2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1 Современное состояние исследований плазменно-электролитного разряда и его применение в технике 12
1.1 Газовый разряд между металлическим катодом и электролитическим анодом 14
1.2 Газовый разряд между металлическим анодом и электролитическим катодом 23
1.3 Особенности плазменно-электролитной обработки поверхности 33
1.4 Цель и задачи работы 36
Глава 2 Экспериментальные установки и методики исследований 38
2.1 Экспериментальные установки исследования плазменно-электролитного разряда 38
2.2 Измерительная аппаратура, методика проведения экспериментов 43
2.3 Физико-механические методы исследования характеристик поверхности 50
Глава 3 Экспериментальные исследования плазменно-электролитного разряда в процессах формирования микрострукту ры поверхности 57
3.1 Энергетические и электрические характеристики плазменно-электролитного разряда 57
3.2 Возникновение анодных микроразрядов при плазменно-электролитной обработке 73
3.3 Влияние рН-раствора на зажигание газового разряда в электролите 76
Глава 4. Формирование микроструктуры поверхности плазменноэлектролитным разрядом 80
4.1 Характеристики микроструктуры поверхности в зависимости от параметров плазменно-электролитной обработки 80
4.2 Условия формирования структуры поверхности, при которой происходит эффективное отражение ультразвуковых волн 95
3
4.3 Устройство плазменно-электролитной обработки медицинских игл 97
4.4 Испытания на ультразвуковую визуализацию медицинских игл 101
Выводы 104
Библиографический список использованной литературы 106
4
Принятые обозначения
8К - площадь катода Б а - площадь анода со - линейная скорость съема металла р - плотность стали Л/ - время обработки
0Э -энергия электрического тока, вкладываемая в газовый разряд £- количество тепла, уходящего на нагрев электролита г) -доля энергии разряда, расходуемая на нагрев электролита, % ]а„ — плотность анодного тока рион -доля ионного тока ^он - плотность ионного тока ]кат - плотность полного тока на катоде фвых.ан - энергия, равная работе выхода электрона из анода фвых.ион - работа выхода положительных ионов срИС|| - энергия испарения одного атома Еан - напряженность поля у анода Чаи - удельный тепловой поток на поверхность рэл - плотность вещества электрода \т - коэффициент теплопроводности сл - теплоемкость Т„сп - температура кипения
Чотв - удельный тепловой поток в глубь электрода
тр - скорость разлета частиц расплава
Ьл - глубина лунки
X - длина волны ультразвука
т„ - длительность разряда
vn - скорость паровой струи
(?исп_ теплота фазового превращения
иаи - анодное падение потенциала
5
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время разряд с жидкими электродами нашел широкое применение в химической технологии и в технологии обработки материалов, а также в других областях науки и техники.
Классические методы электрического воздействия на поверхность сталей, такие как электрохимические, электроэрозионные, электротермические и электромеханические имеют недостатки. А именно высокий расход энергии, экологическое загрязнение, проблемы утилизации побочных продуктов, трудность получения требуемого профиля поверхности в определенных масштабах. В связи с этим остро стоит вопрос о разработке и исследовании новых энергосберегающих, экологически безвредных и экономически выгодных методах воздействия на поверхность.
Среди технологий обработки материалов одним из новых методов обработки поверхности металлов является плазменно-электролитный процесс. Данный метод обработки осуществляется при подаче напряжения на электроды, находящиеся в растворе электролита, в результате вокруг активного электрода горит парогазовый разряд. Особенность данного разряда заключается в том, что он горит между твердым и жидким электродом. Активным электродом может являться анод или катод. При горении разряда на катоде происходит очистка и полировка обрабатываемого изделия, так же при определенных условиях возможно нанесение покрытий. При анодном процессе на «вентильных» металлах происходит анодное оксидирование совместно с горением микродуг, данный процесс принято называть микродуговым оксидированием. На металлах, не обладающих «вентильным эффектом», наблюдается эрозионное разрушение металла и его анодное растворение.
Интерес представляет формирование микрорельефа поверхности металлов с помощью плазменно-электролитной обработки, заключающегося в совмещении двух процессов: эрозионного разрушения металла и его
анодного растворения. Актуальность исследований в данном направлении обуславливается рядом преимуществ данного способа обработки перед традиционными методами: малый расход энергии, экологическая
безвредность процесса, отсутствие проблем утилизации побочных продуктов, высокая экономическая эффективность. Также следует отметить, что исследование многофазных систем носит фундаментальный характер.
На данный момент отсутствуют систематические экспериментальные исследования разряда в многофазных средах. Не исследованы условия зажигания разряда с электролитическим катодом. Не изучены физические процессы на границе раздела плазмы и жидкости. Нет механизма влияния разряда в парогазовом пузырьке на поверхность металлов. Все вышеприведенные причины задерживают разработку технологии плазменноэлектролитного формирования микрорельефа поверхности.
Работа направлена на исследование плазменно-электролитных процессов и решение актуальной проблемы создания нового метода формирования микрорельефа поверхности металлов и выполнена в рамках НИР № 1.26.11 «Физические основы плазменно-электролитного процесса», проводимого КФУ по заданию Министерства образования и науки, а также при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программ СТАРТ 1, гос. контракт №5021 р/7400 "Разработка оборудования нанесения микродефектов на поверхность медицинских игл, предназначенных для ультразвуковой визуализации" и СТАРТ 2 гос. контракт №8024р/7400 «Исследование методов контроля и разработка системы контроля качества поверхности медицинских игл при микроплазменной обработке».
