) Многоканальный разряд может гореть между каплей и металлическим анодом (рис 8,и), а также между каплями электролита (рис и с) На фотографиях (рис 9,а и б) показаны МР между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом Описанные формы струйных многоканальных разрядов позволили обрабатывать поверхности твердых тел (анод)

м.

г

о

ш

Щ

о

Рис 8 Формы многоканальных разрядов со струйным элекгролтическим каюдом области однородного (/) и неоднородного (Я) течения струи

1'ис, У, Мионжгшаш.иьк разряды со струйным электролитический кто лом: а ■ ■ раэрвды [Iii конце и ндоль Серу и электролита при U - - 86Ü В, I - 400 МА. 1С =» 45 мм, tie ■ ■ 2,5 мм, (г - .4,3 v/c и 25%-ноМ paciuopc NaCI и технической иода; в - микроразряды »долг, струи электролита при V- 612 и, / = 210 мЛ, 90 мм, - 2,5 мм, Cr - 3,3 r/t и 25%- пом растворе NaCI и технической иоде

Гаким образом, приведены результаты комплексных экспериментальных исследований физических процессов струйных мно го канальных и обт^емных разряде» между тле р дым даодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом, которые являлись базой для создания процессов модификации материал«» и изделий: очистки с одновременной полировкой, поверхностного насыщен до азотом и кислородом металлов и сплавов, нанесения тонких пленок металлов, упрочнения материалов, локальной обработки внешних и внутренних поверхностей де талей.

Па основе полученных данных разработаны и созданы устройства струйного Ml' между 'шордым анодом и электролитическим катодом для реализации технологических процессов обработки материалов.

Обобщение электрических характеристик позволило Проводить инженерные расисты технологических установок со струйным многоканальным разрядом.

И четвертой главе представлены результаты комплексного экспериментального исследования и обобщения характеристик струйного многоканального разряда между электролитическим анодом (непроточные, проточные и струйные) и твердым катодом (обрабатываемое тело) для различного состава электролита (техническая и очищенная вода, растворы NaCI, CuSO,1; NH4Cl, СаС12, глицерин, Муравьиный спирт f глицеригг я и к комбинации) и его концентрации от 0,05% по массе и до насыщения. Ji экспериментах в качестве металлического катода (наслаждаемые и охлаждаемые, обрабатываемые тела) использованы стали различных марок (Ст.З, Ст.45, УК), медь М1, алюминий, латунь, вольфрам и титановые сплавы с различной геометрической формой (сплошной и полый цилиндр, сшюшной и полый усеченный конус).

Экспериментальные измерения Ц, па поверхности электролита позволили рассчитать распределение компоненты напряженности электрического ноля Е, и компоненты плотности тока /-, па поверхности и я объеме электрического анода. Распределение компоненты Я и по радиусу электролитической ячейки круглого сечении имеет колоколообразную форму. 18

С ростом расстояния от центра разряда величины Ег и jzíí уменьшаются Использование в качестве электролитического анода сложно1 о состава из смеси растворов СаС12, NH4C1, глицерина, спиртового раствора муравьиной кислоты при /= 900 мА привело к росту величины ]2й до 4,2 103 А/м2, которая в 1,5 раза превышает значение компоненты плотности тока на электролитическом катоде ./„ = 2,8 103 А/м2

Установлено, что величина jm в исследованном диапазоне параметров существенно зависит от I, I, состава и концентрации электролита

Анализ экспериментальных данных показал, что на величину Un влияет проводимость и глубина электролита, Материал и диаметр металлического катода Величина Un не зависит от числа каналов струйного МР. Это объясняется тем, что с увеличением I геометрические размеры плазменного столба, анодного и катодного пятна уменьшаются и сопротивление канала возрастает. Поэтому появляются дополнительные каналы для пропускания большего тока Струйный МР можно рассмотреть как систему, состоящую из параллельно соединенных каналов Увеличение числа каналов не приводит к росту полного сопротивления (рис 10)

В' 400 350 300 250 200 150 100

50 1 2 3 4 / л

Рис. 10 Зависимость падения напряжения (Ц, ) в элекгролитическом аноде (техническая вода) 01 /для разрядов с одним каналом (/), двумя каналами (2) и с тремя каналами (3)

Из сравнения экспериментальных данных с обобщенной кривой Пашена (рис. 11) следует, что величина напряжения зажигания С/3 существенно отклоняется от закона Пашена и зависит от материала катода обрабатываемого тела, величины #э состава и концентрации электролита

в ¡ soco

7000 5000

V

зооо г

i I

1000 i " • .

0,2 0 4 0 6 0.8 1 12 ip l)!'l . (Ite M)/K

Рис 11 Сравнение экспериментальных данных с обобщенной кривой Пашена 1 - катод - медь М1, анод - техническая вода, глубина электролита Но - 56 мм, 2 - катод - Ст 45, анод - техническая вода, Но-56 мм, 3 - катод - Ст 45, анод - техническая вода, #э - 28 мм, 4 - катод - Ст 45, анод -1 %-ный раствор NaCl, Hj -56 мм

Па рис 12 представлены ВАХ основных типов струйного МР между электролитическим анодом и металлическим катодом (обрабатываемое тело) для различных I, с1ю состава и концентрации электролита. Как видно из рис. 12, все ВАХ возрастающие Диаметр металлического катода и межэлектродное расстояние влияют на величину ¡7 (кривые 1 и 3) Если в качестве металлическою катода используется сталь марки Ст 45 без охлаждения (кривая 4), в ин 1ервале I от 1 до 2,3 А напряжение разряда почти не меняется При / = 2,3 А юрец металлическою катода начинает плавиться и разряд горит между расплавленным металлом и электролитом

Рис 12 НАХ струйного многоканального разряда между электролитическим анодом и металлическим каюдом 1 - анод-техническая вода, катод-медь М1, 15 мм, I == 2 мм, //э - 37 мм, 2 анод - 1ехническая вода, катод - медь, = 15 мм, 1 — 5 мм, Нэ = 37 мм, 3 анод - техническая вода, катод - медь М1, ¿,<= 25 мм, 1-2 мм, Яэ = 37 мм, 4 -- анод - техническая вода, неохлаждаемый кагод - Ст 45, £4-15 мм, 1 = 2 мм, Я) - 37 мм, 5 анод - 0,05%-ный расгвор №С1 в очищенной воде, катод - медь, </к - 20 мм, 1-3 мм, Я) = 56 мм, 6 - анод - 0,1%-ный раствор №С1 в очищенной воде, катод - Си 45, <3К= 20 мм, 1-Х мм, Яэ= 56 мм

При этом происходит резкое возрастание напряжения разряда и с поверхности катода начинает интенсивно выделяться ферромагнитный порошок Дальнейшее увеличение тока не приводит к возрастанию ¡7 При /=3,5 А катод сильно нагревается и с торца отделяется капля жидкого металла и происходит резкое увеличение величины II

Изучены развитие катодных пятен и структура струйного МР между проточным электролитическим анодом (техническая вода) и охлаждаемым и обрабатываемым металлическим катодом (Ст 45) При / = 3 мм и / = 1 А наблюдается нятио, которое показано на рис. 13,я На острой кромке металлическою кат ода появляются о г одного до пяти контрагированных точек, которые позволяют образовать струйный МР.

а б в

Рис 13 Катодные пятна на поверхности охлаждаемого и обрабатываемого металлическою катода

Контрагированные точки располагаются симметрично относительно дру1 друга Они могут вращаться по кромке катода (обрабатываемое тело) как по часо вой стрелке, так и против Объемный ПС разряда в форме правильно! о конуса (рис 14,«) не достигает анода Высота струи по боковой поверхносш катода ярко-желтого цвета достигает до 10-15 мм При I ~ 2,5 Л и / ~ 10 мм каждая контрагированная точка распадается на микроточки, объединенные между собой (рис 13,6) Из микроточек вырастают каналы струйного многоканальною разряда Объемный ПС наблюдается только внизу (рис 14,6), а каналы МР не доходят до электролитического анода (техническая вода) Высота струи многоканального разряда увеличивается еще больше и досгшает до 30 мм С ростом 1 от 10 до 15 мм структура разряда изменяется (рис 14,в) Плазменный столб у анода распадается на микроканалы Рост I от 2,5 до 5 Л приводит к распределению контрагированиых точек по всей боковой поверхиос га каюда Количество точек резко возрастает до нескольких десятков Они начинаю I хао тично двигаться относительно друг друга по всей боковой поверхносш катода (рис. 13,в) Однако на торце катода контрагированные точки не наблюдаются Они образуют контрагированные каналы струйного многоканального рафяда (рис 14,г) Боковую поверхность катода охватывает плазменная струя ярко-желтого цвета, высота которой достигает до 100 мм Таким образом, впервые установлена возможность горения МР между обрабатываемым телом - катодом и электролитическим анодом

а б в г

Рис 14 Развитие струйного многоканального разряда между охлаждаемым и обрабатываемым металлическим катодом и проточным электролитическим анодом

Изучено состояние границы раздела «плазма - электролит» При I < 1,5 Л наблюдается гладкая поверхность электролита (техническая вода), а с ростом I от 1,5 до 2,2 А на поверхности электролитическою анода появляется поперечная волна (рис 15,а). С дальнейшим ростом тока от 2,2 до 2,5 Лкаждый капал многоканального разряда образует поперечные волны на поверхности электролита, которые на некотором расстоянии от центра складываются и образуют одну поперечную волну (рис 15,6) На поверхности электролита при I 4,1 Л появляется регулярная поверхностная рябь (рис 15,в), которая при 1 - 5 Л переходит в бурлящую вспененную зону турбулентного смешивания ила шн и электролита (рис 15,г) С ростом / пропорционально возрастает площадь турбулентного смешивания плазмы и электролита

а б в г

Рис 15 Структура границы раздела «плазма-электролит»

Анализ результатов экспериментальных исследований многоканального разряда между струйным электролитическим анодом и металлическим катодом (обрабатываемое тело) позволил установить особенности разряда с-фуйным электролитическим анодом в процессе обработки материалов и изделий

Экспериментальные данные обобщены в исследованном диапазоне параметров 600 <11< 1500 В, 2 </< 10 Аи 5 </< 15 мм (рис. 16). Для разряда между проточным электролитическим анодом (0,05% раствора ИаС1 в очищенной воде) и металлическим охлаждаемым и обрабатываемым катодом (Ст 45) получено обобщенное критериальное уравнение в виде-

и Г

'0,5

- = 381,2

10,75

(2)

1 ' I

,1 1 -

4

1 —

Д

\

1 £ Г— "" 6 ; I

Рис 16 Обобщенная ВАХ струйного многоканального разрада /-/=5 мм, 2-/=10 мм, 5-/= 15 мм

Энергетический баланс МР между обрабатываемым телом - катодом и электролитическим анодом исследовался калориметрическим методом. Уравнение энергетического баланса МР имеет вид*

£=бж. + &+&,

где 0 - I и, Qжa, (Ук - потери тепла на электролитическом аноде и металлическом катоде, <2% — количество тепла уносимого газом.

Таким образом, впервые приведены результаты комплексных экспериментальных исследований физических процессов и закономерностей струйных многоканальных и объемных разрядов между твердым катодом (обрабатываемое тело) и электролитическим анодом, которые являлись базой для создания процессов модификации материалов и изделий очистку с одновременной полировкой, одностадийное получение металлического порошка и упрочнение материалов.

На базе комплексных экспериментальных исследований разработаны и созданы устройства струйного МР между твердым катодом и электролишпес-ким анодом для реализации технологических процессов

Обобщенные характеристики МР позволили проводить инженерные расчеты технологических установок струйным многоканальным разрядом между обрабатываемым телом - катодом и электролитическим анодом

Установлены возможности использования многоканально! о разряда между обрабатываемым телом катодом и струйным электролитическим анодом, a также МР между струйным электролитическим анодом и струйным электролит ческим катодом для реализации технологических процессов

В пятой главе представлены физические модели курения и математические модели зажигания струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами

Физические модели построены для случая, когда металлическим анод находится над или внутри электролитического катода Катодный слой мпог ока нального разряда является ускорителем заряженных частиц Средняя величина напряженности электрического поля в катодном слое разряда составляет 108 В м 1 Положительные ионы, рождаемые в катодном слое, ускоряются полем в направлении электролита При катодном падении £4 = 400 - 900 В ион П', ускоряясь в направлении к катоду, имеет энергию 400 - 900 эВ Ион II' при соударении передает связанному в молекуле или ионе электрону энергию Эта >першя существенно меньше потенциала ионизации воды, но близка к энергии связи электрона в отрицательном ионе В результате происходит отрыв электрона от отрицательного иона вблизи поверхности электролитического катода и переход в газовую фазу В том случае, если электроны обладают достаточной энергией и не захвачены акцепторами, то они вдут на поддержание разряда

Электроны, которые остались в электролите, термализуются, сольна тируются и захватываются акцепторами В прикатодной области разряда электроны ускоряются в направлении анода и ионизируют газовые молекулы воды Образовавшиеся молекулярные ионы НгО1" при соударениях с друшми частицами с энергией выше 6,2 эВ претерпевают фрагментацию на II' и ОII Далее ионы IÎ" под действием катодного падения потенциала ускоряются в направлении поверхности электролита и замыкают описанный процесс.

В силу существенного различия концентрации частиц в электролите и пвс, подвижностей электронов и ионов вблизи поверхности электролита образуется электронное облако, что приводит к образованию пространственного «ряда Значение пе, найденные по полуширине Шгарковского профиля линии Яр (рис 17,а и б), близки к величинам, характерным для дуговой плазмы (10?1 м 3)

Рис. 17. Линии атома водорода Н^: я -фотография; б - профили линии (1 - дли прикладной области, 2-3 мм От поверхности электролита)

• Из фотографии (рис. 18) видно, что возбуждаются молекулы »торой положи-теиыюй системы а'юта, «опадающие в плазму из окружающего воздуха, а из электролита - атомы натрии. Выполнена серии экспериментов спектрально чистым графитом в качестве анода. В спектре плазмы проявились пинии и полосы С, N0', О, N7, ОН и линии бальмеровской серии водорода.

Рис. 18. Спектр излучения МР при атмосферном давления / р» 100 мЛ и / = 5,5 мм.

Электролитический катод 1 раствор ЫаС1 в очищенной воде

Исследования с помощью ЯМР — спектроскопа показало, что а результате обработки электролитического катода изменились соотношения цримессй, содержащих группы ОН, СН, СН?., СП^. При этом радикалы ОН увеличивались в 2 раза, а С1Ь, СН, уменьшались в 3 раза.

Из анализа экспериментальных данных главы 3 и физической модели следует, что предполагаемый механизм горения многокан&ёйного разряда между металлическим анодом и электролитическим катодом связан со следующими основными физическими процессами: передачей из плазмы многоканального разряда кинетической энергии направленного движения положительных ионов и хаотичного движения нейтральных частиц; отрывом электрона ог отрицательного иона вблизи поверхности электролитического катода при соударениях с положительными ионами; переходом а разряд из прикагодного слоя электролита цримессй в результате процессов интенсивного тепломассообмена; рекомбинацией .атомов водорода и гидроксильных радикалов на поверхности электродов; перераспределением плотности тока па поверхности эшстролитическо-го катода и образованием распределенных пятен.

1—г

Существенные особенности наблюдались в разряде между электролитическим катодом из насыщенного раствора N¿0! я технической воде и твердым (обрабатываемое тело) электродами в случаях, когда межэлектродное расстояние равно нулю или металлический электрод погружен н электролит. В случае, когда твердый электрод расположен вблизи электролита возникают поперечные волны (рис, 19,а). Коли твердый электрод погружен внутрь электролит а из растворов содей и щелочей с п&гкоиоиизирусмыми примесями, то с ростом тока разряда возмущенная поверхность преобразуется н шипящую и вспененную зону турбулентного смешения плазмы многоканального разряда и электролита (рис. 19,6 и в). Критический Ток перехода в турбулентное смешение плазмы и электролита для электролитического катода больше (рис. 19,в), чем для электролитического анода (рис. 19,6). Турбулентное смешивание плазмы многоканального разряда и электролита определяется не только электрическим полем, а также нагревом поверхностного слоя электролита. Многоканальный разряд гориг и распространяется по поверхности и внутри среды, которая образуется в электролите (рис, 19,6, низ) из-за растворения твердого анода, Этот эффект сократив время обработки материала до 20 с и существенно улучшил очистку с одновременной полировкой в случае как твердого анода, так и твердого катода.

Ряс, 19. Различные формы возмущения и смешения на границе раздела плазмы и электролита

Математическая модель зажигания многоканального разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом построена в следующих предположениях. На основе измерений плотности тока на электролитическом катоде и главе 3 коэффициент эмиссии электронов из электролитического катода у на 2 порядка меньше, чем коэффициенты эмиссии электронов из металлического

25

катода Полому можно пренебречь вторичной эмиссией электронов с электро-лишческою каюда Считаем, что электрическое поле в межэлектродном промежутке является однородным Предположим возможность пренебрежения потерями электронов за сче-i процессов рекомбинации, прилипания и диффузии В описанных условиях развитие электронных лавин может поддерживаться лишь тот да, кот да вторичные электроны образуются в самом газе за счет фоюионизации или за счет столкновения нейтральных частиц с ионами Когда время ра шитая зажигания значительно меньше времени пролета ионов через межэлек'тродньш промежуток, решающую роль играет фотоионизация

Предположим, что i аз является; оптически тонким и скорость фотоионизации вдоль межэлектродното промежутка остается постоянной В указанном приближении изменение концентрации электронов описывается интегрально-дифференциальным уравнением

тде пе концентрация электронов, V„ - дрейфовая скорость электрона, а - коэффициенты ионизации электронным ударом, b=k I — коэффициент для оптически тонкого таза, к - коэффициент, зависящий от рода газа, температуры, давления, теометрии электродов и других условий,/ - межэлектродное расстояние, х, t - координата и время

Здесь ось х от катода к аноду и плоскость х - 0 соответствует поверхности катода Решение будем искать в виде.

(3)

иДх,0 = Ф (x-V,t) еах/К +/(0,

(4)

(5)

о

о

(б)

при условиях

«е(0,О = 0; пе(х,0) = у(х) После преобразований находим решение в виде

(7)

о

(В)

Из (8) и (9) видно, что электронная лавина распространявши » направлении анода в виде волны с фазовой скоростью ¥е Когда х Ке? >0, хотя бы час«, первичных электронов, определяемых функцией у (х), 0 < х <1, еще находится в межэлектродном пространстве. Из (8) следует, что в этом случае лавина может существовать и при отсутствии фотоионизации, (р =- 0) Однако при [) ~ 0 концентрация электронов не равна нулю только в области х > При I -> х/Уе, как видно из (9), возможность развития лавины полностью определяется фото ионизацией Если (3 = 0, лавина в момент г -= 1/Уе полностью «тукает 1'аким образом, при отсутствии у-процессов на катоде условием гажишшя ра гряда является образование электронов служащих родоначальником новых лавин {а счет фотоионизации газа Из (7), (8) и (9) находим инте! ралыше уравнения

I 1

I + |\1»(х - Уе1)г1х , х~Уе1> 0, (10)

W0 =

Ьае"

I

Р(0

Ьае'

I

¡те'

'dt

■Vj< 0

(П)

Подстановка выражения для р из (10) и (11) в (8) и (9) дает формулы для расчета п(х, t), зависящей от конкретного вида \[/{.хг) Здесь важно установи 1ь условие, которое определяет развитие лавины, ириводящеек зажиганию разряда. Из (9) видно, что при р = const распределение концентрации электронов становится стационарным При этом разряд буде1 самостоятельным Из (11) находим условие

1 = 1,

(12)

где у - uî/Ve, определяющее характер развития лавины Из (12), зная гависи мость а от Е и давления, можно найти значение напряжения зажт агшя Us Если приложенное напряжение меньше U3, то лавина независимо от вида со време нем затухает, когда U >U3, лавина развивается Скорость развития лавины тем выше, чем больше (U- U3) Таким образом, условие (12) является условием зажигания, когда эмиссией электронов с электролитическою кат ода можно пренебречь

Математическая модель зажигания многоканальною разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом построена в предположении, что в первом приближении при небольших межэлектродных расстояниях и пониженных давлениях можно рассмотреть развитие электронных лавин в ta te, находящемся между плоским металлическим катодом и электролитическим анодом

Получены формулы для расчета концентрации электронов. Расчеты показывали, что с ростом кг =* ал$Уе я уменьшением хч (/?„ ■ концентрация нейтральных частиц, - координата первичного электрона) развитие электронной лавины ускоряете к. Ксли концентрация электронов с течением времени усиливается, то процесс завершается зажиганием (рис, 20). При этом па напряжение зажигания существенное влияние оказывают темпера-тура, давление, межэлектродное расстояние, скорость нарастания переднего фронта напряжения и состояний 0 д. 04 обо К-* поверхности металлического катода

Рис 7.0. Риигпи этектцрнныхлавин прик, - 0.2, к, =4 (обрабатываемое тело).

Таким образом, физические и математические модели позволяли установить возможные механизмы горения и зажигания струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами в процессе модификация материалов и изделий.

Шсстан слана посвящена разработке технологических процессов модификации материалов и изделий струйным многоканальным разрядом при атмосферном давлении.

Плазменная технология очистки с одновременной полировкой струйным многоканальным разрядом между твердым и электролитическим электродами является более эффективной по сравнению с электрохимическим полированием. Па поверхности изделий возникают дефекты при механической обработке (рис. 21,«) и литье (рис. 22,й). Эти дефекты проявляются после нанесения покрытий. И связи с этим не удается формировать высококачественные ггокры-ТНя <; заданными свойствами па различных изделиях.

и б

Уие 21. Микроструктура меди х1(К)(У. а - до обработан; б ~ Пйспс обработай

а 6

Рис. 22. Микроструктура латуни х25: а —до обработки (сечки разгара); б - после обработки

Предложены технологические процессы: очистка с одновременной колировкой по нсей поверхности материалов и изделий как в случае электролитического катода, так и электролитического анода; локальная очистка с одновременной копиропкой поверхности металлов (рис. 21,6) и сплавов {рис. 22,й); локальная обработка материалов я изделий для получения заданной шероховатости на поверхности; прошивка, резка металлов и сплавов; Создан технологичен екнй процесс одностадийного получения металлического порошка, который по-адоляет существенно сократить время технологического процесса получения оксидного порошка Ре304 по сравнению с химическим методом в 10 раз.

Исследования полученного оксидного порошка железа показали, что около 90% порошка составляет магнетит Ке30,1, остальная часть состоит из окон да железа ГеО. Особый интерес иызынает сферичность формы частиц магнитного порошка, чти является главным условием изотропности его магнитных свойств. Исследование полученного порошка в сравнении с эталонными ферритами показывает его существенно более высокие магнитные свой стай. Возможность получения больших значений магнитной индукции в порошке, в сочетании со сферичностью формы его частиц, говорит о перспективности использования порошков и порошковой металлургии магнитных материалов.

Предложены технологический процессы упрочнения поверхности материалов и изделий с использованием одя «струйного и ьшогоструйного МР с электролитическими электродами. С помощью струйного многоканального разряда можно получить поверхностное упрочнение изделий до необходимой микро-т'йсрдоеги. Анализ образца показал, что в результате обработки на поверхности изменилась микроструктура металла. Если до обработки металл состоял из перлита и феррита и виде сетки по границам зерен перлита, то после обработки на глубине до 0,6 мм произошла перекристаллизация металла. Ссткй феррита разбилась и поверхность металла состоит из бейнита и троостита (см. таблицу).

Результаты сравнении упрочнения стали различными Методами

Материал Состояше поставки ко Йнккерс^ Объемна» термообработка Л1'„ 1134 НУк Лазер (без оплавления) Ш» 1 Ьхаз менная обработка

Сталь УК 210...270 720 760 1000 <)50 - 1100

Сталь У10 220.. .280 720 Ш 1000 900 1100

С саль 40Х 210 560 620 800 800- 1000

Сталь (л 45 200 550 1000 800 - 110и

Сталь Ст. 10 180.. .190 400 1000 800- 1100

IIa поверхности образовался закаленный слой со структурой мартенсита и фооетомартенсита различной дисперсности Произошло измельчение кристаллических зерен и увеличение микротвердости в среднем в 4 раза при глубине упрочненною слоя 0,9 - 1,5 мм по сравнению с основой образца Микро-твердосмь сшш повышается с увеличением времени обработки и мощности разряда IIa микрошердость существенное влияние оказывает расстояние Ol обрабатываемою изделия до самого устройства Глубина упрочненного слоя при 1-5 мы и мощноеiи оруйного многоканального разряда 10 кВт достигает до 2 мм

Разработан хсхнолохический процесс азотирования титановых сплавов и коррозионноетойких сталей в неравновесной плазме многоканального разряда с элекiролигичееким катодом с целью повышения микротвердости и износостойкое 1 и Технологический процесс включает в себя семь технологических операций Определены оптимальные режимы обработки при азотировании ручек медицинских скальпелей из стали 08X1811 Износостойкость рабочих элементов изделий возрастает в 2 раза по сравнению с исходными Металлографические исследования ручек скальпеля показывают, что при обработке в оптимальных режимах сфуктура металла остается мелкозернистой, равновесной смесью а + ß фазы Па поверхности инструмента из титана синтезирован слой нитрида титана Лд) езионпая прочность образованной пленки несравненно больше, чем адгезионной прочности покрытий, полученных другими методами Это объясняется 1ем, чю пленка получается при диффузии ионов азота в поверхностный слой Коррозионные испытания показали высокую стойкость образованных покрытий в медицинских средах.

Предложен техноло1Ическнй процесс получения тонких пленок металлов на диэлектрическую подложку при атмосферном давлении Адгезионная прочность пленки повышается в 2 - 4 раза по сравнению с вакуумным напылением

Устноелено, что наиболее целесообразным является применение струйных многоканальных разрядов атмосферного давления для глубокой очистки с одновременной полировкой перед формированием высококачественных покрытий на поверхности материалов, одностадийное получение металлическою порошка, 1 азонасыщения металлов и сплавов для повышения микротвердости, износостойкости и коррозионностойкости, упрочнения металлов, нанесения юнких пленок, локального воздействия на материалы и изделия. Полученные результаты позволили разработать спектр процессов модификации ма1ериалов

Ii приложении содержатся акты внедрения результатов диссертационной paöoibi Созданный комплекс оборудования и технологических процессов позволил иовыешь качество, надежность и долговечность материалов и изделий машиностроения Экономический эффект от внедрения составил 10 млн руб 30

Выводы

1 В результате проведенных комплексных экспериментальных исследований в процессе обработки материалов обнаружены новые формы многоканальных разрядов при атмосферном давлении жгутообразный многоканальный разряд, многоканальные разряды вдоль и внутри дробленных струй, распространение многоканальных разрядов на поверхности твердых тел, в объеме электролита и пористых материалов, объемный разряд между плазменным шлейфом и электролитическим катодом, объемный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым обрабатываемым телом, которые позволяют эффективно производить модификацию поверхности материалов и изделий (очистку с одновременной полировкой, одностадийное получение оксидного порошка, упрочнение поверхности и газонасыщение металлов, нанесение тонких пленок металлов)

/ 2 Установлено, что в процессе обработки твердого тела при 2,5 < I < 4 А и 5 < / < 15 мм отдельные каналы разряда образуют поперечные волны и на некотором расстоянии от центра происходит наложение этих волн С дальнейшим ростом тока (/ = 5 А) происходит переход поверхностной ряби в бурлящую и вспененную зону турбулентного смешения плазмы и электролита, которая позволила производить очистку с одновременной полировкой поверхности крупногабаритных и труднодоступных изделий в случае струйного многоканального разряда между твердым обрабатываемым катодом и электролитическим анодом

3 Экспериментальные данные обобщены в диапазоне параметров 500 < V < 5000 В, 0,5 < I < 5 А и 5 < / < 50 мм (электролитический катод), 600 < Е/ < 1500 В, 2 < / < 10А и 5 < / < 15 мм (электролитический анод) Найдено критериальное уравнение для обобщения ВАХ струйного многоканального разряда между проточным электролитическим катодом (техническая вода) и стальным анодом (Ст 45) для различных межэлектродных расстояний Найдено критериальное уравнение для обобщения ВАХ струйного многоканального разряда между проточным электролитическим анодом (0,05% раствор №С1 в очищенной воде) и металлическим охлаждаемым катодом (Ст45) для различных межэлектродных расстояний Максимальное среднеквадратическое отклонение экспериментальных значений напряжения разряда от расчетных значений составляет менее 10%. Результаты обобщения использованы для инженерного расчета плазменных установок струйным многоканальным разрядом в процессе обработки поверхности металлов и сплавов

4 Построены физические модели горения струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов, когда обрабатываемое твердое тело находится над или внутри электролитического катода Установлено, что модификация поверхности металлов и сплавов является следствием физических процессов,

происходящих в струйном многоканальном разряде между обрабатываемым телом и электролитическим электродами Созданы математические модели зажигания струйного многоканального разряда в процессе обработки твердых тел

5 Разработаны и созданы устройства струйного многоканального разряда между твердым обрабатываемым телом и электролитическим электродами для реализации технологических процессов обработки материалов различные варианты одноструйных и многоструйных устройств, а также разрядные устройства со струйными электролитическими электродами

6 Результаты проведенных исследований струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов позволили создать технологические процессы модификации материалов и изделий

- Плазменной очистки и полировки поверхности металлов и сплавов, что позволило убрать механические и литьевые дефекты с поверхности твердых тел материалов и изделий для формирования высококачественных покрытий с заданными свойствами

- Одностадийного получения оксидного порошка,что позволило сократить время получения Ре304 по сравнению с пятистадийным химическим методом ~ в 10 раз

- Упрочнения поверхности, что позволило увеличить микротвердость по Викерсу НУ 50 углеродистых и инструментальных сталей в среднем в 4 раза при глубине упрочненного слоя 0,9 - 1,5 мм по сравнению с исходным материалом

- Плазменного газонасыщения металлов, что позволило увеличить износостойкость медицинских инструментов в 2 раза по сравнению с исходными образцами

- Локальной и ступенчатой обработки поверхности материалов и изделий, что позволило получить заданную шероховатость на поверхности твердых тел, прошивку и резку металлов

- Нанесения тонких пленок металлов на диэлектрическую подложку при атмосферном давлении, что позволило существенно увеличить адгезионную прочность пленки в 2 - 4 раза по сравнению с адгезионной прочностью при вакуумном напылении пленок

7 Создан комплекс оборудования и технологических процессов, позволяющий решить важную народнохозяйственную задачу повышения качества, надежности изделий промышленности путем получения новых свойств материалов и изделий и получить экономический эффект 10 млн руб

Работы по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Гайсин А Ф Паровоздушные разряды между электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении / А Ф Гайсин, Э Е Сон // Теплофизика высоких температур -М,2005 -Т,43,№1 -С 5-10

2 Гайсин А Ф Паровоздушный разряд между электролитным анодом и металлическим катодом при атмосферном давлении / А Ф Гайсин // Теплофизика высоких температур - M, 2005 -Т 43,№5 -С 684-690

3 Гайсин А Ф Паровоздушный разряд с пористым электролитическим катодом при атмосферном давлении / АФ Гайсин, ХК Тазмеев // Теплофизика высоких темпераiyp M ,

2005 -Т 43, №6 - С 813-819

4 Гайсин А Ф Энергетические характеристики паровоздушного разряда с электролитическими и пористо электролитическими электродами / А Ф Гайсин, M Ф Ахатов,X К I азмеев // Физика химия обработки материалов -М , 2005, №6, - С 32-35

5 Гайсин А Ф Многоканальный разряд между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении /АФ Гайсин // Теплофизика высоких температур M,2006 -Т 44,№3 -С 5-10

6 Гайсин А Ф Нестационарный многоканальный разряд между струй электроли ¡ а и металлическим электродом при атмосферном давлении / А Ф Гайсин // Теплофизика высоких температур -М.2006 -Т44,№5-С 344-348

7 Гайсин А Ф Использование струйного многоканального разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении для обработки материалов / А Ф Гайсин, И Ш Абдуллин // Физика химия обработки материалов M ,

2006 -№4 -С 56-59

8 Гайсин А Ф Получение оксидного порошка в струйном многоканальном разряде между электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном давлении / А Ф Гайсин,А 3 Гумеров, И Ш Абдуллин // Перспективные материалы M, 2007, -№1 - С 73-77

9 Гайсин АФ Об особенностях многоканального разряда с iвердым и электролитическим электродами при атмосферном давлении / А Ф Гайсин, ЭI Сон // Теплофизика высоких температур, M, 2007 -Т 45, №2 С 316-317

10 Гайсин А Ф Паровоздушный разряд между металлическим анодом и электролитическим катодом с добавлением неорганических и органических примесей при атмосферном давлении в процессе обработки твердых тел и жидкостей / А Ф Гайсин, ИIII Абдуллин,Р К Галимова//Материаловедение M, 2007, -ff»2 -С 39-45

11 Решение о выдаче патента на изобретение от 24 05 2007 /А Ф Гайсин Способ получения многоканального разряда (варианты), заявка № 2006117472 от 22 05 2006

Монография

12 Гайсин А Ф Струйный многоканальный разряд с электролитическими электродамив процессах обработки твердых тел / А Ф Гайсин, И Ш Абдуллин, Ф M Гайсин // Казань Изд-во Казан гос техн ун-та, 2006 446 с

Материалы конференции и препринты

13 Гайсин А Ф Получение ферромагнитного порошка определенной диспсрснос i и в разряде между твердым и жидким электродами / А Ф Гайсин, Р И Ахмеса1иров, А 3 Г у-меров и др //Материалы симпозиума «Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования в регионе Прикамья» - Наб Челны КамПи, 2002 - С 19-21

14 Гайсин А Ф Определение зависимости для автоматизации установки по получению ферромагнитного порошка / А Ф Гайсин, Р И Ахмесагиров, А 3 Гумеров, И M Нуриев и др // Материалы конференции «Автоматизация и информационные технологии» - Наб Челны КамПИ, 2002 - С 40-42

15 Гайсин А Ф Исследование газового разряда между твердыми и жидкими электродами / А Ф Гайсин, Р И Ахмесагиров, А 3 Гумеров и др // Материалы симпозиума «Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования в регионе Прикамья» - Наб Челны КамПи,2002 -С 21-23

16 Гайсин А Ф Вольт-амперные характеристики плазменной электротермической установки с жидким катодом / А Ф Гайсин, A3 Гумеров, ИМ Нуриев и др //Сборник материалов 3-го Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии - Иваново Ивановск гос хим-тех ун-та, 2002 - С 390 - 391

17 Гайсин А Ф Характеристики паровоздушных разрядов с пористым электролитным электродом для модификации металлических поверхностей / А Ф Гайсин, М Ф Ахатов // Материалы междунар научно-техн конф «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» - Кострома КГУ им Н А Некрасова, 2003 - С 11

, 18 Gaism A F Plasma - electrolyte processing in machinery construction / A F Gaism, N F Kashapov // IV international conference «Plasma Physics and Plasma Technology» - Minsk, Belarus - September 15-19 -2003 -P 491-494

19 Гайсин А Ф Устройство для активации воды / А Ф Гайсин, М Ф Ахатов, Р К Галимо-ва и др // Материалы междунар молодежной научной конф «XII Туполевские чтения» / КГТУ им А Н Туполева - Казань, 2004 - С 3-4

20 Гайсин А Ф Многоканальный разряд с жидким катодом / А Ф Гайсин, М Ф Ахатов, В А Савельев // Материалы междунар молодежной научной конф «XII Туполевские чтения»/ КГТУ им АН Туполева -Казань, 2004 -С 22-23

21 Гайсин А Ф Паровоздушные разряды между жидкими неметаллическими электродами / А Ф Гайсин, М Ф Ахатов, В А Савельев// Материалы междунар молодежной научной конф «XII Туполевские чтения»/КГТУ им АН Туполева - Казань, 2004 - С 23-24

22 Гайсин А Ф Особенности нанесения жаростойких многокомпонентных покрытий на лопатки ГТУ / А.Ф Гайсин, Н С Петелькина // Материалымеждунар молодежной научной конф «XII Туполевские чтения» / КГТУ им АН Туполева -Казань, 2004 - С 45-46

23 Гайсин А Ф Паровоздушный разряд в системе «струя электролита - металлический электрод» / А Ф Гайсин, М Ф Ахатов, А В Савельев //Материалы междунар молодежной научной конф «ХП Туполевские чтения»/КГТУ им А.Н Туполева -Казань, 2004 Т 2 -С 4-5

24 Гайсин А Ф Генераторы неравновесной плазмы с пористым электролитическим катодом / А Ф Гайсин, М Ф Ахатов, Б X Тазмеев и др // Материалы международной молодежной научной конф «XII Туполевские чтения» / КГТУ им А Н Туполева Казань, 2004 Т 2 -С 5-6

25 Гайсин А Ф Основные физико-химические процессы в плазменно-электролитных разрядах / А Ф Гайсин, Р Н. Кашапов //Материалы VI междунар симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии,— Иваново Ивановск гос хим-тех ун-т,2005 -С 99-102

26 Гайсин А Ф Некоторые особенности паровоздушного разряда между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом / А Ф Гайсин, М Ф Ахатов, А Р Шай-дуллина // Материалы междунар молодежной научной конф «Туполевские чтения», посвященные 1000-летию г Казани / КГТУ им АН Туполева Казань, 2005 Т 2 -С 9-10

27 Гайсин А Ф Многоканальный разряд между электролитическим и металлическим электродами для упрочения металлов / А Ф Гайсин, И М Нуриев, Н М Мударисова // Материалы IV междунар симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии Иваново Ивановск гос хим -тех ун-т 2005 - С 628 - 630

28 Гайсин А Ф Электрический пробой в газахмежду металлическим катодом и электролитным анодом / А Ф Гайсин, А 3 Гумеров, И М Нуриев // Материалы межвузовской научно-практич конф «Вузовская наука - России» - Наб Челны Изд-во КамПИ, 2005 -С 60-62

29 Гайсин А Ф Обобщенные характеристики парогазового разряда между металлическим анодом и электролитическим катодом / АФ Гайсин, РИ Ахметсагиров, ИМ Нуриев //Материалы межвузовской научно-практич конф «Вузовская наука-России» - Наб Челны Изд-во КамПИ, 2005 С 71-73

30 Гайсин А Ф Метод получения ферромагнитного порошка при помощи низкотемпературной плазмы / А Ф Гайсин, А 3 Гумеров, И М Нуриев // Материалы межвузовской научно-практич конф «Вузовская наука - России» -Наб Челны Изд-во КамПИ, 2005 -С 57-60

31 Гайсин А Ф Струйный паровоздушный разряд между электролитическим и металлическим электродами для очистки поверхности металлов и сплавов / А Ф Гайсин, М Ф Ахатов // Материалы IV международного симпозиума по теоретической и прикладной пл<нмо-химии Иваново Ивановск ГОс хим-тех ун-т 2005 С 618-620

32 Гайсин А Ф Многоканальные разряды и их практические применения / А Ф Гайсин, Ф М Гайсин // Сб трудов 2-й междунар научно-практич конф «Исследование, разработки и применение высоких технологий в промышленности» -СПб,2006 -Т 5 -С 219

33 Гайсин А Ф Об особенностях границы раздела «Плазма-электролит» б струйном многоканальном разряде И Сб трудов 2-й междунар научно-практич конф «Исследование, разработки и применение высоких технологийв промышленности» -СПб ,2006 -Т 6 - С 37

34 Гайсин А Ф Паровоздушный разряд между струями электролига И Сб трудов 2-й междунар научно-практич конф «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» -СПб, 2006 -Т 4 - С 145-146

35 Гайсин А Ф Струйный паровоздушный разряд между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом для получения оксидного порошка / АФ 1 айсин, А 3 Гумеров // Сб трудов 2-й междунар научно-практич конф «Исследование, разработки и применение высоких технологий в промышленности» -СПб, 2006 - С 146-148

36 Гайсин А Ф Модификация поверхности материалов струйным многоканальным разрядом между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом / АФ Гайсин, И М Нуриев // Материалы 3-й всерос конф молодых ученых - Томск Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2006 - С 153-155

37 Гайсин А Ф Нестационарный многоканальный разрвд между струй электролита и металлическим электродом для обработки поверхности изделий / АФ Гайсин, М Ф Ахатов // Материалы 3-й всерос конф молодых ученых - Томск Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2006 - С 156-158

38 Гайсин А Ф Многоканальный разряд между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом для получения оксидного порошка / А Ф Гайсин, А 3 Гумеров // Материалы 3-й всерос конф молодых ученых - Томск Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2006 - С 159-162

39 Gaisin A F Strengthening of metal samples surfaces by multichannel discharge - Conference organizers / A F Gaisin, A Z Gumerov, IM Nunev // Plasma Physics and Plasma 1 echnol-ogy Contributed papers Minsk, Belarus 2006 -P 457

40 Gaisin A F Multichannel discharge and plasma-electrolyte boundary / A F (iaism // Plasma Physics and Plasma Technology Contributed papers -Minsk, Belarus, 2006 -P 62-64

41 Gaisin A F Initiation of multichannel discharge between electrolyte anode and metal cathode / A F Gaisin, A Z Gumerov II Plasma Physics and Plasma Technology Contributed papers -Minsk, Belarus, 2006 -P 65-67

42 Gaisin AF No stationary propogating multichannel discharges with flowing and no flowing electrolyte / A F Gaisin // Plasma Physics and Plasma Technology Contributed papers -Minsk, Belarus, 2006 -P 68-69

43 Gaisin A F Multichannel discharge with two electrolyte jets / A F Gaisin II High technology plasma processes HTTP9 Book of abstracts SPb, 2006 - P 67

44 Гайсин А Ф Струйный паровоздушный разряд между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом для получения оксидного порошка / А Ф Гайсин,А 3 Гумеров // Сб трудов 2-й междунар научно-практич конф «Исследование, разработки и применениевысоких технологий в промышленности» СПб , 2006 - Т 4 - С 146

45 Гайсин А Ф Многоканальный разряд между струей электролита (анод) и металлическим электродом (катод) для обработки поверхностей изделий / А Ф Гайсин, А Р Шай-дуллина // Сб трудов второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработки и применениевысоких технологий в промышленности» СПб, 2006 Т 6 - С 217

46 Гайсин А Ф Многоканальный разряд между струей электролита (катод) и металлическим электродом (анод) для обработки поверхности изделий / А Ф Гайсин,M Ф Ахатов // Сб трудов второй междунар научно-практич конф «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» СПб ,2006 - Т 4 - С 144

47 Гайсин А Ф Многоканальный разряд между проточным электролитическим катодом и1 металлическим анодом для упрочнения материалов / А Ф Гайсин, И M Нуриев // Сб трудов второй междунар научно-практич конф «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» СПб , 2006 - Т 4 - С 148

48 Гайсин А Ф Паровоздушный разряд между струей электролита и проточным электролитом / А Ф Гайсин, Р Р Гильмутдинова // Сб трудов второй междунар научно-практич конф «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» СПб,2006 -Т 6 -С216

49 Гайсин А Ф Многоканальный разряд между струей электролита и электролитической ячейкой '/ А Ф Гайсин, Р Р Гильмутдинова // Материалы междунар молодежной научной конф «XIV Туполевские чтения» / КГТУ им А H Туполева - Казань, 2006 -Т2 -С 156-157

50 Гайсин А Ф Многоканальный разряд между электролитическими струями при атмосферном давлении / А Ф Гайсин, А Р Шайдуллина // Материалы междунар молодежной науч конф «XIV Туполевские чтения»/ КГТУ им А H Туполева - Казань,2006 - Т 2 -С 157-158

51 Гайсин А Ф Электрический пробой между струйным электролитическим и металлическим электродами / А Ф Гайсин, M Ф Ахатов, А Р Шайдуллина // Материалы международной молодежной научной конференции «XIV Туполевские чтения»/ КГТУ им А H Туполева -Казань, 2006,-Т 2 - С 147-148

52 Гайсин А Ф Электрические характеристики многоканального разряда с электролитическими электродами / А Ф Гайсин, А Р. Шайдуллина // Материалы междунар молодежной научной конф «XIV Туполевские чтения» / КГТУ им А H Туполева - Казань, 2006 -Т 2 - С 173-174

53 Gaisin A F Raleigh-Taylor Instability in the Glow Discharge with Liquid Electrode./ A F Gaisin, E E Son, F M Gaisin // 10th International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing Book of Abstracts - Pans, France, 2006 -P 145

54 Гайсин А Ф Струйный многоканальный разряд между электролитическим катодом и металлическим анодомв процессах модификации поверхности / А Ф Гайсин // Препринт, Казанский государственный технологический университет -Казань, 2006 -16 с

55 Гайсин А Ф Струйный многоканальный разряд между электролитическим анодом и металлическим катодом приатмосферном давлении / А Ф Гайсин // Препринт, Казанский государственный технологический университет -Казань,2006 -16с

Соискатель

А Ф Гайсин

Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 2,25 Уел печ л 2,09 Уел кр -отт 2,09 Уч изд л 2,03 _Тираж 100 Заказ К105_

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

Основные условные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Электрические разряды между твердым и электролитическим электродами и области их применения.

1.1.Обзор исследований электрического разряда в парогазовой среде с электролитическими электродами.

1.1.1. Зажигание многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами.

1.1.2. Электрические и энергетические характеристики разрядов между твердым и электролитическим электродами.

1.1.3. Характеристики разряда в парах воды с конденсированной фазой.

1.2. Практическое использование электрического разряда между твердым и электролитическим электродами.

1.3. Цели и задачи диссертации.

Глава 2. Экспериментальные установки, разрядные устройства, методика и аппаратура для экспериментальных исследований струйного многоканального разряда с электролитическими электродами.

2.1. Экспериментальные установки струйным многоканальным разрядом для обработки материалов и изделий.

2.1.1. Высоковольтная экспериментальная установка (выходное напряжение до 8300 В и при токе 3 А).

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

2.1.3. Нестационарная высоковольтная экспериментальная установка выходное напряжение до 1500 В при токе

2.1.4. Низковольтная экспериментальная установка (выходное напряжение 600 В при токе 200А).

2.2. Устройства с струйным многоканальным разрядом между твердым и электролитическим электродами для обработки твердых тел.

2.3. Устройства с многоканальным разрядом со струйными электролитическими электродами для обработки твердых тел.

2.4. Методы и аппаратура для экспериментального исследования струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессе обработки твердых тел.

Глава 3. Экспериментальные исследования струйного многоканального разряда между электролитическим катодом и твердым анодом обрабатываемое тело) в процессе обработки твердых тел.

3.1. Многоканальный разряд между непроточным электролитическим катодом и твердым анодом.

3.1.1. Формы многоканального разряда.

3.1.2. Распределение потенциала, напряженности электрического поля на поверхности и в объеме электролита.

3.1.3. Вольт-амперные характеристики разряда.

3.1.4. Распределение потенциала и напряженности электрического поля между электролитическим катодом и твердым анодом. Катодное и анодное падение потенциала.

3.1.5. Плотности тока на электрическом катоде и на твердом аноде.

3.1.6. Спектральные исследования электролита.

3.1.7. Возможный механизм самоподдержания разряда с электролитическим катодом.

3.2. Струйный многоканальный разряд между проточным электролитическим катодом и твердым анодом.

3.2.1. Особенности многоканального разряда и падение напряжения в проточном электролитическом катоде.

3.2.2. Вольт-амперные характеристики разряда.

3.2.3. Плотности тока на проточном электролитическом катоде и твердом аноде.

3.3. Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым анодом.

3.4. Обобщенные характеристики струйного многоканального разряда между электролитическим катодом и твердым анодом.

Глава 4. Экспериментальные исследования струйного многоканального разряда между электролитическим анодом и твердым катодом (обрабатываемое тело) в процессе обработки твердых тел.

4.1. Многоканальный разряд между твердым катодом и непроточным электролитическим анодом.

4.1.1. Напряжение зажигания разряда.

4.1.2. Падение напряжения, распределение потенциала и напряженности электрического поля, плотности тока на поверхности и в объеме электролитического анода.

4.1.3. Вольт-амперные характеристики разряда.

4.1.4. Плотности тока на электролитическом аноде и твердом катоде.

4.1.5. Распределение потенциала и напряженности электрического поля между электролитическим анодом и твердым катодом. Катодное и анодное падение потенциала.

4.1.6. Энергетический баланс разряда и возможный механизм разряда с электролитическим анодом.

4.2. Струйный многоканальный разряд между проточным электролитическим анодом и твердым катодом.

4.2.1. Напряжение зажигания разряда.

4.2.2. Падение напряжения в электролите и ВАХ разряда.

4.2.3. Структуры струйного многоканального разряда.

4.2.4. Особенности границы раздела плазмой и проточным электролитическим анодом.

4.2.5. Распределение потенциала и напряженности электрического поля в разряде.

4.2.6. Плотности тока на металлическом катоде и электролитическом аноде.

4.3. Многоканальные разряды со струйным электролитическим анодом.

4.3.1. Многоканальный разряд между струей электролита (анод) и металлическим электродом (катод).

4.3.2. Многоканальный разряд между струей электролита (анод) и проточным электролитом (катод).

4.3.3. Многоканальный разряд между струйным электролитическим анодом и струйным электролитическим катодом.

4.4. Обобщенные характеристики многоканального разряда между электролитическим анодом и твердым катодом.

Глава 5. Физические модели горения и математические модели зажигания струйного многоканального разряда между твердым и электролитическими электродами.

5.1. Математическая модель зажигания многоканального разряда между электролитическим катодом и твердым анодом.

5.2. Математическая модель зажигания многоканального разряда между твердым катодом и электролитическим анодом.

5.2.1 Решение уравнения неразрывности для электронного газа с учетом времени жизни атома в возбужденном состоянии.

5.3. Физические модели горения многоканального разряда между твердым анодом и электролитическим катодом.

5.3.1. Физическая модель горения многоканального разряда в случае, когда металлический анод находится над электролитическим катодом.

5.3.2. Физическая модель горения многоканального разряда в случае, когда металлический анод находится внутри электролитического катода.

Глава 6. Технологические процессы модификации материалов и изделий струйным многоканальным разрядом при атмосферном давлении.

6.1. Модификация поверхности материалов струйным многоканальным разрядом вне электролитического катода.

6.1.1. Материалы и методика исследований поверхности твердых тел.

6.1.2. Методика проведения экспериментальных исследований взаимодействия твердых тел с плазмой многоканального разряда.

6.1.3. Взаимодействие плазмы многоканального разряда с металлами и их сплавами.

6.1.3.1. Механические характеристики поверхностей.

6.1.3.2. Физико-химические характеристики поверхностей твердых тел.

6.1.3.3. Качественная физическая модель взаимодействия многоканального разряда с поверхностями металлических изделий.

6.1.4. Изделия, подвергаемые обработке плазмой струйного многоканального разряда.

6.1.5. Очистка плазмой многоканального разряда (неорганические примеси).

6.1.6. Полировка плазмой многоканального разряда (неорганические примеси).

6.1.7. Очистка и полировка плазмой многоканального разряда с электролитическим катодом (органические примеси).

6.1.8. Упрочнение поверхности твердого анода.

6.1.9. Поверхностное насыщение твердого анода.

6.1.10. Нанесение тонких пленок металлов распылением твердого анода.

6.1.11. Прошивка и резка твердого анода.

6.2. Очистка и полировка плазмой многоканального разряда поверхности твердого анода внутри электролита.

6.3. Упрочнение поверхности твердых тел в струе плазмы многоканального разряда с электролитическим катодом.

6.4. Очистка и полировка плазмой многоканального разряда поверхности твердого катода внутри электролитического анода.

6.5. Получение оксидного порошка железа из неохлаждаемого стального катода вне электролитического анода.

6.6. Упрочнение поверхности твердых тел в струе плазмы многоканального разряда с электролитическим анодом.

Выводы.

В настоящее время возможности модификации материалов и изделий с использованием традиционных методов обработки практически исчерпаны. Новые технологические процессы позволяют экономить реагенты, сырье, повышать производительность труда, качество, надежность и долговечность изделий. Одной из наиболее перспективных технологий является плазменная технология обработки материалов и изделий, в том числе с применением для этих целей неравновесной низкотемпературной плазмы струйного многоканального разряда. Этот вид разряда характеризуется следующими параметрами: концентрация электронов в разряде пе - 1017 - 1019 м~3, температура электронов Те= 104 К и температура газа Т « 1000-5000 К.

Физика плазмы струйного многоканального разряда с непроточными, проточными и струйными электродами в процессе обработки материалов практически не изучена. Струйный многоканальный разряд между твердым и электролитическим электродами в процессе обработки твердых тел -принципиально новая и малоисследованная область практического применения электрических разрядов. В настоящее время мало изучено взаимодействие неравновесной плазмы струйного многоканального разряда с поверхностями материалов. Все это сдерживает разработку и создание плазменных установок и новых технологических процессов с использованием струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами и их внедрение в производство.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы комплексного исследования струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами (непроточные, проточные и струйные) в процессах модификации материалов, позволяющих существенно повысить технологические и эксплуатационные характеристики изделий из этих материалов за счет целенаправленного изменения их структуры, физических и механических свойств.

Научная новизна работы заключается в следующим. Впервые обнаружены новые формы многоканальных разрядов между твердым и электролитическим электродами (непроточные, проточные и струйные) при атмосферном давлении: жгутообразный многоканальный разряд, многоканальный разряд между плазменным шлейфом и электролитическим катодом, многоканальные разряды вдоль и внутри струй электролита, распространение многоканальных разрядов на поверхности твердых тел, в объеме электролита и пористых материалов, объемный разряд между плазменным шлейфом и электролитическим катодом, объемный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым обрабатываемым телом.

Уставлено, что струйный многоканальный разряд между металлическом анодом и электролитическим катодом позволяет эффективно производить модификацию малогабаритных материалов и изделий: очистку с одновременной полировкой, поверхностное насыщение азотом и кислородом, повышение коррозионной стойкости металлов и сплавов, упрочнение материалов в струе плазмы и нанесение тонких пленок металлов.

Установлено, что струйный многоканальный разряд между металлическим катодом и электролитическим анодом позволяет наиболее эффективно производить модификацию крупногабаритных материалов и изделий сложной конфигурации: очистку с одновременной полировкой, одностадийное получение металлического порошка и упрочнение материалов в струе плазмы.

Установлено, что многоканальный разряд со струей электролита позволяет производить снятие заусенцев с кромок изделия, локальную очистку и полировку внешних и внутренних поверхностей деталей, прошивку отверстий в металле (медь, сталь и титан) и резку металлов.

Экспериментальные данные обобщены с использованием методов теории подобия и размерности.

Созданы физические модели горения и математические модели зажигания струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов изделий.

В диссертации изложены результаты работы автора по исследованию струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессах обработки материалов в период 2002 - 2007 г.

Работа выполнялась в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева (КАИ) в 2002 - 2003 гг. по Межотраслевой программе сотрудничества Минобразования РФ и АО «АвтоВАЗ» (создание новых материалов и технологий для автомобилестроения) и в течение 2002 -2004 гг. по Межотраслевой программе сотрудничества Минобразования РФ и Министерства обороны РФ по направлению «Научно-инновационные сотрудничества» (создание перспективных, конструкционных, специальных и топливных материалов), по программе Минобразования РФ, проводились научные исследования в области производственных технологий по разделу «Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении» (2004 г.). В течение 2005 - 2006 г. по ориентированным фундаментальным исследованиям РФФИ по проекту «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» №04-02-97501.

Практическая ценность работы заключается в следующем. На основе результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами разработаны следующие технологии обработки материалов:

• Плазменная очистка с одновременной полировкой (от Яа = 0,63 до Яа < ОД мкм) поверхности металлов и сплавов, удалением дефектов механической обработки (следы, глубокие царапины, трещины, рельефные слои, забоины) и после литья (морозы, сетки разгара) перед формированием высококачественных покрытий с заданными свойствами материалов. Плазменная очистка с одновременной полировкой существенно уменьшает время полировки до 20 с, энергозатраты в 6 - 15 раз, а площадь, занимаемая комплексом оборудования, в 10 раз меньше по сравнению с электрохимическим полированием.

• Одностадийное получение оксидного порошка из различных материалов (Ст. 3, Ст. 20, Ст. 45, У8, У8А, У10), позволяющее существенно сократить время технологического процесса получения порошка по сравнению с использованием химической технологий. Получение оксидного порошка железа сферической формы с более высокими магнитными свойствами показали, что 90% порошка составляет магнетит Ре304, остальная часть состоит из оксида железа БеО и основная масса полученного порошка (около 75%) имеет дисперсность 0,025 ^ 0,03 мм.

• Упрочнение поверхности углеродистых и инструментальных сталей в струе плазмы, позволяющее увеличить твердость по Виккерсу НУ5о в среднем в 4 раза при глубине упрочненного слоя 0,9 1,5 мм по сравнению с исходным образцом.

• Поверхностное насыщение металлов и сплавов, за счет чего увеличивается износостойкость материалов почти в 2 раза по сравнению с исходным образцом.

• Локальная обработка поверхности металлов и сплавов для получения заданной шероховатости, прошивки и резки.

• Нанесение тонких пленок металлов при атмосферном давлении увеличивает адгезионную прочность в 2 - 4 раза по сравнению с адгезионной прочностью пленки при вакуумном напылении.

• Результаты обобщения электрических характеристик в процессе обработки материалов использованы для инженерного расчета плазменных технологических установок струйным многоканальным разрядом.

Созданные технологические процессы и специальное оборудование для модификации материалов внедрены в промышленное производство ОАО

Казанский завод Электроприбор» и ФГУП СКТБ "Мединструмент" с суммарным экономическим эффектом 10 млн. руб.

Результаты данной работы вошли в 50 лучших инновационных идей Республики Татарстан в 2006 г.

В первой главе дан обзор известных исследований, методов исследований и применений струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами. Установлено, что одним из наиболее перспективных методов плазменной обработки материалов является струйный многоканальный разряд между твердым и электролитическим электродами при атмосферном давлении.

На основе анализа литературных данных по исследованию многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами сформулированы цель и основные задачи диссертации.

Во второй главе приведены описания плазменной экспериментальной установки, методики и аппаратура для экспериментальных исследований струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами в процессе обработки материалов и изделий.

Для разработки новых технологий модификации материалов, позволяющих экономить реагенты, сырье, повышать производительность труда, качество, надежность и долговечность изделий за счет уменьшения шероховатости, одностадийного получения порошка, упрочнения материалов, поверхностного насыщения азотом и кислородом и нанесения тонких пленок металлов, проводились исследования взаимодействия неравновесной плазмы струйного многоканального разряда с металлами и их сплавами. Выбор материалов определялся по степени применяемости их в машиностроении. В качестве образцов для обработки взяты углеродистые и инструментальные стали, вольфрам, молибден, медь типа М1, латунь, бронза, алюминиевые сплавы и полупроводниковые материалы из германия. Для обработки медицинских инструментов из металлов выбирались: стали коррозионностойкие и износостойкие типа Х13, 12X18Т1, 08Х18Т1, 65X13, титановые сплавы ВТ-6 и ВТ-8.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования и обобщения характеристик струйного многоканального разряда между электролитическим катодом (непроточные, проточные и струйные) и твердым анодом (обрабатываемое тело) в паровоздушной среде для различного состава электролита (неорганические и органические примеси) и его концентрации от 0,05% по массе до насыщения.

Обнаружены жгутообразный многоканальный разряд между твердым анодом и электролитическим катодом.

Выявлены многоканальный и объемные разряды между плазменным шлейфом и электролитическим катодом.

Установлен переход объемного разряда в жгутообразный многоканальный разряд с ростом тока и межэлектродного расстояния.

Изучены различные структуры катодных пятен на поверхности электролита.

Экспериментально исследованы горение и распространение многоканального разряда внутри струи и в процессе взаимодействия электролита с поверхности твердых тел и жидкостей.

Изучено развитие электрического пробоя вдоль струи электролита.

Обобщены ВАХ многоканального разряда в широком диапазоне напряжения и тока разряда, межэлектродного расстояния. Максимальное среднеквадратическое отклонение экспериментальных значений напряжения разряда от расчетных значений менее 10%.

Результаты исследования физических процессов и закономерностей струйного многоканального и объемного разрядов между твердым анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом, а также между струйным электролитическим катодом и твердым анодом, которые являлись базой для создания процессов модификации материалов и изделий: очистка с одновременной полировкой, поверхностное насыщение азотом и кислородом металлов и сплавов, нанесение тонких пленок металлов, упрочнение материалов, локальную обработку внешних и внутренних поверхностей деталей.

На основе комплексных экспериментальных исследований разработаны и созданы устройства струйного МР между обрабатываемым твердым анодом и электролитическим катодом для реализации новых технологических процессов обработки материалов.

Обобщение электрических характеристик позволили проводить инженерные расчеты технологических установок со струйным многоканальным разрядом.

В четвертой главе Представлены результаты комплексного экспериментального исследования и обобщения характеристик струйного многоканального разряда между электролитическим анодом (непроточные, проточные и струйные) и металлическим катодом (обрабатываемое тело) в широком диапазоне параметров для различного состава электролита (неорганические и органические примеси) и его концентрации по массе 0,05% до насыщения.

Впервые установлена возможность горения многоканального разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом.

Выявлено существенное отклонение напряжения зажигания разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом от закона Пашена.

Экспериментальные измерения потенциала на поверхности электролита позволили рассчитать распределение компоненты напряженности электрического поля и компоненты плотности тока на поверхности и в объеме электролитического анода.

Изучены развитие катодных пятен и структуры многоканального разряда между проточным электролитическим анодом и охлаждаемым металлическим катодом. Обнаружен оптимальный интервал тока разряда, когда происходит интенсивное образование ферромагнитного порошка с поверхности неохлаждаемого стального катода.

Изучено состояние границы раздела «плазма-электролит». Установлено, что регулярная поверхностная рябь на электролитическом аноде переходит в бурлящую вспененную зону турбулентного смешивания плазмы и электролита.

Исследован энергетический баланс многоканального разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом. Определены потери тепла на электролитическом аноде и металлическом катоде, а также количество тепла уносимого газом.

Найдено критериальное уравнение для обобщения ВАХ струйного многоканального разряда между проточным электролитическим катодом и стальным анодом для различных межэлектродных расстояний.

Анализ результатов экспериментальных исследований многоканального разряда между струйным электролитическим анодом и металлическим катодом (обрабатываемое тело) позволил установить особенности разряда со струйным электролитическим анодом в процессе обработки материалов и изделий.

Экспериментальные исследования МР между струйным электролитическим анодом и электролитической ячейкой, а также между двумя струями электролита показали, что происходит интенсивное турбулентное смешивание плазмы и электролита. В случае, когда многоканальный разряд горит между струей электролита и электролитической ячейкой турбулентное смешивание наблюдается как на поверхности так и внутри электролита.

На базе комплексных экспериментальных исследований разработаны и созданы устройства струйного МР между твердым катодом и электролитическим анодом для реализации новых технологических процессов обработки материалов.

Обобщение характеристик МР позволили проводить инженерные расчеты технологических установок со струйным многоканальным разрядом между обрабатываемым телом - катодом и электролитическим анодом.

В пятой главе представлены физические модели горения и математические модели зажигания струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами в процессах обработки твердых тел.

Физические модели построены, когда металлический анод находится над или внутри электролитического катода. Из анализа экспериментальных данных и физической модели выявлен возможный механизм горения многоканального разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом. Определены основные физические процессы, которые определяют возможный механизм горения струйного многоканального разряда между твердым анодом и электролитическим катодом.

Математическая модель зажигания многоканального разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом (обрабатываемое тело) построена на основе измерений плотности тока на электролитическом катоде. Физические и математические модели позволяли установить возможные механизмы зажигания и горения струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами в процессе модификации материалов и изделий.

Шестая глава посвящена разработке технологических процессов модификации материалов и изделий струйным многоканальным разрядом при атмосферном давлении.

Установлено, что наиболее целесообразным является применение струйных многоканальных разрядов атмосферного давления для глубокой очистки с одновременной полировкой перед формированием высоко качественных покрытий на поверхности материалов, одностадийное получение металлического порошка, насыщения металлов и сплавов для повышения микротвердости, износостойкости и коррозионностойкости, упрочнения металлов, нанесения тонких пленок, локального воздействия на материалы и изделия.

Созданный комплекс оборудования и технологических процессов позволили повысить качество, надежность и долговечность материалов и изделий машиностроения.

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач, имеющих большое народнохозяйственное и социальное значение и заключающуюся в создании комплекса новых процессов модификации материалов и изделий для улучшения эксплуатационных, потребительских и технологических свойств изделий, с применением струйного многоканального разряда между твердым и электролитическим электродами, а также между струей электролита и твердым телом, непроточным электролитом и струей электролита.

На защиту выносятся:

1. Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым анодом (обрабатываемое тело) и электролитическим катодом (непроточные и проточные) при атмосферном давлении.

2. Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым катодом (обрабатываемое тело) и электролитическим анодом (непроточные и проточные) при атмосферном давлении.

3. Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик струйного многоканального разряда между твердым телом и струей электролита, между электролитом и струей электролита.

4. Физические модели горения и математические модели зажигания струйного многоканального разряда в процессах модификации материалов.

20

5. Технологии модификации поверхности материалов с применением струйного многоканального разряда между твердым (обрабатываемое тело) и электролитическим электродами при атмосферном давлении, позволяющие за счет эффективной обработки регулировать эксплутационные свойства материалов и изделий.

6. Результаты обобщения В АХ многоканального разряда между электролитическим катодом и твердым анодом, а также между электролитическим анодом и твердым катодом в широком диапазоне изменения напряжения и тока разряда, межэлектродного расстояния в процессе обработки материалов и изделий при атмосферном давлении.

Выводы

1. В результате проведенных комплексных экспериментальных исследований в процессе обработки материалов обнаружены новые формы многоканальных разрядов при атмосферном давлении: жгутообразный многоканальный разряд, многоканальные разряды вдоль и внутри дробленных струй, распространение многоканальных разрядов на поверхности твердых тел, в объеме электролита и пористых материалов, объемный разряд между плазменным шлейфом и электролитическим катодом, объемный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым обрабатываемым телом, которые позволяют эффективно производить модификацию поверхности материалов и изделий (очистку с одновременной полировкой, одностадийное получение оксидного порошка, упрочнение поверхности и газонасыщение металлов, нанесение тонких пленок металлов).

2. Установлено, что в процессе обработки твердого тела при 2,5 < I <4 Аи5</<15 мм отдельные каналы разряда образуют поперечные волны и на некотором расстоянии от центра происходит наложение этих волн. С дальнейшим ростом тока (I = 5 А) происходит переход поверхностной ряби в бурлящую и вспененную зону турбулентного смешения плазмы и электролита, которая позволила производить очистку с одновременной полировкой поверхности крупногабаритных и труднодоступных изделий в случае струйного многоканального разряда между твердым обрабатываемым катодом и электролитическим анодом.

3. Экспериментальные данные обобщены в диапазоне параметров: 500 и< 5000 В, 0,5 < / < 5 А и 5 < / < 50 мм (электролитический катод); 600 < 17

1500 В, 2 < I < 10А и 5 < / < 15 мм (электролитический анод). Найдено критериальное уравнение для обобщения ВАХ струйного многоканального разряда между проточным электролитическим катодом (техническая вода) и стальным анодом (Ст.45) для различных межэлектродных расстояний. Найдено критериальное уравнение для обобщения ВАХ струйного многоканального разряда между проточным электролитическим анодом (0,05% раствор ИаС1 в очищенной воде) и металлическим охлаждаемым катодом (Ст.45) для различных межэлектродных расстояний. Максимальное среднеквадратическое отклонение экспериментальных значений напряжения разряда от расчетных значений составляет менее 10%. Результаты обобщения использованы для инженерного расчета плазменных установок струйным многоканальным разрядом в процессе обработки поверхности металлов и сплавов.

4. Построены физические модели горения струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов, когда обрабатываемое твердое тело находится над или внутри электролитического катода. Установлено, что модификация поверхности металлов и сплавов является следствием физических процессов, происходящих в струйном многоканальном разряде между обрабатываемым телом и электролитическим электродами. Созданы математические модели зажигания струйного многоканального разряда в процессе обработки твердых тел.

5. Разработаны и созданы устройства струйного многоканального разряда между твердым обрабатываемым телом и электролитическим электродами для реализации технологических процессов обработки материалов: различные варианты однострунных и многоструйных устройств, а также разрядные устройства со струйными электролитическими электродами.

6. Результаты проведенных исследований струйного многоканального разряда в процессе обработки материалов позволили создать технологические процессы модификации материалов и изделий:

- Плазменной очистки и полировки поверхности металлов и сплавов, что позволило убрать механические и литьевые дефекты с поверхности твердых тел материалов и изделий для формирования высококачественных покрытий с заданными свойствами.

- Одностадийного получения оксидного порошка, что позволило сократить время получения Без04 по сравнению с пяти стадийным химическим методом -в 10 раз.

- Упрочнения поверхности, что позволило увеличить микротвердость по Викерсу НУ50 углеродистых и инструментальных сталей в среднем в 4 раза при глубине упрочненного слоя 0,9 ^ 1,5 мм по сравнению с исходным материалом.

- Плазменного газонасыщения металлов, что позволило увеличить износостойкость медицинских инструментов в 2 раза по сравнению с исходными образцами.

- Локальной и ступенчатой обработки поверхности материалов и изделий, что позволило получить заданную шероховатость на поверхности твердых тел, прошивку и резку металлов.

- Нанесения тонких пленок металлов на диэлектрическую подложку при атмосферном давлении, что позволило существенно увеличить адгезионную прочность пленки в 2 - 4 раза по сравнению с адгезионной прочностью при вакуумном напылении пленок.

7. Создан комплекс оборудования и технологических процессов, позволяющий решить важную народнохозяйственную задачу повышения качества, надежности изделий промышленности путем получения новых свойств материалов и изделий и получить экономический эффект 10 млн. руб.

353

1. Грановский B.JI. Электрический ток в газе / установившийся ток / B.J1. Грановский // М.: Наука, 1971. С. 543.

2. Капцов H.A. Электрические явления в газах и вакууме / Н.А Капцов // М.: Л.: Гостехиздат, 1950. С. 836.

3. Капцов H.A. Электроника / H.A. Капцов // М., Гостехиздат, 1956. С. 459.

4. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах / Л.Леб /У Пер. с англ. / Под ред. Капцова H.A. М.: Л.: Гостехиздат, 1950. С. 672.

5. Энгель А. Физика и техника электрического разряда в газах / А.Энгель, М. Истеенбек // Пер. с нем. / Под. ред. Капцова H.A. М.: Л.: ОНТИ, 1936.315с.

6. Энгель А. Ионизованные газы / А.Энгель // М.: Физматгиз, 1959. С. 332.

7. Мик Дж. Электрический пробой в газах / Мик Дж., Крэгс Дж. // М.: ИЛ, 1960.-С. 601.

8. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда / С.Браун // М.: Госатомиздат, 1961. С. 323.

9. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах / Г. Ретер // М.: Мир, 1968. -С. 390.

10. Смирнов Б.М. Физика ионизованного газа / Б.М. Смирнов // М.: Наука, 1972. 450 с.

11. П.Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов /

12. Ю.П. Райзер // М.: Наука, 1980. С. 416. 12.Райзер Ю.П. Физика газового разряда / Ю.П. Райзер // М.: Наука, 1987. -С. 591.

13. З.Королев Ю.Д. Электронные и взрывные процессы в газовом разряде / Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц // Новосибирск: Наука, 1982. С. 255.

14. Лозанский Э.Д. Теория искры / Э.Д. Лозанский, О.Б. Фирсов // М.: Энергоатомиздат, 1975. С. 272.

15. Ховатсон A.M. Введение в теорию газового разряда / A.M. Ховатсон// //Пер. с англ./ М.: Атомиздат, 1980. С. 180.

16. Энциклопедия низкотемпературной плазмы М.: Наука, Вводный том. Книга II. 2000. С. 668.

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

18. Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме / Д.И. Словецкий//М.: Наука, 1980. С. 310.

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

20. Гайсин Ф.М. Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами / Ф.М. Гайсин, Э.Е. Сон, Ю.И. Шакиров М.: Изд -во ВЗПИ, 1990. С. 90.

21. Гайсин Ф.М. Исследование электрического пробоя воздуха между электролитом и металлическим электродом / Ф.М. Гайсин, Ф.А. Гизатуллина // Низкотемпературная плазма. Казань. 1983. С. 43 - 51.

22. Taylor G. S. The atability of horizontal fluid interface in a vertical electric field /G.S. Taylor, Mc A.D. Ewan//J. Fluid Mech. 1965. vol. 22, pt. 1.-P. 1-16.

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

24. Факторович A.A. Электрические , разряды в электролитах // Электрохимическая обработка металлов /A.A. Факторович, Е.К. Галанина// Кишинев. Штиинца, 1971. С. 122 -130.

25. Gubkin J. Electrolytische Metallabscheidung an der früen Oberffläche einer Salzlösung / J.Gubkin // Ann. Phys. 1887. BD 32. - P 114-115.

26. Stark J. Cassutoll. Der Licht boden zwischen gekühlton Electroden / J. Stark // Zeit Phys. 1904 BdS, - № 10.-P. 1212-1219.

27. Sternberg Z.W. Discharges with agualous solution as cathode / Z.W. Sternberg // XII Jugoslav Summer Sch. and Int. Symp. Phys. Ionized. Gases. 84. Sibenik. Contrib. Pap. Fnd Abstr. Invite. Lect and Progr. Repft. Belgrade, 1984. P. 392 -395.

28. Гюндершульце А. Электролитические конденсаторы / А. Гюндершульце, Г.Бетц//М.: Оборонгиз, 1938. - С. 264.

29. Капцов H.A. Коронный разряд / H.A. Капцов // М.: Гостехатомиздат, 1947.-С. 450.

30. Словецкий Д.И. Механизм плазменно электролитного нагрева / Д.И. Словецкий, С.Д. Терентьев, В.Г. Плеханов// Теплофизика высоких температур. 1986. - Т.24 - №2. - С. 353-363.

31. ЗЬГайсин Ф.М. Исследование электрических и тепловых характеристик самостоятельного разряда с жидким катодом / Ф.М. Гайсин, Ф.А. Гизатуллина// М., 1983. Деп. В ВИНИТИ. 4.03.83 № 1151 - 83,- С. 19.

32. Гайсин Ф.М. Тепловые и электрические характеристики разряда между электролитом и медным анодом / Ф.М. Гайсин, Ф.А. Гизатуллина // Тепло и массообмен в химической технологии: Межвуз. Сб. Казань, 1983. - С. 55-58.

33. Гайсин Ф.М. Энергетические характеристики разряда в атмосфере между электролитом и медным анодом / Ф.М. Гайсин, Ф.А. Гизатуллина, Р.Р.Камалов // Физика и химия обработки материалов, 1985. № 4. - С. 5864.

34. Гайсин Ф.М. Характеристики самостоятельного тлеющего разряда в воздухе при атмосферном давлении/ Ф.М. Гайсин, Ф.А. Гизатуллина, Г.Ю. Даутов // Тез. доклад Всесоюз. конф. по физике низкотемпературной плазмы. Л.: 1983, С. 33-35.

35. Plante G.// Zeit. Phys. 1875.- №80.- Р. 1133-1138.

36. Сапрыкин В.Д. О природе свечения прианодного слоя при электролизе с выносным анодом / В.Д. Сапрыкин // Электрохимия, 1965. Т.1. - №2. - С. 234-236.

37. Сапрыкин В.Д. Некоторые вопросы, связанные с электролизом в присутствии низкотемпературной плазмы / В.Д. Сапрыкин// МГУ, 1971. -С. 77-80.

38. Сапрыкин В.Д. О низкотемпературном электрическом разряде в электролитах / В.Д. Сапрыкин // Изв. АН УЗ. ССР. Сер. физ. мат. наук, -1965.-№1.-С. 76-80.

39. Sternberg Z. Hing current glow discharge with electrolyte as cathode / Z. Sternberg // Inst. Elect. Eng., 1970. P. 68 - 71.

40. Петров Г.П. Исследование разряда с жидким катодом / Г.П. Петров, Ф.А. Сальянов, Г.А. Меркурьев // Тр. Казан. Авиац. Ин-та, 1974. Вып.173. С. 11- 15.

41. Лазаренко Б.Р. Об особенностях электролитного нагрева при анодном процессе / Б.Р. Лазаренко, В.Н. Дураджи, A.A. Факторович // Электронная обработка материалов, 1974. № 3. - С. 37-40.

42. Поляков О.В. Некоторые закономерности воздействия микроразрядов на электролите / О.В. Поляков, В.В. Баковец // Химия высоких энергий. М., 1983. Т. 17. - №4. - С. 291 - 295.

43. Анагорский Л.А. Нагрев металлов в электролите / Л.А. Анагорский// Новое в электрофизической и электрохимической обработке металлов. М.: Машиностроение, 1966. С. 124-141.

44. Тазмеев Б.Х. Электрические и тепловые характеристики генераторов неравновесной газоразрядной плазмы с жидкими электродами / Б.Х. Тазмеев // Дис. на соискание уч. ст. канд. тех. наук, Казань, 2000. С. 170.

45. Хакимов Р.Г. Характеристики плазменной электротермической установки с жидкими электродами / Р.Г. Хакимов // Дис. На соискание уч. ст. канд. тех. наук. Санкт-Петербург, 1993. С. 182.

46. Баринов Ю.А. Экспериментальное исследование разряда с жидкими электродами в воздухе при атмосферном давлении / Ю.А. Баринов, И.О.

47. Блинов, Г.А. Дюхев, С.М. Школьник // Материалы конф. «Физика и техника плазмы». Беларусь: Минск, 1994. Т.1. - С. 123 - 126.

48. A.c. № 1199827 СССР. Электролит для получения никелевого порошка / Андрюшенко А.Н., Орлова Е.А., Шалыгина Е.М., Филатов A.B. Бюл. № 047.23.12.85.

49. Стрейкова И.К. Окисление красителей в водном растворе под действием тлеющего и диафрагменного разряда / И.К. Стрейкова, А.И. Максимов // Материалы 9 школы по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ. Иваново: ИГХТУ, 1999. С. 128-129.

50. Аверьянов Е.Е. Справочник по анодированию / Е.Е. Аверьянов // М., -1986. С. 300.

51. Беломеев B.JL Лидерный разряд по поверхности воды в виде фигур Лихтенберга / В.Л. Беломеев // ИЖТФ, 1998. № 11. - С. 63 - 66.

52. Горячев В.Л. О некоторых свойствах импульсно-периодического разряда с энергией в импульсах 1 Дж в воде, применяемого для ее очистки /В.Л. Горячев, Р.Г. Рудберг, В.Н . Редюнович // ТВТ, 1996. Т. 34. - С. 146.

53. Сихарулидзе Г.Т. Генерация плазменной струи из жидкости. Черноголовка / Г.Т. Сихарулидзе, А.Е. Лежнев // ПТЭ, 1997. №2. - С. 85 -88.

54. Хлюстова A.B. Коэффициенты эмиссии электронов из раствора электролита / A.B. Хлюстова, А.И. Максимов, В.А. Титов // Иваново: Ин-т химии Растворов РАН, 1999. С. 106 - 07.

55. Хлюстова A.B. Электрические характеристики тлеющего разряда с электролитным катодом и механизм эмиссии электронов из раствора вплазму / A.B. Хлюстова, А.И. Максимов U Иваново: Ин-т химии растворов РАН, 1999.-С. 132-134.

56. Denaro A.R., Hiding A. Glow discharge electrolysis in aqueous solutions / A.R. Denaro, A. Hiding // J. Electrochem. Soc. 1958. - V. 105. - № 5. - P. 265-270.

57. Хлюстова A.B. Процессы переноса компонентов растворов электролитов в зону плазмы тлеющего разряда атмосферного давления / A.B. Хлюстова, А.И. Максимов, В.А. Титов // Иваново: Ин-т химии растворов РАН, 1999. -С. 110-111.

58. Даутов Г.Ю. Плазматроны со стабилизированными электрическими дугами / Г.Ю. B.JI. Даутов, Дзюба, И.Н. Карп // Киев: Наукова Думка, 1984.-С. 168.

59. Гайсин Ф.М. Электрофизические процессы в разрядах с твердыми жидким электродами / Ф.М. Гайсин, Э.Е. Сон// Свердловск: Изд-во Уральского ун-та, 1989.-С. 432.

60. Хасуй А. Техника напыления / А. Хасуй // М.: Машиностроение, 1982. -С. 215.

61. Оулет Р. Технологическое применение низкотемпературной плазмы / Р. Оулет, М. Барбье, П.Черемисинофф и др // М.: Энергоатомиздат, 1983. -С. 144.

62. Анциферов В.Н. Порошковая металлургия и напыление покрытия / В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, JI.K. Дружинин // М.: Металлургия, 1987. С. 792.

63. Хлюстова A.B., Максимов А.И. Электрические характеристики тлеющего разряда с электролитным катодом и механизм эмиссии электронов из раствора в плазму / A.B. Хлюстова, А.И. Максимов Иваново: Ин-т химии растворов РАН, 1999. С. 132 - 134.

64. Трапезников В.А. Физика металлов и металловедение / В.А. Трапезников, A.B. Евстафьев, В.П. Сапожников// 1973. Т.36. - №3. - С. 1293 - 1305.

65. Майселла JI. Технология тонких пленок. / Л. Майселла, Р. Глнега// Справочник. Пер. с. англ. М.: Сов. Радио, 1977. С. 664.

66. Берман Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / Р. Берман// Пер. с англ. М.: Мир, 1984. С. 336.

67. Диденко А.Н. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов / А.Н. Диденко, А.Е. Лигачек, И.Б. Курагин// М.: Энергоатомиздат, 1987.-С. 183.

68. Ивановский Г.Ф. Ионно плазменная обработка материалов / Г.Ф. Ивановский, В.И. Петров// М.: Радио и связь, 1986. - С. 232.

69. Абронян И.Л. Физические основы электронной и ионной технологии / И.Л. Абронян, А.Н. Андропов, А.И. Титов // М.: Высшая школа, 1984. -С. 320.

70. Хирвонена Дж. К. Ионная имплантация. / Дж. К. Хирвонена // Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. С. 392.

71. Wells A. Sputtring and Redeposition of cathode material during plasma nitriding / A. Wells, I. Le R. Strydem // Surface Engineering. 1986. - Y.2. -№4.-P. 263-267.

72. Айненрук H. Плазменная технология в производстве СБИС / Н. Айненрук, Д. Браун// Пер. с англ. М.: Мир, 1987. С. 470.

73. Геворкян А.Г. Воздействие плазмы высокочастотного безэлектродного разряда на поверхность стекла / А.Г. Геворкян, М.И. Абаева, А.Е. Чмель, Г .Г. Юшина // Журн. тех. физика, 1987. Т.7. - Вып. 10. - С. 2042-2044.

74. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок / Б.С. Данилин // М.: Энергоатомиздат, 1982. С. 232.

75. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы / Б.М. Смирнов // М.: Энергоатомиздат, 1982. С. 232.77,Оулет Р. Технологическое применение низкотемпературной плазмы / Р. Оулет, М. Барбье, Черемисинофф// М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 144.

76. Рыкалин H.H. Высокотемпературные технологические процессы / H.H. Рыкалин, A.A. Углов, Л.М. Авищенко// Теплофизические основы. М.: Наука, 1985.-С. 172.

77. Дембовский В. Плазменная металлургия / В. Дембовский // М.: Металлургия, 1981. С. 280.

78. Цветков Ю.В. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления / Ю.В. Цветков, С.А. Панфилов // М.: Наука, 1980. С. 360.

79. Белеуш Дж. Радиационный процессы в плазме / Дж. Белеуш// М.: Мир, 1971.-С. 438.

80. Слухоцкий А.Е. Установки индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, A.B. Павлов, A.B. Башунбэр //Л.: Энергоиздат, 1981. С. 328.

81. Гиппиус A.A. Диагностика низкотемпературной плазмы по спектрам ее собственного излучения в СВЧ и субмиллиметровом диапазонах / A.A. Гиппиус, Л.С. Павлова, В.М. Полякова// М.: Энергоиздат, 1981. С. 135.

82. Канторович И.И. Влияние теплообмена излучением на тепловое состояние разрядных камер / И.И. Канторович, Л.М. Сорокин, Л.И. Севковская, Л.А. Вегер // Физика и химия обработки материалов, 1988. № 3. - С. 60 - 65.

83. Малыгин Б.В. Магнитное управление рессор и пружин / Б.В. Малыгин, С.А. Тихонов, С.А. Мендельсон// Машиностроитель, 1988. № 7. - С. 20 -21.

84. Митчнер М. Частично ионизированные газы / М. Митчнер, Ч. Кругер // М.: Мир, 1976.-С. 496.

85. A.c. № 1582464 СССР Способ получения металлического порошка // Гайсин Ф.М., Хакимов Р.Г., Шакиров Ю.И. Пол. реш. заявки № 4336058/31-02 СССР от 28.07.84.

86. А.С. № 11966419 СССР Анодное устройство для получения металлического порошка / Бондаренко A.B., Хаустов В.Л., Бозалеей В.П., Бруслицвен С.А. Бюл. № 45, 07.12.85.

87. A.C. № 1177397 СССР Устройство для получения металлического порошка / Волосюк Ю.М., Черных С.Н., Бюл. № 33, 07.09.85

88. Жуков М.Ф. Исследование поверхностных разрядов в электролите / М.Ф. Жуков, Ж.Ж. Замбалаев, Г.Н. Дандарон // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук, 1984. № 1. - С. 100 - 104.

89. Кужков A.M. Вакуумно плазменное и плазменно - растворное модифицирование полимерных материалов / A.M. Кужков, А.Г. Захаров,

90. A.И. Максимов // М.: Наука, 2004. С. 486.

91. Дураджи В.Н. Нагрев металлов в электролитной плазме / В.Н. Дураджи, Парсаданян // Кишинев: Штиинца, 1988. С. 199.

92. Шапошникова В.А. Исследование метана в газовом разряде / В.А. Шапошникова//Автореф. дис. канд. хим. наук. Казань, 1951. С. 35.

93. A.c. 1445545. Способ получения высоковольтного разряда / Гайсин Ф.М., Залялов Н.Г. Приоритет изобретения 2.06.1986.

94. Даутов Г.Ю. Генераторы неравновесной газоразрядной плазмы / Г.Ю. Даутов, Б.А. Тимеркаев // Казань: Фэн, 1996. С. 199.

95. Аверьянов Е.Е. Плазменное анодирование в радиоэлектронике / Е.Е. Аверьянов //М.: Радио и связь, 1983. С. 80.

96. Абдуллин И.Ш. Высокочастотная плазменно струйная обработка материалов при пониженных давлениях / И.Ш. Абдуллин, B.C. Желтухин Н.Ф. Кашапов // Казань: Изд-во КГУ, 2000. - С.348.

97. Лазаренко Б.Р. Коммутация тока на границе металл электролит / Лазаренко Б.Р. // Кишинев: Штиинца, 1971. - С. 75.

98. Лазаренко Б.Б. Вольтамперные характеристики электрического разряда между металлическим и электролитическим электродами / Б.Б. Лазаренко,

99. B.М. Дураджи, A.A. Факторович // Электронная обработка материалов, 1972.-№3(45).-С. 29-33.

100. Гайсин Ф.М. Критериальное обобщение результатов экспериментальных исследований тепловых и электрических характеристик тлеющего разряда / Ф.М. Гайсин, Х.Г. Мухамадияров, P.P. Камалов // Инж-физ. журн, 1983. Т.44. - №3. - С 432 - 437.

101. Поляков O.B. Физико химические процессы в водных растворах, аницируемые анодными микроразрядами / О.В. Поляков // Кемерово, 1989.-С. 201.

102. Амирханова H.A. Исследование закономерностей электролитно -плазменного полирования жаропрочного сплава ЭП718 / H.A. Амирханова, В.А. Белоногов, Г.У. Белоногова // Металлообработка, 2003. -№ 6.- С. 6-20.

103. Амирханова H.A. Электролитно плазменное полирование меди и ее сплавов / H.A. Амирханова, В.А. Белоногов, Г.У. Белоногова// Электронная обработка металлов, 2001. - №3. - С. 4 - 10.

104. Гайсин А.Ф. Паровоздушные разряды между электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. М., 2005. Т, 43, №1.-С. 5- 10.

105. Гайсин А.Ф. Паровоздушный разряд между электролитным анодом и металлическим катодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин // Теплофизика высоких температур. М., 2005. Т. 43, №5. - С. 684 - 690.

106. Гайсин А.Ф. Паровоздушный разряд с пористым электролитическим катодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин, Х.К. Тазмеев. // Теплофизика высоких температур. М., 2005. Т. 43, №6. - С. 813 - 819.

107. Гайсин А.Ф. Энергетические характеристики паровоздушного разряда с электролитическими и пористо электролитическими электродами. / А.Ф. Гайсин, М.Ф. Ахатов, Х.К. Тазмеев // Физика химия обработки материалов. М., 2005, №6, С. 32-35.

108. Гайсин А.Ф. Многоканальный разряд между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин // Теплофизика высоких температур. М., 2006. Т. 44, №3,- С. 5- 10.

109. Гайсин А.Ф. Нестационарный многоканальный разряд между струй электролита и металлическим электродом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин // Теплофизика высоких температур. М., 2006. - Т.44, №5 -С. 344-348.

110. Гайсин А.Ф. Об особенностях многоканального разряда с твердым и электролитическим электродами при атмосферном давлении. / А.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур, М., 2007. Т. 45, №2. С. 316-317.

111. Решение о выдаче патента на изобретение от 24.05.2007. /А.Ф. Гайсин. Способ получения многоканального разряда (варианты), заявка № 2006117472 от22.05.2006.

112. Пб.Гайсин А.Ф. Струйный многоканальный разряд с электролитическими электродами в процессах обработки твердых тел. / А.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин, Ф.М. Гайсин // Казань. Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2006. -446 с.

113. Gaisin A.F. Plasma electrolyte processing in machinery construction. / A.F. Gaisin, N.F. Kashapov // IV international conference «Plasma Physics and Plasma Technology». - Minsk, Belarus. - September 15-19. - 2003. - P.491-494.

114. Гайсин А.Ф. Устройство для активации воды / А.Ф. Гайсин, М.Ф. Ахатов, Р.К. Галимова и др. // Материалы междунар. молодежной научной конф. «XII Туполевские чтения»/ КГТУ им. А.Н Туполева. - Казань, 2004. - С. 3-4.

115. Гайсин А.Ф. Многоканальный разряд с жидким катодом / А.Ф. Гайсин, М.Ф. Ахатов, В.А. Савельев // Материалы междунар. молодежной научной конф. «XII Туполевские чтения»/ КГТУ им. А.Н. Туполева. -Казань, 2004. С. 22-23

116. Гайсин А.Ф. Паровоздушные разряды между жидкими неметаллическими электродами / А.Ф. Гайсин, М.Ф. Ахатов, В.А. Савельев // Материалы междунар. молодежной научной конф. « XII Туполевские чтения»/ КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2004. - С. 2324.

117. Гайсин А.Ф. Особенности нанесения жаростойких многокомпонентных покрытий на лопатки ГТУ / А.Ф. Гайсин, Н.С. Петелькина // Материалы междунар. молодежной научной конф. «XII Туполевские чтения»/ КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2004. - С. 45-46.

118. Гайсин А.Ф. Генераторы неравновесной плазмы с пористым электролитическим катодом / А.Ф. Гайсин, М.Ф. Ахатов, Б.Х. Тазмеев и др. // Материалы междунар молодежной научной конф «XII Туполевские чтения»/ КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2004. Т. 2. С. 56.

119. Гайсин А.Ф. Основные физико-химические процессы в плазменно-электролитных разрядах / А.Ф. Гайсин, Р.Н. Кашапов //Материалы VI междунар. симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии, — Иваново: Ивановск. гос. хим тех. ун-т, 2005. - С. 99-102.

120. Гайсин А.Ф. Метод получения ферромагнитного порошка при помощи низкотемпературной плазмы / А.Ф. Гайсин, А.З. Гумеров, И.М. Нуриев // Материалы межвузовской научно-практич. конф. «Вузовская наука -России». Наб.Челны: Изд-во КамПИ, 2005. - С. 57-60.

121. Гайсин А.Ф. Струйный паровоздушный разряд между электролитическим и металлическим электродами для очистки поверхности металлов и сплавов / А.Ф. Гайсин, М.Ф. Ахатов //

122. Материалы IV международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново: Ивановск. гос. хим.-тех. ун-т. 2005. С. 618-620.

123. Гайсин А.Ф Многоканальные разряды и их практические применения / А.Ф. Гайсин, Ф.М. Гайсин // Сб. трудов 2-й междунар. научно-практич. конф. «Исследование, разработки и применение высоких технологий в промышленности». СПб., 2006. - Т. 5. - С. 219.

124. Гайсин А.Ф. Паровоздушный разряд между струями электролита // Сб. трудов 2-й междунар. научно-практич. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». -СПб., 2006. Т. 4. - С.145-146.

125. Gaisin A.F. Strengthening of metal samples surfaces by multichannel discharge. Conference organizers / A.F. Gaisin, A.Z. Gumerov, I.M. Nuriev // Plasma Physics and Plasma Technology. Contributed papers. Minsk, Belarus 2006. -P.457.

126. Gaisin A. F. Multichannel discharge and plasma-electrolyte boundary / A.F. Gaisin // Plasma Physics and Plasma Technology. Contributed papers. Minsk, Belarus, 2006. -P. 62-64.

127. Gaisin A.F. Initiation of multichannel discharge between electrolyte anode and metal cathode / A.F. Gaisin, A.Z. Gumerov // Plasma Physics and Plasma Technology. Contributed papers. Minsk, Belarus, 2006. - P. 65-67.

128. Gaisin A F. No stationary propogating multichannel discharges with flowing and no flowing electrolyte / A.F. Gaisin // Plasma Physics and Plasma Technology. Contributed papers. Minsk, Belarus, 2006. - P. 68-69.

129. Gaisin A.F. Multichannel discharge with two electrolyte jets / A.F. Gaisin // High technology plasma processes. HTTP9 Book of abstracts. SPb., 2006. P. 67.

130. Гайсин А.Ф. Многоканальный разряд между электролитическими струями при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин, А.Р. Шайдуллина // Материалы междунар. молодежной науч. конф. «XIV Туполевские чтения»/ КГТУ им.А.Н. Туполева. Казань, 2006. - Т. 2. -С.157-158.

131. Gaisin A.F. Raleigh-Taylor Instability in the Glow Discharge with Liquid Electrode./A.F. Gaisin, E.E. Son, F.M. Gaisin // 10th International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing. Book of Abstracts. Paris, France, 2006.-P. 145.

132. Гайсин А.Ф. Струйный многоканальный разряд между электролитическим катодом и металлическим анодом в процессах модификации поверхности / А.Ф. Гайсин // Препринт; Казанский государственный технологический университет. Казань, 2006. - 16 с.

133. Гайсин А.Ф. Струйный многоканальный разряд между электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин // Препринт; Казанский государственный технологический университет. Казань, 2006. - 16с.1. УТВЕРЖДАЮ»

134. Основные результаты и научно-техническая значимость выполненной работы.

135. На ОАО Казанский завод «Электроприбор» проведены упрочнения опытных образцов деталей из стали: Ст.45, Ст.40Х и СтУ8.

136. Проведенные испытания показали, что упрочнение поверхности образцов позволяет увеличить микротвердость по Викерсу НУ50 в среднем 4 раза при глубине слоя 0,9-Я ,5мм по сравнению с исходным образцом.

137. Внедрение исследований в практику.

138. Технологический процесс предусматривает плазменную обработку деталей штамповой оснастки с целью увеличения стойкости к износу.

139. Применение плазменной технологии позволяет увеличить ресурс штамповой оснастки, стабильность размеров получаемых деталей, а так же перейти на менее дорогостоящие материалы для изготовления оснастки.

140. Технико-экономический расчет основан на определении экономического эффекта за счет уменьшения потребности в дублировании оснастки (увеличения ресурса), сокращения затрат на материалы и уменьшения себестоимости изготовления.

141. Результаты расчета сведены в таблицу 1.

142. Результаты расчета экономической эффективности.