close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...экономики, наблюдавшееся с середины 2012 года;pdf

код для вставкиСкачать
КУЙБЫШ ЕВСКИЙ
ОРДЕНА ТРУДОВОГО
КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
и м ени С. П. КОРОЛЕВА
В. И. Богданович
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
МЕХАНИЗМЫ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ,
ПРИМЕНЯЕМЫХ
В ПРОИЗВОДСТВЕ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
КУЙБЫ Ш ЕВ
М ИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
КУЙБЫШЕВСКИЙ ордена ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени АКАДЕМИКА С. П. КОРОЛЕВА
В. И. Богдановыч
\
■
.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ М ЕХАНИ ЗМ Ы
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ,
П РИ МЕ НЯЕ МЫХ В П Р ОИ ЗВ ОД СТ В Е
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ А П П А РА ТО В
Учебное пособие
tU£«CXHH
КУЙБЫШЕВ 1990
УДК 693.7
Физико-химические механизмы электрофизических мето­
дов, применяемых в производстве летательных аппаратов:
Учеб. пособие / В. И. Б о г д а н о в и ч ; Куйбышев, авиац.
ин-т. Куйбышев, 1990. 54 с.
Излагаются физико-химические основы электрофизических
методов обработки материалов, рассматривается структура,
содержание и составляющие технологических методов, ана­
лизируется рабочий процесс и физико-химический механизм
обработки.
Предназначено для студентов третьего и четвертого кур­
сов, изучающих дисциплину’ «Физико-химические основы
технологии».
Табл. 2. Ил. 21, Бнблиогр.: 5 назв,
Печатается по решению редакционно-издательского1 совета
Куйбышевсиого ордена Трудового Красного Знамени
авиационного института имени академика С. П. Королева
Рецензенты:
Б. И.. К р а м а р о в с к и й ,
Г, Ф. Т а р а н
© Куйбышевский авиационный институт, 199i)
П Р Е Д И С Л О В И Е
В н астоящ ее врем я все более ш ирокое
применение в м аш иностроении, в том числе
И в производстве летательны х аппаратов,
нах о д ят электроф изические м етоды о б р а ­
ботки м атери алов. Их использую т д л я р а с ­
кроя и прош ивания м атери алов, снятия
припуска, придания поверхности д етали
нуж ны х механических и физико-химиче­
ских свойств, а т а к ж е нанесения покрытий.
О собенно эф ф ективны м явл яется примене­
ние электроф изических методов в сочета­
нии с таким и традиционны м и методами,
к а к м еханическая, терм ическая и химикотерм и чеокая обработка.
В данном пособии, т а к ж е как и в по­
собии [1]. основное вним ание уделено р а б о ­
чему процессу и физико-химическому м еха­
низм у р ассм атриваем ы х технологических
методов. Н адо отм етить, что некоторые из
электроф изически х методов не наш ли о тр а­
ж ен ия в пособии в связи с тем, что необ­
ходимы й методический м атери ал по этим
технологическим м етодам был издан ранее
на к аф ед р е [2— 4].
3
1. К Л А С С И Ф И К А Ц И Я
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
И звестно, что результатом электроф изической обработки
я вл яется изменение формы, разм еров или физико-химических
свойств поверхности заготовки с применением электрических
р азрядо в, электронного или оптического излучения, плазменной
струи [ 1}.
В связи с зтим вы деляю т следую щ ие способы обработки
м атериалов: в электрических р азр я д а х , лучевой и плазменны й
(табл. 1). В свою очередь, обработку в электрических р а зр я д ах
п одразделяю т на электроэрозионную , электровзры вную , м аг­
нитно-импульсную и катодную (обработку в тлею щ их р а з р я ­
д а х ). При такой обработке электром агнитная энергия вводится
в зону обработки в неконцентрированном виде и возм ож ность ее
ф окусирования практически отсутствует. К электроф изическим
способам обработки с использованием концентрированны х н а­
правленны х потоков энергии относится светолучевой, эл ектрон ­
но-лучевой, ионо-члазменны й и плазм енны й. Сущ ность этих
способов воздействия на м атери алы закл ю чается в том, что
энергия, переносим ая концентрированны м потоком, п ревр а­
щ ается в тепловую в зоне обработки. О днако конкретны е виды
обработки (см. табл. 1) различаю тся по способу подвода эн ер­
гии и м еханизм у ее преобразования в тепло. К роме того, при
воздействии электром агнитной энергии на м атери алы н аблю ­
даю тся процессы нетермического происхож дения, которы е ин­
тенсифицирую т превращ ения в м атер и алах и откры ваю т во з­
мож ности д л я создания принципиально новых технологий.
4
Sf
о
о
„ ^
cj" х
ж я
и
ж
ч
хо
CD 3
о
С
ж ж
Ж =г
Я
О
О-
*
5 £
ag
sD£Су
C
д »
а >> >>
.о
X
О
о X
СУ
ч
'ТО а
я
S ►
ж ТО
О н :>х
а, ©
X \о н
>-. GS я
_ Си Си
^ \С ЬЙ
Я О о
о
*
то s ~
^ О. 1<
X о
а н
н
x 3
x сц
С
X
Си О
СX
>, о
оГ g
а> н
X „
X »Х
с X
ж н
гг 3
о Cl
X
E
x
о
Я О/
Г! Ж
О
>> с
о
о.
о.
X
* §
S
си
CL
*2©■х^
'в*
|1
о я
ж
е[ о ч I
оо ?
о >>
с -1
-х
= 5£ X
О сп * CL
Ж О Ж
ч
а.
Основные
CL и*
3 о
к
' Xrf
3=
£ s
CJ <Я
У О-
ее
s
со
о
а.
Ф
4> X Ч
X
я &£ Ь сГ
ё“ оЯ
S >i
§■*
1 о*
—cn -
'=
Я>-ед
| 5=
о
Си ej
Q. x X
ь-
характеристики
электрофизических
методов
-Г X
■=(
ж
(S3
0. X
XЧ
О
«3
Си. C l
X'g'
5 о
►s
о
со
С* Я
о
ей
«
О :
О- с
х
з ?
£ н
D е-
н:
^ 3
si
3 J?
m
М*
я
>•4
£я *a
а
с.
X я
>>
ев
S.
*
ir
£ х*
CO4
4
ч x
£>> з
? С
й. у;
£ §
g5 Sо»
л СП
мО *е.
С
>s
5
2. Э Л Е К Т Р О Н Н О - Л У Ч Е В А Я О Б Р А Б О Т К А М А Т Е Р И А Л О В
2.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИ Я ОБ Э Л Е К Т Р О Н Н О Л У Ч Е В Ы Х
М ЕТ О Д АХ ОБ РАБ О Т КИ М АТЕРИАЛО В
Р азв и ти е электронной техники привело к созданию а п п а р а ­
туры , позволяю щ ей получать мощ ные электронны е пучки, эн ер ­
гии которы х достаточно д ля осущ ествления технологических
процессов. В настоящ ее врем я эл е к т р о н н о л у ч е в ая технология
сф о р м и р о в ал ась к а к сам остоятельное, о б л ад аю щ ее ш ирокими
технологическим и возм ож ностям и, нап равлени е в об ласти о б р а ­
ботки м атериалов.
Э лектронны й луч к а к технологический инструмент позволяет
осущ ествить нагрев с целью упрочнения поверхностного слоя;
терм ическую микро- и м акрообработку; плавку; зонную очистку
м атери алов; сварку, в том числе м икросварку с очень малой
зоной термического влияни я и за в а р к у глубоких трещ ин; кин­
ж ал ьн о е проплавление м атер и ала, х арактеризуем ое отнош ени­
ем глубины ш ва к его ш ирине 10:1; испарение практически всех
м атери алов; разм ерную обработку; нанесение покрытий; поли­
м еризацию композитов без наведения в них термических и о ста­
точных напряж ений.
Э лектронно-лучевы е установки мощ ностью до 30 кВт позво­
ляю т реш ить больш инство сварочны х зад ач для д еталей из
ти тан а и алю м иния толщ иной от 0,5 до 50 мм, на которы е п а­
д ает основной объем сварочны х работ. Н а ди аграм м е (рис. 1)
НпоЬка
и- /s. еокВ
полимер об
О- 2.0кВ—5м£
</ =
с/» /О-ЗООмм
Ucnopenue
/
/О-.-РОкВ
d* 3...3Q H M
/
/
TF/S... /7 5 к В
d - О, / — 5 мм
/О . 50мм
Размерна*
обработка
T b iO ... 2 5 0 кВ
d - QOi . . /Омм
Ю
Нетермическая
обработка, U - 2 Q 150kB
о » / . ■. / Q S M H M
-5
Ф
.
/о*
.
.
,0 *
.
.
,0 е
.
_________________.
,0 е
,о'°
Ю4ш^ В т
Рис. I. Диапазоны параметров электронно-лучевых
технологий
у казан ы мощ ности установок, плотности потоков энергии эл е к т ­
ронного, пучка, ускоряю щ ее нап ряж ение U и д иам етр пучка
d в зоне обработки.
Н адо отм етить, что несмотря на ш ирокие технологические
возм ож ности электронного луча к а к источника энергии, его ис­
пользование не. везде получило ш ирокое применение. Причиной
этого я вл яется преж де всего вы сокая стоимость оборудования,
необходимость вы сокой квалиф икации обслуж иваю щ его персо­
нала, слож ность средств обеспечения безопасности. К ром е того,
применение л а зе р а позволяет реш ать аналогичны е технологи­
ческие зад ач и не в вакуум е, а в атмосф ере, что в ряде случаев
значительно упрощ ает организацию процесса.
О днако проведение процесса в вакуум е гарантирует ст а­
бильность свойств и высокое качество м атери алов после о б р а­
ботки. К ром е того, на высоте свыше 200 км над поверхностью
З ем л и давл ен и е со ставляет около 10~4 П а, и становится воз­
можны м проведение электронно-лучевы х процессов в естествен­
ных условиях. Т акие эксперим енты были проведены впервые
в 1969 году на космическом корабле «Союз-6», а т а к ж е в 1973
году на ам ерикан ской станции «С кайлэб». Эксперименты п о к а­
зали , что электронны й луч можно рассм атри вать к а к один из
основйых инструм ентов д ля проведения технологических работ
в космосе.
*
2.2. Ф ИЗИЧЕСКИЕ ПРИ НЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ
И Ф О РМ И РО В АН И Я Э Л ЕКТ Р О Н Н О ГО ПУЧКА
Ф орм ирование электронного луча д л я технологических ц е­
лей проходит следую щ ие стадии: получение свободных эл ек т­
ронов; ускорение и ф орм иро­
вание электронного пучка; ф о­
кусировка электронного пучка;
сканирование
электронного
8
К7
пучка по зад ан ной траектории.
Д л я ф орм ирования эл ектрон ­
ного луча использую тся спе­
циальны е устройства — эл ект­
ронные
пушки
(рис.
2 ).
И сточником
электронов
в
электронны х пуш ках обычно
является
термоэмиссионный
7
катод 1 из вол ьф рам а, т а н ­
т а л а или гексаб ори да л а н ­
тана.
Я вление термоэлектронной
'Рис. 2. Схема электронно-лу­
эмиссии основано на испускании
чевой установки
7
Электронов тверды м и нагреты ми телам и. Э лектроны в м етал ­
лах располагаю тся на определенны х энергетических уровнях,
зан и м ая при Т = 0 все квантовы е состояния с энергией не вы ­
ше энергии Ф ерми. П ричем, величина энергии Ф ерми меньше,
чем величина энергии покоящ егося электрона вне твердого тела.
Р азн о сть м еж ду энергией покоящ егося электрона вне твердого
тела и его энергией на уровне Ф ерми получила назван ие работы
вы хо да электрона из твердого тела. Таким образом при Т = О
электроны в твердом теле находятся внутри потенциальной ямы.
П ри нагревании м етал л а электроны проводимости получаю т
дополнительную энергию и переходят в квантовы е состояния
с более высокой энергией. К ак только величина энергии, полу­
ченной электроном , д о стигает значения, равного работе выхода,
электрону становится энергетически более выгодным покинуть
твердое тело. Чем выш е тем п ература твердого тела, тем боль­
ш ая часть электронов проводимости получает энергию, равную
работе вы хода, и тем больш ая часть их покидает твердое тело.
П лотность тока термоэлектронной эмиссии определяется у р а в ­
нением Р ичар дсо н а-Д эш м ан а
j = А Т 2 ехр {— е <р / k T } ,
где Т — тем п ература тела, еср— работа вы хода электрона,
к — постоянная Б ольц м ан а. А = (3...12) 105 А /м2 К 2 — эм ис­
сионная постоянная, зав и ся щ ая от свойств м атер и ала и состоя­
ния поверхности.
И з приведенного уравнения видно, что для данного м ате­
ри ал а плотность тока терм оэлектронов растет' с ростом тем пе­
ратуры тела, а д ля тел, нагреты х до одной тем пературы , плот­
ность тока больш е у тех м атери алов, которые имеют меньшую
работу вы хода. Расчеты показы ваю т, что для получения плот­
ностей тока на катоде (0.1...1,5) К )-4 А /м2 необходимо нагреть
катод с работой выхода е ф ^ 4 , З э В до тем п ератур порядка
2400...2700 К — поэтому для катодов применяю т тугоплавкие
м атер и алы с высокой температурой плавления. Чем выш е тем ­
пература катода, тем меньше срок его служ бы . Так, во л ьф р а­
мовые и молибденовы е катоды имеют срок служ бы несколько
д есятков часов. Зам ен а катода электронной пуш ки требует ее
последую щ ей регулировки и настройки, поэтому основные уси­
лия разработчиков направлены на увеличение срока служ бы
катод а. В последние годы были р азр або тан ы катоды из гексаборида л ан тан а La В6 и торированного вольф рам а с работой
вы хода порядка 2,6 эВ, что позволило снизить рабочие тем пе­
ратуры до 1600...2000 К без сниж ения плотности тока и сущ ест­
венно увеличить срок служ бы катода.
8
Н а некотором расстоянии от катода находится анод 2 (сМ.
рис. 2 ), выполненный в виде массивной д етали с отверстием.
М еж ду катодом и анодом от специального высоковольтного ис­
точника питания, входящ его в состав блока питания 8, п р и кл а­
ды вается ускоряю щ ее нап ряж ение U от 15 до 150 кВ. В ре­
зу л ьтате такого ускорения электроны приобретаю т кинетиче­
скую энергию Ek — 6 U = 15...150 кэВ и очень высокую скорость.
Н апри м ер, электроны , прош едш ие разность потенциалов "в 1 В,
приобретаю т у ж е скорость v = 593 км/с.
Ускоренный электронны й пучок, прош едш ий отверстие в ано­
де 2, п о п адает .в фокусирую щ ую систему 3, состоящ ую из д и ­
аф рагм и м агнитны х линз. М агнитная линза п редставляет собой
соленоид с м агнигопроводом , создаю щ ий магнитное поле В ,
которое при взаим одействии с движ ущ им ся электроном см ещ ает
его траекторию в направлении оси системы. Сф окусированны й
электронны й луч в промыш ленных технологических установках
м ож ет иметь м иним альны й диам етр ф окального пятна до 0,01 мм
и плотность энергии до 1012В т/м 2.
В конструкцию электронной пушки входит т ак ж е отклоняю ­
щ ая систем а 4, сл у ж а щ ая для перемещ ения электронного луча
по о б р аб аты ваем о й поверхности. П ерем ещ ение луча осущ еств­
л я ется за счет е г о , взаим одействия с поперечным магнитным
полем.
В рабочем пространстве электронной пушки необходим вы­
сокий вакуум , чтобы молекулы остаточны х газов не преп ятст­
вовали свободном у прохож дению электронов. Кроме того, усло­
вия работы подогреваем ого катода так ж е требует его защ иты
от взаим одействия с атмосф ерны м и газам и. Обычно давлен ие
в кам ере электронной пушки не превы ш ает 10~3... 10~4 П а. При
ухудш ении в аку у м а происходит пробой меж ду катодом и ан о ­
дом пуш ки, что м ож ет привести к выходу из строя вы соковольт­
ного вы прям ителя.
Э лектронная пуш ка обычно вы полняется в виде ф ункцио­
нального блока, которы й или неподвиж но крепится к рабочей
к ам ер е 5, или перем ещ ается внутри ее с помощью специальных
м еханизм ов. О б р аб а т ы в ае м а я заготовка 6 пом ещ ается в ' р аб о­
чую кам еру 5, снабж енную иллю м инатором для наблю дения
за процессом обработки. О ткачка рабочей кам еры производится
системой вакуум ны х насосов 7.
2.3.
взаимодействие
электронного
п т
ка
С ВЕЩЕСТВОМ
В основе физико-хим ического м еханизм а электронно-лучевой
обработки м атер и ал о в л е ж а т процессы взаим одействия эл ект­
ронов луча с вещ еством . И нтенсивность этих процессов опреде9
Ляется энергией электрона, а реализуем ы й м еханизм обработки
зависит от плотности потока энергии электронного луча. В связи
с тем , что основным парам етром электронно-лучевы х установок
я вл яется мощ ность потока энергии электронного луча P = U - I ,
а м еханизм о бработки определяется плотностью потока энергии
электронного луча -q — d P /d S , удобно представить технологи­
ческие процессы на ди агр ам м е с осями Р и q (см. рис. 1). Там
ж е приведены значения ускоряю щ их напряж ений U и величина
д и ам етр а пучка в зоне обработки.
Э лектронны й луч п р ед ставл яет собой поток электронов,
имею щих неравном ерное распределение плотности тока и эн ер­
гии по радиусу луча и т а к ж е неравном ерное распределение
электронов по энергиям.
И сследованиям и установлено, что плотность тока / (г) и
плотность потока энергии сф окусированного электронного л у ч а
в зависимости от радиуса близки к норм альном у р асп ред е­
лению :
H r ) = joexp (— kr2),
q ( r ) = ^ 0 е х р (— kqr2),
где jo и qo — м аксим альн ы е значения плотности тока и плотно­
сти. потока энергии на оси луча соответственно; k и k q — коэф ­
фициенты сосредоточенности электронного луча, хар актер и зу ю ­
щ ие вид распределения. С ростом k и k q распределение с т а ­
новится более узким, и степень концентрации тока и энергии
в луче возрастает.
.В связи со слож ностью распределения электронов по эн ер­
гиям обы чно в качестве характеристики энергии электрона ис­
пользую т ее среднее значение.
П ри прохож дении электронного пучка через газовую среду
пучок рассеивается, и распределение плотности тока в зави си ­
мости от пройденного расстояния х описы вается экспоненц иаль­
ной зависимостью j ( x ) = j 0 e x р ( — а р л ') ,г д е / 0 — плотность тока
при х = 0, р — плотность газа, а — коэфф ициент поглощ ения.
К оэффициент поглощ ения зависит от энергии электрона Е и
в д и ап азо н е энергий от 20 до 200 кэВ о п ред еляется соотнош е­
нием а (Е) = 2 , 4 - 105 Е ~2, где Е вы раж ено в электровольтах,
а а в м етрах квадратн ы х на килограм м .
Э лектронны й луч, п оп адая на поверхность изделия, частично
о тр аж ается , а др у гая его часть проходит внутрь об ъ ем а изде­
лия, вы зы вая нагрев м атер и ала. Д о л я отраж енны х электронов
м ож ет достигать 40% и увеличивается при отклонении оси пуч­
ка от норм али к поверхности — поэтом у о б раб отку всегда це­
лесообразно вести лучом , перпендикулярны м поверхности..
П ри .прохождении электронов с относительно м алы м и эн ер­
10
гиями (Е ~ 100 кэВ ) через вещ ество имеет место их упругое й
неупругое рассеяние. Упругое рассеяние электронов происходит
при их столкновении с ядрам и атомов. П ри этом энергия н ал е­
таю щ его эл ектр о н а и энергия атомного ядр а практически не из­
меняю тся, а изм еняется лиш ь направление движ ения эл ект­
рона. Н еулругое взаим одействие электронов пучка происходит
с эл ектр о н ам и атомов кристаллической реш етки, которое при­
водит к потере энергии электрона пучка, его рассеянию и во з­
буж дению (ионизации) атом а вещ ества. Ч асть энергии эл ект­
рона при его прохож дении через твердое тело теряется на в о з­
буж дение колебаний реш етки, т. е. идет на об разован и е фоно­
нов. О днако потери на электронно-фононны е воздействия на
три— четы ре по р яд ка н и ж е ионизационных и ими мож но пре­
небречь.
Таким об р азо м , практически вся энергия быстрого электрона
передается эл ектр о н ам твердого тела, а не его атом ам . В сл ед ­
ствие больш ой разницы м еж ду м ассам и электронов и ядер вн а­
чале наступает терм одинам ическое-равновесие внутри электрон­
ной подсистемы и лиш ь затем вступаю т в действие процессы,
ведущ ие к вы равниванию тем ператур меж ду электронной и ион­
ной подсистемам и. С ледовательно, при взаимодействии эл ект­
ронного пучка с м еталлом сущ ествует пром еж уток времени, на
котором электроны м еталла нагреты и имеют высокую тем пе­
ратуру, а ионы кристаллической реш етки ещ е холодные. П о­
скольку врем я, за которое электрон передает свою кинетиче­
скую энергию среде за счет электрон-электронны х взаи м од ей ­
ствий (-tee— 10~12... 10~14 с ), много меньше характерн ого вре­
мени нагр ева ионной подсистемы, связанного электрон-реш еточным взаим одействием (те, ~ 10~10 с ), налетаю щ ий электрон
в тепловы х з а д а ч а х м ож но рассм атри вать к ак мгновенный ис­
точник тепла.
Н адо отм етить, что возбуж денны е атомы вещ ества, перехо­
дя в основное энергетическое состояние, испускаю т тормозное
рентгеновское излучение. Хотя доля энергии излучения в энер­
гетическом б ал ан се невелика, в целях безопасности о б сл у ж и ­
ваю щ его п ер со н ал а принимаю т специальны е меры.
Э лектроны пучка, внедряясь в вещ ество, торм озятся и, пройдя
некоторое расстояние, полностью теряю т свою кинетическую
энергию. М акси м ал ьн ая глубина проникновения электрона
в вещ ество (путь, на котором электрон теряет свою первон а­
чальную энергию ) описы вается соотнош ениями
б = 2,35-10- п (У2/ р ). ( Ю к В < [ / < 1 0 0 к В ),
б = 6 ,6 7 - 10~10 ( [ /5/3/ р ) ,
( 1 0 0 к В < ( / < 1 М В ),
где U — ускоряющ ее
напряжение,
р — плотность
вещества.
11
Н априм ер, д л я стали ( р = 7 ,8 -1 0 3 кп'м 3) при разм ерной обработке ( t / = 100 кВ ) 6 = 27 мкм. С ледовательно, энергия электрон­
ного пучка вы деляется в очень тонком поверхностном слое.
П ри отверж дении полимерны х композиций (см. рис. 1) исполь­
зую тся более вы сокие энергии электронов при гораздо меньшей
плотности потока д. В этом случае, наприм ер д л я полиэтилена
( р = 0,94• 103 кг/м 3) и U = 1 М эВ, получаем 6 = 7 мм.
О д н ако электрон, поп адая в вещ ество, дви ж ется не по п р я ­
мой вглубь м атер и ала, а рассеивается во все стороны (рис. 3).
П оэтом у мощ ность, поглощ аем ая единицей объем а вещ ества,
явл яется функцией расстояния о т поверхности. И сследовани я­
ми установлено, что на расстоянии h от поверхности, примерно
равном 6 /3 , поглощ аем ая мощности достигает максим ум а и
затем спад ает до нуля на расстоянии, равном 6.
Н а рис. 4 (кри вая 2 ), показано распределение удельной
объемной мощ ности тепловой энергии, вы деляем ой пучком,
в зависимости от расстояния от поверхности. К ри вая 1 соответсгAN
и
Злект ронны й
Поте риО.1
ч
Рис. 3. Область рассеивания элект­
ронных пучков с различной энергией
Рис.
4.
Схема теплового ис­
точника
вует распределению поверхностной плотности теплового потока
в зависим ости от расстояния г.
Ч асто д л я ан ал и за технологических процессов использую т ус­
редненные энергетические характеристики . М ощ ность пучка оп ре­
деляется к а к P — UI, где U—ускоряю щ ая р азн ость потенциалов,
/ — ток пучка. П оверхностная плотность теплового потока оп­
ределяется соотнош ениями
q ~
s
~
4 UI
я <Р
= £/Ь
где S — площ адь поперечного сечения пучка, d — ее д иам етр,
12
/ — плотность тока электронов. У дельная объем н ая мощ ность
тепловой энергии, вы д еляем ая пучком в объеме
(см. рис. 4),
описы вается вы раж ени ем
Чу
L v
и1 _ и<
S6
6
И спользуя соотнош ение для б, получаем
я,, = i £ ! i . i £ _
2,35
U
'
С ледовательно, хотя с ростом £/ полная мощ ность энергии,
вы деляем ой в вещ естве, растет, мощ ность ж е энергии, в ы д ел я е­
мой в единице о б ъ ем а в д и ап азон е от 10 кВ до 100 кэВ , ум ень­
ш ается за счет увеличения объем а, в котором вы деляется эта
мощ ность.
В зависим ости от парам етров электронного луча зона о б р а ­
ботки м атер и ал а м ож ет иметь различны й вид (рис. 5 ). П ри не­
высокой величине q зона проплавления имеет вид ( / ) . Этот
реж им о б р аб о тк и получил название «мягкого». С ростом q зона
обработки изм еняется (2) и при больших величинах н аб л ю ­
д ается «кинж альное» проплавление (5). .При кинж альном про-
Рис, 5. Схематическое изображение поперечных сечений зон
обработки
плавлении м атер и ал не только испаряется, но и наблю дается
вскипание м атер и ал а и его выброс (4) с образованием о твер ­
стия (5). Ф орм ирование отверстия в о брабаты ваем ом м ате­
р и ал е об ъ ясн яется законом ерностям и взаим одействия л уча с ве­
щ еством. Н априм ер, при ы = 2 0 к В и удельной поверхностной
энергии пучка <7= 10|0 В т/м 2 за врем я т = 1 0 ~ 5 .*. 10~6 с в поверх­
ностных слоях различны х м атериалов развиваю тся следую щ ие
тем п ературы [5] (в скобках указан ы тем пературы кипения, К );
ал ю м и н и й .(2593)...4423; титан (3773)...5313; сталь (3323)...5373;
вольф рам (5673)...15873.
Таким образом , в основе физико-химического механизма р а з­
мерной электронно-лучевой обработки лежит съем материала
за счет его испарения и взрывного вскипания, а в основе м еха­
низма термообработки и сварки лежат процессы нагрева и
13
п лавлен и я м атери ала. О днако в .технологии использую тся не
только термические процессы, протекаю щ ие* при выделении
энергии электронного луча в вещ естве, а т а к ж е и нетерм иче­
ские. К ак уж е отм ечалось, при взаим одействии электронны х
пучков с вещ еством происходит возбуж дение и ионизация ато ­
мов и молекул. С ледствием этих процессов являю тся химиче­
ские реакции с нетермической активацией об разован и я хим и­
ческих соединений. Эти реакции начинаю тся с возбуж дения ато­
мов в м олекулах полимеров и образован ия свободных р а д и к а­
лов, которы е з а т е м ,. вступая во взаим одействие м еж ду собой,
приводят к полим еризации, сополимеризации, образован ию про­
странственны х полимеров. П ри этом повы ш ается м еханическая
прочность, термостойкость, улучш ается поведение полимеров
при усадке, а в композиционных полимерны х м атер и ал ах сущ е­
ственно сниж аю тся термические и остаточные нап ряж ения, в о з­
никаю щ ие при их отвердении. В последние годы такие процес­
сы находят все более ш ирокое применение в технологии полу­
чения пластм асс, пресс-м атериалов и композитов с полимерным
связую щ им.
3. Л А З Е Р Н А Я О Б Р А Б О Т К А М А Т Е Р И А Л О В '
3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ П РИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ
П ОЛИХРОМАТИЧЕСКИХ И Л А ЗЕ Р Н Ы Х
ПУЧКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
О бычное световое излучение (полихром атический свет) со­
стоит из набора электром агнитны х волн с частотами, л еж ащ и ­
ми в диапазоне видимой части спектра. И злучение возникает
при переходе электронов в атоме или м олекуле с более энерге­
тических квантовы х состояний в менее энергетические. При
таком переходе электрона система излучает фотон (квант эл е к т­
ромагнитной волны ) с энергией e = / i v , где h — постоянная
П л ан к а, v — частота излучения. В озбуж дение атомов, т. е. пе­
ревод его электронов из стационарного квантового состояния
в состояние, характеризую щ ееся больш ой энергией, м ож но про­
водить различны м и способами. Н аиболее ш ироко известным
способом явл яется нагрев тела.
Больш инство тверды х и ж идких тел имею т сплош ные спект­
ры излучения (поглощ ен ия), т. е. излучаю т (поглощ аю т) эн ер­
гию всех длин волн. К тверды м телам , имеющим сплош ной
спектр, относятся диэлектрики, полупроводники и м еталлы
с окисленной ш ероховатой поверхностью . М еталлы с полиро­
ванной поверхностью , и м олекулярны е газы имеют полосатый
И
спектр, а атом арн ы е газы — линейчатый. И нтенсивность излу­
чения зависит от природы тела, его температуры , длины волны,
состояния поверхности, а д ля газов — еще от толщ ины слоя и
д авлен ия. С увеличением тем пературы тела энергия излучения
увеличивается и изм еняется спектральны й состав излучения.
М аксим ум энергии излучения с повыш ением тем пературы
перем ещ ается в более коротковолновую область. Д л я сплош ного
спектра серого тела плотность потока энергии с учетом всех
д лин волн излучения (ин тегральная плотность потока излуче­
ния) о пределяется законом С теф ан а-Б ольц м ан а q = e a T 4,
где а — постоянная С теф ана-Б ольцм ана, е — коэффициент теп­
лового излучения, Т — тем пература тела. К оэффициент теп л о­
вого излучения е изм еняется от 0 до 1 и зависит от природы
тел а, тем п ературы , состояния поверхности и в больш инстве сл у ­
чаев оп р ед ел яется эксперим ентально.
П рим енение световой энергии д ля технологических процес­
сов требует ф окусировки светового луча. Ф окусировка светового
луча о гр аничивается полихроматичностью света, хроматической
аберрац и ей , диф ракционны м и явлениям и и конечными р азм е ­
рам и светящ егося тела. Н априм ер, система линз диаметром
75... 1 20мм обы чно не позволяет получить в фокусе пятно д и а ­
метром менее 1 мм, а сферическое зеркало диаметром 1 м ф оку­
сирует солнечны е лучи в пятно диам етром не менее 20 мм.
В р езу л ьтате м акси м ал ьн ая плотность энергии в пятне нагрева
не превы ш ает 107 В т/м 2.
В пром ы ш ленности используют световую энергию специ аль­
ных вы сокоинтенсивны х источников света в виде ламп н а к ал и ­
вани я или дуговы х газо р азр ядн ы х лам п для сушки и терм ооб­
работки изделий, пайки, сварки м атериалов. П ринципиально
новые возм ож ности д ля использования светового излучения
в технологии появились с созданием лазеров — оптических
квантовы х генераторов (О К Г ). Р аб о та О К Г основана на инду:
цированном (вы нуж денном ) излучении возбуж денного атома
под действием внеш него электром агнитного поля. Основной
особенностью излучения л а з е р а является то, что оно является
монохром атичны м и когерентным.
Л ю бой О К Г независим о от конструктивного выполнения
содерж ит следую щ ие основные элементы: рабочее тело, состоя­
щ ее из «ан сам бл я» атомов и молекул, для которых мож ет быть
созд ан а инверсия населенности уровня; система, позволяю щ ая
осущ ествить инверсию (система накачки) у оптический резона­
тор, которы й служ и т д ля осущ ествления взаим одействия излу­
чения с рабочим вещ еством и в котором происходит отбор
энергии от генерирую щ их частиц; устройство д ля вы вода эн ер­
гии из р езо н ато р а; система управления концентрацией энергии
и пространственны м полож ением пучка.
Д л я создан ия инверсности населенности в О К Г применяю т
следую щ ие виды накачки: оптическую, осущ ествляем ую за счет
облучения вещ ества мощным световым потоком; элект рическую ,
осущ ествляем ую при прохож дении через вещ ество электриче­
ского тока; хим ическую , осущ ествляем ую за счет химической
реакции, в которой приним ает участие рабочее вещ ество.
В зависимости от реж им а работы О К Г дел ятся на устрой­
ства, работаю щ ие в непрерывном и импульсно-периодическом
реж и м ах. По типу применяемого рабочего вещ ества различаю т
твердотельны е, газовы е, ж идкостны е и полупроводниковы е ге­
нераторы . В твердотельны х О К Г в качестве рабочего вещ ества
использую т тверды е Гела (синтетический рубин, иттриево-алю миниевый гранат, неодим овое стек л о ).
С интетический рубин представляет собой искусственно вы ­
ращ енны й кри сталл оксида алю м иния А120 3, в который вве­
дены и равном ерно распределены по объему атомы хром а в ко­
личестве 0,05% м ассы кри сталла. П римесь хром а при дает ру­
бину характерны й розово-красны й цвет. Атомы хроома в кри с­
т а л л е рубина являю тся оптически активны ми элем ентам и и ге­
нерируют когерентное излучение в видимой части спектра
с длиной волны X = 0,6943 мкм (красны й ц вет).
И ттриево-алю м иниевы й гр ан ат — синтетический кри сталл,
который в качестве оптически активны х атом ов содерж ит при­
меси неодима, хром а, ту лл и я и гольмия. В зависимости от при­
роды примеси он генерирует излучение в инф ракрасной области
с длинам и волн 1,06 мкм, 2,0132 мкм и 2,123 мкм.
Н еодимовое стекло представляет собой аморф ное стекло,
в котором равном ерно распределены атомы неодима. О КГ на
неодимовом стекле генерирует излучение с длиной волны
А = 1,06 M K M .
'С хем а твердотельного О К Г приведена на рис. 6. С терж ень
изготовленны й из рабочего вещ ества, пом ещ ается м еж ду двумя
зер к ал ам и /, 4. З е р к ал о / полностью отраж ает, все падаю щ ие
на него лучи, а зер кал о 4 явл яется полупрозрачны м . Д л я н а­
качки энергии используется газо р а зр я д н ая л ам п а 3, которая
д ля больш ей эф ф ективности облучения кр и стал л а помеш ается
вместе с ним внутрь о траж аю щ его кож уха 5 с поперечным сече­
нием в ф орме эллипса. П итание лам пы -вспы ш ки обычно осу­
щ ествляется от специальной высоковольной б атареи конденса­
торов 6.
П ри р а зр я д е б атареи конденсаторов л ам п а дает интенсив­
ную вспы ш ку полихром атического света. С ветовое излучение
воздействует на активны е атомы оптического резонатора, кото­
рые, поглощ ая энергию накачки, во зб у ж д аю тся и затем при
16
переходе на низш ие энергетические уровни генерирую т собст­
венное излучение.
Д л я рубинового О К Г схема энергетических уровней хрома
в оксиде алю м иния приведена на рис. 7. П ри оптической н а ­
кач ке происходит поглощ ение зеленого и голубого цветов в до-
И!
Т1
д~
/
гГХ
€
\ 6
' V —
Рис. 6. Схема твердотельного О ГК
Л!
&
*
О)
-А1\г*
Рис. 7. Схема энер­
гетических . уровней
рубинового лазера
вольно ш ирокой полосе частот на уровнях 3 и 4 и последующ ий
переход возбуж денны х атомов в более низкое энергетическое
состояние на уровень 2. В рем я ж изни уровней 3 и 4 зн ачитель­
но м еньш е времени ж изни уровня 2 , поэтому все атомы хрома
после возбуж дения зад ер ж и в аю тся некоторое врем я ( ~ 3 50~3 с)
на м етастаби льном уровне 2, что обеспечивает инверсию насе­
ленностей м еж д у уровням и / и 2. П ри переходе с уровня 2 на
стабильн ы й уровень / происходит генерация когерентного и зл у­
чения в видим ой красной части спектра с длинам и волн Ai =
= 0 ,6 9 2 9 мкм и %2 — 0,6943 мкм. Т а к а я схем а генерации полу­
чила н азван и е трехуровневой.
Н ачавш ееся в рабочем теле О К Г излучение расп р о стр ан я­
ется по всем у объем у стерж ня-резонатора и из-за м н огок рат­
ного о тр аж ен и я от зе р к а л вовлекает в процесс генерации коге­
рентного излучения все оптически активны е атомы. Ч асть коге­
рентного излучения выходит через полупрозрачное зер кал о из
р езонатора. Д и ам етр светового пучка прим ерно равен д и ам ет­
ру резо н ато р а.
Генераци я излучения твердотельны м О К Г будет дли ться при
облучении его лам пой-вспы ш кой д о тех пор, пока мощ ность
энергии накачки н е станет м еньш е порогового значения, необ­
ходим ого д л я п о д д ер ж ан и я генерации (рис. 8 ). И злучение О К Г
имеет слож ную структуру, а интенсивность излучения состоит
17
из м нож ества
отдельны х
ОКГ
импульсов
длительностью
д о 10-6 с с интервалам и
3 • 10-6 ... 3 - 10~5 с.
Д л я рубина п оглощ ае­
м ая кри сталлом мощ ность
н акачки составляет прим ер­
но 2 кВ т на 1 см3 объем а
к р и стал л а. К оэф ф ициент ис­
пользования световой эн ер ­
Рис. 8. Интенсивность излучения
гии лам пы -вспы ш ки со став­
О К Г в зависимости от времени
л я ет 10... 15%. С ум м арная
действия лампы-вспышки
мощ ность О К Г при энергии
импульса лам пы до неокольких десятков дж оул ей и частоте их
повторения до нескольких десятков герц м ож ет достигать десятков
киловатт при длине стерж ня 200...250 мм и его диам етре 15 мм.
З н ач и тел ьн ая часть мощ ности лам пы -вспы ш ки превращ ается
в теплоту и идет на нагрев рабочего тела. П ри нагреве рабочего
тела изменяю тся энергетические уровни активны х атомов, и по
достиж ении некоторой предельной тем пературы генерация коге­
рентного излучения прекращ ается. К^оме того, нагрев стерж ня
приводит к возникновению в нем термических нап ряж ений, из-за
чего м ож ет произойти его разруш ение. П оэтому в больш инстве
конструкций твердотельны х ОК.Г предусм атривается о х л а ж д е­
ние рабочего тела.
Л азер ы с рабочим телом на неодимовом стекле получили
более ш ирокое распространение б лаго д аря высокой техноло­
гичности их изготовления. В связи с тем, что неодимовое стекло
имеет меньшую, чем рубин, теплопроводность, О К Г на неодимо­
вом стекле требую т эф ф ективны х систем охл аж д ен и я. Н аи б о­
лее высокой удельной мощ ностью излучения об лад аю т иттриевоалю м иниевы е генераторы , которы е могут работать к а к в импульснош ериодическом, т а к и непреры вном излучении.
В газовы х О К Г в качестве рабочего тела использую тся га зо ­
образны е вещ ества, причем н ак ач к а, как п рави ло, осущ ествля­
ется за счет эф ф ектов, связанны х с прохож дением электриче­
ского тока через газ. В качестве активны х газов в О К Г прим е­
няю т аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, угле­
кислый газ с примесью азо та и ге л и я .- Г азовы е О К Г п о д р азд е­
ляю т на лазеры , работаю щ ие на атомны х, ионных и м олеку­
лярны х переходах.
Н аибольш ую мощ ность и К П Д им еА т газовы е О К Г , генери­
рую щ ие колебания на м олекулярны х переходах. К этой группе
относятся О К Г , изготовленны е на основе углекислого газа.
Т аки е л а з е р ы позволяю т р азви вать в непреры вном реж им е
мощ ность д о 50 кВт.
18
3.2. ВЗА И М О Д Е Й С Т В И Е И ЗЛУЧЕНИ Я ОКГ
С ВЕЩЕСТВОМ
П ри воздействи и луча О КГ на поверхность вещ ества часть
энергии л уча поглощ ается поверхностью , а д ругая часть о т р а ­
ж ается. Д о л я о траж ен н ой энергии зависит от длины волны и з­
лучения и состояния поверхности- вещ ества. В табл. 2 приведе­
ны значения коэфф ициентов отраж ения д л я неокисленных по­
лированн ы х поверхностей различны х м атериалов. К а к видно,
зн ач и тел ьн ая доля светового потока о тр аж ается от поверхности,
и К П Д передачи энергии потоком света значительно меньш е, чем
К П Д передачи энергии электронны м лучом. •
>
Д л я поверхностей, покрытых окислам и и имеющих больш ую
ш ероховатость, значение коэфф ициента отр аж ен и я уменьш ается.
М ож но добиться того, что от 20 до 40% энергии светового
потока будет поглощ ено вещ еством. Ещ е больш его поглощ ения
энергии м ож но добиться нанесением на поверхность веществ
с м алы м и коэф ф ициентам и о траж ения (саж а, к р а с к а ). В этом
случае, однако, возм ож но взаим одействие нанесенного вещ ества
с основным м атериалом , что не всегда допустимо.
Таблица
2
Коэффициенты отражения лазерного излучения
чистой поверхностью металла
Рабочее тело ОКГ,
длина волны, мкм
Ag
Си
А1
Сг
Fe
Ni
Аргон, л, = 0,488
0,952
0,437
—
—
0,597
Рубин. Я = 0,6943
0,961
0,831
—
0,555
0,575
0,676
0,964
0,901 0,733 0,570
0,650
0,741
0,989
0,984 0,970 0,930
0,924
0,941
Неодимовое стекло
Углекислый газ,
А = 1,06
Я —10,6
—
И сследовани ям и установлено, что при прохож дении света
через вещ ество интенсивность светового потока (плотность по­
то к а энергии) убы вает по экспоненциальному закону
д = ро ехр (—х /) ,
где ро — плотность потока энергии на входе в поглощ аю щ ий
слой, / — толщ ина поглощ аю щ его слоя, х — коэфф ициент по­
глощ ения. Это соотношение носит название закон а Б угера.
Коэф ф ициент поглощ ения х зависит от длины волны п ад аю ­
щ его излучения и свойств поглощ аю щ его в ^ ц ес тв а . У вещ еств,
атом ы которы х практически не взаим одействую т друг с другом
(газы и п ары м етал л о в при невысоком д ав л ен и и ), коэфф ициент
поглощ ения д л я больш инства волн близок к нулю и лиш ь д л я
19
узких спектральны х областей обн ар у ж и вает резкие максимумы
(линейчаты е спектры поглощ ения). Г азы при высоких д а в л е ­
ниях, а т а к ж е ж идкости и тверды е тела даю т ш ирокие полосы
поглощ ения (полосаты е и сплош ны е спектры п оглощ ен ия). Н а ­
личие спектров поглощ ения о бъясн яется взаим одействием ф о­
тонов с электронам и атомов. У изолированны х атомов эн ерге­
тические уровни вы рож денны е, поэтому электрон м ож ет в заи ­
м одей ствовать только с фотоном определенной энергии, соответ­
ствую щ ей определенной длине волны падаю щ его света. У в за и ­
модействую щ их атомов вы рож дение энергетических уровней
сн и ж ается и энергетические уровни трансф орм ирую тся в эн ер­
гетические зоны, которым и соответствую т сплош ны е участки
спектров. Т ак, у м еталлов всегда сущ ествую т электроны в эн ер­
гетической зоне проводимости, поэтому они практически непро­
зрач н ы д ля овета. Д л я м еталлов коэфф ициент поглощ ения име­
ет величину более 10® м-1, т. е. плотность потока энергии света
ум еньш ается в е раз на глубине менее 1 мкм. Д л я сравнения
у каж ем , что у стекла (диэлектрик) х ~ 1 ’м~1.
В м еталле энергия световы х квантов передается электронам
проводимости, в р езу л ьтате ч-его тем п ература электронного газа
в м еталле растет, а тем п ература реш етки остается практически
неизменной. Это связано с тем, что вы равнивание тем пературы
г а за электронов происходит за в р ем я порядка 10-12...10~14 с, а
вы равнивание тем ператур электронного га за и реш етки проис­
ходит за врем я около К Г 11 с. Р асчеты показы ваю т, что, нап ри­
мер, при плотности потока тепловой энергии q — 10й В т/м 2,
длительности импульса излучения т = 1 мс м аксим альн ая
разность тем ператур м еж ду электронной и ионной подсистемами
составляет не более одного градуса. В то ж е врем я при
q — 1017 В т/м 2 и т = 10-® с эта разность тем п ератур дости­
гает двух тысяч градусов. Обычно в технологических процессах
л азерной обработки парам етры q и т такие, что разницей
тем ператур можно пренебречь и рассм атр и вать поток фотонов
к а к источник теплоты , вы деленной в очень узком поверхност­
ном слое.
Больш инство технологических процессов с применением из­
лучения О К Г основы вается на тепловом воздействии л азерного
излучения на непрозрачны е среды. П роцесс взаим одействия
излучения л а зе р а с вещ еством достаточно хорош о изучен
и в ш ироком д и апазоне плотностей потоков
(вплоть до
10|7 В т/м 2) удовлетворительно описы вается тепловой моделью .
С огласно этой модели в воздействии луча л а з е р а на н еп розрач ­
ные среды условно м ож но вы делить несколько характерны х
стадий:
20
поглощ ение светового потока и передача его энергии тепло­
вым колебаниям реш етки;
н агр евание вещ ества без его разруш ения;
р азвитие испарения вещ ества в зоне воздействия луча л а зе ­
ра и р азл ет продуктов разруш ения;
осты вание вещ ества после окончания действия лазерного
излучения.
П роцесс ф орм ирования лунки в м атери але под действием
л азерного излучения приведен на рис. 9. И злучение с небольшой
плотностью энергии вы зы вает лиш ь проплавление поверхност­
ного слоя м атер и ал а незначительной глубины (рис. 9 ,а ). При
II
Рис. 9. Влияние изменения плотности .'потока энергии излучения на
профиль лунки в течение времени облучения (/) и после окончания
процесса (//)
больш ей плотности потока начинается испарение м атери ала
в центре ф окального пятна (где тем пература выш е) и под дей­
ствием избы точного давлен ия образую щ ихся паров происходит
искривление границ ы р асп л ава так, как показано на рис. 9,6.
Е щ е больш ие плотности потока вы зы ваю т сущ ественный рост
лунки в глубину и по д иам етру вследствие испарения и вы тес­
нения р асп л ав а из зоны воздействия (рис. 9 ,в— е). Н е успевший
остыть р асп л ав после окончания импульса стекает в лунку и
после кр и стал л и зац и и образует зону переплавленного м еталла.
П ри больш их плотностях потока возм ож но неполное заплавление лунки после осты вания (рис. 9,г,д). И сследованиям и у ста­
новлено, что только при плотностях потока выше 5-1'015Вт/м
получается л у н ка без зап л авл ен и я ж идким расплавом (см.
рис. 9,е ). Т аким образом , дио лунки при л азерной обработке
ф орм ируется в основном за счет испарения, а боковые стенки
за счет п л авл ен и я м атер и ала и вы текания ж идкости при избы ­
точном д авл ен и и паров в полости отверстия. Геом етрическая
ф орм а отверстия сущ ественно зависит от м еста располож ения
21
ф окального пятна относительно поверхности д етали. Н а рис. 10
по казан ы различны е формы отверстия при изменении ф окуси­
ровки (ф окус лазерного луча располож ен, вдоль линии 1).
1
Рис. 10. Геометрические размеры лунки проплав­
ления в зависимости от места располож ения
фокального
пятна
относительно
поверхности
детали
О дновременно с указанны м и стадиям и проходят д иф ф узи он­
ные и химические процессы, а т а к ж е ф азовы е превращ ения,
оказы ваю щ и е ‘сущ ественное влияние на х ар ак тер воздействия
излучения я а м атер и ал.
И сследованиям и установлено, что в зависимости от вида м а ­
тер и ал а и парам етров облучения, д аж е если не наблю дается
оплавление поверхности, происходит изменение микротвердости
м атер и ала по глубине. Типичные кривые распределен ия микро­
твердости по толщ ине м атер и ала для двух плотностей потока
п оказаны на рис. 11,а и 11,6.
. .[ Аморфная з о н а
Цсховная
структура
о
Рис. И .
22
Qf
аг
а
Q3
Ьона заполни
f ~ \ доходная
/ \ структура
Z
О
oj
од
о.з
Qo Z
$
Распределение мякротвердости материала по
для двух значений плотности потока энергии
глубине
Н адо отметить, что при повышении плотности потока энер­
гии луча до м аксим альн о достиж им ого уровня (примерно
1017В т/м 2) д л я некоторы х вещ еств возм ож но сублимационное
испарение, т. е. переход из твердого состояния сразу в парооб­
разное. К ром е того, при этих плотностях энергии в фокальном
пятне луча О К Г м ож ет возникнуть « л азерн ая искра», связан н ая
с об разован ием в зоне о бработки плазм ы паров м еталла. Н е­
равном ерность распределения по объему плазм ы заряж енн ы х
частиц приводит к электрическом у пробою, сопровож даю щ ем у­
ся яркой вспыш кой. В ряде случаев « л азер н ая искра» наруш ает
ход технологического процесса.
3.3. П РИ М ЕН ЕН ИЕ Л А З Е Р Н Ы Х М ЕТОДОВ
О Б РА Б О Т К И М АТ ЕР И АЛ О В
П ервоначальн о когерентное излучение О К Г рассм атривалось
в технике к а к средство д ля получения и передачи информации.
М ощ ность излучения, используем ая для этих целей, невелика—
от нескольких м илливатт до нескольких ватт. В этом случае
прим еняю т м алом ощ ны е газовы е, твердотельны е или полупро­
водниковы е О К Г сравнительно небольших разм еров.
П ерспективы технологического применения лазерного излу­
чения привели к созданию О К Г (в основном газовы х и твердо­
тельны х, имею щих мощ ность непрерывного излучения до сотен
Киловатт и энергию отдельного им пульса до нескольких сотен
д ж оулей. Хотя эти системы имеют больш ие габари ты , потреб­
л яю т значительную мощ ность, слож ны в изготовлении, исполь­
зован и е О К Г д а е т . целый ряд технологических преимущ еств,
что и определяет их ш ирокое применение.
К таким преимущ ествам относятся следую щ ие:
1. Энергию в виде светового луча можно передавать на рас­
стояния через прозрачны е среды или по специальному волно­
воду.
2. Технологический процесс можно вести в любой оптически
прозрачной среде.
3. М етод обработки является бесконтактным.
4. К онцентрацию энергии в зоне обработки можно плавно
изм енять в ш ироких пределах (вплоть до 10 !7 В т/м 2).
5. Р азм ер ы зоны обработки можно изм енять плавно в ш и­
роких пределах. М инимальны е разм еры зоны обработки могут
достигать 5 мкм.
6. О б р аб о тку м ож но вести как в импульсном реж име
(вплоть до 10-9 с ), т а к и в непрерывном.
Методы лазерной обработки образую т группы, основанные
на нагреве, плавлении и ударном нагружении материала. К аж ­
23
д ая из этих групп х ар актер и зу ется своим диапазоном плотно­
сти потока энергии л азерного луча и диапазоном времени его
воздействия ( р и с .12).
%вт/»г
аЯразоВоние
плазм ы
<(ПрОЧ>
Рис.
12.
Д иаграм м а
параметров
лазерных технологий
В настоящ ее время лазерную технику применяю т д ля терм о­
обработки, локального плавления и переплава, сварки , резки
и разм ерной обработки м атери ала. Н агрев излучением О КГ
м ож но проводить в ш ироком д и ап азон е тем ператур и удельны х
тепловы х потоков. П ри этом круг возм ож ностей О К Г ш ире, чем
у электронного луча. О днако специфика сам ого процесса полу­
чения когерентного излучения и слож ность мощ ных О К Г при­
вели к тому, что использование лазер о в д ля энергоемких про­
цессов, наприм ер, плавки, не получило распространения. В т а ­
ких случаях в основном применяю т более простые по оборудо­
ванию электронно-лучевой и плазм енны й методы, имеющие,
кром е того, более вы сокие К П Д .
П оверхностную терм ообработку с использованием О К Г м о ж ­
но проводить для отдельны х зон поверхности с последующ им
их охлаж дением с помощ ью практически лю бых охлаж даю щ их
сред. П о сравнению с закал к о й токам и высокой частоты здесь
не требуется изготовлять д л я каж дого изделия специальный
индуктор.
Локальный переплав поверхностных слоев обрабатываемого
материала осуществляется с целью повышения их эксплуата­
ционных характеристик. Нагрев излучением ОКГ до плавления
и затем быстрое охлаж дение и кристаллизация небольших объе­
24
мов м еталла приводит к образованию структур, которые в обыч­
ных условиях получить нельзя.
Л а зе р н а я с в ар к а к а к технологический процесс, связанны й
с локальны м плавлением , находит все более ш ирокое примене­
ние, конкурируя к а к с традиционны ми способами сварки, так
и с электронно-лучевой оваркой. О собенно эф ф ективна л а зе р ­
ная с в ар к а в тех случаях, когда в аж н о получить шов с мини­
мальной зоной термического влияния. Э ксперим ентально уста­
новлено, что д л я стали толщ иной 5 мм требуется 1 кВ т мощ но­
сти излучения на 1 мм глубины проплавления. П ри большей
толщ ине свариваем ы х кром ок зависимость мощности от глуби. ны проп лавлени я становится нелинейной, а д ля сварки деталей
толщ иной более 20 мм требуется О К Г, потребляю щ ий сотни
киловатт. В этом случае электронно-лучевая сварка имеет пре­
им ущ ества и позволяет сваривать за один проход кром ки з н а ­
чительно больш ей толщ ины (до 200 мм) при меньшей потреб­
ляем ой мощ ности.
Р е зк а и р азм ер н ая о бработка с использованием излучения
.О К Г явл яется наиболее распространенной в промыш ленности
группой технологических процессов, основанны х на применении
энергии когерентны х потоков. Р езк а м атериалов м ож ет быть
основана на локал ьн о м плавлении м атери ала и его дальнейш ем
удалении под действием силы тяж ести, конвективного потока
или струи га за . Э фф ективность резки м ож ет быть значительно
повыш ена за счет введения в зону обработки кислорода. Э кзо­
терм и ческая р еакц и я м еж ду разрезаем ы м м атериалом и кисло­
родом значительно увеличивает выделение энергии в зоне о б р а ­
ботки. М акси м ал ьн ая толщ ина заготовок при такой г а зо л а зе р ­
ной резке О К Г непреры вного действия на С 0 2 мощ ностью
5 кВ т со ставляет 10 мм, 6 мм, 5 мм и 10мм д л я низкоуглеродис­
тых сталей, легированны х сталей, никелевы х и титановых сп л а­
вов соответственно.
П олучение отдельны х отверстий и кан алов осущ ествляется
чащ е всего с помощ ью импульсных твердотельны х О К Г з а один
или несколько импульсов. По сравнению с механической о б р а­
боткой л азер н о е прош ивание о б лад ает следую щ ими преим ущ е­
ствам и: м ож но о б р аб аты в ать лю бы е м атери алы , мож но полу­
чать о тверстия м алы х д иам етров (of< 0 ,1 мм) с больш им отно­
ш ением глубины к диам етру, отсутствует м еханический сило­
вой кон такт м еж ду инструментом и м атериалом , м ож но полу­
чить отверстия, ось которых наклон ена под углом к о б р аб аты ­
ваем ой поверхности, увеличивается точность располож ения осей
отверстий на о брабаты ваем ой заготовке б л аго д ар я высокой
точности систем наводкй луча. В связи с этими преимущества­
ми лазерная обработка находит широкое применение для рас­
25
кроя различны х м атери алов по специальны м програм м ам для
ЭВМ , встроенны х в о брабаты ваю щ ую систему.
С ъем м атер и ал а за счет его испарения излучением О КГ
прим еняю т при различны х доводочны х и балансировочны х
рабо тах . П ри б алан си ровке роторов высокоскоростных д ви га­
телей, гироскопов и других вращ аю щ ихся д етал ей импульсное
излучение О К Г используется д ля съем а м атер и ал а непосред­
ственно на вращ аю щ ем ся изделии, что значительно ускоряет
процесс б алансировки и повы ш ает его точность.
4. Э Л Е К Т Р 0 Э Р 0 3 И 0 Н Н А Я
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
4.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИ Я ОБ Э Л ЕКТ Р О Э РО ЗИ О Н Н Ы Х
М ЕТ О Д АХ ОБРАБОТКИ
Э лектроэрозионная о бработка (ЭЭО ) основана на явлении
электрической эрозии, т. е. разруш ении контактов двух эл ек т­
родов под действием электрических р азр ядов. В частности,
таки е р азр яды (искровы е и дуговы е) возникаю т при разры ве
контактов в электрической цепи. В зависим ости от вида р а з­
р я д а ЭЭО имеет два реж им а — электроискровой и. электроимпульсный (электродуговой). Р азличие этих реж имов связано
с длительностью врем ени поддерж ания р азр я д а. В первом сл у­
чае длительность р а зр я д а 'короткая ( 10~5...10~7 с) — меж ду
кон тактам и проскакивает искра, а во втором — длительность
р а зр я д а определяется временем действия специально со зд ан ­
ного им пульса (10_4...10_| с).
ЭЭО прим еняется д ля прош ивания разли ч н ы х по профилю
отверстий, разделен ия заготовки на части, получения непрямолинейного контура и упрочнения поверхности. Этот метод ис­
пользуется при обработке трудн ообрабаты ваем ы х м атериалов
(тверды е сплавы , за к а л е н н а я сталь ,вольф рам , м олибден и т.д.),
а т а к ж е при изготовлении д еталей неж есткой конструкции.
ЭЭО проводится в среде диэлектрической ж идкости (керосин,
масло, во д а).
4.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАК ОН ОМ ЕРН ОС ТИ
Э Л Е К Т Р О Э Р О З И О Н Н О И ОБ РАБ О Т КИ М А Т Е Р И А Л О В
. Рассмотрим основные стадии протекания электроэрозионного процесса снятия припуска. П о мере сближения электродаинструмента 1 с заготовкой 2 (рис. 13) напряженность электри­
ческого поля возрастает обратно пропорционально расстоянию
26
d
3
d
Puc. 13.
верстия;
d — i i ' -5
b
Схема электроэрозионной обработки: a — прошивание от­
6 — разрезание непрофильный инструментом; в — зона
ввода энергии
м еж ду электродам и ; Е = U/s, где - U — разность потенциалов
м еж ду электродам и , 5 — зазо р меж ду ними. Н аибольш ая н а п р я ­
ж енность возникает на участке, где м еж электродны й зазо р ми­
ним ален. Р асп о л о ж ен и е этого участка зависит от местных
вы ступов, неровностей на инструменте и заготовке, от наличия
электропроводны х частиц, находящ ихся в меж электродном
зазоре.
Если электрод ы сблизить до расстояния нескольких д еся т­
ков м икром етров, то напряж енность поля достигнет значения,
при котором произойдет электрический пробой диэлектрической
ж идкости 3. П ричем, электрический разр яд возникнет в том
месте, где величина пром еж утка меж ду электродам и м ин им аль­
н а.П од действием р а зр я д а происходит ионизация д иэлектрика
на этом пром еж утке и образуется кан ал проводимости 4 —
сравнительно у зк ая цилиндрическая область, сод ер ж ащ ая ионы
и электроны . В озникш ие ионы и электроны начинаю т переме­
щ аться в противополож ны х направлениях. Электроны, имеющие
меньш ую массу, быстро достигаю т полож ительно заряж енн ой
поверхности заготовки и нагреваю т м еталл, вы зы вая его рас­
плавление и испарение в месте прохож дения тока. В результате
м еталл м икровы ступа переносится в м еж электродны й пром еж у­
ток, а на его м есте образуется углубление в форме сферической
лунки 5. Ч асти цы м атер и ала, вы летевш ие из заготовки, о х л а ж ­
д аю тся ж идкостью и засты ваю т в виде ш ариков. П ри действии
серии р азр я д о в поверхность приобретает ф орму с явно вы р а­
ж енны м и углублениям и в виде лунок. Т акие лунки формирую т
м икрорельеф , характеризую щ и й ш ероховатость поверхности.
П еренос м а тер и ал а с поверхности заготовки в м еж эл ек трод ­
ный пром еж уток происходит в р езультате следую щ их процес­
сов. В к а н а л е проводимости из-за нагрева м атер и ала до вы со­
ких тем п ер ату р обр азу ется избыточное д авл ен и е А Р = n k А Т ,
27
Где n — число частиц в единице объем а, А Т — разность тем ­
ператур ди эл ектр и ка в к ан ал е проводимости и вне этого к а н а ­
л а, k — постоянная Б о льц м ан а. Это избы точное давлен ие м о­
ж ет д остигать значений 2 -1 0 7 П а. В следствие такого высокого
д авл ен и я кан ал проводимости стрем ится расш ириться, об разуя
газовы й пузы рь, состоящ ий из паров ж идкости и м етал л а. Г р а ­
ни ца к а н а л а проводимости начинает перем ещ аться в р а д и а л ь ­
ном направлении, а скорость этого перемещ ения м ож ет дости­
гать 150...200 м/с. Н а определенном этапе расш ирения газового
пузы ря его проводимость ум еньш ается, и ток через этот пром е­
ж уто к прекращ ается. Г раница ж е газового пузы ря будет пере­
м ещ аться по инерции. К огда газовы й пузырь достигнет н аи боль­
ш их разм еров, давление внутри его упадет. С од ерж ащ и й ся на
поверхности заготовки расплавленны й м еталл из-за возникш его
падения давлен ия вскипает и вы брасы вается в м еж электродны й
промежуток.
В электроискровом реж име больш инство ионов не успевает
достичь отрицательно заряж енн ого электрода и вы звать у д а л е ­
ние м атери ала с его поверхности. Съем м атер и ал а происходит
преимущ ественно с анода в результате описанных термических
процессов, поэтому при электроискровой о бработке на заготовку
подается полож ительны й потенциал, и она является анодом.
Количество ионов, достигш их поверхности катод а (инструм ен­
т а ), будет определять степень его износа. Очевидно, чем м ень­
ше будет износ инструм ента, тем точнее Можно получить д е­
таль. С целью ум еньш ения износа стрем ятся сф орм ировать им­
пульс с меньшей длительностью , чтобы ионы не успели достичь
катода. О днако при этом возр астает врем я обработки и сни­
ж ается производительность.
И сследованиям и было установлено, что с увеличением д л и ­
тельности импульса тока растет интенсивность съем а м еталла
с катод а потоком ионов. П ричем, при определенной величине
длительности импульса тока доля м атери ала, удаленного с а н о ­
д а, м ож ет составить лиш ь незначительную часть от доли м ате­
ри ал а, удаленного с катода. П оэтом у при электроим пульсном
реж им е используется полярность электродов, о б р ат н а я эл ектр о ­
искровому, т. е. деталь является катодом ,а инструмент — ано­
дом. К ром е того, д ля сниж ения износа электрода-инструм ента
последний вы полняю т из м атериалов, сл або разруш аю щ ихся
под действием разрядов, граф итовы х и м еднограф итовы х ком ­
позиций.
При определенных условиях электроискровой и электроимпульсный режимы могут перейти в дуговой разряд, характери­
зуемый большей длительностью существования разряда между
электродами. В частности, Дуговой разряд может возникнуть
28
при зам ене диэлектрической среды на воздушную. П ри этом
расплавленны й м еталл м ож ет достигать противолеж ащ ей по­
верхности и там засты вать, т. е. могут протекать одновременно
д ва процесса — разм ерны й съем и наращ ивание м атери ала.
Ж и дки й м еталл обоих электродов взаим одействует меж ду со­
бой, о б р азу я на поверхности заготовки новые сплавы , нитриды
м еталлов, а при работе графитовы м и электродами-инструм ен­
там и и карбиды . В озникаю щ ий на поверхности заготовки слой
покры тия имеет прочную связь с м атериалом основы и исполь­
зуется д ля придания поверхности высокой износостойкости. Этот
процесс л еж и т в основе электроэрозионного упрочнения и леги­
рования м атер и ал а заготовки (ан о д а).
Д остаточн о ш ирокое применение в технологии получил электроконтактны й метод обработки м атериалов, основанный на
ком бинации м еханического и электроф изического методов. Сущ ­
ность этого м етода заклю чается в следую щ ем. Э лектрод инстру­
мент, вы полненны й в виде круглого диска, приводится во в р а ­
щ ение и подводится к заготовке, находящ ейся в диэлектриче­
ской ж идкости. Н а определенном расстоянии меж ду эл ектр о д а­
ми возникает р азр яд , переходящ ий в дуговой и вы зы ваю щ ий
расп л авл ен и е м еталла. Р асплавленны й м еталл налипает на в р а ­
щ аю щ ем ся диске и покидает зону р азр я д а. П о мере съ ем а м е­
т а л л а с заготовки электрод-инструм ент перем ещ ается либо
вдоль о б р аб аты ваем о й поверхности (ш лиф ование), либо по нор­
м али к ней (р а зр е за н и е ).
Разнови дн остью электроконтактного метода обработки я в ­
л яется м еханическая о бработка с введением электрического
тока в зону обработки. Т ак, наприм ер, электроконтактное ф ре­
зеровани е производится бы стровращ аю щ им ся диском, кон так­
тирую щ им с о б р аб аты ваем ой поверхностью, электроконтактное
точение производится резцом. Все эти процессы проводятся
в воздуш ной среде. В ведение тока в зону резания приводит
к разо гр еву и расплавлению поверхности, что обеспечивает з н а ­
чительное сниж ение усилий резания и повышение производи­
тельности труда при обработке тверды х и вязки х сталей и с п л а ­
вов. Э лектроконтактное точение и ф резерование чащ е всего
прим еняю тся д л я грубой обработки.
О сновные технологические показатели процесса (точность,
производительность, качество поверхности) зав и ся т от количе­
ства вы плавленного за один импульс м етал л а из лунки. Это
количество определяется энергией им пульса, временем его
дей стви я и частотой их следования.
Э нергия им пульса электрического тока определяется вы ра­
ж ением
Av -
( IUdx.
о
29
В первом приближ ении величину этой энергии рассчиты ваю т
по средним значениям силы тока и н ап р яж ен и я : A u ^ h p U cpxuС реднее н ап ряж ение и средн яя сила тока связан ы с н а п р я ж е ­
нием холостого хода U0 на разом кнуты х электрод ах и силой
тока короткого зам ы кан и я следую щ им и соотнош ениями: U cp =
= (0,5...0,75) 1/0; / СР= (0,5...0,75)/*. Выбор величин U0 и /* в к а ­
честве контрольны х п арам етров процесса определяется тем, что
эти величины легко устан авли вать при н а л ад к е оборудования
и легко контролировать в процессе обработки.
П ри
электроискровой
обработке
обычно
используют
( /0 = 40...180 В, при электроим пульсной U0= 18...36 В, при элекгроконтактной в ж идкой среде /70= 18...40 В, а при электроконтактной в возд у х е (/0 = 3 ...12В . Силу тока вы бираю т в зав и с и ­
мости от о б р аб аты ваем ого м атер и ала и требуем ой ш ерохова­
тости поверхности. Н априм ер, д л я стали при черновой о б р а ­
ботке I k —20...120 А, при чистовой об р аб о тке /* = 0,5...5 А, а для
тверды х сплавов /* = 0,05...0,2 А.
М атем атическое м оделирование физико-химического м еха­
низм а электроэрозионной обработки основы вается главны м
образом на изучении тепловы х процессов на электродах. О пре­
д ел яется д оля энергии импульса электрического то ка, которая
затр ач и в ается на нагрев анода, катода и технологической среды.
П осле этого ф орм улируется м атем атическая модель д ля рас­
чета тем п ератур в зоне обработки. Р асчет тем п ератур позво
л яет определить границу проплавления лунки и, следовательно,
ее разм еры , а т а к ж е разм еры зоны ф азовы х и структурны х п р е ­
вращ ений в прилегаю щ ей к лунке области. П олученны е разм еры
лунки в результате действия единичного электрического р а з р я д а
позволяю т рассчитать ш ероховатость поверхности после д ей ­
ствия серии разрядов, требуем ое врем я обработки и глубину
поверхностного слоя, подвергш егося ф азовы м и структурны м
превращ ениям в процессе обработки.
4.3. ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ.
П РИ Э Л Е К Т Р 0 Э Р 0 3 И 0 Н Н 0 И о б р а б о т к е
М атем атическое м оделирование и эксперим ентальны е иссле­
д ован ия позволили установить, что ш ероховатость поверхности
пропорциональна А ир, где
0,3. П овы ш ение частоты сл ед о­
вания импульсов приводит к уменьш ению величины /?* до не­
которого м иним ального значения, определяем ого энергией А и
и видом м атер и ала заготовки. Т ак, при оптим альном эл ектр о ­
искровом реж и м е о б р аб о тки тверды х сплаиов и сталей ш ерохо­
ватость поверхностей со ставляет /?о= 0,2 ...0,6 м км, при электроимпульсном реж и м е — /?г = 2 0 ...4 0 м к м , а при электроконтакт30
Ном р азр езан и и на воздухе /?г = 150...400 мкм. Высота неров­
ностей при упрочнении и легировании такж е растет' после об­
работки и достигает величины R z — 10...200 мкм.
П оверхностны й слой д етал и после обработки формируется за
счет части р ас пл ав л ен но г о м еталла, оставшегося в лупке, и п р и л е ­
гающего к ней слоя м еталла, подвергнутого структурны м изм е­
нениям от бы строго нагрева и о хлаж дения м атери ала. П оверх­
ностный слой состоит из трех основных зон; так назы ваем ого
белого слоя, в котором прош ли химико-термические п ревращ е­
ния; переходного слоя, в котором прош ли только термические
превращ ения; основного м атери ала. З о н а , о б р азо ван н ая у по­
верхности, содерж ит продукты диэлектрической среды, соеди­
нения углерода и азота, а т ак ж е элементы, входящ ие в состав
электрода-и н стру м ен та.
Глубина измененного слоя h, так ж е к ак и величина ш еро­
ховатости, пропорциональна энергии
импульса
в степени
Яа* 0,3... 0,04, но в 2...4 р а за больш е величины #?. Так, при чер­
новой электроим пульсной обработке и разрезани и на воздухе
h — 0,1...0,5 мм, при чистовой обработке h = 0,04...0,1 мм, а при
электроконтактной обработке на воздухе м ож ет достигать зн а ­
чений в несколько м иллиметров. П ри Л> 0 ,1 мм у всех сплавов,
как правило, наблю даю тся на поверхности микротрещ ины.
П ри электроэрозионной обработке в результате воздействия
на поверхность импульса высокой энергии происходит о б р азо ­
вани е лунки. Это приводит к больш ой разнице тем ператур но
глубине детал и . Н аруж н ы е слои лунки, к а к более нагретые,
разру ш аю тся больш е, внутренние — меньше, поэтому в поверх­
ностном слое д етал и возникаю т значительны е внутренние н а ­
пряж ен ия, (вызывающ ие разры в м атери ала. В конце действия
им пульса из-за резкого о хлаж д ен и я нагретого м атери ала ж и д ­
кой рабочей средой вновь возникает большой перепад тем п ера­
тур под лункой и появляю тся внутренние напряж ения, которые
т а к ж е вы зы ваю т трещ инообрвзование.
Таким о б р азо м , после ЭЭО поверхностный слой приобретает
свойства, по-разном у влияю щ ие на эксплуатационны е х а р ак те­
ристики детал и . П олож ительны м является повышение твердо­
сти поверхности при сохранении пластических свойств внутри
д етали. К недостаткам следует отнести возмо'жность появления
трещ ин, растягиваю щ и х напряж ений, трудность получения по­
верхности с м алой ш ероховатостью .
31
5. П Л А З М Е Н Н Ы Е М Е Т О Д Ы О Б Р А Б О Т К И
МАТЕРИАЛОВ
5.1. ПРИМЕНЕНИЕ П Л А З М Ы В ТЕХНИКЕ
И Т ЕХ НОЛОГ ИИ
П л а зм а — это ионизированны й газ с достаточно высокой
концентрацией зар яж ен н ы х частиц, обладаю щ ий свойством к в а ­
зинейтральности. Ф изические свойства п лазм ы и преж де всего
вы сокие значения тем пературы , энтальпии и электропроводно­
сти позволяю т осущ ествлять принципиально новые технические
проекты. Н апри м ер, «горячая» п лазм а с тем пературой выше
106 К рассм атр и вается к а к средство проведения управляем ого
терм оядерного синтеза. Ф ункционирует р яд м агнитогидроди­
нам ических (М Г Д ) генераторов, в которых высокоскоростной
плазм енны й поток служ ит для прям ого преоб разован и я теп л о ­
вой энергии в электрическую . С ущ ествую т электрореактивны е
плазм енны е двигатели (Э Р П Д ), используемы е к ак д ви гател ь­
ные установки космических апп аратов, вы веденных на орбиту.
В первы е т ак и е двигатели были использованы в С С С Р в 1964
году на м еж планетном ап п ар ате «Зонд-2», а в СШ А — на б а л ­
листической ракете «Блю С каут» и ионосферной станции «Ян­
тар ь» (1964, 1966гг.). И нтерес к Э Р П Д и их развитие вы званы
стремлением увеличить скорость истечения рабочего тела и тем
сам ы м уменьш ить при данной тяге расход вещ ества, поскольку
тяга, р азв и в аем ая двигателем , F = m v , где т — расход массы,
v — скорость ее истечения. В обычных термохимических д в и га­
телях скорость истечения продуктов горения ограничена преде­
лом 4,5 103 м/с, тогда к а к ион водорода, прош едш ий разность
потенциалов всего в 100 В, приобретает скорость около 1 ,5 -106 м/с.
В этом прим ере проявляю тся важ нейш ие свойства п лазм ы —
возм ож ность плавного и практически неограниченного уп р ав­
ления энергией ее частиц.
Технологическое применение плазм а наш л а п реж д е всего
в процессах, требую щ их вы сококонцентрированного нагрева
(м еталлурги я, свар ка, нап ы лен ие), и в процессах, требую щ их
нетерм ического активирования реакций (плазм охим ические ре­
акции, нанесение покрытий, очистка м атери алов от окисных
п ленок). В промыш ленности ш ироко используется плазм енн ая
резка, св ар ка, нанесение покрытий, плазм енны е методы получе­
ния новых м атериалов. К ак правило, д ля этих операций исполь­
зуется «ни зкотем пературн ая» п л азм а (К Р .Д О 5 К ).
32
5.2. ФИЗ ИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ П Л А З МЫ
Д Л Я Т ЕХ НОЛ ОГ ИЧЕ С КИХ ЦЕ Л Е Й
П л а зм у получаю т чащ е всего в таких электроф изических
процессах, к а к тлею щ ий р азр яд , дуговой р азряд , вы сокочастот­
ный р азр я д , электронно-лучевое облучение, л азерное облучение
и л а зе р н а я и ск р а.
Д л я получения плазм ы , используемой в технологических
целях, р азр а б о та н ы специальны е устройства, н азы ваем ы е п л а з­
м отронам и (плазм енны м и гор ел кам и ), плазм енны ми генерато­
рам и, плазм енны м и ускорителям и и плазм енны ми реакторам и.
П л азм о тр о н ы прим еняю тся в промыш ленности в тех случаях,
когда необходимо производить к а к нагрев газа или подаваемого
в плазм енны й поток вещ ества, так и нагрев отдельных деталей
или конструкций. П ри нагреве м атер и ала плазм ой передача
энергии м ож ет осущ ествляться к а к за счет процессов теплооб­
мена нагретого га за с твердой или ж идкой ф азой (м атери ал
электрически не связан с источником пи тан и я), т а к и за счет
сум м арного дей стви я теплообм ена и электрического в заи м о ­
дей стви я зар яж ен н ы х частиц с м атериалом , который является
одним из электродов. В практике плазм енной технологии и з­
вестны три основные принципиальны е схемы плазм отронов
(рис. 14). В плазм отроне плазм ообразую щ ий газ подается через
во д о о х лаж даем о е сопло 2. В дуговы х плазм отронах (рис. 14,а,б)
м еж ду катодом (центральны м стерж нем ) и анодом подается
разность потенциалов и заж и гается электрическая дуга 3. С хе­
ма, и зо б р аж ен н ая на рис. 14,а, получила назван ие схемы с п л а з­
менной дугой, а плазм отроны для ее получения — плазм отроны
прям ого действия. В плазм отроне прямого действия анодом
я вл яется д етал ь /. В случае, показанном на рис. 14,6, д етал ь
электрически не связан а с целью питания плазм отрона, а ан о ­
дом явл яется часть сопла 4. Т акая схем а получила название
схемы с плазм енной струей, а плазм отрон имеет н азван ие п л а з­
мотрона косвенного действия или струйного плазм отрона. В схе-
Рис.
14.
Основные схемы
плазмотронов
33
ме, изображ енной на рис. 14,в, н агр ев п л азм ообразую щ его газа
и об р азо ван и е плазм ы осущ ествляю тся за счетб езэлектродн ого
вы сокочастотного индукционного р азр я д а , получаемого с помо­
щ ью В Ч -индуктора 5. Н адо отметить, что в настоящ ее врем я
в промы ш ленности начинаю т прим еняться плазм отроны и н еко­
торы х других типов.
Таким образом , в рассм отренны х видах- плазм енны х источ­
ников нагрев г а за до необходимой тем пературы осущ ествляется
либо дуговы м разрядом , либо вы сокочастотным индукционным
р азр яд о м . К ром е того, в схеме на рис. 14,а частицы плазм ы
взаим одействую т с м атериалом детали, увеличивая эф ф екти в­
ность ее нагрева, а т а к ж е о казы в ая очищ аю щ ее действие за
счет катодного распы ления.
Э лектрическая дуга в рассмотренны х п лазм отронах относит­
ся к типу так назы ваем ы х электрических дуг высокого давленйя. Т акая электрическая дуга горит в газе или паре с плотнос­
тям и, которы е соответствую т давлениям выш е 1,33 кП а (10м м
рт. с т .) . В технологии обработки м атери алов в последние годы
все чащ е начинаю т прим еняться плазм енны е генераторы , в кою р ы х использованы дуги низкого давлен ия с холодны м к ат о ­
дом. Д у га низкого д авлен ия возникает в газе или п аре д ав л е ­
нием ниже 1.33 кП а (10 мм рт. с т .) . Граница разд елен ия дуг на
дуги низкого и высокого давления довольно условна и во мно­
гом зависит от тока и м атери алов электрода. Д ута низкого
д авлен ия, как правило, х ар актери зуется наличием достаточно
протяж енного столба плазм ы , причем м еж ду ком понентами этой
плазм ы (электронам и, ионами, нейтральны м и частицам и) о т­
сутствует тепловое равновесие. В то ж е время д ля дуг -высокого
давлен ия хар актер н о наличие ограниченного столба плазм ы
с высокой тем пературой газа (обычно 4 - 103...20-103 К) и тепло­
вым равновесием м еж ду компонентами плазм ы .
