Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении

Специальность: 01.02.05.- Механика жидкости, газа и плазмы

Ахатов Марат Фарихович

Казань 2008

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

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор

Гайсин Фивзат Миннебаевич

Официальные оппоненты - доктор технический наук, профессор

Абдуллин Ильдар Шаукатович;

- доктор технических наук, профессор

Зиганшин Рафаэль Рахимзянович

Ведущая организация - ОАО Казанское ОКБ «СОЮЗ»

Защита состоится «7» мая 2008 г. в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу:

420011, г. Казань, Карла Маркса, д. 10.

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

Автореферат разослан «2 » апреля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность работы. В настоящее время наряду с изучением электрических разрядов между твердыми электродами большой интерес представляют разряды в парогазовой среде с электролитическими электродами. Одним из методов получения неравновесной низкотемпературной плазмы является использование многоканального разряда (МР), возникающего между твердым и электролитическим электродами. Неравновесная низкотемпературная плазма многоканального разряда имеет множество эффектов, полезных с точки зрения технологических применений: очистка и полировка твердых металлических поверхностей; одностадийное получение мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей при атмосферном давлении; синтез органических соединений в растворах электролитов, очистка воды и стерилизация растворов и изделий. В последние годы наметились новые перспективные направления применения многоканального разряда между электролитическим катодом и твердым анодом в машиностроении. Многоканальные разряды между электролитическим катодом и металлическим анодом являются полезными не только с точки зрения технологических применений, но имеют большое значение для изучения физических явлений. Несмотря на все указанные достоинства, многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении практически не изучен. Не установлены формы многоканальных разрядов между струйным электролитическим катодом и твердым анодом. Не исследовано взаимодействие плазмы МР со струйным электролитическим катодом с поверхностями твердых тел. В Влазмы многоканального разряда струйным электролитическим катодом с поверхностями твердых тел.и твердым анодом . ия технологичесе это сдерживает разработку плазменных установок со струйным многоканальным разрядом и их внедрение в производство. В связи с изложенным экспериментальное исследование многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении является актуальной задачей.

Целью данной работы является установление закономерностей физических процессов, протекающих в многоканальном разряде между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении, и создании на их основе устройств для направленного изменения структуры, физических и механических свойств материалов и изделий для практического применения в плазменной технике и технологии.

Задачи исследования:

1. На базе, созданной автором экспериментальной установки, проводить экспериментальные исследования многоканального разряда между твердым анодом и струйным электролитическим катодом при атмосферном давлении: напряжение U=0,2ч1,5 кВ, ток разряда I=0,021,5 A, расход электролита G=1,48,3 г/с, диаметр струи d_c=210 мм и длин струи l_c=2120 мм для различного состава (растворы NaC?, KC? и CuSO₄ в технической воде) и концентрации электролита (от 5% по массе до насыщения). На основе проведенных экспериментальных исследований МР между твердым анодом (металлы, сплавы, диэлектрики и пористые тела) и струйным электролитическим катодом выявить основные формы многоканального разряда. Изучить структуры многоканального разряда, падения напряжения на струе электролитического катода и вольтамперные характеристики (ВАХ) разряда, распределения температуры вдоль струйного электролитического катода и на поверхности твердого обрабатываемого анода, функции распределения вероятности случайной величины напряжения и тока многоканального разряда в широком диапазоне параметров U, I, G, d_c и l_c.

2. Разработать качественную физическую модель горения многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в процессе обработки металлов и сплавов.

3. Разработать и создать разрядные устройства для получения многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении.

4. Разработать методики модификации поверхности твердых тел:

- локальной очистки с одновременной полировкой поверхности металлов и сплавов;

- создание рельефной поверхности на твердых телах.

Научная новизна исследований:

1. Впервые установлено:

- горение и распространение многоканальных разрядов вдоль и внутри струи электролитического катода;

- горение и распространение многоканального разряда на поверхности влажных диэлектриков (оргстекло, пластмассы и т.д.);

- горение и распространение многоканального разряда в объеме влажных пористых тел;

- горение многоканального разряда между микроразрядами в струях и твердым анодом;

- горение многоканального разряда между отрывающейся каплей электролита и твердым анодом;

- развитие электрического пробоя вдоль и внутри струйного электролитического катода.

2. Выявлены основные формы многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении.