Цель и задачи исследовании. Целью работы являлось изучение механики взаимодействия плазмы разряда с жидким электролитическим катодом с поверхностью твердого тела и разработка технологии формирования микрорельефа поверхности металлов с заданными
7
параметрами. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Провести обзор известных экспериментальных и теоретических исследований разрядов в многофазных средах между твердыми металлическими и жидкими неметаллическими электродами, а также определить области их практических применений;
2. Разработать и изготовить установки для исследования характеристик разрядов с электролитическим катодом при плазменно-электролитном воздействии на поверхность металлов;
3. Установить условия возникновения анодных микроразрядов на поверхности твердых тел и выявить возможный механизм самоподдержания разряда;
4. Исследовать зависимость процесса формирования микрорельефа поверхности металлов от параметров электрического разряда, определить механику воздействия плазмы разряда парогазового пузырька на обрабатываемую поверхность;
5. Разработать технологию формирования микрорельефа поверхности с заданными параметрами.
Объект и методы исследования. Основным объектом исследования являются плазменно-электролитные процессы воздействия на поверхность твердых тел, а также сама поверхность металлов, при таком воздействии.
Для исследования параметров разряда с электролитическим катодом и определения условий возникновения анодных микроразрядов проводились измерения напряжения и тока разряда, температуры электролита и электрода, распределения потенциала в зоне разряда и в толще электролита, кислотности электролита; проводилась скоростная видеосъемка образования пузырьков в межэлектродном пространстве. Обработанные поверхности исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа, определялись параметры шероховатости и микротвердости поверхности.
8
Научная новизна работы.
1. Исследован разряд с жидким электролитическим катодом в диапазоне и = О - 250В; I = 0 - 50 А; pH = 1 - 12; Т= 20 - 110 °С.
2. Впервые исследован переход от процесса классического электролиза в режим горения разряда в паровоздушной оболочке.
3. Обнаружены анодные микроразряды в диапазоне напряжений 40 - 100 В;
4. Установлена зависимость напряжения зажигания разряда от кислотности электролитического катода.
5. Определено влияние формы прикладываемого напряжения на режимы плазменно-электролитного воздействия.
6. Определен механизм воздействия электрических разрядов в многофазных средах на обрабатываемую поверхность.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
На основе экспериментальных исследований параметров разряда с электролитическим катодом разработана плазменно-электролитная
технология формирования микрорельефа поверхности, в том числе медицинских игл с повышенной ультразвуковой визуализацией, которые были использованы в Республиканской клинической больнице №1 г. Казань.
Внедрены в промышленность технологические процессы и
оборудование для плазменно-электролитной обработки. Экономический эффект составил 6 млн. руб в год.
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:
1. Результаты комплексных экспериментальных исследований генерации потоков плазмы разряда с электролитическим катодом в процессе плазменно-электролитной обработки поверхности.
2. Результаты исследований перехода из классического электролиза в режим горения разряда в паровоздушной оболочке.
3. Существование анодных микроразрядов в диапазоне напряжений 40-100В.
4. Зависимость режимов генерации потоков плазмы при плазменноэлектролитном формировании микрорельефа от формы прикладываемого напряжения.
5. Закономерность влияния кислотности электролитического катода на напряжение зажигания разряда.
6. Механика воздействия потока плазмы электрических разрядов на обрабатываемую поверхность.
7. Технология плазменно-электролитного формирования
микрорельефа медицинских игл для ультразвуковой визуализации.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: 4-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии 13-18 мая, Иваново 2005г; Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению “Индустрия наносистем и материалы”, МИЭТ, Москва, 2005; Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани «Туполевские чтения», Казань, 2005; London international youth science forum, London 2005; 4-я Курчатовская молодежная научная школа, 20-22 ноября 2006 г., Москва; научные сессии Казанского государственного технологического университета, Казань, 2006 - 2011; V и VI Российские ежегодные конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, ИМЕТ им. A.A. Байкова, Москва, 2008,2009; 6-я международная конференция "Физика плазмы и плазменные технологии" (ФППТ-6), Минск, Беларусь, 2009; XXXVI, XXXVII и XXXVIII Международные (Звенигородские) конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2009, 2010, 2011; I, II и III Республиканские научно-технические конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий», Казань, 2009,2010, 2011.
10
Основные результаты исследований изложены в 26 публикациях (тез. докл. на научных конференциях - 13, статей - 12, из них 3 опубликованы в журналах, определенных ВАК, 1 патент).
Личный вклад автора состоит в получении, обработке и интерпретации полученных экспериментальных данных, в подготовке материалов к публикациям. Автором изготовлены экспериментальные установки в соответствии с целями исследования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 7 таблиц.
В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований разрядов в многофазных системах между твердыми металлическими и жидкими неметаллическими электродами, а также определены основные области их практических применений.
Во второй главе приведено описание экспериментальных установок. Описывается функциональная схема установки для зажигания и исследования характеристик газового разряда с электролитическим катодом в процессе плазменно-электролитного формирования микрорельефа. Также приведено описание установки, с помощью которой велась регистрация анодных микроразрядов. Описана используемая измерительная аппаратура, приведены методики проведения измерений параметров разряда, дана оценка почетности измерений. Представлены методы измерения параметров поверхности после воздействия потока плазмы разряда с жидким электролитическим катодом.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований генерации потоков плазмы разряда с электролитическим катодом. Представлены исследования влияния кислотности раствора на зажигание газового разряда. Описан переход от состояния протекания
- Київ+380960830922