К атодны е явления в дуге низкого д авлен ия с холодным к а ­
тодом поразительно отличаю тся от тех, которые типичны для
термоэмиссионной дуги высокого давления. Это отличие за к л ю ­
чается в том, что катодное пятно состоит из больш ого числа
катодны х м икропятен, хаотически перем ещ аю щ ихся по поверх­
ности м еталла. В отличие от дуги с термоэмиссионны м к ато ­
дом, процессы на котором хорошо объсняю тся явлением терм о­
электронной эмиссии, ф изические явления в катодны х м икро­
пятнах ещ е плохо поняты и требую т объяснения.
О сновные типы плазм енны х генераторов, выполненных с ис­
пользованием дуги низкого д авлен ия с холодны м катодом , при­
ведены на рис. 15. О б р аб аты в аем ая деталь 2 пом ещ ается в в а ­
куумную кам ер у 1. М еж ду катодом 3 и анодом за ж и гае т с я дуга.
В первом случае (р и с.15,а) анодом я вл яется стенка вакуумной
34
I
Рис. 15.
Плазменны е
генераторы, выполненные
низкого давления
на основе дуги
кам еры , а во втором случае (р и с.15,6) анодом служ ит специальное
сопло 5. М атер и ал катода эродирует с катодны х м икропятен и в
плазм енном состоянии взаим одействует с обрабаты ваем ой д е­
талью . ■Д л я регулирования энергии ионов плазм ы на деталь
подается отрицательны й потенциал 4. Установка, приведенная
на рис. 15,а, получила название электродугового испарителя,
а на рис. 15,6 — электродугового ускорителя. Такие плазм ен ­
ные генераторы применяют в настоящ ее врем я для очистки по­
верхности детал и , нан есение-на нее покрытия на основе м ате­
р и ал а като д а и д л я ионного легирования поверхности детали.
Д л я обработки м атериалов применяю т такж е плазменны е
генераторы , работаю щ ие на тлею щ их р азр яд ах . С хема такого
генератора приведена на рис.
16. Д е та л ь 2 пом ещ ается в в а ­
куумную кам еру /. М еж ду д е ­
талью и электродом 3 с о зд а ­
ется разность потенциалов с
помощ ью источника 4. В ваку ­
умную кам ер у нап ускается газ.
П ри определенны х
соотно­
ш ениях м еж ду геом етрически­
Г~|
ми п ар ам етр ам и электродного
п ром еж у тк а, нап ряж ением и
д авлен ием
г а за
в
кам ере
Рис. -16. Схема обработки ма­
за го р а е тс я тлею щ ий р азр яд .
териалов в тлеющем разряде
35
В том
случае, когда д етал ь находится под о тр и ц ател ь­
ным потенциалам (явл яется като д о м ), ионы газа ускоряю т свое
д виж ени е к поверхности д етали и очищ аю т ее поверхность за
счет катодного распы ления, а т а к ж е активирую т плазм охим и­
ческие реакции на поверхности д етали. В резул ьтате таких
реакц ий в зависим ости от вида плазм ообразую щ его газа в по­
верхностном слое происходит об разован ие нитридов, карбидов,
боридов и т. д. В случае, когда изменяется полярность под­
клю чения источника питания, происходит распы ление м а тер и а­
л а электрод а 3. О бразую щ иеся атомы м еталла мишени 3 д и ф ­
ф ундирую т через плазм у и, о саж д аясь на детали, образую т
покрытие.
В се рассм отренны е плазм енны е генераторы в настоящ ее вре­
мя постоянно соверш енствую т с целью увеличения ресурса их
работы и с целью увеличения степени ионизации плазм ы и эн ер­
гии их частиц. Одним из направлений явл яется применение
магнитны х полей. М агнитное поле обычно используется в источ­
ни ках, приведенны х н а рис. 14, д ля стабилизации и об ж атия
струи; в источниках, приведенных на рис. 15, — для повыш ения
степени ионизации, энергии ионов и ум еньш ения м икрокапельной ф азы . П рименение магнитного поля в генераторе (см.рие.16)
позволи ло созд ать принципиально новый кл асс устройств —
м агнитронны е генераторы плазм ы . В таких генераторах, в отли­
чие от катодны х, р азр я д заго р ается при давл ен и ях на 1...2 по­
р яд к а ниже, а скорость очистки или получения покрытия
в 100...1000 раз больше.
5.3. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАР А К ТЕР ИС ТИК И
И СВОЙСТВА П Л А З М Ы
'
Одной из основных хар актер и сти к плазм ы явл яется степень
ее ионизации х, о пределяем ая как отнош ение числа за р я ж е н ­
ных частиц одного зн ак а п к числу нейтральны х частиц п0 до
нач ал а ионизации, т. е. х = п / п 0. Степень ион изаци и зависит
от многих ф акторов и д ля низкотем пературной плазм ы мож ет
изм еняться от 0 до к
П л а зм а — ионизированны й газ, состоящ ий из ионов, эл ект­
ронов и нейтральны х частиц. К а ж д а я из компонент п лазм ы х а ­
рактеризуется своей концентрацией и кинетической энергией,
приходящ ейся на одну частицу. В тех сл учаях, когда все ч а с ­
тицы плазм ы находятся В терм одинам ическом равновесии и их
распределение по энергиям описы вается законом М ак св ел л а Б ол ьц м ан а, м ож но ввести понятие тем п ературы к а к -м е р ы ср е д ­
ней кинетической энергии частиц. В плазм е очень часто наб лю ­
д ается ситуация, к о гд а терм одинам ическое равновесие у с т ан ав ­
36
л и вается не м еж ду всеми ее частицами, а, например, меж ду
электронам и или только ионами. П ричем, средние кинетические
энергии этих компонент могут быть сущ ественно различными.
В этом сл у ч ае вводятся понятия электронной и ионной тем пе­
ратур, имею щих различное значение. Т ем пература электронной
компоненты вводится на основе формулы
т
_
ie ~
2
3
<
е КИН
k
>
r ' l e < V c2>
Т Г ~
’
где екин — средн яя кинетическая энергия электронов, т е —
масса электронов, k — постоянная Б о льц м ан а, У < v e2> —
средн яя к в ад р ати ч н ая скорость электронов.
А налогичны м соотношением вводится тем п ература д л я ионов
и нейтральны х частиц плазм ы .
Рассм отри м процессы установления термодинамического р а в ­
новесия м еж ду компонентами плазмы . Д опустим, плазм е пере­
д а е т с я энергия от электрического поля. Т огда под действиием
поля с напряж енностью Е электроны и ионы получат на длине
свободного пробега X энергию Х е Е . П оскольку массы и л и ­
нейные р азм ер ы нейтральны х частиц и ионов соизмеримы, то
соударения м еж ду ними сопровож даю тся интенсивным обменом
энергиям и. В р езу л ьтате устан авли вается некоторое расп ред е­
ление энергии, практически одинаковое для обоих видов частиц.
Это приводит к приблизительном у равенству газокинетической
и ионной тем п ератур. В то ж е врем я из-за малы х разм еров эл ек т­
ронов вероятность их столкновения м еж ду собой гораздо меньше,
чем вероятность их столкновения с тяж елы м и частицами. П оэтому,
если бы в систем е были только электроны , то энергия эл ектри ­
ческого поля проявилась бы лиш ь как кинетическая энергия
движ ени я их цен тра м асс и не привела бы к повыш ению тем п е­
ратуры . Только наличие тяж елы х частиц, на которых вектор
скорости эл ектрона претерпевает хаотическое, в среднем равно­
мерное рассеян ие по всем направлениям , д ел ает возмож ным
превращ ение кинетической энергии в энергию беспорядочного
теплового д виж ени я. Б л а го д а р я этому установление единой
тем п ературы электронов достигается уж е после небольш ого
числа столкновений их с тяж елы м и частицами.
П ри определении времени вы равнивания тем п ератур т я ж е ­
лы х частиц и электронов следует учесть, что при каж дом упру­
гом столкновении электроны отдаю т, ионам в среднем энергию
A W = W e ( 2 m e/ ni i ) , где W e энергия электрона, т е и ш, —
м ассы эл ектр о н а и иона соответственно. Д л я передачи «всей»
кинетической энергии электрона тяж ел о й частице требуется
m j / 2 m e ^ 104 соударений, поэтому врем я вы равнивания тем пе­
ратур м еж ду эл ектр о н ам и и ионами будет в 104 р аз больш е,
37
чем врем я терм оли зации электронной и тяж елой компонент
м еж ду собой.
Т аким образом , обычно в плазм е м еж ду тем пературам и
электронов Т е, ионов Ti и нейтральны х частиц Ти сущ ествует
соотнош ение Т е^ Т ^ Т н - Р азн и ц а м еж д у тем п ературам и Т е и
Т, ~ Т„ м ож ет достигать сотен и ты сяч градусов. Т а к ая си ту а ­
ция, в частности, всегда реализуется в п л азм е тлею щ его р а з ­
р яд а. Н адо отметить, что при налож ении на п лазм у магнитного
поля определенной величины соотношение м еж ду т ем п ер ату р а­
ми м ож ет изм еняться. С увеличением д авл ен и я растет концент­
рация частиц в плазм е, а следовательно, увеличивается и ч ас­
тота их столкновения. Это приводит к тому, что разность меж ду
тем п ературам и различны х компонент ум еньш ается, и уж е при
концентрации частиц более, чем 1021м~3( Р > 133 П а ), можно
с достаточной точностью считать, что 7’e ~ 7 'i ~ 7 ’„ — в дугах
вы сокого давл ен и я п л азм а явл яется термической.
В связи с тем, что сущ ествует соотнош ение Ге> Т ;, а ш ^ г п е ,
скорость электронов всегда гор аздо больш е скорости ионов и
нейтральны х частиц. О тнош ение этих скоростей мож но п ред ста­
вить следую щ им образом
V.
I Г <Уе2>
Л Г Те
Vi
У
У
< ^ ( 2>
T i'
nij
m ,
или д ля случая Те « Ti
V e/ V i я? ( n i i / n t e ) 0 3.
К ак уж е отм ечалось, плазм а д у г вы сокого давл ен и я
зуется в основном д л я нагрева м атер и ала. В озникает
к а к а я из компонент, электронн ая или ионная, греет
м еталл? П лотности тока электронов и ионов д аю тся
ш ениями
]е — tie V ef
исполь­
вопрос:
сильнее
соотно­
j i — M-e
П лотности потоков их энергий равны :
qe =
= л и л < 0*2> / 2 ,
— п Vi mi <Н ;2> / 2,
<7,- —
поэтому отнош ение плотностей токов и потоков энергий ком по­
нент будут определяться вы раж ени ям и
А . = -H i. ео l / Ж ;
/(
Vi
= ТШе
Че _ Ше Уе<Уег> ^ л Г ОТ,
Цх
r r ii
—
У
r tle
Таким образом , если « а поверхность, находящ уюся в плазме,
подать сначала положительный потенциал (на поверхность пой-
лег только электронны й поток), а затем отрицательны й (на по­
верхность пойдет только ионный поток), то в первом случае
плотность тока и плотность потока энергии, попадаю щ ей на
поверхность, будут в (m ,/m e) 0-5 раз больш е, чем во втором. Т а ­
кой случай, наприм ер, реализуется в аргонно-дуговой сварке
алю м иния. П ри подаче на алю миниевую пластину полож итель­
ного потенциала ток на нее и плотность вы деляемой энергии
в пластине в 27 раз больш е, чем при подаче на нее отри ц а­
тельного потен ц и ала.
В озбуж дение и ионизацию атомов, молекул и ионов в п л а з­
ме могут вы зы вать электроны , ионы, атомы, м олекулы и фононы
ультраф иолетового, рентгеновского или ж есткого излучения.
П роцессы возбуж дения и ионизации, а т а к ж е диссоциации мо­
леку л относятся к процессам с неупругими соударениям и, так
к а к в этом случае кинетическая энергия частиц переходит в их
внутренню ю энергию. П ри соударении двух частиц с массами
т и М м акси м ал ьн ая величина кинетической энергии, которая
мож ет быть передана при абсолю тно неупругом соударении ч ас­
тицы т о частицу М, определяется соотношением W max =
~ ^ к¥ ^ т ‘
этого соотношения видно, что если налетаю щ ей
частицей я в л яется электрон, а ударяем ой — атом (или ион), то
U7max S W к. С ледовательно, кинетическая энергия электрона
при неупругом соударении м ож ет быть полностью передана
атому. П ри столкновении ж е частиц с близкими м ассам и мо­
ж ет бы ть передано не более половины кинетической энергии,
п о это м у э ф ф ект ивность ионизации газа электронам и гораздо
выш е, чем тяж ел ы м и частицами.
Д л я сущ ествования плазм ы необходимо, чтобы под действи­
ем каких-то процессов происходила ионизация атомов, компен­
сирую щ ая уход электронов из плазм ы на .стенки или их н ей тра­
лизацию . В тех случаях, когда скорость образован ия ионов бу­
дет р авн а скорости их исчезновения, в плазм е наступит д инам и­
ческое равновесие. О бразован ие ионов возм ож но в процессе
ионизации
г а за
электронны м
ударом :
Л + е-* -Л + + 2 е,
где Л и Л+ — н ей тральная частица и ион соответственно. С ко­
рость протекан ия процесса определяется соотношением U\ =
= К\ п н п е, здесь
— константа 'скорости реакции, п„ и п е —
плотность нейтральны х частиц и электронов.
О братны м этом у процессу является процесс рекомбинации
(н ей тр ал и зац и и ), требую щ ий участия в столкновении трех
частиц: Л+ + 2 е -> -Л + е. Скорость этого процесса и2 = #2 я; « Л
Д л я динам ического равновесия необходимо, чтобы и.\ = «2,
откуд а получаем
Л( Пе _
А'|
где К — константа равновесия процесса. Полученное уравнение
является законом действующих масс применительно для реак­
ции ионизация
рекомбинация.
О б р азо ван и е .ионов возм ож н о в процессе ионизации излу­
чением:
А
+
hv
->
А+
+
е.
С корость протекания этого процесса определяется соотнош е­
нием и { = '- ± К\ «н /, где / — интенсивность излучения. О б р ат ­
ным этом у процессу я вл яется процесс рекомбинации с излуче­
нием;
А~^ -f- с —>- А
С корость
протекания
этого
h V.
процесса
за д ает с я
вы раж ением
и 2' = k2' til tie.
П ри наступлении динам ического равновесия и / == и2 , откуда
получаем опять соотнош ение зак о н а действую щ их масс
тп,
К /1
г
—f-—
= —Лjг~г~
= Л.
tн
2
К а к уж е отм ечалось, кром е у казан н ы х процессов исчезно­
вение ионов м ож ет происходить за счет их ухода из плазм ы
под действием полей или из-за их адсорбции на поверхностях,
ограничиваю щ их плазм у.
И звестно, что кон стан та равновесия реакции зависит только
от тем пературы и энергии перехода. С ледовательно в случае
-плазм ы она зависит от тем п ературы {считаем, что T i ^ T e^ T ) и
энергии ионизации атом а e U c
К = A ( k T ) 3' 2 exp {— ( e U i / k T )}.
В ы разим плотность частиц в зако н е действую щ их м асс через
степень ионизации плазм ы . У читы вая, что х = п ,/л = пе/п.
Пн + rii + п е = п + rii, п я + rii + Пе = P / k T , получаем
ч, пе _ lni/(n+nl)][nel(n+ni)} .
_
Ян
ЛН/(П + Л|)
’'
_
[*/(1+Д гЩ */(1+х)]
(1—х )/(1 + х )
Р
'
kT
_
Xа
1 -х 2
_Р_
к
■ кТ
А-
Используя соотношение для К, получаем
й г р - Ч Ч ю «Р ( - - и Ч Полученное уравнение* характеризует термодинамическое
равновесие частично ионизированного газа (плазмы) и назы­
вается уравнением Саха. И з этого уравнения вытекает, что
40
с ростом •давл ен и я Р при неизменной температуре степень
ионизации г а за убы вает, а при постоянном давлении увеличение
тем п ературы ведет к повышению степени ионизации газа.
П л а зм а — это ионизированны й квазинейтральны й газ. К в а ­
зинейтральны й означает электрически нейтральны й в среднем
по достаточно больш ом у числу частиц или за достаточно боль­
шой пром еж уток врем ени. Величины объемов и промеж утков
времени, в которы х п роявляется квазинейтральность плазмы ,
определяю тся пространственны м и временны м м асш табам и р а з ­
деления зар яд о в . Если взять достаточно больш ой объем или
точнее объем, в котором находится достаточно больш ое число
частиц, то общ ий за р я д этого о б ъ ем а долж ен быть р авен нулю.
В противном случае возникает электрическое поле, приводящ ее
к перераспределению за р я д а . Д ействительно, пусть в мысленно
вы деленном плоском слое плазм ы толщ иной А х и площ адью S
электроны см естились на одну из ограничиваю щ их этот слой
плоскостей. В результате возникает плоский конденсатор с ем ­
костью C = eoS/A x и зарядом на пластине Q = n e e S А х .
где е0 — д и эл ектр и ч еская проницаемость вакуум а. Разность
потенциалов м е ж д у этими слоями будет V —Q / C = n c e ( & x ) 2/e0.
поэтому м еж д у разделенны м и зар я д ам и возникает электриче­
ское поле с напряж енностью
Е — V / k x — п е е & х / е 0.
Это поле стрем ится ком пенсировать возникш ее
зар яд о в , сообщ ая каж до м у электрону ускорение
d2Д х
dt2
F
mf
еЕ
т?
_
пе 2
е0 т г
разделение
^ ^
П олученное уравнение описы вает гарм онические колебания
с частотой w 02 = п е е2/ео т е, поэтому всякое разделение з а р я ­
дов в п лазм е приводит к колебаниям плотности электрического
за р я д а . Эти колебания получили название плазм енны х, а ч ас­
тота w 0 — плазм енной или ленгмю ровской. П л азм ен н ая частота
я вл яется обычно очень большой величиной, поэтому д аж е за
небольш ой пром еж уток времени изменение плотности электри ­
ческого з а р я д а в некотором объем е м ногократно успевает и з­
менить знак, что н приводит к квазинейтральности плазм ы .
П оэтом у в произвольном , но достаточно больш ом объем е п л а з­
мы плотности отрицательны х и полож ительны х частиц равны.
О днако, к а к мы видели, для малого объем а это неверно. П л от­
ность электрического за р я д а в м алом об ъ ем е периодически и з­
м еняется с частотой шо- О бъем плазм ы , где н аруш ается ее к в а ­
зин ейтральн ость, определяется дебаевским радиусом. П о п оряд ­
ку величины этот радиус долж ен быть равен расстоянию , кото&
рое проходит электрон со средней скоростью < v c> ~ {кТе/ т е) 0 л
за половину периода собственных колебаний, г. е. дебаевский
рад и у с га имеет порядок г о ~ (кТ е гч/ пе е'2) 0^. Точный расчет
д л я дебаевского радиуса д ает результат
К а к уж е отм ечалось, дебаевский радиус х арактери зует р а з­
меры. области, в которой наруш ается квази нейгральность п л а з­
мы. О днако он ж е х ар актер и зу ет и глубину проникновения эл ект­
рического поля в плазм у. Д ействительно, при прилож ении элект­
рического поля к п л азм е в ней произойдёт п ерерасп ред еле­
ние электрических зар я д о в таким образом , чтобы произош ла
эк ран и зац и я поля, действую щ его на плазм у. В связи с этим по­
тенциал внеш него электрического поля на границе с плазмой
убы вает по закон у
с р = (А /r) ехр {— (г/го)},
где А — постоянная, значение которой находят из граничных
условий, г — расстояние от поверхности тела в глубину плазмы .
В реальны х технологических устройствах плазм а всегда
ограничена стенками. М еж ду стенкам и и плазм ой т а к ж е возни­
кает дебаевски й слой величиной порядка r D, в котором н ару­
ш ается квази нейтральность п л азм ы и в котором происходит
ускорение частиц плазм ы под действием электрических сил со
стороны этой стенки. В частности, по этим причинам электроизолированное тело в плазм е всегда за р я ж а е т ся отрицательно.
Д ействительно, в начальны й момент времени плотность эл ект­
ронного тока на тело будет больш е плотности ионного /,
в (пц/Ше)0-5 раз, поэтому тело начнет за р я ж а т ь с я отрицательно.
В озникаю щ ее электрическое поле будет ум еньш ать плотность
электронного тока. В стационарном с о сто я н и и 'су м м ар н ая плот­
ность тока на тело будет равна нулю, а это возм ож но только
в том случае,, когда число электронов, приходящ ее на тело,
меньш е числа ионов. Но поскольку за р я д на теле не изм еняется,
то он д олж ен быть отрицательны м . Таким о б разом , электроизолированн ое тело в плазм е .зар я ж ается отрицательно, и вокруг
него возникает дебаевский слой с недостатком электронов.
5.4. В З АИ МО ДЕ Й С Т В ИЕ П Л А З М Ы С ВЕЩЕСТВОМ
В заим одействие частиц плазм ы с вещ еством х ар ак тер и зу ет­
ся комплексом р азнообразны х физико-химических явленийВ разд . 2 и 3 было рассм отрено взаим одействие электронов и
фотонов с тверды м телом . Р ассм отрим основные процессы, про­
текаю щ ие при взаим одействии тяж ел ы х частиц с тверды м телом,
А нализ влияния различны х ф акторов взаим одействия частицы
с поверхностью показы вает, что результат такого взаи м од ей ­
ствия определяется энергетическим и зарядовы м состоянием
частицы, ее структурой и углом падения, а такж е ф азовы м,
химическим й кристаллическим составом поверхности, ее тем
пературой и потенциалом, а т а к ж е возм ож ностью протекания
на ее поверхности химических реакций. Основным парам етром,
определяю щ им кинетику взаим одействия частицы с вещ еством,
явл яется энергия падаю щ ей частицы. Виды процессов, проте­
каю щ их при взаим одействии частиц с тверды м телом в за в и ­
симости от энергии частиц, приведены на р и с .17.
Терни чес hue
процессы
Т ерм ические и
нетермические п ро ц ессы
/Ионное
( леюрооание
J
«Г
вн е д р е н и е
/
ат ом ов ___________
от ом об Крист а я л и sir ческой р е ш е т к и
побер/ност ны г плёнок
и соединений ______
мТ
одеорбироЛоммыж
-------- -------------- .— - -------------------- ат ом об
д ес о р б ц и я ___________ £
Передача твёрдом!/ теин/ кинет ической
7Г
потенциальной эн ерги и частиц _____________
to*
/О
'
to °
ю '
to *
fO*
/О * C ,o B
Р и с / 17. Виды процессов, происходящих при взаимодейст­
вии частиц с веществом
Т яж елы е частицы (атом ы и м олекулы ), полученные в тер­
мических процессах (при нагреве и испарении), имеют среднюю
энергию
е = 2 kT,
где Т — тем пература поверхности. Эта
величина, наприм ер, для алю миния и вольф рам а равна 0,43 эВ
и 1,00 эВ соответственно. Ч астицы с этой энергией, соударяясь
с поверхностью , могут о тр аж ать ся или быть захваченны м и ею
(а д со р б и р о в а т ь с я ). В первом случае частица передает поверх­
ности только часть своей энергий", а во втором случае частица,
колеб лясь около поверхности, передает той свою избыточную
энергию и переходит в состояние термодинамического равновесия с атом ам и кристаллической реш етки. В то ж е в-ремя части­
цы, полученны е в плазм е, могут иметь практически лю бую вели­
чину энергии. Д ействительно, ион, подлетая к поверхности с от­
рицательны м потенциалом U, ускоряется в д ебаевском слое и
п ри обретает энергию е = ео + Z e U , где ео — н ач ал ь н ая эн ер­
гия иона, Z — кратность его ионизации. Н априм ер, ион, про­
43
ш едш ий разность потенциалов только в 10В , при обретает эн ер­
гию в 10 р аз больш е м аксим альн о возм ож ной энергии терм и­
ческой частицы .
Т аким образом , регулируя потенциал о б раб аты ваем ой д е ­
тали , м ож но регулировать в ш ироких п р ед елах энергию з а р я ­
ж енны х частиц, попадаю щ их на поверхность. В области энергии
1... 10 эВ н ал етаю щ ая частица м ож ет очищ ать поверхность от
адсорбированн ы х на ней атомов, а в области энергий 10...20 эВ
очищ ать поверхность о т пленок окислов, карб и д ов и других
соединений. Ш ироко известно использование процесса ионной
очистки поверхности от окисных пленок при аргонно-дуговой
св ар ке алю м иния. В этом случае ионы аргона с энергией по­
р я д к а Ю ...20эВ р азб и ваю т м олекулы А12 0 3, а об разовавш ийся
свободны й кислород десорбируется с поверхности.
П ри дальнейш ем увеличении энергии падаю щ их частиц н а­
чинается процесс катодного распы ления (ионного травлен ия)
атомов кристаллической реш етки твердого тела. П роцесс к а т о д ­
ного распы ления начинается с величины энергии частиц, пре­
вы ш аю щ ей определенное пороговое значение энергии. П орого­
вая энергия распы ления м атери алов зависит от вида вещ ества
и имеет д ля тверды х тел значение порядка 20...40 эВ. П ри росте
энергии ионов от порогового значения до 100 эВ интенсивность
распы ления поверхности увеличивается в 103...104 р аз и дости­
гает 1— 4 вы битых атомов на десять падаю щ их ионов. К оличе­
ство распы ленны х атом ов определяется соотнош ением /раСп ==
= 5 (е) /, где / Расп и j — плотности потоков распы ленны х ато ­
мов и падаю щ их ионов соответственно, S ( e ) — коэфф ициент
распы ления м атери ала. П ри j > / расп на поверхность падает
атом ов больш е, чем уходит с нее, а при j < j pac„ с поверхности
уходит больш е атомов, чем п ад ает на нее, т. е. в случае, когда
/ > /расп или S ( e ) > 1. происходит перем ещ ение границы твер­
дого тела вглубь м атер и ала. В еличина энергии е, при которой
S ( e ) = 1, получила назван ие энергии инверсии. И онное т р а в ­
ление поверхности позволяет получать химически чистые по­
верхности м атери алов и прим еняется д л я подготовки м атер и а­
лов под напыление, разм ерной обработки в м икроэлектронике,
а т а к ж е д ля исследования химического и ф азового состава
поверхностного слоя.
Д ал ьн ей ш ее увеличение энергии падаю щ их частиц приводит
не только к распы лению поверхности, но и внедрению атомов
в кристаллическую реш етку. В недрение бом бардирую щ их ч ас ­
тиц в м атер и ал подлож ки зависи т от многих ф акторов и начи­
н а ет сказы ваться, в основном, при энергиях выш е 500 эВ. В нед­
р яясь в подлож ку, частицы см ещ аю т атом ы кр и стал л а из их
равновесны х полож ений, а последние, в свою очередь, вы зы ва-
$ т смещ ение других атомо® кристаллической решетки. В резул ьтате вдоль траектории внедренны х атомов образую тся
цепочки т а к назы ваем ы х рациональны х повреж дений. Этот
процесс получил распространение при ионном легировании м а­
териалов. И онное легирование в последние годы начинает ш и­
роко прим еняться в маш иностроении д ля упрочнения поверх­
ностного слоя деталей.
Естественно, что при лю бых значениях энергий частиц про­
исходит передача их кинетической и потенциальной энергий
атом ам кристаллической решетки. Атомы кристаллической ре­
ш етки, стал к и в аясь м еж ду собой, передаю т эти энергии вглубь
твердого тела и нагреваю т его. В связи с тем, что тяж ел ы е ч ас­
тицы передаю т энергию атомам кристаллической реш етки, энер­
гия электронов к р и с та л л а в течение определенного пром еж утка
времени остается неизменной. П оэтом у в течение этого времени
тем п ература ионной подсистемы кри сталла выш е тем пературы
его электронной подсистемы. В дальнейш ем из энергообмена
м еж ду этими подсистемами происходит вы равнивание темпе­
ратур.
5 .5 . О С Н О В Н Ы Е З А К О Н О М Е Р Н О С Т И О Б Р А Б О Т К И
М А Т Е Р И А Л О В П Л А З М О Й Д У Г И В ЫС О К О Г О
ДАВЛЕНИЯ
П л азм ен н ая об р аб о тка м атериалов плазм ой газа, получен­
ной в плазм отроне на основе электрической дуги высокого д а в ­
ления, используется для нагрева, плавления, сварки , наплавки,
нанесения покрытий и резки. Основными характеристикам и
плазм енного источника энергии являю тся его эф ф ективная теп­
л о в а я мощ ность и коэффициент сосредоточенности. Э ф ф ектив­
н ая теп л о вая мощ ность нагрева изделия определяется соотно­
ш ением N u = ц /{ /, где I U — электрическая мощ ность дуги,
rj — коэф ф ициент полезного действия, учитываю щ ий потери
энергии дуги при передаче ее изделию . К оэф ф ициент сосредо­
точенности х ар актер и зу ет распределение потока энергии п л а з­
менной струи по поверхности тела.
Э ф ф ективн ая теп л о вая мощ ность зависи т от конструктивных
особенностей п лазм отрон а, реж им а его работы и энтальпии
п л азм ооб разую щ его газа. Э нтальпия — величина, р авн ая коли­
честву теп л а поглощ енного газом в изобарны х условиях, зависит
от рода г а за и его тем пературы . К ак видно из рис. 18, плот­
ность эн тальпии h моноатомны х газов (Аг, Н е) увеличивается
с повы ш ением тем п ературы б л аго д ар я повыш ению энергии
теплового д виж ени я атомов и их последую щ ей ионизации.
У м олекулярны х газов (СЬ, Н 2, N 2) в процессе нагрева энталь45
Pu. 18. Зависимость энтальпии плазмообразующего газа
от температуры
пия д а ж е при сравнительно невысоких тем п ературах резко во з­
растает за счет процесса диссоциации молекул на атомы, а з а ­
тем у ж е начинается повыш ение энтальпии за счет ионизации.
П оэтом у д л я технологических процессов, когда нуж ны тем п е­
ратур ы ниж е ] О4 К, в качестве п лазм ообразую щ их газов ц ел е­
сообразно использовать азот, водород, кислород и т. д. Д л я пог
лучения более высоких тем ператур прим еняю т одноатом ны е
газы .
О чень часто д л я регулирования энтальции газа А Я и его
тем п ературы использую т смеси газо в с различны м и энтальпийными х арактеристикам и . Н аиболее высокими удельны м и зн ач е­
ниям и эн тальпии о б л ад ает водород, о д н ако его применение
в плазм отронах в чистом виде ведет к бы стром у разруш ению
электрода. В технологических процессах использую т азотно­
водородную и аргонно-водородную смесь газов, в которы х об ъ ­
емное со д ер ж ан и е водорода составляет 10...2 0 %.
Э фф ективны й К П Д дугового нагр ева га за , или т а к н азы ­
ваем ы й внутренний К П Д пл азм о тр о н а, п редставляет собой от­
нош ение тепла (эн тал ьп и и ), уносимого газом из плазм отрона,
к мощ ности дуги : щ — G A H / U I , . где G — расход пламообразую щ его т а з а , м3/с, Д Я — у д ел ьн ая эн тальпи я, Д ж /м 3.
