Ударно-волновая природа воздействия энергии при ее модуляции на эффективность некоторых высокотемпературных процессов плазменной и лазерной технологии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

" ^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

. , ^ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ им. А.А. БАЙКОВА

На правах рукописи

ДК 533.9

ГУТМАН Борис Ефимович

УДАРНО-ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ ЕЕ МОДУЛЯЦИИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОЙ И ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Специальность 01.04.08 - Физика и химия плазмы.

ДИССЕРТАЦИЯ

в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Душанбинском пединституте, Институте металлургии ии A.A. Байкова РАН и Иерусалимском Университете.

Научный консультант доктор технических наук, профессор М.Х. ШОРШОРО!

Официальные оппоненты:

Академик АТН, доктор технических наук, профессор А.А. УГЛОВ Доктор технических наук, профессор И.Д. КУЛАГИН Доктор технических наук М.М. НИКИТИН

Ведущая организация - Раменское приборостроительное конструкторское бюр

Защита диссертации состоится " г? 1 "сл4->сГ¿ьсА>Я995 г. в 10 часов на заседай! специализированного совета Д.003.15.02 в Институте металлургии им. А^ Байкова РАН (117911, Москва, ГСП-1, Ленинский просп., 49)

Автореферат разослан "сс^/х-гл^4 1995 г. Справки по телефону 135-96-69

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Актуальность провлемы.

Применение плазменной технологии нанесения покрытий определяется в основном нуждами обороны и аэрокосмической индустрии, автомобильной, газо-турбинной, текстильной и в особенности нуждами ремонта реактивных двигателей: Например в 1976г. в США, продажа оборудования и материалов была 70'10б дол. США. Сегодня по этим позициям речь идет о 275*10" дол.США(см. табл.№1).

Табл.1

использователи ежегодная продажа в миллионах

покрытий долл. США

США Другие страны

мастерские 410 910 изготовители

двигателей 160 280 военное

применение 45 60

другие 15 20

Общие 630 1,260 поставки оборудования,

систем и материалов 275 430

Таким образом, рынок, оцениваемый 1,7'109долл.США диктует необходимость развития новых технологий плазменного напыления.

С другой стороны, существующие на Западе процессы и оборудование базируются на конвенциональных плазмотронах н технологии, мало отличающейся от запатентованной GageД.M. в1957г. в США(№ 2.806.124).

Разработка и получение нового типа плазменной струи с быстро перемещающимися в ней возмущениями, создаваемыми импульсами тока, лазерного излучения, взрывом и т.д. позволяет существенно улучшить ряд параметров процесса и создать новые области применения.

Новый тип плазменной струи позволяет устранить недостатки плазменной технологии:

Снизить потери напыляемого порошка, составляющие ныне 30-50%.

Уменьшить содержание окислов в покрытии до минимального, даже при напылении в неконтролируемой атмосфере.

Открываются возможности регулирования фракции напыляемых частиц, вплоть до ультрадисперсной, в период напыления.

Существенно повысить адгезию и снизить газопроницаемость покрытия.

Поднять энтальпию плазменной струи и скорости напыляемых ультрадисперсных частиц.

В представляемой диссертации описываются результаты исследования по взаимодействию модулированной импульсами тока и детонацией плазменной струи с веществом, применительно к плазменному напылению и резке, взаимодействию импульса лазерного излучения с углеводородами.

Такая постановка проблемы, вместе с сопутствующими исследованиями, позволяет подойти к более глубокому пониманию элементов эффективной технологии взаимодействия ударного возмущения с веществом.

Основная цель работы состояла в разработке ударно-волновых методов

управления дугой в плазматронах, работающих на дешевых плазмообразующих газах(воздух, пропан) и на их основе улучшение параметров напыления и резки, использование процесса лазерной "ударной дегазации" для повышения химического КПД процесса высокотемпературной конверсии углеводородов.

Задачами работы явилось обоснование нового научного направления по использованию ударно-волновых воздействий, создаваемых модуляцией энергии излучения, тока или при детонации горючих смесей в некоторых высокотемпературных процессах плазменной и лазерной технологий с целью повышения их эффективности, опробывание и применение их на практике.

В связи с этим решались следующие задачи:

Не отходя от традиционных схем плазменных установок, подобрать источники питания с модуляторами тока дуги электродугового плазматрона постоянного тока с самоустанавливающейся длиной душ.

Изучение влияния модуляции тока дуги на параметры плазматрона и технологии нанесения покрытий.

Исследование влияния детонации на адгезию напыленного покрытия.

Разработка технологии плазменной резки с модуляцией тока дуги.

Изучениепараметров импульса теплового воздействия лазерного облучения на показатели высокотемпературной конверсии углеводородов.

Научная новизна. В исследованиях автора впервые(что, в частности, доказывается наличием авторских свидетельств, защищающих каждую главу диссертации)

Разработан метод и технология регулирования вольт-амперных, энтальпийных и эрозионных характеристик плазматрона с помощью модуляции.

Определены метод и оптимальные режимы получения покрытий с помощью модулированной плазменной струи.

Изучены условия возникновения детонации в плазматроне для получения высокой степени адгезии между покрытием и подложкой.

Проведены исследования и разработан метод плазменной резки модулированной дугой.

Установлены закономерности импульсной лазерной конверсии углеводородов в связи с использованием углеводородов в технологии напыления модулированной плазмой.

Научная н практическая ценность. Исследован ряд физических механизмов модулированной дуги и предложены обоснования, объясняющие возможности управления электр о-энталышйно-эрозионными параметрами плазматрона.

Изучены результаты взаимодействия импульсно-модулированной плазменной струи с напыляемым материалом в проволочной и порошковой форме.

Определены и изучены параметры напыленных покрытий в зависимости от режимов модуляции.

Обнаружены закономерности, связывающие эффективность напыления с режимами модуляции плазменной дуги.

Предложенные и обоснованные в работе механизмы создают фундаментальную основу для технологии нанесения покрытий в

модулированной плазменной струе.

Исследованы закономерности плазменной резки с помощью модулированной дуги.

Выявлены оптимальные режимы плазменной резки металлов импульсной дугой, вынесенной на изделие.

Использование дешевых плазмообразукяцих и транспортирующих газов на основе углеводородов для процесса плазменного напыления явилось причиной теоретического и экспериментального исследования конверсии углеводородов импульсным источником лазерного излучения.Получены фундаментальные закономерности, объясняющие высокую эффективность плазменного напыления импульсной дугой с использованием пиролиза углеводородов.

Разработанные механизмы и технологии явились основой для внедрения плазменных установок по напылению и резке в СССР и Израиле.

На защиту выносятся следующие результаты:

Результаты измерения и метод регулирования параметров модулированной плазменной сгруи(1Д-4).

Данные измерения параметров напыляемых покрытий и метод получения напыляемых покрытий с помощью модулированной плазменной струи(П,1,4,6-8).

Экспериментальные данные импульсной конверсии углеводородов с результатами макрокинетических и термодинамических расчетов конверсии(П,2,3).

Данные о результатах взаимодействия напыляемых частиц с модулированной плазменной струей(П,5).

Экспериментальные закономерности и методика повышения эффективности нанесения напыляемого порошка(П,5).

Методика использования процесса детонации для повышения адгезии системы покрытие-подложка(П,8).

Закономерности и оптимальные технологические режимы плазменной резки модулированной дугой, вынесенной на изделие(Ш).

Личный вклад автора. В представленной работе обобщены, во-первых результаты экспериментальных, теоретических и внедренческих исследований, выполненных автором как самостоятельно, так и вместе с техническим персоналом хоздоговорной или проектной группы (Душанбинский Пединститут и Иерусалимский Университет), которые автор возглавлял как специалист, доцент и руководитель проектов.

При этом автору принадлежит:

постановка проблемы в целом и задач экспериментальных исследований;

непосредственное участие в создании экспериментальных установок;

разработка методик проведения экспериментов и обработка результатов;

непосредственное проведение опытов и обработки, включая обработку результатов и их интерпретацию;

написание всех статей, докладов и отчетов;

практически единоличное авторство во всех авторских свидетельствах, защищающих все главы диссертации.

Результаты исследований, обобщенные в представляемой работе, получены автором на основе личного научного творчества.

Апробация работы. Основные результаты исследований были

представлены;

1. на Всесоюзных и региональных совещаниях, семинарах: Всесоюзная конференция по генераторам низкотемпературной плазмы(1970, Алма-Ата),Всесоюзный симпозиум по плазмохимии(20-23 декабря,1971, Москва), Всесоюзное совещание по плазмохимической технологии и аппаратостроению(1971, Москва), Всесоюзная конференция по химии ацетилена(1972кАлма-Ата), конференция молодых ученых, посвященная-5( летаю Тадж.ССР, 25-летию АН Тадж.ССР, 30-летиюИн-та Химии АН Тадж.ССР^О-летию комсомола Тадж.ССР (1974-1976, Душанбе), Всесоюзное научно-техническое совещание "Термия75 " (1975Ленинград), П Всесоюзный симпозиум по плазме (1975,Рига), Всесоюзная конференция по перспективам комплексной переработки газоконденсатов(1975, Ташкент), Всесоюзном совещание по плазменным покрытиям(1981, Тула),Всесоюзном симпозиуме по лазерной химии (1982, Звенигород), 40М Всесоюзном совещании по плазменным процессам в металлургии и технологии неорганических материалов(1983,Москва,1985,Челябинск), Всесоюзном семинаре "использование газотермических покрытий в промышленности и строительстве" (1986,Киев), на объединенном заседании коллоквиума лабораторий №16,14,24,5 ИМЕТА им. А.А.Байкова(14.10.1986, Москва), и семинаре по физике и генераторам термической плазмы ИТФ СО АН СССР (23.10.1986,Новосибирск),!! научно-техническая конференция по перспективам применения плазменной техники и технологии в металлургии и машиносгроении(1988,Челябинск).

2. на Международных конференциях в США по термическому плазменному напылению, организованных: Thermal Spray Division of ASM International, American Welding Society, International Thermal Spray Ass., Japanese Thermal Spraying Society, High Temperature Society of Japan, and Deutscher Verband fur Schweisstechnik eV:

1. ITSC-92(1992,Orlando,Florida,USA),

2. NTSC-93(1993,Anacheim,California,USA).

3. NTSC-94(1994,Boston,USA).

h. ITSC-SifWf, Хоёц За.^1

Публикация. Материалы диссертации опубликованы в 35 статьях, 10 брошурах - отчетах по проектам в СССР и Израиле, 14 расширенных и кратких тезисах докладов в трудах Всесоюзных конференций и семинаров, k статьи объемом 3 печатных листа опубликованы в США в трудах Международных конференций: ITSC-92, NTSC-93, NTSC-94, б статей переизданы за рубежом, все разделы диссертации защищены 7 авторскими свидетельствами СССР.

Структура доклада. Основное содержание научного доклада изложено в разделах:

Влияние импульсной модуляции тока дуги на параметры электродугового плазматрона с продольным вихревым обдувом и самоустанавливающейся длиной дуги(1,1-4). Влияние модуляции дуги на параметры напыления покрытий(П,1,4,6-8). Влияние термодинамики и макрокинетики процесса на показатели импульсной(лазерной) конверсии углеводородов(П,3). Использование процесса детонации в плазменном напылении(П,8). Исследование процесса плазменной резки импульсно-модулированной дугой, вынесенной на изделие(Ш).

5. Внедрение результатов работы(ГУ).

Гл.1 ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ ДУГИ НА ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАЗМОТРОНА С ПРОДОЛЬНЫМ ВИХРЕВЫМ ОБДУВОМ И САМОУСТАНАВЛИВАЮЩЕЙСЯ ДЛИНОЙ ДУГИ.

1.1 Введение н постановка задачи Повышение энтальпии плазменной струи и уменьшение эрозии электродов достигается рядом методов:

Вдувом дополнительных количеств газа.

Использование соленоидов с мапштопроводом для привязки дуги.

Акустическим воздействием на дугу.

Использование плазматронов с межэлектродной вставкой(МЭВ) и т.д.

Эти методы обладают рядом существенных недостатков:

Вдув защитного газа, усложняя конструкцию плазматрона, снижает штальпию плазменной струи.

Использование соленоидов с мапштопроводом повышает эрозию катода на 3-4 порядка.

Акустическое воздействие на дугу в стандартных конструкциях злазматронов неосуществимо.

Установки на базе плазматронов с МЭВ сложней и конструктивно этличаются от стандартных плазменных установок.

В настоящем разделе была поставлена задача существенного повышения шталышйпых и эрозионных характеристик электродугового плазматрона с :амоустанавливающейся длиной дуги без каких-либо изменений градационных конструкций плазматронов и источников питания.

1.2. Экспериментальная часть Гурбулизация режима течения плазменной струи приводит к росту гапряженности электрического поля на дуге. Процесс ранней турбулизации эежима течения организуется в данной работе импульсами тока А1, заложенными на дугу в прямой (схема сложения) и обратной полярности [схема вычитания) с определенными частотами следования \>т.Треугольные 1мпульсы тока со скоростями нарастания и убывания 107 -108А/с рождают ударные волны, взаимодействующие с дуговым разрядом и вызывающие язменепие характеристик электродугового плазмешюго генератора.

Для генерации Д1 в работе использовались тиристорные коммутаторы, собранные на быстродействующих тиристорах с индуктивно-емкостным икопителем. Открытие тиристоров осуществлялось блоком управления с частотами, задаваемыми со звукового генератора.

13. Погрешности измерения Импульсные значения тока и напряжения А1,АУ измерялись с погрешностью Ы0%, а средние ±1,6%.

Длительность импульса 1 для "сложения"-тс, тв - для "вычитания" и тстота следования импульсов модуляции- Ут измерялись с эшибкой±12-15%.

Погрешность калориметрического измерения потерь мощности на стенке Г) доставляла ±3%.

Средняя эрозия электродов в определялась со средней ошибкой ± 10%. Длина дуги Ьд определялась с погрешностью ±10%.

1.4. Экспериментальные результаты

а) пульсации источника пнтання

В экспериментах, где плазмообразующими газами служили аргон, кислород, азот, углекислый газ или воздух, установлено, что в спектре колебаний параметров электрической дуги присутствует частота у=0.3 кГц, не зависящая от рода газа. Предположили, что это частота пульсаций тока I и напряжения V мостового выпрямителя, выполненного по схеме моста Ларионова. Измерения амплитуды этих колебаний показали, что ее величина в 3-9 раз превышает амплитуду пульсаций источника, причем, амплитуда колебаний напряжения быстро возрастает с уменьшением мощности плазменной дуги. Это явление можно объяснить ухудшением условий пробоя плазменной дуги на стенку анода за счет уменьшения толщины дугового столба и роста толщины пристеночного слоя газа.

На трехсотгерцовую составляющую не влияет изменение длины анода с 0.05м до 0.105м, так как средняя длина дуги 0.05м.

б) импульсы тока и напряжения дуги

При наложении импульсов тока по схеме " сложения" Д1 и ДУ постоянны и не зависят от ум.

При наложении импульсов тока по схеме "вычитания" на ум равных собственным ус (ус =0.3кГц, 2 кГц и т.д.), значения Д1 и ДУ для крупномасштабных (КМШ) и мелкомасштабных пульсаций возрастают в 2-3 раза.Рост Д1 и Д V происходит на ум, соответствующих росту V и падению I (рис. 1).

Рис.1.а. Осциллограмма тока ¡модулированной дуги ("вычитание").

¡та ум,гц от ум при

тв =20мкс (А1/ I < 1.66), та

гт то /та /ит Рис. 1. Зависимость V и I =70мкс (Д1/ 1Я.66). Так как плазматрон работает в импульсном режиме (Рис.1.а) на Д1=103А, дуга может бьггь квалифицирована как сильноточная. В таких дугах катодное сужение разряда сопровождается значительным расширением остальной части дугового столба, атак как плотность тока.|~107-108Ам_2, то анодная привязка диффузная. Поэтому магнитное давление: ДРм=ДЦ/С^ (С-скорость звука), направленное от катодного сужения к расширению, возникающему при каждом импульсе модуляции, выбрасывает поток субстанции от катода спутно плазменной струе (схема " сложения") и перпендикулярно плазменной струе от зоны анодной привязки в момент второй коммутации (схема" вычитания").

Спутная плазменному потоку волна ДРм срывает раскачку дуги ударной

волной с давлением фронта ДРф, так какД Рм>Д Рф(А Рм~105Па). Поэтому на схеме "сложения" зависимость I и V от Ум не имеет экстремумов.

На схеме "вычитания" Д Рм не влияет па всю оставшуюся часть дугового разряда, расположенную выше диффузной анодной привязки. Поэтому, ударные волны, рождаемые импульсами модуляции, турбулизуют тепловой и пограничный слой рождая броски А1 и АУ на Ус дуги, соответствующие росту V и спаду I. Эти волны взаимодействуют с собственными колебаниями дуги. Собственная частота состоит из частот пульсаций источника, частот выброса паров материала электродов, частот крупномасштабного шунтирования- v кмш и т. д. в) длина дуги, тепловые потерн и эрозия электродов

В зависимости от соотношения ум/ус (схема "вычитания") длина дуги может изменяться (рис. 2), причем максимальной Ьд соответствует максимальное Уи Т].

Рис. 2. Зависимость длины дуги от частоты модуляции. Взаимодействие ударных волн на определенных Ум с обесточенной дугой может привести к уменьшению поперечной составляющей собственных колебаний дуги.Зазор дуга-стенка анода растет, ослабляя процесс КМШ, что способствует росту Ь д.Эгот процесс ведет к перемещению "переходного" участка к срезу анода.Если учесть, что длина анода подбиралась близкой к максимальной длине дуги (0.1м), то тепловой поток в стенку за счет конвективного и кондуктивпого теплообмена в месте смыкания теплового и пограничного слоя не мог возрастать, а потери на стенку определялись, в основном, лучистым теплообменом. При постоянной мощности на дуге (\Уд =10кВт) прирост Т| для слаботочных дуг ( 1= 50А, У= 200В) может достигать 20% (Рис.3,б).

На схеме "сложения" 3% кажущийся рост Г) происходит за счет возрастания V при I =СОПЭ1. Этот участок ВАХ получается при выбрасывании от катода импульсом магнитного давления ДРм охлажденной субстанции, способствующей сужению катодного участка дуги. Прирост вкладываемой мощности обеспечивается ростом V на Ус =0.3кГц.Поэтому эрозия катода вк не превышает(03-0.4)10~10кг/Кл. Так как Бк пропорционально I, то любое изменение I приводит к изменению

Ск катода. ¡1 .1

о «о ьоо 1000 гооо ' ^м, Ги,

Рис. 3. Зависимость Г| от ум на схеме "сложения" (а) и "вычитания" (б).

Рис. 4. Зависимость эрозии катода и анода от частоты модуляции (схема "вычитания")

На схеме " вычитания" на ус может быть еще в два раза меньшей, чем на схеме "сложения" ( Ок~0.1-0.2-Ю_10кг/Кл) за счет переброски полярности на катоде в момент второй коммутации, приводящей к ослаблению ионной бомбардировки катода (рис. 4).

В момент второй коммутации на аноде появляется отрицательный потенциал. Участок анода, нагретый в режиме привязки дуги, становится эмиттером электронов и подвергается бомбандировке положительными ионами. В этот момент анод можно рассматривать как "катод". На "катоде возникают нестационарные катодные пятна, уровень эрозии в которых гораздо больший, чем в "анодных" пятнах. Поэтому на ус =0.3 кГц, эрози анода возрастает до 6'10~10 кг/Кл. г) частоты обрыва дуги

Экспериментальные исследования частотных границ работы плазматрона модулированном режиме выявили частоту обрыва дуги уоб.При у06 дуга в

плазматроне обрывается и дуговой разряд прекращается.

Изменяя постоянную времени коммутатора: т=ЯС, меняли длительность импульса "вычитания"тв. При различных тв определялись Vе6. Зависимость тв от V06 описывается эмпирической формулой: тв =3,357 КНе"2 16 -Уой Сопоставление Vой с резонансными частотами последовательного ЬС контура коммутатора показало, что в основе физического процесса, приводящего к обрыву дуги, лежит рост напряжений на реактивных элементах коммутатора, прикладываемых к дуговому промежутку в обратной полярности.Рост напряжения на коммутирующей емкости в зоне резонанса приводит к росту Д1 в обратной полярности к дуге(рис 5).

Рис.5. Зависимость ДI и ум при различных тв^

Обесточенная дуга вытягивается потоком газа, I падает и когда число

носителей тока дуги становится меньше необходимого для поддержания

разряда, наступает обрыв дуги.

д) механизм теплопроводности

Различным значениям т от 0.21 до 28 мке соответствовали тв, меняющиеся от 20 до ЗООмкс. Каждому тв соответствует своя функция:У={'(ум).

ьЗ,*

100 МКС

о гооо ¿ооо «ооа 15ооо [-ц

и

160 -1-1-,-1-,-1—

о гооо -4ооо боос

Рис.6. Зависимость V от ум при различных тв.

—I-^ -—

6000 <5000 л Ум,

Оценка времени рассасывания тепла дуги t из уравнения теплопроводности:

рСр(Э T/at)=X(32T/3d2), где: Ср-теплоемкость, р-плотность,

^.-коэффициент теплопроводности, d-диамегр дугового столба, Т-температура плазмы, показывает, что t~pCpd2/X~10~3c.

Сопоставление t и тв позволяет сделать вывод, что в основе управления дугой модуляцией по схеме "вычитания" лежит механизм теплопроводности: если t^ тв , то тепло рассасывается ударной волной и выносится из дугового канала за время движения ударной волны 1уд = Ьд/с~10~6с, где с-скорость звука;

если Кссв , то тепло рассасывается теплопроводностью.

В рассматриваемых условиях реализуется первый случай.

Из сопоставления данных рисунков 1,5,6 видно, что при тв< ЗОмкс, Ali 1,66 I, а V линейно зависит от vm. _

При тв^ЗОмкс, Д1>1,66 I, а зависимость I,V от vm носит экстремальный характер. _

В основе этих явлений лежит следующий физический процесс: при AI= I градиента температуры в анодной камере нет, а значит и отсутствует поток тепловойэнергии в направлении импульс тока- плазменная струя. При AI$1,66 I в анодной камере возникает достаточный градиент температуры.

При t>TB происходит накопление тепловой энергии, рождающее ударные волны синхронно импульсам модуляции. Ударные волны накладываются на собственные колебания дуги.