3. Впервые установлено, что значения напряжения и тока многоканального разряда имеют нормальную функцию распределения вероятности.

4. Разработана качественная физическая модель горения многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в процессе обработки металлов и сплавов

Практическая ценность. Результаты исследования служат основой для понимания физических процессов, происходящих в многоканальном разряде между твердым анодом и струйным электролитическим катодом. Разработаны и созданы устройства для получения многоканального разряда между твердым анодом и струйным электролитическим катодом. Разработаны методики локальной очистки с одновременной полировкой поверхности металлов и сплавов, получения рельефной поверхности на твердых телах.

Работа выполнялась (в 2005-2007 гг.) в рамках проекта «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» РФФИ №04-02-97501.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования:

- горения многоканального разряда вдоль и внутри струи электролитического катода;

- горения многоканального разряда между микроразрядами в струе и твёрдым анодом;

- горения и распространения многоканального разряда в объеме влажных пористых тел;

- горения многоканального разряда между отрывающейся каплей электролита и твёрдым анодом;

- горения и распространения многоканального разряда на поверхности влажных диэлектриков (оргстекло, пластмассы, целлюлоза и древесина);

- развития электрического пробоя вдоль и внутри струйного электролитического катода.

2. Качественная физическая модель горения многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в процессе обработки металлов и сплавов.

3. Устройства для получения многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом.

4. Методики локальной очистки с одновременной полировкой поверхности металлов и сплавов, создание рельефной поверхности на твердых телах.

Степень достоверности научных результатов определяется применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их результатов с известными опытными и теоретическими данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на Второй международной научно-практической конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», (Санкт-Петербург, 2006 г.); на IV международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии, (Иваново; Ивановский гос. хим.-тех. университет. 2005 г.); на 3-й Всероссийской конференции молодых ученых, (Томск, Институт оптики атмосферы СО РАН, 2006 г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2004г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» посвященной 1000-летию города Казани. (КГТУ им. А.Н. Туполева 2005 г.); на Международной молодежной научнаой конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006 г.)

Личный вклад автора в работу. Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнены обработки и анализ экспериментальных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ (одна статья в ведущем рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК и 13 работ в материалах конференций).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 109 источников отечественных и зарубежных авторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, формируются задачи исследования, основные защищаемые положения и научная новизна результатов.

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

Во второй главе приведены описания экспериментальной установки, предназначенной для исследования многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в диапазоне параметров U=0,2ч1,5 кВ, I=0.1ч1,5 А, l_c=1ч120 мм, G=1,4ч8,3 г/с и d_c= 1ч 10 мм для различного состава (растворы NaC?, KC? и CuSO₄ в технической воде) и концентрации электролита (от 5% по массе до насыщения). Принципиальная схема установки представлена на рис. 1. Система электрического питания высоковольтной установки предназначена для питания разряда, измерительной аппаратуры и вспомогательного оборудования. Источник питания разряда обеспечивает регулирование и преобразования сетевого напряжения. Он состоит из низковольтного и высоковольтного регулируемых блоков, обеспечивая тем самым указанные диапазоны изменений напряжения и тока. Источник питания обеспечивает регулируемое постоянное напряжение до 4000 В при номинальном токе до 10 А. Трехфазное сетевое напряжение через предохранители и рубильник подается на регулятор напряжения 1 типа ИР 60 УХЛ4, который позволяет регулировать трехфазное напряжение от 0 до 660 В. После регулятора напряжения питание подается на повышающий трехфазный трансформатор 2. На выходе с трансформатора можно получить напряжение до 4000 В. Переменное напряжение подается на выпрямитель 3, собранный по схеме Ларионова из вентилей типа ВЛ-200.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования МР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом

Амплитуда пульсации выпрямительного напряжения сглаживается П- образным LC фильтром 4 (С₁=С₂=100 мкФ, L=50·10^-3Гн) уменьшается от 6 до 1% от выпрямленного. Далее для регулирования напряжения и ограничения тока в случаях короткого замыкания используются балластные сопротивления 5. Блок этих сопротивлений позволяет получить сопротивление от 20 до 200 кОм. На пульте управления размещены: кнопки пуска и выключения ИП, низковольтных выпрямителей, питающих электродвигатели вспомогательного оборудования, понижающего трансформатора, питания двигателя оснастки, координатных устройств регулирования длины струйного электролитического катода, кнопки включения и выключения вентиляторов отсоса паров и газов, сигнальные лампочки. ВАХ многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом измерялись с помощью вольтметра 6 М 367 класса точности 0,5 и статистического вольтметра С 50 класса точности 1,0, амперметром 7 Ц4311 класса точности 0,5 и мультиметром MY68 класса точности 0,5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1,5%. Концентрация электролитов измерялась различными ареометрами. Распределение температуры Т в струйном электролитическом катоде измерялось при помощи измерителя температуры center-350/352/358. Для каждого набора значений межэлектродного расстояния, состава и концентрации электролита регистрация параметров струйного многоканального разряда проводились не менее 7 раз. Фотографирование разряда осуществлялось фотоаппаратами «Samsung»,«Rower 3.2»,а также осуществлялась видеосъемка на видеокамеру «Sony». Для изучения структуры поверхности металла до и после обработки использовалась: металлографический и рентгеноструктурный анализы. Рельеф и микрорельеф поверхности исследовался на электронном микроскопе «XL-30 ESEM TMP». Металлографические исследования выполнялись с использованием оптического микроскопа ОГМЭ-П2. Для статистической обработки полученных экспериментальных данных разработан алгоритм, реализация которого осуществлена в пакете прикладных математических программ MathCAD 2000 professional.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований МР между струйным электролитическим катодом и твёрдым анодом в диапазоне U=0,2ч1,5 кВ, I=0,01ч1,5 А, l_с=2ч120 мм и d_с=1ч10 мм для различного состава (растворы NaC?, KC? и CuSO₄ в технической воде) и концентрации электролита (от 5% до насыщения в технической воде). В экспериментах в качестве твердого анода использовались медь, латунь, сталь 3 и У8.

Режимы горения МР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении приведены в табл. 1.

Таблица 1

	а	б	в	г	д	е	ж	з	и	к
I, мА	30	50	140	210	400	300	380	430	260	300
U,B	450	610	330	420	860	850	500	800	690	290
lc, мм	30	30	45	45	45	90	30	15	5	8
dc, мм	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	3	2,5	1,5	1,5
G, г/с	3,3	3,3	3,3	3,3	3,3	2,3	2,3	1,4	1,4

На рис.2 показаны формы многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении.

Рис. 2. Формы многоканального разряда: области однородного ( I ) и неоднородного ( II ) течения струи электролита

Анализ экспериментальных данных показал, что между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом (обрабатываемое тело) горит МР. В интервале I = 30 ч 50 мА и U = 450 - 610 В при l_c = 30 мм, d_c = 2,5 мм и G = 3,3 г/с многоканальный разряд горит на границе струя-металл (рис. 2а и б). С ростом l_c от 45 до 90 мм в интервале U = 330 - 420 В и I = 140 - 210 мА микроразряды горят вдоль неоднородного течения (II) (рис. 2в). С дальнейшим ростом тока разряда МР горит как на границе струя-металл, так и вдоль неоднородного течения струи (рис. 2г). При I=400 мА, U=860 В и l_c=45 мм наблюдается распространение МР вдоль наружной поверхности струйного катода между микроразрядами и твердым анодом (рис. 2д). Многоканальный разряд наблюдается также внутри струи электролита (рис. 2е), который непрерывно перемещается вдоль струи электролита. Экспериментальные исследования позволили наблюдать так же многоканальный разряд в форме полого усеченного конуса (рис. 2ж). Установлено, что при l_c 10 - 20 мм происходит электрический пробой как снаружи (рис. 2з), так и внутри струи электролита (рис.2и). МР может гореть между отрывающейся каплей электролита и металлическим анодом (рис. 2к). Описанные формы струйных МР позволили обрабатывать поверхности твердых тел.

На фотографиях (рис. 3) представлено горение МР между струйным электролитическим катодом и поверхностью металлического анода.

а	б
в	г
д	е

Рис. 3. Фотографии МР: а, б, в, г между струйным электролитическим катодом и поверхностью металлического анода; д, е развитие пробоя внутри струи электролитического катода в разрядной камере

Многоканальный разряд на поверхности проводимых тел (металлы и сплавы) не распространяется, а горит между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом, а также на неоднородной области течения струйного электролитического катода (рис 3.а-г). Рис. 3а фотографии МР при U=450 B и I=30 мА; рис. 3б U=610 B и I=50 мА; рис. 3в U=420 B и I=210 мА; рис. 3г U=500 B и I=380 мА соответственно. На фотографии (рис. 3д, е) показано развитие пробоя вдоль и внутри струи электролита между металлическим анодом и медной проволокой для подвода отрицательного потенциала к струе электролита при l_c=10 мм и d_с=3 мм. Развитие пробоя между металлическим анодом и медной проволокой может происходить также вдоль поверхности струи. Это происходит в случае горения МР между микроразрядами в струях и металлическим анодом.

На рис. 4 представлены экспериментальные исследования вольтамперных характеристик МР разряда между струйным электролитическим катодом и твёрдым анодом (обрабатываемое тело - медь марки М1) при атмосферном давлении для различного расхода электролита. В качестве струйного электролитического катода используется насыщенный раствор NaC? при l_с=90 мм.

Рис. 4. ВАХ многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твёрдым анодом при длине струи l_c = 90 мм для различного расхода электролита. 1 - 2,7; 2 - 3; 3 - 4,5; 4 - 8,3 г/с 1100 1000 900 800

Как видно из рис. 4, при малых расходах электролита G=2,7 г/с и l_с=90 мм величина U уменьшается линейно с ростом тока разряда (кривая 1). С дальнейшим ростом величины G от 2,7 до 8,3 г/с характер зависимости U от I меняется. ВАХ многоканального разряда становится возрастающими (кривые 2, 3 и 4). Из сравнения кривых 1, 2, 3 и 4 следует, что с ростом расхода электролита величина тока многоканального разряда увеличивается. Анализ экспериментальных данных показал, что при малых величинах I горит разряд, показанный на рис. 2а и 2в.

В случае использования в качестве анода влажного диэлектрика (например, оргстекло) многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и влажным твердым анодом горит и распространяется на поверхности диэлектрика (фотография рис.5а,б). Многоканальный разряд горит между струйным электролитическим катодом и твердым влажным диэлектрическим анодом в форме кольца или форме эллипса. Эти формы определяются расстоянием между струйным электролитическим катодом и поверхностью диэлектрика. Многоканальный разряд в зависимости от состава и концентрации электролита может гореть частично или полностью вдоль границы между растекающейся струей и влажной поверхностью диэлектрика. Анализ экспериментальных данных показал, что МР может гореть одновременно в точке касания струи электролита на поверхности диэлектрика и вдоль границы растекания электролита. На фотографии рис. 5а,б показано горение и распространение МР как в точке касания струи, так и на поверхности диэлектрика.

а	б

Рис. 5. Распространение многоканального разряда на поверхности диэлектрика

На рис. 6 представлены вольтамперные характеристики МР разряда между струйным электролитическим катодом и влажным диэлектриком- анодом при атмосферном давлении для различных длин струи электролита. В качестве диэлектрика служит оргстекло.

Анализ ВАХ распространяющегося МР на рис.6 показал, что с ростом длины струйного электролитического катода от 5 до 20 мм наблюдается линейный рост величины U с увеличением I (кривые 1, 2 и 3). С дальнейшим ростом l_c от 20 до 40 мм, характер ВАХ распространяющегося МР меняется.

Рис. 6. Вольтамперные характеристики МР между струйным электролитическим катодом и твердым влажным диэлектриком- анодом при G=8,3 г/с для различных длин струй: 1 5; 2 10; 3 20; 4 40; 5 60; 6 90 мм. В качестве анода служит влажное органическое стекло, а электролит из насыщенного раствора NaC?

С ростом l_c от 60 до 90 мм при G=8,3 г/с ВАХ многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и влажным диэлектрическим анодом становятся возрастающими. Установлено, что при малых l_c =5ч20мм распространение МР между струйным электролитическим катодом и влажным диэлектрическим анодом наблюдается чаще, чем в случае при больших l_c. Выявлено, что диаметр распространяющегося многоканального разряда при больших длинах струи значительно растет.

На рис. 7 представлены ВАХ многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твёрдым анодом для различного состава электролита.

Рис. 7. ВАХ многоканального разряда в струйном электролитическом катоде при G = 8,3 г/с, l_c = 90 мм: 1 - насыщенный раствор CuSO₄; 2 - насыщенный раствор KCl; 3 - насыщенный раствор NaC?

Анализ ВАХ многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твёрдым анодом для растворов NaC?, KC? и CuSO₄ в технической воде на рис. 7 показал, что в случае насыщенного раствора CuSO₄ (кривая 1) разряд горит при малых токах I = 0,03 А и больших напряжениях U > 1200 В в форме кольца вблизи металлического анода. В случае использование насыщенного раствора KC? (кривая 2) в технической воде приводит к тому, что в интервале I = 250 ч 450 мА величина U возрастает почти линейно. В случае использования в качестве струйного электролитического катода насыщенный раствор NaC? в технической воде (кривая 3) величина I в интервале от 275 до 375 мА возрастает медленно, а в интервале I = 375 ч 450 мА напряжение разряда возрастает резко.

На рис.8 представлены экспериментальные исследования ВАХ многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и пористым материалом анодом при атмосферном давлении для различных длин струи электролита.

Рис. 8. Вольтамперные характеристики МР между струйным электролитическим катодом и пористым материалом анодом при G=1,4 г/с для различных длин струй: 1 20; 2 30; 3 60 мм

Анализ экспериментальных данных рис.8 показал, что при l_c= 20 мм величина U уменьшается с ростом тока разряда. С увеличением l_c от 30 до 60 мм характер зависимости U от I существенно меняется.

Проведены экспериментальные исследования распределения температуры для различных длин струи электролита. В качестве электролита использовался насыщенный раствор соли NaC? в технической воде. Результаты исследования распределения температуры для различных длин струй приведены на рис 9.



Рис. 9. Распределение температуры в струйном электролитическом катоде при G=8,3 г/с для различных U, I и l_c: 1 U=340 В, I=0,5А, l_c=20 мм; 2 U=840 В, I=0,5 А, l_c=33 мм; 3 U=380 В, I=0,4 А, l_c=55 мм; 4 U=720 В, I=0,7 А, l_c =60 мм; 5 U=440 В, I=0,05 А, l_c =90 мм

электролитический катод анод

Металлический анод находится в нулевом сечении зависимости Т = f(l_c). Начала струйного электролитического катода находится в сечении l_c =20 мм (кривая 1), l_c = 35 мм (кривая 2), l_c = 55 мм (кривая 3), l_c = 60 мм (кривая 4) и l_c = 90 мм (кривая 5). Из анализа зависимости температуры в струе электролитического катода от длины струи следует, что при l_c=20 мм зависимость Т = f(l_c) носит экспоненциальный (возрастающий) характер (кривая 1). С дальнейшим ростом длины струи l_c от 33 до 60 мм (кривая 2,3 и 4) зависимость Т=ѓ(l_c) носит экстремальный характер. Например, при l_c=60 мм величина Т в интервале l_c=0 ч25 мм возрастает, достигает максимума при l_c=30, а затем до l_c=60 мм величина Т уменьшается. Из сравнения кривых 1, 2, 3, 4 и 5 следует, что величина температуры в струйном электролитическом катоде зависит от l_c и вкладываемой мощности в разряд. Анализ экспериментальных данных по распределению температуры вдоль струйного электролитического катода показал, что при больших l_c=90 мм зависимость Т=ѓ(l_c) имеет падающий характер и величина Т составляет 30 ^єС на поверхности твердого обрабатываемого анода.

Установлено, что для модификации поверхности материалов (металлы и сплавы) необходимо использовать многоканальные разряды со струйным электролитическим катодом l_c? 20ч 60 мм.

Величина напряжения и тока МР зависит от числа каналов. Число каналов многоканального разряда со струйным электролитическим катодом меняется случайным образом. Поэтому было экспериментально исследована функция распределения вероятности напряжения и тока многоканального разряда. Функция распределения вероятности напряжения многоканального разряда при G=3,2 г/с и l_c=30 мм приведены на рис. 10.

Рис. 10. График нормального распределения в прямоугольной системе координат. Точки - эксперимент, сплошная линия - по нормальному распределению Гаусса, w - относительные частоты появления заданного значения (весовые коэффициенты) U

После статистической обработки экспериментальных данных получено: среднее (мат. ожидание) MU = 1005,48 В; дисперсия DU = у² = 90,56; среднеквадратическое отклонение у = 9,5164 В; значение критерия хи-квадрат для данного распределения = 4,798, что при числе степеней свободы выборки = 13 соответствует вероятности 0,97 того, что данная выборка описывается законом распределения Гаусса.

В четвертой главе в результате исследования МР между струйным электролитическим катодом и твёрдым анодом разработаны и созданы устройства для получения многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом, а также разработана методика модификации поверхности твердых тел.

Исследовано влияние МР на поверхность обрабатываемых тел. На рис. 11 представлены микроструктуры меди до обработки (рис. 11а) и после обработки (рис. 11б) многоканальным разрядом. На рис.11в,г представлен спектральный состав поверхности твердого анода (обрабатываемое тело).

а	б
в	г

Рис. 11. Микроструктура меди х1000: а, в до обработки; б, г после обработки МР

Из сравнения рис. 11 следует, что шероховатость поверхности существенно улучшается.

На поверхности изделий возникают дефекты при механической обработке и литье изделий. После литья на поверхности металлов и сплавов наблюдаются морозы, сетки разгара. В связи с этим не удается формировать высококачественные покрытия с заданными свойствами на различных изделиях. Использование многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и обрабатываемым твердым анодом (металлы и сплавы) позволяет локально убрать эти дефекты и производить полировку до требуемой шероховатости рис. 12а,б, а так же получить рельефную поверхность на диэлектриках рис. 13а,б.

а	б
Рис. 12. Фотографии модификации поверхности материалов х25: а созданная рельефная поверхность, на поверхности меди; б изделие из латуни после обработки
а	б

Рис. 13. Фотографии рельефной поверхности: а пластмасса; б оргстекло

Также в данной главе представлены зависимости, описывающие влияние параметров МР на поверхность обработанных материалов. Проведен полный факторный эксперимент 2³. Здесь факторами являются:

t - время обработки, t_ср = 5 с, интервал варьирования t = 2 с, ;

I - ток разряда, I_ср = 0.2 А, интервал варьирования I = 0,1 А, ;

l_с - длина струи, l_ср = 20 мм, интервал варьирования l_с = 10 мм, ;

y - функция отклика. Снижение шероховатости измеряется в мкм.

С учетом этих факторов получено уравнение регрессии, которое может быть использовано для нахождения оптимальных режимов технологического процесса очистки с одновременной полировкой материалов. Оно зависит от t и I.

y = b₀ + b₁x₁ + b₂x₂ + b₁₂x₁x₂ + b₄(x₁²- a) + b₅(x₂²- a),

где b₀ = 0.079, b₁ = 0.01, b₂ = 0.01, b₁₂ = 510-³, b₄ = -0.077, b₅ = -0.027 -

- коэффициенты регрессии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана и создана экспериментальная установка для исследования МР между твердым анодом (обрабатываемое тело) и струйным электролитическим катодом при атмосферном давлении в широком диапазоне I, U, d_c, G и l_c для различного состава и концентрации электролита. Позволяющая проводить экспериментальные исследования структуры многоканального разряда, падения напряжения на струе электролита, вольтамперных характеристик и распределения температуры на струи электролитического катода в диапазоне параметров U=0,2ч1,5 кВ, I=0,1ч1,5 А, l_c=1ч120 мм, G=1,4ч8,3 г/с и d_c= 1ч 10 мм.

2. На базе проведенных исследований установлено, что МР на поверхности проводимых тел (металлы и сплавы) горит между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом, а также на неоднородной области течения струи электролита. В случае использования в качестве анода диэлектрика МР горит одновременно в точке касания струи электролита на поверхность диэлектрика или на границе растекания электролита. Показано, что ВАХ многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом значительно зависит от G, d_c, l_c, а так же от материала анода и концентрации электролита. Установлено, что значения напряжения и тока многоканального разряда имеют нормальную функцию распределения вероятности.

3. Выявлены основные формы многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давлении.

4. Обнаружено распространение многоканального разряда на поверхности влажных диэлектриков (оргстекло, пластмассы, целлюлоза и древесина) и в объеме пористых тел.

5. Создана качественная физическая модель горения многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом.

6. Разработаны и созданы устройства для получения многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом.

7. Разработаны методики модификации поверхности твердых тел:

- локальной очистки с одновременной полировкой поверхности металлов и сплавов;

- создание рельефной поверхности на твердых телах.