Исследованиями установлено, что ц определяется выра­
жением
46
1‘ =
E Cp G f ,
j
;ida.k l \ 1
I 1 — e x p ( ------ c^G — )J ’
где E — усредненны й по длине градиент падения напряж ения
в столбе дуги (напряж енность п о л я ); / = длина дуги, d — д и а ­
метр ка н а л а , в котором горит дуга; а* — коэффициент полной
теплоотдачи от п л азм ы к кан алу; Ср — изоб арная теплоем ­
кость плазм ы ; U — нап р яж ен и е на дуге.
И спользуя связь тем пературы с энтальпией А Т = А Н / С р
и вы раж ен и е д л я ц е, получаю т вы раж ени я д ля с реднем а с сов ой
тем п ературы и мощ ности газа на выходе из плазм отрона:
Тп =
ць ( I U / C P
O’) ,
:V n =
G A H =
J U ц ь.
А нализ этих вы раж ени й показы вает, что при увеличении тока
дуги значения Т п и N n возрастаю т, а ц ь не м еняется. П овы ­
ш ение расхода га за G приводит к уменьш ению Г„ и сн ачала
•к возрастан ию N„ и ц ь , а после перехода через максимум к их
уменьш ению . С увеличением / значения Т „ и Nn возрастаю т,
стрем ясь к некотором у пределу, а ц ь имеет максимум.
В зависим ости от парам етров плазм отрона и реж им а его р а ­
боты тепловую мощ ность и тем пературу плазменной струи м ож ­
но изм енять в ш ироких пределах, причем г]ь с о с т а в л я е т 40...80% .
Э л ектри ч еская энергия, по тр ебл яем ая дугой, п ревращ аясь
в тепловую , расходуется на нагрев плазм ообразую щ его газа.
Ч асть энергии струи идет на обработку м атери ала. В струй­
ном плазм о тр о н е часть энергии дополнительно расходуется
на нагрев сопла — анода, поэтому с энергетических позиций
д л я нагр ева изделия рационально пользоваться п лазм отро­
ном прям ого действия.
Р асп р ед елен и я тем п ературы в п л а зм е плазм отрона п ря­
мого действия (рис. 19,а) и плазм отрона косвенного действия
(рис. 19,6) по р ад и у су струи г и по длине z крайне н ер ав­
номерны. М ак си м ал ьн ая тем пература наблю дается на оси
плазм енного п о то ка, причем она значительно выше у п л азм о­
трона косвенного действия.
П лотность теплового потока
у этого типа плазм отронов так ж е выше, чем у открытой дуги,
и достигает 10ш В т /м 2.
Н агр ев га за в плазм отроне приводит к резкому ум еньш е­
нию Плотности га за , за счет чего увеличивается скорость его
истечения. Р аспред елен ие окорости струи v по радиусу г и
дли не стфуи п о к азан о на рис. 20. С корость потока м ак си м ал ь­
на в центре, где наблю дается м акси м альн ая тем п ература Т
и м иним альны й расход га за p v . В связи с таким р асп ред е­
лением парам етр о в струи в зависимости от г и г в расчетах
структуру свободно расш иряю щ ейся плазм енной струи пред47
Радиус струи, мм
9 i Ol 4
ЗйООО,
1Ш0К.
{8000К
13000H
to s
Z250OH
ЮОООК isooox
® f
to
Р ади ус дуги,м м
а
^OOOk
SOOOH
SOOOK \
Рис. 19. Распределение температуры в плазмотроне
прямого (а) и косвенного (б) действия
сгавляю т в виде (рис. 21) яд р а, зоны смеш ения и основного
уч астка. В ядр е скорость и тем пературу струи обычно прини­
м аю т постоянны ми и равны м и их средним значениям в н а­
чальном сечении (на срезе со п л а).
Б о л ьш ая
скорость истечения
плазм ы
из плазм отрона
позволяет
получать
значительны й
газодинам ический н а­
п ор , которы й т а к ж е используется в различны х технологи-
2 i о i 2
Р ади ус струи, пм
Рис. 20. Распределение
температуры ( /) и ско­
рости (2) плазменной
струя по ее оси
»
4
Моюышй. Оемабп
|Мосток
Мосток
Рис. 21. Схема плазменной струи
ческих целях. П ри расходах газа в плазм отроне более, чем
10~4 м3/с, течение га за носит турбулентны й х арактер. У меньш е­
ние расхода плазм ообразую щ его газа до значения меньше
10~4 м3/с позволяет получать лам инарны е плазм енны е струи
с длиной до 0,4 м и высокой стабильностью .
К огда ось струи перп ен ди кулярна обрабаты ваем ой поверх­
ности, плотность теплового потока q(r) распределяется сим­
метрично относительно оси струи. В этом случае распределение
плотности теплового потока по площ ади пятна нагрева обычно
м ож ет быть описано законом нормального распределения
q(r) = q0 exp {—kr2},
где </о — н аи больш ая плотность теплового потока на оси струи,
г — расстояние от рассм атриваем ой точки до оси струи, k —
коэфф ициент сосредоточенности теплового потока струи, х а р а к ­
теризую щ ий ф орм у кривой норм ального распределения.
П о мере уд ал ен и я от оси струи значение q{r) быстро ум ень­
ш ается и обычно ее считаю т практически несущ ественной при
0,05 q0. Это позволяет найти диам етр пятна нагрева
С вязь q0 и k с мощ ностью плазменной струи определяется из
условия
Агп = I q<: exp {—kr2} 2 л rdr =
:i^-J
Т. е. при постоянной Vo плотность потока на оси плазменной
струи возр астает с увеличением коэффициента сосредоточенно­
сти.
Н агрев д етал ей и м атери алов до невысоких тем п ератур (ни­
ж е тем пературы п лавления) с помощ ью плазм енны х горелок
используется сравнительно редко. О днако в последнее время
все чащ е начинает прим еняться плазм енно-м еханическая о б р а­
ботка. С ущ ность метода состоит в том, что при резании вы соко­
прочных м еталлов и сплавов перед резцом устан авли вается
плазм отрон, нагреваю щ ий узкую полоску о б р аб аты ваем ого м а­
териала. Т ак как при нагреве прочность м атери ала сни ж ается,
а пластичность повы ш ается, можно без сущ ественного ущ ерба
д ля качества поверхности увеличить подачу и глубину резания.
П л азм енно-м ехани ческая об р аб о тка прим еняется т а к ж е для
сплавов на основе во л ьф р ам а и м олибдена, м атери алов, в по­
верхностны х слоях которых при обычной механической о б р аб о т ­
ке образую тся м икротрещ ины.
*
4
В промы ш ленности ш ироко прим еняется п л азм ен н ая плавка
м еталлов, сплавов и нем еталлических м атери алов. Д анны й спо­
соб отли чается высокой стабильностью , простотой и гибкостью
технологического процесса, при этом улучш ается качество м е­
т а л л а отливок. П лазм енны й нагрев используется д л я плавки
м етал л о в с последую щ им изм ельчением р асп л ава и кр и стал л и ­
заци и его в виде м алоразм ерн ы х капель. Такой измельченный
м атери ал является исходным сырьем для порош ковой м етал ­
лургии.
С вар ка с. использованием плазм енны х источников энергии
по сравнению с обычной, вы полняем ой свободной эл ект­
рической дугой, позволяет получить больш ую глубину п роп лав­
л ения и меньш ую ш ирину ш ва и соответственно более узкую
зону термического влияни я. З а один проход плазм енной с в а р ­
кой удается св ар и вать д етал и толщ иной до 20 мм. Д л я сварки
заготовок толщ иной 0,025... 1,0.мм используется микроплазм епная св ар ка, х ар ак тер и зу ем ая током дуги O7I ... 10 А.
Ш ирокое применение в промыш ленности наш ла плазм енн ая
н ап л ав к а, закл ю ч аю щ аяся в нанесении на поверхность детали
специальны х слоев м атер и ала. Д л я нап лавки обычно прим еня­
ют м атери алы со специальны м и свойствам и (вы сокая твердость,
повы ш енная износостойкость и т.д .). Толщ ина наплавленны х за
один проход слоев м ож ет достигать 4...5 мм. Н ап л авк у проводят
плазм енны м и горелкам и косвенного действия, что д ает в о зм о ж ­
ность регулировать глубину проплавления основного м атери ала
посредством изменения расстояния м еж ду горелкой и заго то в­
кой. С помощ ью плазм енной нап лавки в (ремонтных целях в о с ­
стан ав л и в аю т дорогостоящ ие узлы и д етали (ш там пы , прессф орм ы , валки и т. д .).
П лазм енное напы ление отличается от нап лавки тем, что н а ­
пы ляем ы й м атери ал н агревается в плазм отроне и 'затем о с а ж ­
д ается на подлож ку. П ри этом тем п ература подлож ки может
изм еняться в ш ироких пределах. В некоторых случаях тем пе­
рату р а д етали при напы лении м ож ет составлять 100...200°С.
С ущ ествует две основные разновидности процесса: напыление
м атер и ала из прутка или проволоки и напыление порош кового
м атер и ала.
П лазм енное напы ление т а к ж е используется д л я ф орм ования
деталей. П ри этом м атери ал напы ляется на ш аблон, который
в дальнейш ем растворяется или р азб и р ается на части. Такое
ф орм ование деталей используется д ля получения тиглей, д е т а ­
лей ракетны х двигателей и М Г Д - генераторов.
П л азм ен н ая р езк а н ар яд у с кислородной и воздуш но-дуго­
вой относится к группе процессов термической резки, которы е
имеют целый р яд преимущ еств по сравнению- с резанием меха-
ничеоким инструментом. Это преж де всего м ал ая зависимость
производительности операции от механических свойств р а зр е ­
заем ы х м атери алов, возм ож ность р азр езан и я заготовок зн ач и ­
тельной толщ ины , получение резов любой конфигурации. П л а з­
менной резкой м ож но р азр езать практически лю бые м еталлы и
сплавы , в то в!ремя, как, например, кислородная .резка пригодна
только д л я углеродисты х сталей. Сущ ествую т две основные
разновидности плазм енной резки: раздели тельная, когда м а т е ­
риал р а зр езается на всю глубину; поверхностная, назы ваем ая
строж кой.
В основе ф изико-химического м еханизм а данной операции
леж и т локальное расплавление м еталла в зоне реза и удаление
его в ж идкой ф азе за счет газодинам ического напора, с о зд ав ае­
мого потоком плазм ы . О перация является бесконтактной. В при­
легаю щ ем к зоне реза м еталле остается слой оплавленного м е­
т а л л а толщ иной в несколько десяты х долей м иллим етра.
•*
П ри плазм енной резке чащ е всего использую тся п лазм отро­
ны прямого действия благо д ар я их более высокому К П Д , и
только д ля тонких (менее 1...2м м ) заготовок и неэлектропро­
водных м атер и ало в прим еняется схем а резки в реж ими п л а з­
менной струи. П ри резке листовых м атери алов из углеродис­
тых и легированны х сталей в качестве плазм ообразую щ его газа
прим еняю т в основном воздух, реж е кислород и кислородо­
содерж ащ и е смеси. Ц ветны е м еталлы и сплавы лучш е р а зр е ­
зать с использованием аргона, азота, водорода и их смесей.
В последнее врем я в сам остоятельное направление вы деляю т
м икроплаэм енную резку, которая проходит при сравнительно
малой силе тока (5... 100А ). Этот процесс позволяет произво­
дить разделен ие м еталлов толщ иной до 6...8 мм при ширине
реза не более 0,8... 1,0 мм. О борудование д ля м икроплазменной
резки имеет меньш ие габари ты и массу, более высокую стой:
кость плазм отрона, меньш ий расход Гйзов. В дальнейш ем , повидимому, м и кроп лазм ен н ая резка зам енит механическую резку
тонколистовы х м еталлов в заготовительном ци кле производства.
М и кроп лазм ен н ая р езка в реж им е струи находит примене­
ние д ля р аскроя нем еталлических м атери алов: тканей, сеток,
пленок. П ри плазм енной резке синтетических тканей происхо­
дит оплавление их кромок, что позволяет ф иксировать волокна.
БИ Б Л И ОГ Р А Ф И ЧЕ С К ИЙ
список
1. Богданович В. И., Барвинок В. А., Цидулко А. Г. Системный анализ
технологических методов обработки: Учеб. пособие / Куйбышев, авиац. ин-т.
Куйбышев, 1989. 68 с .'
2. Смеляков Е. П. Электрогидроимпульсная штамповка деталей из лис­
51
товых и трубчатых заготовок: Учеб. пособие / Куйбышев, авиац. ин-т. Куй­
бышев, 1987. 54 с.
3. Ле б е де в Г. М. Магнитно-импульсная штамповка деталей летательных
аппаратов: Конспект лекций / Куйбышев, авиац. ин-т. Куйбышев, 1988. 64 с.
4. Ду д и н А. А. Физические основы высокоскоростной обработки мате­
риалов в авиастроении: Конспект лекций,/'Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбы­
шев, 1986. 40 с.
5. Артамонов Б. А., Волков Ю. С., Дрожалов В. И. Электрофизические
и электрохимические методы обработки материалов: Учеб. пособие (в 2-х то­
мах) /П о д ред. В. П. Смоленцева. М.: Высшая школа, 1983. 455с,
О Г ЛА В ЛЕ НИЕ
Предисловие.
.
.
.
.
.
.
.
•
1. Классификация электрофизических методов
.
.
.
.
2. Электронно-лучевая обработка материалов .
2.1. Основные сведения об электронно-лучевых методах обработки
материалов . . . .
.
.
. . .
2.2. Физические принципы получения и формирования электрон­
ного пучка .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.3. Взаимодействие электронного пучка с веществом
.
.
.
3. Лазерная обработка материалов
.
.
.1
3.1. Физические принципы получения полихроматических и лазер
ных пучков излучения .
.
.
.
•
.1
3.2. Взаимодействие излучения ОКГ с веществом
.
.1
3.3. Применение лазерных методов обработки материалов
4. Электроэрозионная обработка материалов .
.
.
.
.
4.1. Основные сведения об электроэрозионных методах обработки
4.2. Физико-химические закономерности электроэрозионной обра­
ботки материалов
.
.
.
.
.2
4.3. Формирование поверхностного слоя при электроэрозионной
обработке
,
.
.
.
.
•
•
•
•
•
5. Плазменные методы обработки материалов .
.
.
.
.
5.1. Применение плазмы в технике и технологии
.3
5.2. Физические принципы получения плазмы для технологических
целей .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5.3. Основные физические характеристики и свойства плазмы
5.4. Взаимодействие плазмы с веществом
.
.
.
.
.
5.5. Основные закономерности обработки материалов плазмой дуги
высокого давления
• .
.
.4
Библиографический список
.
.
.
.
.
.
.
.
3
4
6
6
7
9
4
4
9
23
26
26
6
30
32
2
33
36
42
5
51
53
Б о г д а н о в и ч Валерий Иосифович
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ
В ПРОИ ЗВО ДСТВЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Редактор Е. Д . А н т о н о в а
Техн. редактор Н. М. К а л е н ю к
Корректор Н. С. К у п р и я н о в а
Свод. тем. пл. № 120.
Сдано в набор 06.03.90 г. Подписано в печать 28.06.90 г.
ЕО 00444. Формат 60 X 8 4 1/16. Бумага оберточная.
Гарнитура литературная. Печать высокая.
Уел. п. л. 3,25. Уел. кр.-отт. 3,3. Уч.-изд. л. 3,15.
Тираж 500 экз. Заказ 313. Цена 10 коп,
Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени
авиационный институт имени академика С. П. Королева,
443086; Куйбышев, Московское шоссе, 34.
Тип. ЭОЗ Куйбышевского авиационного института,
443001. Куйбышев, ул. Ульяновская, 18.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа