Слайд 1
Уважаемые коллеги! Вашему вниманию предлагается доклад на тему “Формирование слоев электротехнического назначения на металлических контактных поверхностях электровзрывным способом”.
Слайд 2
Электровзрывное легирование (ЭВЛ) состоит в формировании импульсной многофазной плазменной струи продуктов взрыва проводников, оплавлении и насыщении поверхностных слоев металлов компонентами струи с последующей самозакалкой. ЭВЛ – это один из способов обработки поверхности концентрированными потоками энергии, такими как обработка лазерным излучением, мощными электронными и ионными пучками, плазменными потоками и струями. В настоящее время развивается ряд способов импульсной плазменной обработки поверхности, таких например, как обработка плазменными струями магнитоплазменных компрессоров.
Слайд 3
Важная особенность ЭВЛ, отличающая его от других аналогичных способов, состоит в том, что многофазная плазменная струя, формируемая из продуктов взрыва, используется одновременно и как тепловой источник, и как источник легирующих элементов. Она может быть сформирована из любого электропроводного материала – например, чистого металла или сплава, углеграфитовых и других волокон. С целью расширения возможностей способа в область взрыва может быть помещена порошковая навеска того или иного вещества, например, бора, которая при формировании струи частично переходит в плазменное состояние, а частично в конденсированном состоянии переносится на облучаемую поверхность.
Слайд 4
Перспективы практического использования способа связываются, прежде всего, с двумя факторами – во-первых, его экономичностью, а, во-вторых, возможностью получать такие структурно-фазовые состояния, которые недостижимы другими способами.
Экономичность способа обусловлена тем, что он позволяет проводить упрочнение деталей локально, непосредственно в тех местах, которые испытывают разрушение в процессе эксплуатации. При этом в этих локальных областях в процессе плазменного воздействия на поверхность протекает ряд взаимосвязанных процессов – тепловых, силовых, гидродинамических, физико-химических и физико-механических. Их особенности определяют тип формируемой структуры и уровень свойств поверхности после обработки.
Слайд 5
Совокупность таких параметров, как интенсивность теплового воздействия на поверхность, диаметр зоны воздействия на поверхность и время импульса при электровзрывной обработке занимает область, которая фактически не перекрывается другими способами. Все это в ряде случаев позволяет рассматривать ЭВЛ как способ формирования новых структурно-фазовых состояний.
Слайд 6
Электровзрывную обработку проводят с использованием лабораторной установки ЭВУ60/10. Она включает емкостный накопитель энергии и импульсный плазменный ускоритель. Маркировка показывает, что максимальный энергозапас ускорителя составляет 60 кДж, а частота разрядного тока – 10 кГц.
Слайд 7
Напряжение от накопителя подается на плазменный ускоритель. Он состоит из двух коаксиально-торцевых электродов, на которых закрепляется взрываемый проводник, конической разрядной камеры, локализующей продукты взрыва, и направляющего сопла, по которому они истекают в технологическую камеру с остаточным давлением 100 Па.
Слайд 8
Осциллограмма разрядного тока представляет собой быстрозатухающую синусоиду с двумя-тремя полупериодами. Поэтому эффективное время импульсного воздействия на поверхность можно считать равным одному периоду разрядного тока, т. е. 100 мкс.
Слайд 9
Соответствующее эффективное значение поглощаемой плотности мощности на оси струи можно определить с использованием модели нагрева поверхности плоским тепловым источником постоянной интенсивности. Из модели следует, что интенсивность теплового воздействия и температура поверхности прямо пропорциональны друг другу. При ЭВЛ интенсивность задается выбором таких параметров, как диаметры внутреннего и внешнего электродов плазменного ускорителя, расстоянием от его среза до облучаемой поверхности, а при выборе этих параметров – зарядным напряжением емкостного накопителя энергии. Подбирая опытным путем зарядное напряжение, можно определить его пороговое значение, соответствующее достижению поверхностью температуры плавления. Интенсивность воздействия при произвольном значении зарядного напряжения можно рассчитать по второму соотношению на слайде. Применение этого соотношения для анализа экспериментальных данных показывает, что интенсивность теплового воздействия при осуществлении ЭВЛ может изменяться в широких пределах от 1 до 9 ГВт/м2.
Слайд 10
Воздействие сверхзвуковой плазменной струи продуктов взрыва на облучаемую поверхность сопровождается формированием вблизи нее ударно-сжатого слоя с высоким значением давления.
Слайд 11
Оценки показывают, что нагрев поверхности происходит в условиях действия на нее давления около 100–150 атм (10–15 МПа). Это является важным фактором обработки, который заметно сказывается на ее результатах.
Слайд 12 - 13
Влияние взрываемого проводника на результаты обработки определено при анализе кинетики электровзрыва круглой фольги. Разрушение фольги начинается от внутреннего электрода и распространяется к внешнему кольцевому. Известно соотношение, связывающее между собой радиус кромки разрушающейся фольги и время, прошедшее после начала разряда. Соотношение включает в себя плотность материала фольги, ее электропроводность и удельную (на единицу массы) энергию разрушения, а также толщину фольги. Кроме того, оно включает в себя зарядное напряжение накопителя, индуктивность контура и частоту разряда.
Слайд 13
Зависимость сопоставима с экспериментальными литературными данными, полученными путем скоростной фоторегистрации разрушения фольги. Согласие достигается при условии, что удельная энергия разрушения составляет 15% от энергии сублимации материала фольги. Это отражает известный экспериментальный факт, согласно которому продукты электровзрыва всегда содержат частицы конденсированной фазы. Разрушение фольги, происходит в первой четверти периода разрядного тока. Дальнейший разряд накопителя осуществляется через продукты взрыва.
Слайд 14
При движении в сформированной струе конденсированные частицы отстают от плазменного компонента, поэтому можно говорить не только о структуре струи, но и о ее строении, выделяя высокоскоростной плазменный фронт и относительно медленный тыл, содержащий конденсированные частицы. Это находит отражение в том, что после обработки на поверхности обнаруживаются области с высокоразвитым рельефом, представляющие собой участки несплошного покрытия.
Слайд 15
Эта особенность открывает пока еще неизученную область практического применения ЭВО. Она связана с возможностью проводить обработку при низких значениях зарядного напряжения. В этом случае глубина оплавляемого слоя уменьшается, а содержание конденсированных частиц в струе возрастает. В результате на поверхности формируется уже не зона легирования, а покрытие, поскольку о легировании поверхности говорят, если содержание легирующих элементов в поверхностном слое не превышает 50 %.
Слайд 16
Возможность осуществления электровзрывного нанесения покрытий была реализована нами при напылении медного покрытия на поверхность алюминия.
Обработке подвергали контактную поверхность алюминиевого кабельного наконечника типа. Контактную поверхность ориентировали перпендикулярно к оси плазменной струи. Обработка проводилась в режиме, при котором обеспечивалось создания порогового значения удельного потока энергии плазменной струи и нагрева поверхности до температуры плавления.
За один импульс обработки на контактной поверхности кабельного наконечника площадью 7 см2 формируется однородный слой меди толщиной 12…15 мкм. При повторной обработке толщина покрытия увеличивалась пропорционально числу импульсов. Так при трех импульсах она достигала 45…50 мкм. При этом граница между последовательно наносимыми слоями отсутствовала. Используемый ускоритель позволяет формировать покрытия площадью до 16 см2.
Подана заявка на патент Способ электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности.
Слайд 17
Существует необходимость на контактные поверхности наносить псевдосплавные покрытия медь-молибден, которые обладают высокой эрозионной стойкостью [1] и используются для получения контактов средне - и тяжелонагруженных выключателей коммутационных аппаратов [2].
Возможность осуществления электровзрывного нанесения псевдосплавного покрытия медь-молибден на медной основе была реализована нами.
Для нанесения молибденового покрытия на медную основу определили оптимальный режим. Последующее формирование псевдосплавного покрытия медь-молибден реализуется при электрическом взрыве медной фольги.
Исследование структуры методом световой микроскопии поверхности прямых и косых шлифов медных подложек с нанесенным покрытием медь-молибден, на контактные поверхности, показали, что полученные покрытия представляют собой композиционный материал, являющийся псевдосплавом медь-молибден. На границе первоначально нанесенного слоя молибдена с медной основой вследствие силового плазменного воздействия происходит оплавление основы, и перемешивание компонентов струи, сформированной из продуктов электрического взрыва молибденовой фольги с материалом основы, формируется зона взаимного проникновения и перемешивания материала потока, наносимого материала (молибден) и материала подложки, обеспечивающая металлургическую связь покрытия с основой. При последующем электрическом взрыве медной фольги путем перемешивания материала потока, наносимого материала (медь) и уже нанесенного слоя молибдена в жидком состоянии происходит формирование псевдосплавного покрытия медь-молибден непосредственно во всем покрытии.
Слайд 18
Выводы по поведенной работе представлены на слайде.
