Резюме. 
Технология конструкционных материалов. 
Обработка концентрированными потоками энергии

Такая среда, в которой значительная часть молекул или атомов ионизирована, называется плазмой.

Плазма находит технологическое применение прежде всего в процессах, которые требуют высокотемпературного концентрированного нагрева значительных зон заготовки. В промышленности широко используются плазменная резка металлов, плазменные наплавка, сварка, напыление тугоплавких металлов, оксидов, карбидов и нитридов, а также комбинированное воздействие, называемое плазменно-механической обработкой.

Для получения плазмы, используемой в технологических целях, разработан ряд устройств, называемых плазмотронами или плазменными горелками. Наиболее распространены плазмотроны, в которых нагрев газа до температуры образования плазмы осуществляется электрическим дуговым разрядом. Применяются также высокочастотные плазмотроны с так называемым «безэлектродным разрядом».

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

Плазмообразующие газы во всех вариантах плазмотронов могут быть различными.

Основные физические характеристики плазмы, используемой для технологических целей, сводятся к следующим:

Степень ионизации плазмы — это количественная характеристика, определяемая отношением числа заряженных частиц в плазме и числа нейтральных частиц, атомов или молекул, существовавших в том же объеме исходного газа. В технологических целях применяют, как правило, низкотемпературную плазму, представляющую собой частично ионизированный газ с температурой 10³…10⁵ 'К.

Квазинейтральность плазмы означает, что в определенном объеме число отрицательно заряженных частиц (электронов) равно числу положительно заряженных частиц (ионов.

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

Минимальный объем, где еще может соблюдаться квазинейтральность плазмы, определяется дебаевскимрадиусом (по имени ученого П. Дебая).

При рассмотрении плазмы как совокупности заряженных частиц различных знаков вводят понятие электронной Т и ионной Т. температур. В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов эта энергия различна, поскольку электрон является значительно более легкой частицей, а температура определена, как мера энергии частицы. Электронная температура всегда выше температуры ионов и нейтральных атомов из-за большей подвижности электрона. При понижении плотности плазмы разница электронной и ионной температур может достигать нескольких порядков. Однако, для плазмы, используемой в технологических установках, где давление достаточно велико, можно практически считать, что эти температуры равны. Такая плазма называется термической, и к ней в ряде случаев можно применять принципы термодинамики.

Энтальпия плазмы, иначе называемая теплосодержанием, зависит как от температуры, так и от вида плазмообразующего газа. Для технологических процессов, когда не нужны очень высокие температуры (превышающие 10* *К), в качестве плазмообразующих газов целесообразно использовать азот, водород, кислород, воздух. Для получения более высоких температур следует применять плазму одноатомных газов (аргона, гелия).

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

Плазменный нагрев позволяет получать в первой фазе нитриды, карбиды и оксиды тугоплавких металлов и неметаллов высокой чистоты.

Основными характеристиками плазменного источника энергии являются его тепловая мощность, определяемая отношением количества теплоты, вводимой в основной металл, ко времени ее введения, а также коэффициент сосредоточенности, определяющий распределение теплового потока по поверхности обрабатываемого изделия.

При использовании плазменной струи часть энергии расходуется на нагрев анода-сопла. Поэтому с энергетической точки зрения более рационально использовать плазменную дугу, чем плазменную струю.

Плотность теплового потока у плазменных источников энергии выше, чем у открытой дуги. Нагрев газа в плазмотроне приводит к резкому уменьшению плотности газа, за счет чего увеличивается скорость его истечения.

Большая скорость потока плазмы при выходе ее из плазмотрона позволяет получать значительный газодинамический напор, который растет с увеличением силы тока и может быть использован в различных технологических целях.

В большинстве случаев расход газа в плазмотроне носит турбулентный характер. Уменьшение расхода газа позволяет получать ламинарные струи большой длины и высокой стабильности.

Нагрев деталей и материалов до невысоких температур (ниже точки их плавления) с помощью плазменных горелок используется сравнительно редко. Однако, применяется плазменно-механическая обработка металлов. Сущность этого метода состоит в том, что при обработке резанием высокопрочных материалов и сплавов перед резцом устанавливается плазмотрон, нагревающий узкую зону обрабатываемого материала. Так как при нагреве прочность обрабатываемого материала снижается, а пластичность увеличивается, можно увеличить подачу и глубину резания. Плазменно-механическая обработка применяется при изготовлении деталей из жаропрочных сталей и сплавов на базе вольфрама, молибдена и других материалов.

Плавка металлов, сплавов, а также неметаллических материалов с использованием плазменного нагрева получила широкое распространение, так как данный способ отличается высокой стабильностью, простотой и гибкостью технологического процесса.

Наиболее распространенной является схема плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор. Плазменный нагрев используется также для плавки металла с последующей кристаллизацией расплава в виде малоразмерных капель с использованием его в дальнейшем как исходного продукта в порошковой металлургии, для наплавки и т. д.

Сварка с использованием плазменных источников применяется все в более широком масштабе, поскольку по сравнению с свободно горящей электрической дугой удается получить большую глубину проплавления, меньшую ширину шва наиболее узкую зону термического влияния. Процесс идет с большей скоростью при улучшении качества сварного шва.

Плазменная наплавка используется для нанесения поверхностных слоев (чаще всего из металлов и сплавов, отличных по составу от материала подложки) с целью повышения эксплуатационных свойств деталей. Для наплавки применяют материалы с повышенной износостойкостью, высокой твердостью, коррозионной и термической стойкостью и др. Возможна многослойная наплавка.

Наплавку производят плазменной струей, что дает возможность регулировать глубину проплавления основного металла посредством изменения расстояния между плазмотроном и заготовкой. В качестве плазмообразующих газов используются аргон и водород.

Плазменной наплавкой упрочняют отдельные детали станков, изготовляют режущие инструменты из обычных углеродистых сталей с наплавкой рабочих лезвий из инструментальных сталей.

Плазменную наплавку применяют для нанесения на стальные подложки меди, бронзы, сплавов типа «стеллит» и хромоникелевых сплавов (клапаны двигателей внутреннего сгорания). Плазменная наплавка применяется также для восстановления штампов, прессформ, и т. д.

Плазменное напыление отличается тем, что наносимый материал нагревается внутри самого плазмотрона, а затем осаждается на подложку.

Плазменным напылением обычно получают слои малой толщины. Можно также получать корковые изделия, состоящие только из напыленного материала. Для увеличения сцепления с подложкой обычно применяют предварительный подогрев заготовки и создание промежуточных химически активных слоев.

Металлические покрытия, получаемые с помощью плазменного напыления, чаще всего состоят из вольфрама, молибдена, ниобия, кобальта, никеля и других металлов и сплавов с достаточно высокой температурой плавления.

Напыленные оксидные покрытия отличаются высокой жаростойкостью и сравнительно низкими показателями теплои электропроводности. Их используют в качестве защитных покрытий на основе оксидов алюминия и циркония. Таким напылением повышают стойкость кокилей и изложниц для литья и др.

Одной из разновидностей процесса плазменного напыления является ионная технология нанесения покрытий с помощью плазменных ускорителей. Материал покрытия получается путем испарения в вакууме водоохлаждаемого катода. Затем его ионизируют в электрическом разряде, и полученная плазма фокусируется и ускоряется по направлению к обрабатываемой поверхности. Энергия, которая сообщается ионам в плазме, позволяет внедрять их в обрабатываемые поверхности и получать прочные поверхностные покрытия.

Ионная технология плазменного напыления позволяет также получать покрытия сложного химического состава, например, из оксидов, карбидов и нитридов металлов.

Плазменным напылением получают тонкостенные детали сложной геометрической формы из труднообрабатываемых материалов, например, вольфрама, молибдена и др. Материал напыляют на оправки или на шаблоны, которые потом могут или растворяться химическим путем, или разбираться на части.

Плазменной резкой можно разрезать практически любые материалы, тогда как, например, кислородная резка пригодна только для углеродистых сталей. Недостатком плазменной резки является то, что толщина разрезаемых заготовок не превышает 250…300 мм.

В качестве плазмообразующих газов при резке используются аргон, азот, водород и их смеси, а также воздух.