РАЗДЕЛ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И МЕТОДИКИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Динамическая обработка поверхности с помощью потока плазмы атмосферного
давления, описание устройств и способов.
Первый этап исследований для плазменной обработки плоских образцов был
осуществлен с помощью генераторов плазмы атмосферного давления, создающих
струи/потоки плазмы, и с применением принципа динамической плазменной обработки
ДПО [1,4,166-175].
На рис.2.1 изображена схема многоструйных генераторов плазмы, использованных
для экспериментов. Двухструйный плазмотрон, его устройство и принципы работы
наиболее полно описаны в работе [174]. Он представляет собой два электродных
узла, катодный и анодный, с центральными электродами и несколькими выходными
электродами-диафрагмами. Эскиз конструкции электродного узла приведен на
рис.2.2. Характерные
а) б)
Рис.2.1. Схема многоструйных генераторов плазмы, использованных для
экспериментов: а) двухструйный генератор; б) плазменная воронка, сделанная из
двух двухструйных генераторов плазмы [173].
Рис. 2.2. Эскиз конструкции электродного устройства.
параметры: плазмообразующий газ – аргон, 1-3 л/мин; электрическое напряжение –
100-200 В; электрический ток – 80-150 А.
После поджига двухструйный плазмотрон создает вынесенную электрическую дугу,
горящую в свободном пространстве и стабилизированную стенками, газовыми
потоками и взаимодействием собственных электрических и магнитных полей.
Схематический вид плазмы двухструйного плазмотрона, распределение температур
(Т, 103 К) и радиальное распределение масс- потоковой скорости катодной (1) и
анодной (2) плазменных струй от дистанции изображены на рис. 2.3.
Преимуществом этого генератора плазмы является то, что основной Джоулев нагрев
происходит снаружи электродов генератора и его эффективность достигает 70%.
Химические реагенты могут легко вводиться непосредственно в вынесенную дугу
между двумя плазменными струями, где интенсивность Джоулева нагрева и условия
передачи тепла являются оптимальными. Измеренная эрозия электродов этого
устройства составляет менее 10-9 г/Кулон. Изменяемая вольтамперная
характеристика, электрическая и газодинамическая стабильность делают этот
источник плазмы хорошим базисом для более сложных источников плазмы,
разработанных на этом принципе.
Рис. 2.3. Распределение температур (Т, 103 К) и радиальное распределение масс-
потоковой скорости от дистанции в двухструйном плазмотроне [174]
Пространственная конфигурация струй может управляться с помощью наложенных
дополнительных поперечных магнитных полей, взаимодействующих с токами в
плазменных струях: удлинять и укорачивать плазменные токовые струи, вызывать их
осцилляцию. Магнитные поля могут быть постоянными и переменными, управление
магнитными полями и газодинамикой позволяет улучшить однородность распределения
взаимодействия между плазменным потоком и обрабатываемой поверхностью.
Схема 4-х струйного генератора плазмы атмосферного давления приведена на рис.
2.4.а, фото свободной струи плазмы 4-х струйного генератора плазмы на рис.
2.5.б). Пара двухструйных плазмотронов установлены так, что четыре плазменные
струи создают общий осесимметричный поток с фокусной точкой. После наложения
внешних магнитных полей формируется плазменная воронка, в которую могут
вводиться различные химические реагенты; могут вводиться газовые, парообразные
реагенты, сыпучие вещества и их смеси. Условия на оси воронки являются
оптимальными для этого ввода: эффективный и равномерный нагрев и активация
реагентов со всех сторон в зоне более низкой температуры в «застойной» зоне
между газовыми потоками.
Для формирования требуемой конфигурации зоны смешения на токоведущие части
плазменных струй воздействуют внешним магнитным полем [176,177], создаваемым
квадрупольной системой магнитопроводов. Схема электромагнитного взаимодействия
токоведущих плазменных струй и внешнего магнитного поля в поперечном сечении
зоны смешения приведена на рис. 2.4.б). В результате электромагнитного
взаимодействия каждой плазменной струи с соседними струями и с внешним
магнитным полем В вектор Vi скорости каждой струи в суммарном потоке направлен
преимущественно параллельно оси всей системы плазменных струй.
В результате численного моделирования и экспериментов оказалось, что с помощью
внешнего магнитного поля можно изменять направление суммарного потока, сохраняя
при этом соосность всех плазменных струй. Причем для
Рис. 2.4. а) Схема 4-х струйного генератора плазмы атмосферного давления:
1-электродные узлы; 2 – плазменный реактор; 3 – катушки магнитной системы; 4 –
введение в реактор защитных газов [175]; б) Схема взаимодействия струй с
магнитным полем. F – равнодействующая сил, действующих на каждую струю,
пунктиром обозначено поперечное сечение плазменного потока [176,177].
каждого направления потока однозначно может быть определена соответствующая
конфигурация внешнего магнитного поля.
Электродные узлы с магнитной системой устанавливаются в реактор, в который
могут также подаваться инертные газы или азот, формирующие, например, поток
газодинамической защиты вокруг плазменных струй.
Описанные выше источники (генераторы) атмосферного давления плазмы обладают
следующими важными свойствами:
- высокая объемная удельная мощность;
- начальная температура свыше 10 000 К достаточна для полной термической
диссоциации, активации атомов и частичной ионизации химических веществ,
введенных в плазменный поток;
- равномерное распределение температуры и плотности частиц компонентов;
- высокая начальная массовая скорость (свыше 100 м/с);
геометрическая конфигурация, оптимальная для ввода, с
- Київ+380960830922