ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА

ВВЕДЕНИЕ В ГЛАВУ

Изучив материалы данной главы, Вы сможете:

  • 1. Представлять основные возможности технологического использования плазмы.
  • 2. Понимать принципы действия основных типов плазмотронов и плазменных горелок, служащих для получения плазмы с целью ее использования в технологических операциях.
  • 3. Представлять способы образования и технологического использования плазменной дуги и плазменной струи.
  • 4. Иметь понятие об основных физических характеристиках плазмы, используемой в технологических целях и способах их определения.
  • 5. Иметь представление о характеристиках источников плазмы и способах их определения.
  • 6. Владеть принципами построения основных технологических операций плазменной обработки.
  • 7. Знать основные преимущества и недостатки каждого вида плазменной обработки.
  • 8. Уметь находить и обосновывать рациональные области конкретного применения того или иного вида плазменной обработки.

Физические характеристики и свойства плазмы и возможности ее технологического применения

В 1802 году профессор Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров впервые получил электрический дуговой разряд. Дальнейшие исследования показали, что в дуговом промежутке вещество при высокой температуре находится в особом состоянии, где наряду с нейтральными молекулами и атомами имеются заряженные частицы — ионы и электроны. Эти заряженные частицы обеспечивают прохождение электрического тока через газ и придают ему ряд ценных с практической точки зрения свойств.

В 1923 году Л.Тонкс и И Лэнгмюр предложили называть такую среду, в которой значительная часть молекул или атомов ионизирована, плазмой.

Плазма находит технологическое применение прежде всего в процессах, которые требуют высокотемпературного концентрированного нагрева значительных (по сравнению с другими методами обработки концентрированными потоками энергий) зон заготовки. В промышленности широко используются плазменная резка металлов, плазменные наплавка, сварка, напыление тугоплавких металлов, оксидов, карбидов и нитридов, а также комбинированное воздействие, называемое плазменно-механической обработкой.

Для получения плазмы, используемой в технологических целях, разработан целый ряд специальных устройств, называемых плазмотронами или плазменными горелками. Наиболее распространены плазмотроны, в которых нагрев газа до необходимой температуры осуществляется электрическим дуговым разрядом. В последнее время применяются высокочастотные плазмотроны с так называемым «безэлектродным разрядом».

Принципиально тот же результат можно достигнуть и при сжигании горючих смесей в обычных горелках за счет энергии химических реакций, но эффективность таких устройств значительно ниже.

В дуговых плазмотронах плазма с требуемыми характеристиками может быть получена при различных видах взаимодействия дуги с плазмообразующим газом. Плазмообразующие газы могут быть различными.

Основные физические характеристики и свойства плазмы, используемой для технологических целей, сводятся к следующим.

Степень ионизации плазмы х — это количественная характеристика, определяющая соотношение в плазме заряженных и нейтральных частиц.

х = n/N, где п — концентрация в плазме заряженных частиц одного знака (ионов или электронов); N — число нейтральных атомов или молекул до ионизации, Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов, прежде всего от ее температуры. Для низкотемпературной плазмы ее значение может меняться в широких пределах от 0 до 100%. В технологических целях применяют, как правило, низкотемпературную плазму, представляющую собой частично ионизированный газ с температурой 105...10! ‘К.

Квазинейтральность плазмы означает, что в определенном объеме число отрицательно заряженных частиц (электронов) равно числу положительно заряженных частиц (ионов), иначе должны возникнуть электрические поля, приводящие к перераспределению зарядов.

По мере снижения давления число частиц в объеме уменьшается и может наступить момент, когда количество частиц будет настолько мало, что условия квазинейтральности не будут выполняться.

Объем, где нарушается квазинейтральность плазмы определяется дебаевским радиусом (от имени голландского физика П.Дебая),

где гд -дебаевский радиус, см; Те — температура (электронная), 'К; п — концентрация электронов, см-3.

Если размеры рассматриваемой области плазмы больше дебаевского радиуса гд, условия квазинейтральности выполняются, то есть пе= а. Если же рассматривается объем плазмы радиусом г < гд, то в этом объеме плазму нельзя считать квазинейтральной.

В связи со сказанным плазму можно определить как форму вещества, в которой число электронов и ионов в объеме настолько велико, что даже небольшое нарушение равенства пе = п, является невозможным из-за образования сильных электрических полей. В реальных плазменных устройствах, применяемых в технологических целях, и в вакууме величина гд составляет 10 2...103 см.

Температура плазмы в реальных плазмотронах достигает (2...5)*104 ’К. В ряде случаев плазму можно рассматривать как идеальный газ, так как при высоких температурах концентрация частиц в плазме, несмотря на высокие давления, мала, и для нее могут быть использованы уравнения идеального газа, в том числе основной закон газового состояния, pV=RT. Для плазмы это уравнение представляют в виде

где п = пе + а + п0 есть суммарная концентрация заряженных и нейтральных частиц в плазме; N = 6,02 *1023 моль'1 — число Авогадро, Т — температура, ‘К; R = 8,31 Дж/(моль**К) — универсальная газовая постоянная.

При рассмотрении плазмы как совокупности заряженных частиц различных знаков вводят понятие электронной Тс и ионной Т. температур. В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов эта энергия различна. Это связано прежде всего с тем, что электрон является значительно более легкой частицей. Из определения температуры, как меры энергии частицы,

где ш — масса частицы, v — скорость частицы, К = 8,6*10* эВ/вК — постоянная Больцмана, следует, что электронная температура всегда выше температуры ионов и нейтральных атомов из-за большей подвижности электрона. Это становится особенно заметным при понижении плотности (давления) плазмы, когда разница электронной Те и ионной Т. температур может достигать нескольких порядков. Однако, для плазмы, используемой в технологических установках, где давление достаточно велико, и концентрация частиц составляет >10’15см можно практически считать, что Тс = Т. = Та. Такая плазма называется термической, и к ней применимы некоторые принципы термодинамики.

Индийский физик М. Саха предложил рассматривать состояние вещества в плазме как процесс термической ионизации по схеме обратимой реакции:

Им выведено уравнение плазмы, которое в преобразованном виде выглядит так:

где х — степень ионизации газа; р — давление газа, Па; Т — температура, “К; eU. — энергия ионизации газа, эВ; К= 8,6* 10* эВ/*К — постоянная Больцмана; а2 — статистический квантовый коэффициент. Коэффициент а2 был введен в уравнение Саха позднее для учета квантового взаимодействия частиц. Он колеблется в пределах 1...4 в зависимости от атомного номера элемента, образующего плазму.

Уравнение Саха выведено для однокомпонентного газа. Для смеси газов и паров В.В. Фролов ввел понятие эффективного потенциала ионизации UQ.

где v, = объемная доля i -го компонента в газовой смеси; U, — потенциал ионизации i — го компонента, В; Т — температура, *К.

Расчеты по этой формуле показывают, что введение в смесь даже небольшого количества компонента (менее 3...5%) с малым потенциалом ионизации резко снижает значение эффективного потенциала ионизации смеси, делая его близким к минимальному значению для компонентов этой смеси.

Энтальпия плазмы Н (H=U+pV) иначе называется теплосодержанием или тепловой функцией Гиббса и зависит как от температуры, так и от вида плазмообравзующего газа. Энтальпия моно- атомных газов увеличивается с повышением температуры благодаря повышению энергии теплового движения атомов газа и их ионизации. У молекулярных газов в процессе нагрева энтальпия даже при сравнительно невысоких температурах резко возрастает за счет диссоциации, а дальнейшее повышение энтальпии продолжается уже за счет ионизации. Поэтому для технологических процессов, когда не нужны очень высокие температуры (превышающие 10* *К), в качестве плазмообразующих газов целесообразно использовать азот, водород, кислород, воздух. Для получения более высоких температур следует применять плазму одноатомных газов (аргона, гелия).

Наиболее высокими удельными значениями энтальпии обладает водород, однако, применение его в плазмотронах в чистом виде ведет к разрушению электродов. В технологических установках используют водородно-азотную или водородно-аргоновую смеси газов, где объемное содержание водорода составляет 10...20%.

Плазменный нагрев позволяет получать в первой фазе нитриды, карбиды и оксиды тугоплавких металлов и неметаллов высокой чистоты. Примером является плазмохимическое получение абразивных материалов на основе бора, осаждение на рабочей поверхности режущего инструмента нитрида титана и др.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >