Вакуумные плазменные установки с полым катодом

Для промышленной обработки порошков, наплавления слитков высокочистых металлов конструктивное исполнение оборудования существенно отличается от оборудования напыления с предактивацией, и ближе к оборудованию для вакуумного дугового переплава.

С вакуумно-дуговой печью имеется и большое сходство по контролю состояния управлению разрядом, требованиям к вакуумной системе. Существенными отличиями является вид и структура разряда, параметры и форма разряда, энергетические характеристики столба, в особенности – катодная область нерасходуемого катода.

В результате сравнительной эксплуатации оборудования и производимой продукции, установлены значительные преимущества плазменной печи с полым катодом (нерасходуемым), дающие возможность более высокого рафинирования порошков и слитков обрабатываемых материалов.

Разрабатываемое оборудование может работать как с дугой, горящей на изделие (слиток), так и с косвенной дугой, работающей на отдельно вынесенный электрод (анод), конфигурация и параметры которого определяются технологическим процессом.

Схема вакуумной плазменной печи для обработки порошков и нанопорошков и производства слитков

1. Для отработки технологии и достижения конкурентоспособного качества производимых материалов – порошков, порошковых композиций, сплавов, нанопорошков, компактных слитков – необходимо точное знание поведения частиц в потоке газа и плазме. 

Эта цель достигается созданием новых моделей и алгоритмов расчета взаимодействия наночастиц тугоплавких материалов с высокотемпературным газовым потоком в столбе плазмы электрического разряда при наличии фазовых переходов, чему была посвящена большая совместная  работа, выполненная в  тесном многолетнем сотрудничестве с Центром Электротехнологий НГТУ.

2.Оптимизация этой электротехнологической задачи строится на взаимосвязях параметров плазмы разряда с геометрическими размерами порошка под конечную цель – нагреть, расплавить, перегреть, чтобы испарить примеси и удалить газы. Необходимо не только нагреть каждую частицу нанопорошка, но и разогнать в плазменном потоке каждую частицу до скоростей, при которых обеспечивается перечень задач по качественной обработке.

3.Применительно к порошкам тантала для конденсаторов, по одной из моделей, требуется каплю расплющить, кинетическая энергия, переданная этой частице, при встрече с преградой (мишенью) деформировала бы эту частицу с получением чешуйчатого порошка. При сохранении массы каждой частицы, ее поверхность существенно увеличивается. Это позволяет увеличивать насыпную массу порошкового материала с изменением многих физических свойств изделий, которые получают из нанопорошковых материалов.

4.Необходимо обеспечить металлургические основы превращений в наночастице при взаимодействии с атмосферой вакуумной камеры, разрядом, трансформацию формы наночастиц.

5. Рассмотрено течение газа в вакуумном плазмотроне с полым кольцевым катодом, получены качественные расчетные модели  течения газа для расчетов структуры потока и поля скоростей.

Для корректного  решения задачи теплообмена частицы с потоком газа и плазмой необходимо правильным образом описать условия движения и теплопередачи. В этой рассмотрено движение сферической частицы в установившемся потоке газа в реальных условиях его движения в камере. Для несферических частиц сделан отдельный расчет с измененными коэффициентами обтекания.На основе созданных математических моделей была написана программа, визуализирующая рассчитанные параметры скорости частиц в установившемся потоке газа. Результатом расчета является массив скорости частицы по координате.

6.Разработаны модели и выполнены расчеты температурного поля частиц с учетом фазовых переходов.

Пример расчета представлен ниже. Приведено распределение скорости нагрева и распределение температуры по диаметру частицы размером 50мкм.

Вследствие установившегося режима плотности мощности (за счет ионной, электронной и лучистой составляющей), расчетная неравномерность температуры для широкого диапазона частиц не превышает 100 С.

7. Разработаны модели и выполнены расчеты неравномерности концентрации заряженных компонентов плазмы по радиусу.

Расчеты модели столба плазмы, выполненные на основании выбранных нами теоретических предпосылок, согласуются с проведенными экспериментальными исследованиями с точностью 7%.

8. Выполнены модели расчетов режимов теплообмена при априорной неопределенности вектора скорости движения частиц.

9. Выполнены расчеты плотности теплового потока на частицы, движущиеся параллельно на различных радиусах в столбе и режимы нагрева частиц.

10. Для проверки построенной модели был проведен расчет скорости микрочастиц

Скорости микрочастиц размером: 10, 20, 30, 40, 50 мкм в спутном потоке газа. Скорости частиц для частиц размером 30 мкм хорошо согласуются с ранее опубликованными результатами.

11. Разработана математическая модель теплообмена частиц тугоплавкого порошка при вхождении в газовый разряд плазмотрона с полым катодом.

Теоретическое решение задачи нагрева частиц металлического порошка в газовом разряде плазмотрона с полым катодом существенным образом отличается от процесса нагрева частиц порошка в плотной плазме. Полный поток тепловой энергии на частицу представляется, как суперпозиция всех тепловых потоков из плазмы на частицу: теплообмена, лучистой энергии, конвекции и электрического тока на частицу и с нее (обратный ток). С учетом собственных исследований в указанной области, установлено, что нагрев частиц происходит в результате бомбардировки ее заряженными компонентами плазмы, а остальные способы передачи тепла к частице малы. Вклад остальных способов передачи тепла оценен расчетными работами приэлектродных явлений в субмикронных пограничных слоях, на основе разрабатываемых моделей приэлектродных процессов в плазме, и подтверждены экспериментально.
Получена система уравнений для расчета мощности энергообмена частицы, находящейся в спутном потоке газа в условиях плазменного разряда полого катода. Появляется возможность расчета параметров нагрева частицы и оценки ее теплового и электрофизического состояния.

Из проведенных расчетов установлено, что нагреть до расплавления в плазме можно частицы широкого диапазона размеров. Необходимое время нахождения частиц в плазме существенно различается для частиц разных размеров.

12. Проведенные экспериментальные исследования по нанесению покрытий на металлические подложки показали высокое качество получаемого покрытия из отдельных растекающихся и «уплотняющихся» последующими слоями капель из расплавленного нанопорошка.

Полученные образцы, по результатам исследований, имеют выдающиеся характеристики (адгезия превышает в 2-3 раза показатели по прочности сцепления в сравнении с образцами, полученными другими способами по ранее имевшимся технологиям).