8. Определены оптимальные режимы модификации поверхности металлов и сплавов. Получено уравнение регрессии.

В руководстве принимал непосредственное участие д.т.н., доцент А.Ф. Гайсин.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

Научная статья, опубликованная в издании, определенном ВАК

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

Работы, опубликованные в других изданиях

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

3. М.Ф. Ахатов, Паровоздушный разряд в системе: «струя электролита-металлический электрод» / М.Ф. Ахатов, А.Ф. Гайсин, Ал.Ф. Гайсин, В.А.Савельев // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. Казань, 2004 Т. 2. С. 4-5.

4. М.Ф. Ахатов, Устройство активации воды / М.Ф. Ахатов, Галимова Р.К., Ал.Ф. Гайсин, А.Ф. Гайсин, Р.Ш. Шарифуллин // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. Казань, 2004 Т. 2. С.3-4.

5. М.Ф. Ахатов, Генераторы неравновесной плазмы с пористым электролитическим катодом / М.Ф. Ахатов, Ал.Ф. Гайсин, А.Ф. Гайсин, Х.К. Тазмиев, Р.Ш. Шарифуллин // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. Казань, 2004 Т. 2. С.21-22.

6. М.Ф. Ахатов, Многоканальный разряд с жидким катодом
/ М.Ф. Ахатов, А.Ф. Гайсин, Ал.Ф. Гайсин, В.А. Савельев // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. Казань, 2004 Т. 2. С.22-23.

7. М.Ф. Ахатов, Особенности паровоздушного разряда между струей электролита (катод) и металлическим электродом (анод) / М.Ф. Ахатов, А.Ф. Гайсин // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. посвященной 1000-летию города Казани. Казань, 2005. Т. 2.С. 7-8.

8. М.Ф. Ахатов, Паровоздушный разряд между проточными электролитическим и металлическим электродами / М.Ф. Ахатов, Р.Р. Каюмов // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. посвященной 1000-летию города Казани. Казань, 2005. Т. 2.С.8-9.

9. М.Ф. Ахатов, Плазменно-электролитная обработка материалов
/ М.Ф. Ахатов, Р.Н. Кашапов, А.Р. Шайдуллина // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. посвященной 1000-летию города Казани. Казань, 2005. Т. 2.С.10-11.

10. М.Ф. Ахатов, Паровоздушный разряда между струей электролита и поверхностью непроточного электролита / М.Ф. Ахатов, Ал.Ф. Гайсин, Р.Р. Гильмутдинова, Р.Ш. Шарифуллин // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. посвященной 1000-летию города Казани. Казань, 2005. Т. 2.С.11-12.

11. М.Ф. Ахатов, Струйный паровоздушный разряд между электролитическим и металлическим электродами для очистки поверхности металлов и сплавов / М.Ф. Ахатов, А.Ф. Гайсин // Материалы IV междунар. симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново: Ивановский гос. хим.-тех. Университет, 2005. С. 618-620.

12. М.Ф. Ахатов, Многоканальный разряд между струей электролита (катод) и металлическим электродом (анод) для обработки поверхности изделий / М.Ф. Ахатов, А.Ф. Гайсин // Сборник трудов. Второй междунар. научно-практич. Конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург 07-09.01.2006 г. СПб., 2006.Т. 4. С.144-145.

13. М.Ф. Ахатов, Электрический пробой между струйным электролитическим и металлическим электродами / М.Ф. Ахатов, А.Ф. Гайсин, А.Р. Шайдуллина // Туполевские чтения. Материалы междунар. молодежной научной конф. Казань, 2006 Т. 2. С. 147-148.

14. М.Ф. Ахатов, Нестационарный многоканальный разряд между струй электролита и металлическим электродом для обработки поверхности изделий / М.Ф. Ахатов, А.Ф. Гайсин./ Материалы 3-й Всерос. Конф. молодых ученых. Томск: Изд-во: Института оптики атмосферы СО РАН 2006 г. С.156-158.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная

Печ. Л. 1,25. Усл печ.л. 1,16. Усл.кр.отт. 1,16. Уч.изд.л. 1,03.

Тираж 100. Заказ Л 50

Издательство Казанского государственного технического университета

Типография Издательства Казанского государственного

технического университета

420111 Казань, к. Маркса, 10

Размещено на Allbest.ru