Плазменная обработка материалов

Плазменная обработка материалов

Плазменная обработка — процесс обработки материалов при помощи плазмы с целью изменения физических или химических свойств поверхности обрабатываемого объекта.

Подвидами плазменной обработки являются:

Плазменная активация;

Плазменная модификация;

Плазменное травление;

Плазменное напыление;

Плазменная наплавка;

Плазменная резка;

Плазменная полимеризация;

Плазменная функционализация;

Плазмостимулированное осаждение из газовой фазы (PECVD).

Плазменная обработка, обработка материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или высокочастотными плазматронами. При плазменной обработке изменяется форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности. Плазменная обработка включает: разделительную и поверхностную резку, нанесение покрытий, наплавку, сварку, разрушение горных пород (плазменное бурение).

Плазменная обработка получила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартам температуры плазмы (~ 10⁴ К), большого диапазона регулирования мощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии; при этом эффекты плазменной обработки достигаются как тепловым, так и механическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы, движущимися с очень высокой скоростью — так называемый скоростной напор плазменного потока). Удельная мощность, передаваемая поверхности материала плазменной дугой, достигает 10⁵—10⁶ Вт/см², в случае плазменной струи она составляет 10³—10⁴ Вт/см². В то же время тепловой поток, если это необходимо, может быть рассредоточен, обеспечивая «мягкий» равномерный нагрев поверхности, что используется при наплавке и нанесении покрытий.

Резка металлов осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие токового канала дуги, повышающее её температуру, осуществляются соплом горелки и обдуванием дуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N₂, H₂, NH₄ и их смеси). Для интенсификации резки металлов используется химически активная плазма. Например, при резке воздушной плазмой O₂, окисляя металл, даёт дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, Cu, Al и др. металлы и сплавы, не поддающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах. Мощность установок достигает 150 кВт. Неэлектропроводные материалы (бетоны, гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей (дуга горит в сопле плазменной горелки между её электродами). Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется, приобретает скорость ~ 100 — 200 м/сек и в виде мелких частиц (20—100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменные покрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостоят термическим ударам. Мощность установок для напыления 5—30 кВт, максимальная производительность 5—10 кг напыленного материала в час. Для получения порошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают под действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарением исходного материала в плазме и последующей его конденсацией.

Свойство плазменной дуги глубоко проникать в металл используется для сварки металлов. Благоприятная форма образовавшейся ванны позволяет сваривать достаточно толстый металл (10—15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и, вследствие большой стабильности горения дуги, хорошим качеством. Маломощная плазменная дуга на токах 0,1—40 а удобна для сварки тонких листов (0,05 мм) при изготовлении мембран, сильфонов, теплообменников из Ta, Ti, Mo, W, Al.

Плазматрон, плазмотрон, плазменный генератор, газоразрядное устройство для получения «низкотемпературной» (Т >> 10⁴ К) плазмы. Плазматрон используются главным образом в промышленности в технологических целях, но устройства, аналогичные плазматрону, применяют и в качестве плазменных двигателей. Начало широкого использования плазматрона в промышленной и лабораторной практике (и появление самого термина «плазматрон») относится к концу 50-х — началу 60-х гг. 20 в., когда были разработаны эффективные с инженерной точки зрения способы стабилизации высокочастотного разряда и дугового разряда, а также способы изоляции стенок камер, в которых происходят эти разряды, от их теплового действия. Соответственно, наиболее широкое распространение получили дуговые и высокочастотные (ВЧ) плазматроны.

Дуговой плазматрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами — так называемыми плазматронами с полым катодом. (Реже используются дуговые плазматроны, работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения «10⁵ Гц — их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые плазматроны с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами (рис. 1) и т. д. Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется соплом плазматрона (в некоторых типах дуговых плазматронов границей сопла является кольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых плазматронов — для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) и плазменной струи. В плазматронах 1-й группы дуговой разряд горит между катодом плазматрона и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти плазматроны могут иметь как только катод, так и второй электрод вспомогательный анод, маломощный разряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) «поджигает» основную дугу. В плазматронах 2-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Рис. 1. Схема дуговых плазматронов: а — осевой; б — коаксиальный; в с тороидальными электродами; г — двустороннего истечения; д — с внешней плазменной дугой; е — с расходуемыми электродами (эрозионный); 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 4 — электрод; 5 — разрядная камера; 6 — соленоид; 7 — обрабатываемое тело

Стабилизация разряда в дуговых плазматронах осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитной стабилизации плазменно-струйных плазматронов с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются по кругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов (или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).

К числу способов газовой стабилизации, теплоизоляции и сжатия дуги относится так называемая «закрутка» — газ подаётся в разрядную камеру по спиральным каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю: слой более холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенок камеры, предохраняя их от контакта с дугой. В случаях, когда не требуется сильного сжатия потока плазмы (например, в некоторых плазматронах с плазменной дугой, используемых для плавки металла), стабилизирующий газовый поток не закручивают, направляя параллельно столбу дуги, и не обжимают соплом (катод располагают на самом срезе сопла). Очень часто стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Применяют также стабилизацию и сжатие дуги потоком воды (с «закруткой» или без неё).

Плазма дуговых плазматронов неизбежно содержит частицы вещества электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс по технологическим соображениям полезен, его интенсифицируют (плазматрон с расходуемыми электродами); в других случаях, напротив, минимизируют, изготовляя электроды из тугоплавких материалов (вольфрам, молибден, спец. сплавы) и (или) охлаждая их водой, что, кроме того, увеличивает срок службы электродов. Более «чистую» плазму дают ВЧ плазматроны (см. ниже).

Плазматроны с плазменной струёй обычно используют при термической обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, в плазмохимической технологии и пр.; плазматроны с внешней дугой служат для обработки электропроводных материалов; плазматроны с расходуемыми электродами применяют при работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости генерации металлической, углеродной и т. д. плазмы из материала электродов (например, при карботермическом восстановлении руд).

Мощность дуговых плазматронов 10²—10⁷ Вт; температура струи на срезе сопла 3000—25 000 К; скорость истечения струи 1—10⁴ м/сек; промышленное кпд 50—90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколько сотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N2, Ar, H₂, NH₄, O₂, H₂O, жидкие и твёрдые углеводороды, металлы, пластмассы.

Высокочастотный плазматрон включает: электромагнитную катушку-индуктор или электроды, подключенные к источнику высокочастотной энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают индукционные, ёмкостные, факельные плазмотроны, плазматроны на коронном разряде и с короной высокочастотной, а также сверхвысокочастотные (СВЧ) плазматроны (рис. 2). Наибольшее распространение в технике получили индукционные ВЧ плазматроны, в которых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Т. к. индукционный высокочастотный разряд является безэлектродным, эти плазматроны используют для нагрева активных газов (O₂, Cl₂, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также инертных газов, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью индукционных плазматронов получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы на основе нитридов, боридов, карбидов и др. химических соединений. В плазмохимических процессах объём разрядной камеры таких плазматронов может быть совмещен с реакционной зоной. Мощность плазматрона достигает 1 МВт, температура в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи ~ 10⁴ К, скорость истечения плазмы 0—10³ м/сек, частоты — от нескольких десятков тыс. Гц до десятков МГц, промышленное кпд 50—80%, ресурс работы до 3000 ч. В СВЧ плазматроне рабочие частоты составляют тысячи и десятки тыс. МГц; в качестве питающих их генераторов применяются магнетроны. ВЧ плазматроны всех типов, кроме индукционных, применяются (70-е гг. 20 в.) главным образом в лабораторной практике. В ВЧ плазматроне, как и в дуговых, часто используют газовую «закрутку», изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяет изготовлять камеры ВЧ плазматрона из материалов с низкой термостойкостью (например, из обычного или органического стекла).

Рис. 2. Схемы высокочастотных плазматронов: а — индукционный; б ёмкостный; в — факельный; г — сверхвысокочастотный; 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 4 — индуктор; 5 — разрядная камера; 6 — электрод; 7 — волновод

Для пуска плазматрона, т. е. возбуждения в нём разряда, применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основные тенденции развития плазматронов: разработка специализированных плазматронов и плазменных реакторов для металлургической, химической промышленностей, повышение мощности в одном агрегате до 1—10 МВт, увеличение ресурса работы и т. д.

Плазменная горелка, ручной дуговой плазматрон для нанесения покрытий, резки, сварки, наплавки и др. процессов плазменной обработки. По принципу действия различают две группы плазменных горелок: для работы плазменной дугой и для работы плазменной струёй. При механизированной обработке плазменная горелка закрепляется на специальной установке; для нанесения покрытий и наплавки она обычно оснащается устройством для подачи распыляемого или наплавляемого материала (в виде порошка или проволоки). Такая плазменная горелка называется плазменной головкой. Мощность плазменной горелки достигает 100 кВт, плазмообразующими газами служат Ar, Не, N₂, NH₄, воздух и их смеси. Для зажигания дугового разряда в начале работы необходимо замкнуть зазор между катодом и анодом плазменной горелки (плазменная струя) или между катодом и обрабатываемым металлом (плазменная дуга) или иным образом возбудить разряд.

Литература

плазма металл горелка резка.

• 1. Соснин, Н. А. Плазменные процессы [Текст]: руководство для инженеров / Н. А. Соснин, С. А. Ермаков, П. А. Тополянский. — СПб.: Политехника, 2008. — 406 с.
• 2. Кречмар, Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс [Текст] / Э. Кречмар. — М.: Машиностроение, 1966. — 432 с.
• 3. Хасуй, А. Наплавка и напыление [Текст] / А. Хасуй, О. Моригаки. — М.: Машиностроение, 1985. — 239 с.
• 4. Хасуй, А. Техника напыления [Текст] / А. Хасуй. — М.: Машиностроение, 1975. — 288 с.