Лекція 8 Потік плазми. Плазмово–дугове та плазмово–струменеве напилення

1. Потік плазми

Щоб підвищити концентрацію енергії в плазмі, її необхідно стиснути. Для цього струмінь плазми за допомогою плазмоутворюючого газу направляють у спеціальне сопло, діаметр якого значно менший ніж діаметр утвореної плазми. Рухаючись в каналі сопла, плазма буде мати швидкість в різних точках різну. Тобто ідеального ламінарного потоку не буде. Біля стінок каналу швидкість зменшується, досягаючи нуля на самих стінках. При цьому кінематична енергія газу переходитиме в теплову. Якщо теплопровідність стінки вважати такою, що дорівнює нулю, то температура гальмування газу може бути визначена як

Рис. 8.1. Схема руху плазмового потоку.

Якщо вважати, що газом, що створює плазму, буде повітря з початковою температурою Т= 300 ^оК, а швидкість V= 100 м/с, то ; якщо ж V= 350 м/с, то і якщо швидкість повітря в каналі 1000 м/с, то .

Крім тепла, що виділяється при гальмуванні газу, додається тепло, яке виділяє електрична дуга. При цьому температура газу біля стінок каналу сопла може сягати більше ніж . При такій температурі плавляться і перетворюються в пару всі відомі на землі матеріали. Щоб уникнути цього, необхідно відірвати потік плазми від стінок сопла. Це можна зробити декількома методами. Та найбільше поширеним є метод закручування струменя. При цьому газ подають в дугу не по центру, а збоку, надаючи його руху спіралеподібну форму.

Це допомагає стиснути плазму і відірвати її від стінок каналу. Але температура стінок сопла буде все таки значною тому, що в плазмі відбувається інтенсивне випромінювання і теплопередача за рахунок дифузії. Тому сопла виготовляють з чистої міді, яка має найкращу теплопровідність, і постійно охолоджують потоком холодної води.

2. Плазмово–дугове та плазмово–струменеве напилення

У промисловості для одержання плазми використовують два типи головок: плазмово–дугову та плазмово–струменеву.

У плазмово–дуговій головці електрична дуга горить між анодом, яким є оброблювана деталь, і катодом, який виготовляють з вольфраму з добавками 2 % торію для підвищення емісії електронів або з гафнію. На рис. 8.2 показана схема цього методу.

Рис. 8.2. Плазмово–дуговий метод напилення: 1 – катод ; 2 – анод; 3 – дугова камера ; 4 – сопло; 5 – генератор постійного струму

Недоліками цього методу є інтенсивний нагрів деталі – анода і складність запалювання дуги.

При плазмово–струменевій схемі напилення анодом є сопло. Дуга нагріває до високої температури робочий газ, який подається в канал сопла з обов`язковим закручуванням. Струмінь плазми витікає з сопла у вигляді конуса.

На рис. 8.3 наведений принцип напилення покриттів цим методом.

Рис. 8.3. Плазмово–струменевий метод напилення: 1 – катод; 2 – анод; 3 – дугова камера; 4 – деталь; 5 – генератор постійного струму

3. Джерело живлення плазми

Плазма буде стаціонарною, якщо до неї постійно підводитиметься енергія. Джерелом енергії найчастіше є електрична дуга постійного або змінного струму. Для запалювання дуги при зварюванні приводять в зіткнення обидва електроди і пропускають струм. При цьому відповідно до закону Джоуля – Ленца кінці електродів, де опір найбільший, нагріваються і починають випромінювати електрони, які іонізують повітря, і виникає дуга. Але в плазмових установках така схема не підходить тому, що електроди закріпляються на відповідній відстані один від одного. Тому для запалювання дуги в отвір каналу сопла вставляють тоненьку легкоплавку дротину, яка з`єднує катод з анодом. При надходженні на катод і анод напруги по дротині протікатиме струм великої сили, який миттєво розплавляє і перетворює її в пару. При цьому міжелектродний проміжок іонізується і проходить загоряння дуги. Але цей метод складний, при ньому руйнуються стінки каналу. Тому в сучасних плазмових установках для запалювання дуги використовують електричні пристрої, які називаються осциляторами. Схема такого осцилятора показана на рис.8.4

Рис. 8.4. Схема осцилятора: Т_р1 – трансформатор живлення; П_р – запобіжник; Р – розрядник; С_к - контурна ємкість; Т_р2 – трансформатор повітряний імпульсний; L₁ та L₂– індуктивні котушки; КУ – кнопка управління

Осцилятори підмикають до плазмотронів як послідовно так і паралельно. Схеми підмикання наведені на рис. 9.4.

4. Вольт-амперна характеристика дуги

Дуга являє собою слабо іонізовану плазму, яка має низький опір. Тому найбільша напруга між електродами буде на початку загоряння дуги. Коли вже вона стабільно горітиме, то напруга різко спаде. З підвищенням сили струму напруга деякий час на ділянці II не змінюється (рис. 8.5). Це пояснюється тим, що в скільки разів підвищується струм, у стільки разів зменшується опір дугового проміжку, а їхній добуток буде незмінним:

Зменшення опору можна пояснити тим, що зі збільшенням сили струму зростає поперечний розмір S–дуги і зменшується питомий опір при постійній довжині дуги L.

Коли ширина дуги досягне максимальних розмірів, її збільшення припиниться. Тому при подальшому підвищенні сили струму напруга в дузі поступово збільшуватиметься (ділянка III).

Рис. 8.5. Вольт–амперна характеристика дуги

Напруга в дузі :

, (8.1)

де – падіння наруги на аноді; – падіння напруги на катоді; – падіння напруги в стовпі дуги. Якщо загальне падіння напруги на аноді і катоді виразити , то падіння в дузі ,

де L – довжина дуги; Е – напруженість електричного поля в міжелектродному проміжку.

Температура в стовпі дуги :

де – температура стовпа; – ефективний потенціал іонізації атомів газу в плазмі, виражений у В. Збільшення щільності струму приводить до збільшення температури в стовпі. Так, при горінні дуги на повітрі збільшення щільності струму в дузі в 6 разів приводить до підвищення температури в 1,3 разу.