Если взаимодействие происходит в фазе, амплитуда поперечных колебаний дуги возрастает, интенсифицируя процесс КМШ (мин. V при max I на те =70 мкс, рис.1).

Если взаимодействие происходит в противофазе, то дуга ориентируется в центре анода, условия пробоя дуга-стенка ухудшаются(процесс КМШ _ ослабляется), поэтому длина дуги растет, а следовательно растет V (max V, min I при тв=70мкс на рис.1), с) детонация

.Эффекты управления дугой с помощью модуляции тока (экстремумы

V, I) могут быть погашены волнами детонации, возникающими при введение пропана в воздушно-плазменную струю (рис. 7) за счет того, что давление на фронте детонации ударной волны на порядок выше давления на фронте ударной волны, рожденной импульсом тока, с)акустика

Акустика плазматрона зависит от геометрических размеров канала анода. Результаты эксперимента на различных диаметрах ( dan ) и длинах анода (LaH ) изображены на рис. 8.

Влияние на электрические параметры плазменной дуги акустическое возмущение оказать не может, так как изменение плотности среды Ар и давления АР~ 0.5%. Управление параметрами электрической дуги производится массовой скоростью газового потока: и=сДр/р0=ДР/р0С,

гооо «ООО юооо |4ооо ^Рд

Рис.7. Зависимость напряжения на дуге (I) и относительной энтальпии плазменной струи (II) от частоты модуляции в воздушно-плазменной струе (зонаА) и с добавкой пропан-бугана (зопаБ).

гооо _ А ООО 6 ООО &ооо ^М.Гц.

Рис. 8. Зависимость V от vm при различных размерах канала анода.

Существенное изменение U , а значит V , I , может происходить лишь при ударном возмущении потока. Это подтверждает одинаковый характер зависимости V от vm при различных dan и Lan . Кривая NI при dan=6.5 10~3м располагается выше кривой NII, так как при меньшем dan выше скорость, вытягивающая дугу к большим напряжениям.

Проводя энергетическую оценку АРф получаем 3-16% от Ро, что на порядок выше акустического возмущения, ж) условия раскачки дуги Проведем оценку физических условий раскачки дуги при Ро=105Па. При AI = 1=0.15кА, t = тв/2=10мкс ( V, I линейно зависят от ум), радиус дугового канала можно задать как;

at=0.93 p_1/6AI1/3t1/2=2,4 10-1м ПриД 1=1.66 I =0.25кА, t = тв/2=15мкс (назависимости V и Iotvm появляются экстремумы)

а2=3,8 Ю-з м.

Найдем отношения давлений на фронте слабой ударной волны для обеих радиусов из сотношения:

ЛРФ=Крр а2, где а=с)а / сН, Кр=соп5!:.

Получим; ДРфг/ ДРф1= 1.1 Таким образом, уже при росте давления на 10%, при Д1=1.бб I и

соответствующих 1, слабые_ударные волны начинают раскачивать дугу, создавая экстремумы V, I.

з) тепловые потерн _ _

Для технологических целей ( W =30кВт, I =150А, V =200В) калориметрическим методом бьши измерены потери на аноде ЛУ™ и катоде \укат в интервале I =70-160 А без модуляции (рис.9) при Ьан=10_1м.

^квтоЭ , кВт(Ц

ю

6 --

W Э~ "аокЬт

-. о-в

н-si

о-и

юо н«о fj А

Рис. 9. Зависимость потерь на катоде и аноде от тока дуги

Для выяснения эффекта модуляции определялись потери на электродах в схеме "вычитания" на тв =20,70,180мке (рис.10,11).

Рис. 10. Зависимость W 311 от v м при тв =20,70,180 мкс. С ростом частоты vm до 7 кГц, I падает до 120А при WaiI= 7,35кВт (рис 10), в то время как в ^смодулированном режиме (рис. 9) при таком же I,

Wan= 9 квт. To есть, модуляция позволяет уменьшить WaH на 18.3%.

Рис. 11. Зависимость \Укат от vm при тв = 20,70,180 мкс. _

Сопоставляя данные рис. 9 и 11, видим, что W кат определяются I, а значит обеспечиваются теми же механизмами, что и в немодулированном режиме.

В этом режиме прирост т| примерно в 3 раза меньший, чем для слаботочных дуг и составляет 7%.

При тех же параметрах модуляции, что и в сильноточных дугах, обесточивание дуги приводит к тому , что постоянное газовое давление потока создает силу, вытягивающую слаботочную дугу к новому положению равновесия, а так как максимальная длина слаботочной дуги 8 10-2м, что значительно больше длины сильноточной 6 10~2м, то доля конвективных и кондуктивных потерь в анод на переходном участке течения гораздо меньше.

Для технологии напыления, резки и т.д. важна высокая энтальпия плазменной струи. Получить ее возможно лишь при малых расходах плазмообразующего газа и высоких мощностях, вкладываемых в дугу .Такие режимы горения обладают сравнительно низким КПД и сопровождаются интенсивным процессом KMIII. Поэтому модуляция по схеме "вычитания", подавляя процесс КМШ и уменьшая W ап, имеет решающее значение для применения электродуговых плазматронов.

Кроме того, модуляция по схеме "вычитания" позволяет превратить плазмотрон в источник ударных волн, следующих с частотой модуляции дуги.

ГлЛ.БЛИЯНИЕ МОДУЛЯЦИИ ДУГИ НА ПАРАМЕТРЫ

НАПЫЛЕНИЯ

Введение

Разработанные ныне методы обладают рядом недостатков; например, низкой производительностью при 30-50% потерях напыляемого порошка, низкой адгезией и высокой газопроницаемостью покрытий, высоким содержанием оксидных включений при напылении в неконтролируемой атмосфере, отсутствием возможности управления параметрами процесса в процессе напыления и т.д.

В предлагаемой разработке была поставлена задача: не меняя традиционное оборудование плазменных установок, с помощью модулятора тока дуги получить плазменные покрытия с параметрами, приближающимися к детонационным.

Импульсы модуляции, рождая слабые ударные волны, срывают адиабатический пограничный слой с частицы, способствуя росту эффективности ее прогрева. Поток, следующий за ударной волной разрушает частицу и ускоряет ее фрагменты, обеспечивая при соударении с подложкой покрытия с высокими параметрами. ПЛ. Исследование процесса напыления проволокой

Длина анода в экспериментахсоставляла 5 10-2м и была равна максимальной длине дуги на I = (2-4) 102А в азотной плазменной струе.

Под срез анода, перпендикулярно оси плазменной струи, в ее ядро подавалась электрически не изолированная от анода проволока.

Адгезия покрытие-подложка в определялась методикой среза, а дюрометрические измерения покрытий проводились по Виккерсу (НУ).

Погрешность в измерении НУ составляла ±5%, в ±20%, диаметер, напыленной на подложку частицы Ф измерялся с точностью ±10%.

Влияние модуляции дуги по схеме "вычитания"(а) и "сложения" (б) на средний диаметер напыленной частицы ф изображено на рис.12, а микроструктура покрытия на рис.12 "а"

Рис.12. Зависимость диаметра напыленных частиц СВ08Х19Н10Т, никеля, вольфрама от частоты модуляции(а-схема" вычитания", б-схема "сложения").

В исследованном интервале частот модуляции длина свободной дуги всегда больше 510-2м, а следовательно дуга практически зашунтирована на проволоку.

о

Рис. 12" а".Микроструктура покрытия

На Ум=0.3кГц_диаметер частиц Ф и длина дуги Ьд максимальны при минимальном I. Дуга вытягивается, образуя петлю, шунтируясь на подаваемую проволоку. Так как площадь дугового пятна с уменьшением I падает, то уменьшаются потоки Джоулевого тепла на проволоку, что приводит к недостаточному профеву распыляемого материала, а значит к крупной фракции частиц.

Наряду с тепловыми механизмами диспергирования проволоки на схеме "сложения" и "вычитания" в период первой коммутации дает вклад и электронная бомбардировка.

В период второй коммутации к этому механизму добавляется бомбандировка проволоки положительными ионами, приводящая как известно к росту Сан на ус (рис.4). Поэтому на схеме "вычитания" идет более глубокое диспергирование, чем на схеме "сложения".

Рис.13. Зависимость прочности сцепления от частоты модуляции(а-схема "вычитания", б-схема "сложения").

Анализ приведенных данных показывает, что на ум=0.3 кГц прочность сцепления минимальна. Низкая в определяется значительным Ф напыляемых частиц (рис. 12).

Сдвиг ум от ус приводит к росту С и соответствующему уменьшению Ф.

в, и^а

"о о

о

100-

о гоо ЧОО 500 500 1 ООО ^ "гГЦ

Рис.14. Зависимость НУ покрытия от частоты модуляции(а-схема

" вычитания", б-схема " сложения")

Ударно-волновой механизм приводит к ускорению диспергированных частиц с минимальным Ф. Рост кинетической энергии этих частиц определяет высокие значения G.

Дюрометрический метод показал, что при взаимодействии азотной плазмы с напыляемыми частицами идут процессы азотирования (рис. 14).

На vm =0.3 кГц поток, следующий за ударной волной срывает пограничный слой с частицы, интенсифицируя процесс азотирования. Образовавшиеся нитриды дают прирост HV , достигающий 30-100%. II.2. Термодинамика и кинетика пиролиза углеводородов для напыления

Известна возможность нанесения порошковых покрытий на смесях воздуха с углеводородами.

Технико-экономическая оценка показывает, что для плазмотронов мощностью 150 кВт стоимость плазмообразующего газа из воздушно-метановой смеси может быть снижена в - 100 раз по сравнению с аргоном. Причем мощность, вкладываемая в плазменную струю, возрастает за счет сгорания углеводородов и роста напряжения на дуге.

Таким образом, представляет значительный практический интерес для плазменного напыления использование конверсии углеводородов в плазменной струе.

С целью определения состава и концентрации продуктов конверсии углеводородов в интервале температур плавления напыляемого порошка были проведены и использованы различные термодинамические расчеты систем C-H-S, C-H-N-O. По методике приведенного изобарно- изотермического потенциала проводился расчет для С/Н=1/2—1/9 при давлении 10* Па в интервале температур 103К_2-10 3 К, что соответствует температурам плавления большинства напыляемых порошков.

Первым вариантом был расчет гомогенной газофазной системы с учетом следующих продуктов: этан, пропилен, пропан, пропадиен, ацетилен, зтилацетилен, диацетилен, пентан, бензол, толуол, этилбензол, стирол, этилен,

водород, метан, S, HS, CS, CS2, Н, С2,СН, СН2, СН3, С2Нз (рис.15-18).

Рис.15. Температурная зависимость концентраций (К) ацетилена(1), водорода (II), толуола(Ш), метана(1У) при С/Н=1/2.6-1/8.3;а-1/8.3,6-1/5.14, в-1/4, г-1/3,03,д-1/2.6.

В рабочем интервале температур (1.4-2.0) 10 в продуктах содержится дс

woo 1200 i4oo woo <500 гооо т. к

35-36% об. С2Н2 при С/Н=1/2.6. Уменьшение С/Н до 1/8.3 приводит к росту концентраций Н2 до 88%об.

Весовой выход непредельных углеводородов С2Н2, С2Н4, С3Н6, дающих максимальный тепловой эффект в реакции окисления может достигать 80% (рис.16,1).

Причем, энергозатраты в рабочем интервале температур на получение непредельных падают с ростом температуры от 1.6*10 3 К до 2 10 3 К примерно в 2 раза(рис 17).

Важнейшим показателем, определяющим долю энергии, пошедшую на образование продуктов в рабочем интервале температур, является химический КПД реакции Т|х. Зависимость Т)х от С/Н изображена на рис. 18.

При С/Н=1/2, т]х может достигать 60%.

Результаты термодинамического расчета с учетом углерода в конденсированной фазе даны на рис. 19,20.

Рис. 17. Температурная зависимость величины энергозатрат у на получение

1-<е*^*}гл»н*-1Г! Ч) « гоиаои»<0>.

1/1.

50 ■■

ъо

1/Ь

^ у5Гс/н

Рис. 18. Зависимость г|х от С/Н.

7е 11Н^

100-

69 ••

го ■■

хснО

^гоо |йоо гооо т, к

Рис. 19. Температурная зависимость концентраций водорода и метана.

•/, бес

<00

6о

го

С

«гоо

1600

200О т, к

Рис. 20. Температурная зависимость весового выхода конденсированного углерода при С/Н= 1-1/2.6,2-1/3,3-1/4.1, 4-1/5.1,5-1/8.3.

Концентрация водорода (рис.19) и конденсированного углерода (рис. 20) максимальны и не зависят от температуры в интервале 1.4-10 3 К- 2-10 3 К

Проведенный расчет показал, что в продуктах реакции, в интервале 1.410 3 К- 2 10 3 К, содержатся значительные концентрации К{ водорода и непредельных, которы е при наличии окислителя сгорают с большим энерговыделением.

Термодинамические расчеты с учетом окислителя показали, что при высокотемпературной конверсии природного газа в воздухе в составе продуктов реакции присутствуют, начиная с 3 10 3К, 0.7 мольной доли СО, 0.5 мольной N 2, Ю -1молыюй доли Н2 и 10~4 мольной доли НСЫ.

Для определения состава, скоростей, температуры продуктов конверсии углеводородов и оптимальной с точки зрения концентраций непредельных и водорода дистанции напыления, в интервале температур 10 3 К- 2.640 3 К был проведен кинетический расчет.

Решалась система уравнений химической кинетики и гидродинамики с исполь зованием схемы Касселя. Результаты расчета с учетом потерь энергии даны на рис. 21.

Учет потерь приводит к смещению максимума концентрации С2Н2 к 2=10~1—1.540~1м, сохранению выхода С2Н4 на уровне 0.2% вес., водорода на уровне 0.15 % вес.

Таким образом кинетический расчет позволил оценить дистанцию напыления в Ъ= 10 -1м—1.5*10 -1м.

Рис. 21. Изменение весового выхода С{ продуктов пиролиза смеси углеводородов, температуры Т и скорости плазменной струи и в зависимости от координаты Z или времени реакции I, без учета -1 и с учетом-2 потерь энергии в реакторе.

Лучшее совпадение экспериментально определенного состава методами газожидкостной хроматографии с рассчитанным получено для термодинамического расчета без учета конденсированного углерода (табл.2).

Табл. 2

С/Н Тр,К С2Н2 С2Н4 С3Н5 Н2 СН4 Вес. вых.,% в. СуммаСгНгАЩ

~ и

I -гаУ

1/3.7 1700 17.5 -1/3.7 - 20.2 3.8 1/3.7 2300 26 -1/4.1 1700 16 -

% обьемный

78 4

76 4 70.6 4

77 -

50 77 80 46

С3Нб%об. 17.5 расчет 24 эксп. 26 расчет 16 расчет

1/4.1 - 18.4 2.6 - 73.8 3.7 75 21 эксп.

1/4.1 2300 23 - - 75 - 78 23 расч.

Методами газоабсорбционной хроматографии был определен состав продуктов высокотемпературной конверсии пропан-бутана в струе воздушной плазмы (табл.3).

Табл. 3

Йф.-бут. Концентрация продуктов реакции,% об

„. / с 02 N2 Н2 СО СН4 С02 С2Н4 С2Н2 НСЫ 6.67 10-5 0.034 97.884 0.008 0.022 - 2.052

1.25 Ю-4 0.049 96.5220.0080.027 - 3.394

1.53 10-4 0.043 95.9280.0110.025 - 3.993

Показано, что введение пропан-бутана в воздушно- плазменную струю в режиме напылепия не способно регулировать состав плазмы от окислительной до восстановительной в конце дистанции напыления. Наличие кислорода в плазменной струе объясняется подсосом в напыляемую гстерофазную струю окружающего воздуха и процессом дегазации папыляемых частиц.

ИЗ Изучение конверсии углеводородов в импульсном режиме

Термодинамический расчет системы С-Н-Б (рис.15-20) показал, что в случае С/Н=1/2 химический КПД реакции, представляющий собой отношение энтальпии С2Н2, С2Н4 и СзН§ при стандартной температуре к энтальпии при температуре, соответствующей минимуму энергозатрат (Т=1850 К), достигает значения г1=60% (рис. 18). В плазмохимических процессах т)< 20-30%, поэтому его повышение до термодинамически возможного уровня представляет нссомнешшш интерес.

Для решения этой задачи в качестве импульсного источника излучения использовался неодимовый лазер со средней энергией излучения в одном импульсе 5 Дж, работающий в инфракрасном диапазоне на длине волны А, = 1060 нм при плотностях мощности 8о=10 И-1012 Вт/м2 и длительности импульса излучения т=10-2—10-3с В качестве сырья выбрана нефтяная смола с молекулярной массой 1000, имеющая следующий элементарный (массовый) состав: С-82.1%, Н-11.2 %, 5-3.5 %, 0-2%. Длительность импульса излучения регулировали изменением индуктивности в цепи питания импульсной лампы. Для измерения энергии излучения, затраченной на реакцию, Е и определения т) был разработан микрокалориметер на базе операционного усилителя. Лазерохимический реактор с микрокалориметром состоял из сравнительной и экспериментальной камер. В экспериментальную помещалась смола. Для обеспечения герметичности камеры и минимальных потерь в излучении одну стенку делали из стекла с длинноволновой границей пропускания Х= 2700 нм .

Углеводороды в газовой фазе продуктов взаимодействия излучения и смолы анализировались методами газообсорбциоиной хроматографии.

Расчет показателей процесса проводился с учетом ошибок измерения параметров:

энергия излучения Е- затраченная только на реакцию, определялась с погрешностью +5 %;

длительность импульса облучения т определялась с относительной ошибкой ±10%; вес исходного сырья определялся с относительной ошибкой ±1%; погрешность в определении концентраций целевых продуктов ±3%,

примесей ±5%; степень превращения р определялась с ошибкой ±10%; относительная ошибка в определении у ±18%; ошибка в определении составляла ±5%. Времена химических реакций I образования С2Н2, С2Н4 находили решением уравнений химической кинетики и гидродинамики с учетом потерь энергии. На рис. 21 приведены данные, показывающие, что при учете потерь энергии при £ > Ю-4 с концентрация С2Н2, С2Н4 выходит на термодинамически равновесный уровень. Так как I < т < 1р (1р-время расширения газового облака), то в данном эксперименте условию выхода на термодинамическое равновесие соответствует I < 1р.

Непредельные углеводороды могут взаимодействовать с молекулярным кислородом, выделившимся в процессе "ударной дегазации", создавая детонацио1шую волну. Учитывая плотность мощности импульса лазерного излучения, проведем приблизительную оценку скорости детонации продукт ов в воздушной среде:

Б = [2 (у2 - 1) 8о/ро]1/3=2.6 10 3 м/с,

энтальпии;

Н= (22/з у) (5о/ро)2/з /(•у2-1)ш(уН)=6.4 Ю 6 Д*/кг, и среднемассовой температуры, составляющей 3.4-10 3 К( у- показатель адиабаты; р0-плотность). Эта оценка позволяет осуществить привязку к данным термодинамического расчета и определить состав продуктов "ударной дегазации".

Расширяющееся облако газообразных продуктов содержит 0.5 мольной доли диссоциированного водорода и Ю-4 мольной доли диссоциированных азота и кислорода. Поэтому поглощение газовым облаком незначительно. Процесс ударного расширения облака происходит с излучением в инфракрасной области. Состав продуктов соответствует высокотемпературному термодинамическому равновесию (рис. 22 ).

«•5 «Т

"ТЮ.с

Рис. 22. Зависимость концентраций непредельных / СпНт/ от времени облучения т.

При расширении температура газообразных продуктов падает, а I растет до 1р. При 1=1р отпадает необходимость в организации стоков тепла, поэтому исключается стадия "закалки" продуктов реакции. Рассмотрим полученные экспериментальные зависимости: т|(т), Г1(Е)

(рис.23, а, б: 1—р=10 4 Па, 2-в кислородной среде; для рис. 23, а: 0.7< Е < 3 Дж), степени превращения сырья в газообразные продукты Р и энергозатраты на получение непредельных у от т (рис. 24), а также зависимости Р(Е), у(Е) (рис .25).

ъ*д

40 30 -

О

-30 Н

0,7=5 £=5 ЗДж

7,г

7,7

40 Н

20 -о

-20 --40 -

Рис.23 Зависимость т] от т и Е импульса излучения

Е, Дж

рю]%

р-10*%

16 -

г 4 ддж

Рис. 24. Зависимость |5 и у от т. Рис. 25. Зависимость (5 и уот Е.

Отрицательные значения Т| в кислородной среде (рис.23) обьясняются добавочным теплом, выделяющемся в реакторе за счет окисления. Сопоставление данных, приведенных на рисунках, показывает, что процесс импульсного пиролиза более чувствителен к Е, чем к т. Низкие абсолютные значения Р и у обьясняются сравнительно невысокой удельной энергией облучения сырья.

Приведенные экспериментальные данные отражают высокую чувствительность процесса к энергии и длительности импульса облучения, а также возможность приближения к термодинамически возможным значениям т| при исключеной из технологической цепи стадии "закалки".

Таким образом, импульсные процессы повышают эффективность высокотемпературной конверсии углеводородов и представляются наиболее приемлимыми с точки зрения создания высокоэнтальпийной газовой среды для процесса плазменного напыления.

12

г

11.4. Напыление порошка в воздушно- углеводородной смеси с использованием модуляции

Использование модуляции, приводящее к появлению в гетерофазном потоке скачков температуры, давления, плотности должно интенсифицировать процессы диспергирования частиц в плазменной струе, а значит способствовать росту кинетической энергии напыляемых частиц. Поэтому в настоящей главе была поставлена задача разработки технологии плазменного напыления в среде дешевых плазмообразующих газов с использованием ударно-волновой активации процесса.

Для определения дистанции напыления №И шггерметаллида использовался высокотемпературный пирометр. Оценка температуры напыляемых частиц показала, что на дистанции плазматрон-подложка (10-15) 10 ~2м частицы нагреты до 1300 С.

Методом скоростной фоторегистрации треков напыляемых частиц была исследована динамика напыляемых частиц. Показано, что при напылении в струе воздушной плазмы на аноде длиной 10 скорости частиц ич не превышали на периферии 20 м/с, а на оси струи 102 м/с.

Размер фракции исходных напыляемых частиц лежал в интервале 10-100 мкм, что соответствует максимальному размеру напыляемых частиц для времени прогрева 10 -3- Ю _4 с.

При введении пропан-бутана с воздухом в завихрителыюе кольцо в стехиометрическом соотношении 11ч возрастали от 50 м/с на периферии плазменной струи до 250 м/с на ее оси.

Использование модуляции по схеме "вычитания" привело к увеличению 11ч на 10%.

На схеме "сложения" токов при Д1~ 2кА, длительность импульса "сложения" тсл=200 мке, ич на оси возрастали до 310 2 м/с за счет роста мощности на дуге.

С другой стороны треки мелких частиц размером Ф-0.5-5 мкм не фиксировались на фотографии треков из-за того, что их размеры порядка длины волны видимой части спектра, в то время как данные растровой электронной микроскопии доказывают их наличие.

Можно оценить скорости мелких частиц, зная что они ускоряются потоком следующим за ударной волной. Расчетная скорость воздушно-плазменной струи ~ 400 м/с, а с добавкой пропан-бутана достигает 600 - 700 м/с. Скорость ударной волны 1.3-10 3 м/с. Значит скорости мелких частиц могут достигать скоростей детонационного и напыления в динамическом вакууме.

Прирост ич больший (6-7) 10 2 м/с можно объяснить следующими причинами:

На схеме "вычитания" потери ХУ3" падают, что приводит к росту энтальпии плазменной струи, увеличивая и плазмообразующего газа, а следовательно и скорости частиц не более чем на 10 %.

Импульс модуляции тока, процесс детонации создают ударные волны у которых О > С ( в воздушной плазме С=1.2-10 3 м/с), ускоряющие дисперсные частицы (Ф-0.5-5 мкм) до ич-10 3 м/с.

В ряде работ показано, что с ростом 11ч понижается энергия активации давлением при ударе, а следовательно растет в.

Для измерения адгезии С использовался штифтовой метод.

После измерения адгезии С на том же образце определялась сквозная

газопроницаемость покрытия 6 по методу выравнивания газового давления с обеих сторон сухого покрытия.

11.5. Влияние модуляции на процесс диспергирования напыляемых частиц

При плазменном напылении с наложением импульсов тока в обратной полярности по отношению к дуге сквозная газопроницаемость покрытия уменьшается на порядок. Наблюдаемое при модулировании измельчение напыляемых частиц может быть одной из причин, объясняющих это явление.

Зная оптимальные параметры модуляции: амплитуду импульса тока АI =1 ка и длительность импульса х = 15 мке,- можно оценить увеличение давления на фронте ударной волны :

АРф = Крр0а2=1.54-10 «Па

Повышение температуры газовой струи ДТф в результате сжатия ударной волной можно оценить по уравнению:

ДТф/То=/(у - 1)/(у + 1))(Ро + ДРф)/Ро, где у-показатель адиабаты; То, Ро - температура и давление невозмущенной струи.

Анализ уравнения показывает, что повышение температуры ДТф по отношению к ДТо составляет 17.6%, т.е. основной вклад в нагрев и испарение частицы вносит тепловой поток от плазменной струи, возникающий при срыве ударной волной пограничного слоя с частицы.

Зная АРф, найдем скорость ударной волны:

Э = С ({(у- 1) + (у+1) (Ро + ДРф)/Ро}/2у) 1/2=1.3 •10 3 м/с, при числе Маха М=1.1 - 1.2.

Напыляемые частицы дробятся высокоскоростным конвективным потоком, возникающим после прохождения ударной волны. При этом сферическая первоначально капля принимает форму эллипсоида вращения, большая ось которого перпендикулярна направлению движения плазменной струи. Трение потока о каплю приводит к образованию на ее периферии пограничного слоя, срываемого газовым потоком с разрушением капли.

Использование механизмов разрушения жидких капель под действием ударного возмущения, в зависимости от критических чисел Вебсра (\Уе), данных о времени разрушения и данных об истории скорости показало, что разрушение может происходить по 6 механизмам. Оценка показала , что в данной технологии превуалирует вибрациоиный и сумчатый механизмы разрушения в интервале чисел Вебера; 10 < < 50 .

Разрушение происходит параллельно по 2УМ механизмам;

Колебания развиваются на собственной частоте колебаний капли. При определенных условиях поле потока, следующее за ударной волной , взаимодействует с каплей, увеличивая амплитуду колебаний, которая в свою очередь вызывает разрушение капли на крупные фрагменты.

При сумчатом разрушении сферическая капля деформируется в эллипсообразную, которая в свою очередь выдувается в растущую сумку, разрушающуюся взрывом на крупные и мелкие капли. Причем крупные капли представляют собой результат разрушения ободка сумки. Стадия образования растущей сумки зафиксирована на рис. 27 б.

Для объяснения эффекта снижения сквозной газопроницаемости принапылении с модуляцией тока дуги было проведено экспериментальное исследование влияния наложения импульсов тока на размер напыляемых

частиц.

При введении исходного, неотсеянного порошка никель-титанового интерметаллида в воздушно- пропановую плазменную струю (рис.26) наблюдается агрегатирование (рис.27а) и сфероидизация (рис. 27 б) частиц.

б

Рис. 27. Фотография частиц после напыления в воду

Анализ распределения частиц по размерам при напылении без модуляции показывает, что основная масса частиц имеет размер а =25 мкм.Наименыний размер частиц 3 мкм, наибольший 40 мкм (рис. 28 а ).

В случае применения модуляции по схеме "вычитания" токов при частоте =2700 Гц, амплитуде импульса тока 600 А, длительности импульса т = 100 мкс, V = 206 В и среднем токе дуги I = 135 А в продуктах напыления начинают появляться наряду с крупными мелкие частицы (рис. 28 б). Наибольшее число частиц имеет размер 3 мкм, причем минимальный размер частиц 0.5 мкм, а максимальный 5 мкм. Таким образом, наложение импульсов тока по схеме "вычитания "приводит к уменьшению размеров сфероидизированных частиц в 6-8 раз. При частоте импульсов 2700 Гц за время пролета расстояния от плазматрона от подложки частицы вступают во взаимодействие с ударной волной 7 раз. Поэтому, увеличивая ум можно уменьшить размеры частиц в еще большей степени.

Влияние модуляции по схеме "сложения" токов на напыляемые частицы при Д1 =0.8кА, т= 200 мкс и ум =800 Гц показано на рис. 29( кривая 1).

Рис. 28. Распределение частиц по размерам: а- при плазменном напылении без модуляции; б- то же с модуляцией по схеме "вычитания" при ум - 2700 Гц.

Рис. 29. Распределение частиц по размерам при напылении с модуляцией по схеме "сложения": 1- Д1= 0.8 кА; 2-Д1 = 3.5 кА

Распределение частиц при Д1= 3.5 кА характеризует кривая 2. Из сопоставления кривых 1 и 2 видно, что при большей величине Д1 максимальное количество частиц приходится на меньший размер (5 мкм). В то же время минимальные и максимальные размеры частиц практически не изменяются.

Итак, можно сделать вывод, что значение Д1 определяет размер сфероидизированных частиц наиболее многочисленной фракции. Минимальный и максимальный же размеры отдельных частиц определяются величиной у м, причем чем выше у м, тем эти размеры меньше.

Таким образом, снижение сквозной газопроницаемости можно, в частности , объяснить тем, что модуляция приводит к формированию плазменных покрытий из мелких сферических частиц(диаметром 0.5-5 мкм).

Оценивалось также, как влияют на интегральную характеристику измельчения а способ подачи порошка, частота модуляции, амплитуда импульса тока. Порошок ПН55Т45 просеивался через сита с диагональю квадратной ячейки 85 мкм. Фракция, оставшаяся на ситах после отсева, отбиралась для эксперимента.Порошок транспортировался пропан-бутаном

на срез анода.

Распыление порошка производили в емкость с водой. После выпаривания воды высушенный порошок снова просеивался через сита с диагональю квадратной ячейки 85 мкм. Отношение массы просеянной фракции к массе порошка, оставшегося па ситах, представляло собой интегральную характеристику измельчения а.

После подачи порошка на срез анода величина а составляла 50-70%. Иными словами, 30-50% порошка при данном способе подачи вообще не прогревалось плазменной струей. С целью увеличения а изменили способ подачи порошка в плазменную струю. Порошок подавался в анод на расстоянии 4.5 мм от его среза через отверстие диаметром 3 мм перпендикулярно плазменной струе. При этом без модуляции тока достигнута величина а =92-93%.

Рис.30. Зависимость тока дуги I и интегральной характеристики измельчения а от частоты модуляции vm по схеме "вычитания"(AI = 1 кА, тв = 70 мкс) _

Сравнение двух кривых на рис. 30 показало, что максимум тока дуги I соответствует максимуму а при vm = 3200 Гц. При этой частоте ударные волны импульсов модуляции увеличивают амплитуду поперечных колебаний дуги, способствуя интенсификации процессов крупномасштабного шунтирования(КМШ). Дуга укорачивается, при этом I растет (рис. 30), а напряжение V снижается с 206 до 170 В.

Интенсификация процессов КМШ вызывает диффузию "горячих" ионов из зоны ионизации в зону диссоциации, куда и осуществляется ввод порошка. Прогрев порошка увеличивается, а значит, растет значение а. При использовании модуляции по схеме" сложения" с ростом AI от 0.3 до 3.5 кА характеристика а увеличивается на 6-8%(рис. 31). Повышение Д1 до 3.5 кА приводит к дестабилизации дуги. В результате интенсифицируются процессы КМШ, что, как показано выше, ведет к росту а. Наличие кислорода в плазменной струе позволяет использовать термодинамический механизм диспергирования. Давление в частице состоит из Лапласового, флуктуационного и адсорбционного. Адсорбция кислорода снижает поверхноснуго энергию, а флуктуации температуры вызванные модуляцией разрушают частицу.

С другой стороны при пересыщении паровой фазы в области минимума

термодинамического потенциала( за 2 с в 1 м3 образуется 10 6капель) возможно действие механизма слияния кластеров, приводящему к более легкому образованию зародышей жидкой фазы в виде мелких капель. Этот процесс может происходить так же и за счет коагуляции разноименно заряженных частиц пш движении их в плазменной струе.

10® 2-ю* Vio3

Рис. 31. Зависимость интегралыюй характеристики измельчения а от амплитуды импульса тока Д I при модуляции по схеме "сложения" ( 200мкс)

Таким образом правильная организация технологии процесса напыления делает этот процесс мало чувствительным к исходным размерам напыляемых частиц.

И.6. Исследование процесса напыления порошковых покрытий с использованием модуляции дуги по схеме "вычитания"

Эксперименты по напылению покрытий проводились при расходе плазмообразующего газа воздуха 1.3-10 ~3 м/с, электрической мощности на дуге 30 кВт. Порошок NiTi интерметаллида подавался в плазменную струю пропан-бутаном на расходе 10~^м3/с под углом 110 0 к струе. Дюрометрические измерения показали, что HV покрытия ( 560-640 )10 7 Па, а при перегреве покрытия HV достигало (720-820) 10 7 Па.

Эксперименты проводились при скоростях частиц U4 = (7- 10) 10 м/с на оси плазменной струи Uh =(2-5) 10 м/с на ее периферии.

Первьм этапом эксперимента_было определение спектра ve дуги. Для этого снималась зависимость V от vm.

Следует отметить, что напыление в " медленной" струе воздушной плазмы проводилось потому, что за время пролета плазматрон- подложка с частицей будет взаимодействовать в 3 раза больше ударных волн, чем в воздушно-пропановой плазме. _

Максимумы G на рис. 33 совпадают по vm с максимумами V для Д1= 710 2 А, тв= 60 мкс. Значения 0 меняются в противофазе G (рис. 32).3начения G могут достигать 70 МПа при уменьшении 6 на порядок.

Наличие нескольких, возрастающих по амплитуде экстремумов G и соответствующих им минимумов 9 объясняется следующим образом: амплитуда ударной волны с ростом дистанции ее распространения падает, Ьд также меняется в зависимости от V м, поэтому на ve дуги, соответствующей

максимальной длине дуги Ьд, напыляемые частицы вводятся в зону близкую к анодной привязке дуги, где перемещаются ударные волны максимальной интенсивности. Эти процессы обьясняют максимумы в и минимумы 9 на ряде ус.

Величина максимумов в и минимумов Э с увеличением ум определяется количеством ударных волн, взаимодействующих с частицей за время ее

Modulation frequency (Hr) ГЦ

Ч)

Рис. 32. Зависимость сквозной газопроницаемости 0 от ум.

Рис. 33. Зависимость адгезии покрытия в от Ум

Подтверждение полученных эффектов дают данные по диспергированию напыляемых частиц в модулированной плазменной струе. Сопоставляя времена следования ударной волны и времена пролета частицы, видим,что глубина диспергирования- Ум. Рост Ум ведет к снижению Э, так как в этом случае покрытие набирается из более мелких частиц.

С другой стороны отношение интенсивностей рефлексов оксикарбонитрида титана к мононикелиду титана показало, что в покрытиях, полученных на схеме "вычитания" концентрация оксикарбонитридов в 3-4 раза меньше, чем в покрытиях полученных без модуляции и на схеме " сложения". Этот результат объясняет снижение 9 за счет роста металлической составляющей в покрытии.

Рост металлической составляющей можно объяснить процессом "ударного испарения," который рождает дегазацию твердой фазы, сопровождающуюся выделением молекулярного кислорода. Напыляемая частица в кинетической зоне насыщается кислородом плазменной струи,а в термодинамической(около подложки), под действием ударных волн за счет "ударной дегазации" его теряет.

При соударении частиц или при их деформации ударной волной должна проявляться десорбция примесей внедрения, в частности кислорода по аналогии с известным явлением десорбции при ползучести в вакууме и при пластической деформации. Деформация частиц в приповерхностных слоях в результате искажения кристаллической решетки приводит сначала к сегрегации кислорода (образованию избыточной концентрации кислорода в этих слоях по типу облаков Коттрелла вокруг дислокаций) и сответствующее понижение его концентрации в обьеме частицы. При этом с поверхности происходит десорбция части атомов кислорода в газовую среду с соответствующим повышением парциального давления над поверхностью частицы.

Ц.7. Структурный анализ

Металлографический (рис.34) и рештеноструктурный анализы (рис. 35) показали, что количество неметаллических составляющих в покрытиях, полученных без модуляции, значительно больше, чем в покрытиях, полученных при модуляции по схемам " сложения" и "вычитания".

Рис. 34. Фотография микроструктуры покрытия, полученная в неконтролируемой атмосфере, без модуляции в струе аргоно-азотной плазмы-а, в воздушно-пропановой плазме по схеме "сложения"-б и "вычитания"-в.

Эти данные подтверждаются измерениями сквозной газопроницаемости покрытия в которых показано, что модуляция плазменной дуги уменьшает в более чем на порядок.

Основной структурной составляющей покрытий при всех режимах напыления является кубический мононикелид титана (№Т1) с ОЦК-решеткой типа СбС1 и параметром а = 0.297 нм. Кроме того на рентгенограмме имеются рефлексы, идентифицируемые с ГЦК- решеткой типа ЫаС1, характерной для оксикарбонитрида, с параметром решетки а=0.420-0.423 нм. Однако следует заметить, что характер расположения и некоторая диффузность анализированных рефлексов не дают возможности достаточно точно определить параметер решетки оксикарбонитрида и сотношения между

24 23 22 21 20 19 18 24 23 22 21 20 19 18

РиС.35.РезуЛЬТаТЫ рентгеноструктурного анализа Angle of diffraction (degrees)

Термодинамические оценки и экспериментальные результаты позволяют заключить, что основную долю неметаллических включений представляют собой оксиды. Концентрация азота в образцах при содержании его в струе 97 об.% не превышает нескольких процентов от концентрации кислорода.

По соотношению интенсивностей рефлексов NiTi, TiO(C,N) установлено, что в образцах покрытий, полученных без модуляции и с модуляцией по схеме " сложения", количество неметаллических включений в 3-4 раза больше, чем в покрытиях, полученных при модуляции по схеме "вычитания". При проведении вакуумного отжига покрытий при температуре 900 С в течении 1 часа происходит распад мононикелида титана, в котором частично участвуют неметаллические составляющие покрытия. При этом образуется N13TÍ, NÍ2TÍ4O, (NÍTÍ2, имеющий в решетке около 14 ат.% кислорода), а также остается большая часть TiO(C,N).

Использование диаграммы состояния Ni-Ti-0-N с анализом интенсивностей рефлексов показывает, что в покрытиях, полученных без модуляции, концентрация кислорода существенно выше, чем в покрытиях, полученных с модуляцией. Общее количество кислорода, азота и углерода в покрытиях на схеме "вычитания" - 4 мас.%, что приблизительно в 2-3 раза меньше , чем в покрытиях, полученных без модуляции и на схеме "сложения".

Таким образом ударные волны, возникающие при модуляции, приводят к глубокому диспергированию напыляемых частиц.

При напылении без модуляции покрытие содержит значительное количество неметаллических включений и дефектов.

Уменьшение скорости плазменной струи в 2-3 раза приводит к уменьшению размеров металлической и неметаллической составляющей в покрытиях в 1.5-3 раза по сравнению с напылением на конвенциональном оборудовании.

Использование модуляции дуги на схеме "вычитания" приводит к существешюму уменьшению количества пор и оксидов.

Независимо от режима напыления основной структурной составляющей покрытия является мононикелид титана.

При взаимодействии плазменной струи с напыляемой частицей идут процессы окисления титана с незначительным участием азота и углерода.

II.8. Использование детонации при плазменном напылении дли повышения прочности сцепления

Плазменное напыление характеризуется сравнительно низкой прочностью сцепления покрытия с подложкой. Используемый в данном эксперименте порошок ПН55Т45 имеет прочность сцепления на отрыв (по штифтовой методике) с механически обработанной подложкой из стали 40, не превышающую 50-55 МПа при напылении в азотно-аргоновой плазме.

Рассмотрим возможность применения детонации для повышения прочности сцепления плазменных покрытий.

Сгорание топлива в окислителе ( в случае, если выделяющаяся теплота превышает потери) приводит к росту температуры, а значит, и скорости реакции, что создает условия для взрывного распространения фронта горения. Возникшая при этом ударная волна распространяется со скоростью детонации D. Она не зависит от геометрии трубы и в малой степени зависит от температуры и давления реагирующей смеси. Детонацию можно рассматривать как быстрое сжатие реакционной смеси, приводящее к ее нагреву и воспламенению. При этом фронт волны движется с ускорением в так называемом преддетонационном периоде, причем оно может возникнуть только после перекрытия сечения трубы.

Самоускорение возможно исключительно при взрывных концентрациях реагентов. Например, для смеси пропана с кислородом предел стационарной взрываемости составляет 3.2 - 37% (по пропану). Если в такой смеси содержится 30 % пропана, то D= 2.6 10 3 м/с.

Гидродинамическая теория позволяет оценить некоторые параметры детонации с учетом ограничений, накладываемых физическими процессами теплоомассбмена. оценим скорость детонации по уравнению

D =f(7+ 1)/yJ( 8310 у Т/ц)1/2 = 2.6 10 3 м/с, где у -показатель адиабаты; Т- температура плазменной струи; ^.-молекулярная масса продуктов.

Из уравнения D =/29вз (у2 - 1 )/1/2 определим теплоту взрыва Qb3, а затем давление на фронте ударной волны АРф = 2 p(y-l)Qß3 = 2.8-10 6 Па.

Существенную роль в процессе детонационного горения играет излучение из зон детонационного сжатия и дуги и, как следствие, многофотонное, млогочастотнос поглощение инфракрасного и ультрафиолетового излучения молекулами горючей смеси, ведущее к фрагментации углеводородного сырья. Фрагментация ускоряет горение, рассматриваемое как автоуправляемый химический процесс, существенно уметшая лредцетонационный период.

При встрече волны детонации с подложкой давление, оцениваемое из;

Pt = Рф [1+ (7-1) М2/2] у/у-1, может возрасти на порядок, а температуру можно определить, как; Tt = Тф (1+ уРф М2/2), которая возрастает в 2 раза.

Величину импульса соударения частицы с подложкой можно определить методом ударных адиабат;

Р = (1+ рч Сч/рпСп)_1рч Сч Uo, где рч и рп- плотность напыляемых частиц и материала подложки; Сч и Сп -скорость звука в частице и плазменной струе соответственно; Uo - скорость удара.

В результате взаимодействия частиц и подложки возникают Рэлеевские волны, смещающие атомы в решетке и повышающие их энергетический уровень. Основное влияние на прочность сцепления частиц при

детонационном напылении оказывает их кинетическая энергия. За время взаимодействия Ю-8 - 10 ~7 с происходит сдвиг атомов, вызывающий активацию поверхности.

Таким образом были определены условия проведения эксперимента по плазменно-детонациошюму напылению никель- титанового шггерметаллида. Воздушно- пропановую смесь для стабилизации дуги вводили в плазматрон через завихрителыюе кольцо.

Длину дуговой камеры плазматрона с насадкой выбирали равной преддетонационному расстоянию, так как перекрытие фронта пламени происходило в зазоре катод - анод дуговой камеры. Здесь же в "холодной зоне" и происходила детонация. При температуре > 1000 С явление детонации исчезало, а в плазменной струе распространялась ударная волна. Расстояние формирования ударной волны составляло 12.5 см (суммарная длина анода и насадки). Перекрытие фронта пламени в дуговой камере происходило в зазоре катод - анод главным образом в результате инфракрасной и ультрафиолетовой фрагментации молекул горючей смеси излучением дуги.

Исходя из концентрационных пределов детонации, ее максимальную скорость получали при следующем расходе компонентов плазмообразующего газа (мЗ/с); 1.33-10 воздух и ю- * пропан-бутана. Учитывая, что длина анода (0.1м), диаметром 5 мм,что на порядок меньше, чем ствола детонационной установки, длину насадки выбрали равной 2.5 10 -2м. Порошок в нее подавался самотеком и всасывался в струю в соответствии с уравнением Бернулли. При проведении эксперимента мощность дуги составляла 30 кВт, дистанция напыления 0.1 м.

Прочность сцепления покрытия с подложкой по результатам пяти серий опытов составила; 137.6,94,170,206 и 140 мПа.

Суммирование эффектов плазменного: нагрев частиц и разгон до (2-3) 10 2 м/с и детонационного напыления привело к новому качеству. Прочность сцепления покрытия с подложкой достигла 13О-20О мПа (конвенциональная в =40-50мПа).

В условиях плазмешю- детонационного напыления происходит как разрушение жидкой частицы конвективным потоком, следующим за ударной волной, так и срьш с нее пограничного слоя волной детонации, приводящий к дополнительному разогреву частиц (уже нагретых плазмой). Частицы в еще большей степени диспергируются, ускоряясь и тем самым, обеспечивая высокую прочность сцепления покрытия.

Итак, введение пропана в дугу, обжатую воздухом, приводит к сокращению предцетонационного периода на порядок.

Суммирование эффектов плазменного и детонационного напыления приводит к увеличению прочности сцепления покрытия с подложкой в 4 раза.

III. Влияние модуляции на процесс плазменной резки

Горение дуги, вынесенной на разрезаемое изделие, сопровождается колебаниями ее параметров.

Традиционный подход к плазменной резке отличается попытками исключения колебательных процессов на дуге, например за счет включения в цепь дуги индуктивности.

Как показано в ряде работ создание расщепленной дуги снижает эрозию катода, в то время как на разрезаемом изделии ток и эрозия суммарные.

Построенный на этой основе резак оказался в несколько раз более производительным, чем однодуговой.

Импульсный режим горения дуги интенсифицирует эрозию электрода. В контрагированном режиме 0 > 10 9 А/м 2) в зоне анодной привязки дуги происходит электронная бомбаццировка изделия. В точке локализации разряда бомбардировка, конвективный, кондуктивный и лучистый теплообмен создают паровую подушку из материала разрезаемого изделия, сдуваемую плазмообразущим газом.

Не изменяя традиционную конструкцию однодугового резака в настоящей работе было изучено влияние модуляции дуги на параметры плазменной резки с дугой, вьшесенной на изделие.

0.01

0,0.0

60

100

120

^М.Гц,

Рис.36. Зависимость итах/рСЗ от ум.

0.01

ООО) -

«ОО 1000 +ъЭ, А

Рис.37. Зависимостьитах/рез от Д1

Для этого, без модуляции подбиралась максимальная скорость резки итах/рез при данной толщине разрезаемого металла. Это достигалось при условии, когда угол между выдуваемым расплавом и направлением перемещения резака составлял 90°.

Затем измерялась ус низкочастотной составляющей крупномасштабных колебаний дуги (10 2 Гц) и в диапазоне вокруг собственной (70 - 250 Гц) измерялась итах/,рСЗ при модуляции по обеим схемам. _При расходе плазмообразующего газа воздуха С}в= 2.5-10 м3/с, 1=60 А, V = 200 В, разрезалась Ст-3 толщиной 1.1-10 ~2 м.

На схеме " вычитания" при Д1= 7-10 2 А, тв = 60 мкс влияние модуляции на ирез не обнаружено, так как скорость плавления и сдува материала изделия лимитируется \Уд.

В схеме "сложения" токов Д1 меняли от 7-10 2А до 4-10 3А. При этом в анодное пятно с Ум добавлялась энергия разряда емкости~7-30 Дж в одном импульсе. Это приводит к росту мощности на дуге при росте энергии в дуговом пятне на 20%, что уже само по себе должно привести к росту максимальной скорости резки (рис.36.).

При совпадении \>с=ум=10 2 Гц, максимальная скорость резки возросла с 8.810-3 м/с до 1.0-10 "2 м/с.

На рис. 37 показано влияние величины Д1 на максимальную скорость резки. Рост Д1 от 740 2А до 1.1-10 3 А при тел =200 мкс приводит к росту максимальной скорости резки на 15%.

итах/рез можно поднять на 30% но уже при А1= 4-10 3 А происходит быстрое разрушение катода, что накладывает ограничения на рост максимальной скорости резки.

IV. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

По результатам исследования были разработанны и внедрены опытные установки:

1. Установка плазменной резки в Яванский ремонтпо-механический завод (Акт об окончании опытной работы датирован 13/10/1977г., акт технических испытаний датирован 26/12/1977г.).

2. Установка плазменной резки марганцовистой брони и напыления в Душанбинский Цементный завод ( Акт об окончании опытной работы датирован 28/4/1978г., акт технических испытаний датирован 28/4/1978г.).

3. Плазменный стенд для моделирования условий входа метеоритов в атмосферу при М-0.5 в институт Астрофизики АН Тадж. ССР и АН СССР(Акт об окончании и внедрении датирован 12/4/1979г.).

4. Установка плазменной резки в Управление исправительно- трудовых учреждений МВД Тадж. ССР(Акт производственных испытаний и внедрения на предприятии ЯС 3/7 датирован 11/3/1984г.).

5. Установка плазменной резки внедрена на УПП треста " Таджикспецсельстроя" Министерства сельского хозяйства Тадж. ССР (Акт внедрения датирован 6/5/1985г.).

6. Установка плазменного напыления в Гиссарское РАПО Тадж. ССР (Акт об окончании опытной работы датирован 9/12/1985г., акт о внедрении и результатах производственных испытаний напыленных покрытий датирован 25/5 /1987г.).

7. Установка плазменного напыления в НИР Иерусалимского Университета (Акты проверки и подписания поэтапных отчетов Министерства Науки Израиля датированы 1991 - 1994гг.).

Премии и знаки отличия

1.1978 г. ВДНХ СССР- Серебрянная медаль за разработку и внедрение установок плазменного напыления и резки в народное хозяйство СССР. 2.1987г. Коллегия ГосАгропрома СССР и Центрального Совета ВОИР от 16.10.1987г., Ма 62/52- Премия, перечисленная Подотделом патентно-

лицензионной изобретательской и рационализаторской работы Госагропрома СССР № 7/347 от 20/11/87г.

3.1992г. Международная конференция по термическому нанесению покрытий 1ТБС-92 (Орландо, Флорида,США)- Знак отличия с формулировкой: "Ваш доклад способствовал успеху конференции", где представляли доклады 32 страны.

Научные результаты данной работы в 1990-1994гг. прошли рецензирование:

1. Ведущих специалистов Германии и Америки; проф. Г. Герман и Кристофер С. Берндг(Университет Стони Брук, Нью Йорк, США), проф. Э.Пфендер(Университет Миннесота, США), проф. Д. Апелиан (Ректор Ворчестерского Политехнического Ин-та, США), проф. Э. Люкшайдер (Университет в Аахене, Германия),

2. Проект, оформленный по результатам работы получил высокую оценку экспертов Американского Агенства Интернациональных исследований с уровнем Американского финансирования $150.000.

3. Проект, оформленный по результатам работы и получивший высокую оценку Германских партнеров изУниверситета г. Аахена представлен в Американское Агенство по фондированию.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Треугольные импульсы тока со скоростями нарастания и убывания 10 710 8 А/с рождают слабые ударные волны, взаимодействующие с дугой. При наложении импульсов тока в прямой и обратной полярности к дуге волны магнитного давления и ударные волны детонации срывают раскачку дуги ударными волнами модуляции.

При наложении импульсов тока в обратной полярности к дуге , в диффузном режиме привязки, ударные волны управляют параметрами дуги, изменяя ее длину, тепловые потери, эрозию электродов.

2. При напылении в азотной плазменной струе с дугой, зашунтированной на проволоку- ударные волны, рождаемые модуляцией тока, испаряют и разрушают напыляемую частицу импульсом ударного давления и ускоряют ее. Рост кинетической энергии диспергированных частиц приводит к росту адгезии покрытие - подложка до значений, приближающихся к детонационным. Срывая пограничный слой с частицы, ударные волны на собственных частотах интенсифицируют процесс азотирования напыляемых частиц.

3. Термодинамический расчет системы С-Н-Б показывает, что в интервале температур, соответствующих температурам плавления большинства напыляемых порошков, содержатся значительные концентрации водорода и непредельных, которые при наличии окислителя сгорят с большим энерговыделением.

Кинетический расчет с учетом потерь энергии дает оценку оптимальной дистанции напыления.

4. Исследование импульсного процесса высокотемпературной конверсии системы С-Н-М-Б-О показало возможность исключения из технологической цепи стадии "закалки" и повышения химического КПД реактора до уровня, приближающегося к термодинамически возможному.

5. При наложении на дугу импульсов тока в обратной полярности -интегральная характеристика измельчения частиц может достигать 100 % на частотах, соответствующих росту процессов КМШ.

При наложении на дугу импульсов тока в прямой полярности, интегральная характеристика измельчения напыляемых частиц растет пропорционально амплитуде импульсов тока.

6. Минимальный размер напыляемых частиц определяется числом ударных волн, взаимодействующих с частицей за время ее пролета.

Агрегатирование напыляемых частиц происходит как вследствие дестабилизации дугового разряда волнами магнитного давления, так и за счет разницы скоростей частиц различной массы.

Использование модуляции тока дуги делает процесс напыления слабо чувствительным к исходным размерам напыляемых частиц.

7. Плазменное напыление в режиме наложения импульсов тока в обратной полярности к дуге приводит к росту адгезии покрытие - подложка до уровня детонационного и снижает сквозную газопроницаемость покрытия на порядок за счет процесса диспергирования и роста металлической составляющей покрытия. При напылении в слабо окислительной плазменной струе концентрация оксикарбонитрида титана по отношению к мононикелиду падает в покрытии в 3-4 раза за счет процесса ударной дегазации.

8. Использование процесса детонации углеводородов при напылении в воздушно- плазменной струе приводит к сокращению предетонационного расстояния на порядок и увеличению адгезии покрытие- подложка выше уровня детонационного.

9. Скорость плазменной резки можно поднять на 30% с ростом амплитуды импульсов тока в прямой полярности к дуге. Ограничение на максимальную скорость резки накладывает процесс быстрого разрушения катода.

Результаты работы позволяют говорить о создании нового научного направления для ряда высокотемпературных процессов плазменной и лазерной технологии, базирующегося на ударных воздействиях электроимпульсной, лазерной и детонационной природы.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ Влияние импульсной модуляции тока дуга на параметры >лектродугового плазматрона с продольным вихревым обдувом и :амоустанавлнвающсйся длиной дуги

1. Гутман Б. Е., Трестман Г. А. Способ питания плазмотрона. Авт. свид. № 702934 от 13.2.78г.

1. Гутман Б.Е. Способ питания дугового плазматрона. Авт. свид. МЬ 1227096 ут 29.10.84г.

!. Гутман Б.Е., Беляев H.A., Кондратьев В.И. К вопросу разработки :истемы управления энтальпийными и эрозионными характеристиками глазматрона. Тез. докл. всесоюзного научно- техн. совещания "Применение юкрытий методом газотермического напыления для упрочнения и осстановления деталей ".Тула, 1981г.

. Гутман Б.Е. Установка для генерирования воздушной плазмы в епрерывном режиме.Тадж. ИНТИ. Информ. листок. №179.1977г. . Гутман Б.Е., Трестман Г.А. Многоцелевой источник питания ромышленных плазматронов мощностью 100 кВт. Тадж. ИНТИ. Информ. исток. № 126,1978г.

. Гутман Б.Е., Трестман Г.А. Метод повышения теплового КПД лазматрона ЭДП 104. Тадж. ИНТИ. Информ. листок.№ 147,1978г. . Гутман Б.Е., Беляев Н. А., Арихбаев И.К. К вопросу разработки системы

управления энтальпииными и эрозионными характеристиками плазматрона. Изв. АН Тадж. ССР, №3,1982г.

8. Гутман Б.Е., Кондратьев В.И., Островский B.C. Модуляция тока воздушно- плазменной дуги. Изв. АН Тадж. ССР. №4,1982г.

9. Гутман Б.Е., Кондратьев В.И., Арихбаев И.К. О процессе модуляции плазменной дуги. Изв. АН Тадж. ССР. №1,1985г.

10. Гутман Б.Е. Влияние модуляции плазменной дуги по схеме вычитания на параметры плазматрона с самоустанавливающейся длиной дуги. ДАН. Тадж. ССР., т. 29, №6,1986г.

11. Гутман Б.Е., Цапенко В.И. Влияние модуляции плазменной дуги на процесс контрагирования. Тез. докл. научно-техн. конференции " Перспективы применения плазменной технологии в металлургических процессах и мишшюстроении", Миасс, 1986г.

12. Гутман Б.Е. Электродуговой плазматрон как источник ударных волн. Физ. и хим. обраб. материалов. №3,1988г.

13. Goodman В. The development of novel technologies for plasma spraying of coatings. Proceedings of the 1993 National Thermal Spray Conference, Anaheim, CA,7-11 June, 1993, USA.

Влияние модуляции дуга на параметры напыления покрытий

1. Гутман Б.Е. Способ нанесения покрытий. Авт. свид. Ms 1400463, от 265.1986г.

2. Гутман Б.Е., Федоров А.И. Способ плазменного напыления покрытия на подложку в электродуговом плазматроне. Авт. свид., № 1400466, от 29.10. 1986г.

3. Гутман Б.Е. Установка для плазменной резки и плазменного напыления. Тадж. ИНТИ, Инф. листок, №9,1978г.

4. Гутман Б.Е. Влияние модуляции плазменной дуги на некоторые параметры технологии напыления. Сварочное производство, № 9,1984г.

5. Гутман Б.Е. Влияние модуляции плазменной дуги на параметры напыляемых покрытий. Тез. докл.: Всес. Семинар "Использование газотермических покрытий в промышленности и строительстве". Киев ИЭС им. Е.О. Патона, 11-13.11.1986г.

6. Гутман Б.Е., Цапенко В.И., Маруфи В.К. Получение плазменных покрытий в режиме модуляции. ДАН Тадж ССР, т. 29, № 3,1986г.

7. Шоршоров М.Х., Волкова P.M., Боженов В.А., Гутман Б.Е. Влияние модуляции плазменной дуги на структуру покрытий. Физ. и хим. обработки материалов. №6,1987г.

8. Гутман Б.Е. О структуре и свойствах нитиноловых покрытий полученных в модулированной дуге. ДАН Тадж. ССР, т. 30, №5,1987г.

9. Гутман Б.Е. Установка плазменного напыления с модулятором тока дуги. Тадж. ИНТИ, Инф. листок, № 87-24, Сер. 55.21,1987г.

10. Гутман Б.Е. Измельчение капель при плазменном напылении. Авт. сварка, №3(420),1988г.

11. Гутман Б.Е., Кейзер Б.А. Влияние модуляции плазменной дуги на структуру покрытия из термореагирующих порошков ГТГ-НА-01 и П-19-Н-01. ДАН Тадж ССР, т. 32, № 6,1989г.

12. Гутман Б.Е. О механизмах, влияющих на параметры плазменных покрытий в модулированной плазменной дуге.Свар. произв. № 8,1986г.

13. Гутман Б.Е., Мирзокандов Г.Р. Влияние модуляции плазменной дуги на параметры покрытия.Тез. докл. Всес. Совещ.:" плазменные процессы в метал, и техн. неорг. матер. ".Москва. ИМЕТ им.А.А.Байкова,1983г.

14. Гутман Б.Е., Шоршоров М.Х. Влияние модуляции плазменной дуги на адгезию и газопроницаемость порошковых покрытий. Физ. и хим. обраб. мат., №6,1986г.

15. Goodman В. The influence of plasma arc modulation on the coating structure. Proceedings of the International Thermal Spray Conference, Orlando, Florida, 28May-5June,1992,USA.

16. Goodman B. The development of novel technologies for plasma spraying of coatings. Proceedings of the 1993 National Thermal Spray Conference, Anaheim, CA, 7-llJune 1993,USA.

17. Goodman B. Investigation of dispersion processes of the sprayed particles by means of torch modulation. Proceedings of the 1994 National Thermal Spray Conference, Boston, 20-24 June 1994, USA.

Влияние термодинамики i макрокинстики процесса пиролиза на показатели импульсной (лазерной) конверсии углеводородов

1. Гутман Б.Е. Способ получения пирогаза. Авт. свид. №1601107 от 26.01.1987г.

2. Гутман Б.Е. Лазерная конверсия смол. Тез. докл.Ш Всесоюзного симпозиума по лазерной химии. Звенигород.,29.11-2.12-1982г.

3. Гутман Б.Е. Ударная дегазация как метод повышения КПД процесса. Физ. горен, и взрыва. №2,1989г.

4. Сльшько Л.Е., Вурзель Ф.Б., ВалибековЮ.В., Гутман Б.Е. Термодинамический расчет процесса пиролиза газоконденсата в плазменной струе водорода.ДАН Тадж. ССР, т.1б, №12,1973г.

5. Валибеков Ю.В., Гутман Б.Е., Полак Л.С. Плазмохимический пиролиз газоконденсата месторождения "Андыген". Хим. Выс. Энергий,т. 7, №1, 1973г.

6. Валибеков Ю.В., Вурзель Ф.Б., Гутман Б.Е., Полак Л.С. Влияние времени контакта на процесс плазмохимического пиролиза газоконденсата.Хим. Выс. Энергий, т.7,№ 3,1973г.

7. Валибеков Ю.В., Гутман Б.Е., Чуприна Г.А. Плазмохимический пиролиз парафино- нафтеновой и ароматической фракции газоконденсата.Изв. АН Тадж.ССР, №3(57),1975г.

8. Валибеков Ю.В., Володин Н.Л., Вурзель Ф.Б., Гутман Б.Е., Полак Л.С., Эндюськин П.Н., Эпштейн И.Л. Макрокинетика плазмохимического пиролиза углеводородов и хлоруглеводородов. Хим. Выс. Энергий, т. 9, №1, 1975г.

?. Валибеков Ю.В., Гутман Б.Е. Плазмохимический пиролиз газоконденсатов.Тез. докл. научно- техн. конф. по хим. переработке 'азоконденсатов .Ташкент, 1975г.

10. Гутман Б.Е., Новикова Г.А. Получение ацетилена и олефинов из этдельных фракций газоконденсата в плазменной струе. Тез. докл. конфер. юевященной 30 -летию Института Химии АН Тадж. ССР, Душанбе, 1975г. [1. Валибеков Ю.В., Гутман Б.Е. Исследование процесса пиролиза азоконденсатов в водородной плазменной струе. Тез. докл. 1-го Всесоюзного Симпозиума по Плазмохимии. Москва, 20-23.12.1971г. .2. Гутман Б.Е., Валибеков Ю.В. Получение ацетилена из углеводородов. Гезисы доклада 4-ой Всесоюзной конференции по химии 1цетилена.Алма-Ата, 1972г.

3. Гутман Б.Е., Валибеков Ю.В., Полак Л.С. Получение ацетилена, этилена [ метана пиролизом бурого угля в кипящем слое воздушной плазмы. Тез. окл.Всесозн. Сов. Термия 75. Ленинград, 1975г.

14. Валибеков Б.Е., Гутман Б.Е. Расчет макрокинетики плазмохимического пиролиза газоконденсата. Изв. АН Тадж. ССР, №1,1978г.

15. Гутман Б.Е., Валибеков Ю.В., Каршиев Р.Д., Шабалов В.В., Новикова Г. А. К вопросу оптимизации термохимических процессов. Деп. в ВИНИТИ, № 2896-83, от31.05.1983г.

16. Валибеков Ю.В., Гутман Б.Е., Турсунов Б.В., Чуприна Г.А. Исследование процесса пиролиза природного газа с добавкой к нему пролан-бутановой смеси в плазменной струе.ДАН Тадж.ССР, т.15, №3,1972г.

17. Валибеков Ю.В., Гутман Б.Е., Чуприна Г.А. О влиянии времени пребывания сырья в реакторе на показатели процесса плазмохимического пиролиза газоконденсата. Изв. АН Тадж. ССР., №2,1973г.

18. Гутман Б.Е., Валибеков Ю.В., Полак JI.C. Пиролиз в плазменной струе.В сб." Химия в Таджикистане","Дониш", Душанбе, 1973г.

19. Валибеков Ю.В., Моссе AJI., Гутман Б.Е. Исследование состава жидких продуктов плазмохимического пиролиза. Химия топлива и масел, №7,1975г.

20. Гутман Б.Е., Кононов В.В., Новикова Г.А. Плазмохимический пиролиз твердых горючих ископаемых в воздушной плазме кипящего слоя. Сб. трудов конференции посвященной 50-летию Тадж. ССР, 1974г.

21. Гутман Б.Е., Приймак А.Д. Плазмохимический пиролиз газоконденсата в азотной плазме. Тез. конф. поев. 50-летию Комсом.Тадж. ССР, Душанбе, 1975г.

22. Гутман Б.Е., Валибеков Ю.В., Кононов В.В., Новикова Г.А. Плазмохимический пиролиз отдельных фракций газоконденсата.Изв. АН Тадж. ССР,№4,1972г.

23. Гутман Б.Е., Валибеков Ю.В. Исследование процесса образования сажи в плазменной струе водорода из углеводородов.Тез. конф. поев. 25-летию АН Тадж. ССР,1976г.

24. Гутман Б.Е. Расчет некоторых параметров плазмохимического реактора для установки 1000 кВт. Деп. в ВИНИТИ от 12.05.1977г. Использование процесса детонации в плазменном напылении

1. Гутман Б.Е. Установка для нанесения покрытий. Авт. свид. № 1551225от 4.08.1986г.

2. Гутман Б.Е. Использование детонации при плазменном напылении для повышения прочности сцепления. Свар, производство,№7,1988г.

3. Гутман Б.Е. Использование детонации в плазменном напылении. Тез. докл. II научно-технической конф."перспективы применения плазменной техники и технологии в метал, и машин остр. * Челябинск, 1-3.6-1988г.

4. Goodman В. The Development of Novel Technologies for Plasma Spraying of Coatings. Proceedings of the 1993 National Thermal Spray Conference, Anaheim, CA, 7-11 Junel993,USA.

Исследование процесса плазменной резки имшульсио- модулированной дугой, вынесенной на изделие

1. Гутман Б.Е. Способ плазменной обработки. Авт. свид. № 1632670 от15.03.1989г.

2. Гутман Б.Е. Влияние модуляции плазменной дуги на процесс резки. Свар, производство, М» 7,1985г.

3. Гутман Б.Е., Маруфи В.К., Кондратьев В.И. Влияние модуляции на процесс плазменной резки. ДАН Тадж.ССР, т. 28, №3,1985г.

4. Гутман Б.Е., Трестман Г.А. Установка плазменной резки, сварки, наплавы и напыления, Тадж. ИНТИ, № 148,1978г.