Особенности протекания периодического разряда в потоке жидкости и специфика его воздействия на материал электрода

Введение

Одним из перспективных методов изменения физических свойств материалов является метод электроискрового воздействия, который может быть реализован, в частности, путем формирования периодического (квазипериодического) высоковольтного разряда в потоке жидкости (ПРПЖ) при использовании источника напряжения с падающей вольт-амперной характеристикой [1-5]. В данном методе применение струи жидкости позволяет одновременно реализовать функции токоподводящего электрода и коммутатора тока, с помощью которого формируются последовательности импульсов электрического разряда длительностью порядка нескольких наносекунд с частотой следования пакетов импульсов до нескольких десятков Гц. В условиях быстропротекающего электрического разряда в приэлектродном пространстве и на поверхности плоского электрода создаются условия с высокой напряженностью электрических и магнитных полей, а также мощного ударноволнового воздействия.

В ходе работ по определению оптимальных режимов обработки материалов различного состава было обращено внимание на появление нехарактерных для других методов воздействия (лазерного, ионно-плазменного, электронного и др.) структурных изменений в материалах. Эти изменения заключаются, в частности, в наличии протяженных образований различной формы и размеров на поверхности обработанных образцов, а также в существенном увеличении микротвердости участков поверхности, удаленных от зоны непосредственной обработки ПРПЖ. С целью выяснения природы наблюдаемых эффектов авторами было проведено изучение как быстропротекающих процессов в самом разряде, так и структуры и состава обработанных материалов.

Методика эксперимента

Исследования электрических и оптических характеристик разряда выполнены двумя методами: методом получения двухмерного изображения и методом получения стереоизображения с использованием высокоскоростных камер. Использовалась скоростная киносъемочная камера СКС-1М со скоростью съемки от 150 до 4000 кадров в секунду. Для получения стереоизображения съемка проводилась двумя синхронизированными камерами, расположенными под углом 90 градусов по отношению друг к другу.

Для структурных исследований были выбраны технически чистые металлы (Be, Ti, Fe, Cu, W). Перед обработкой ПРПЖ образцы проходили стандартную подготовку, заключающуюся в механической шлифовке, полировке на алмазных пастах и электрохимической полировке в соответствующих электролитах [4]. Изучение структурного состояния металлов выполнено с помощью оптической и электронной микроскопии, химический состав материалов контролировался методами вторичной ионной масс-спектрометрии на приборах JMS-011-BM2 с лазерной ионизацией и HJP-660 в режиме нейтрализации заряда вторичных ионов.

Экспериментальные результаты

1.Приэлектродное пространство

Полученные результаты позволяют установить следующие свойства разряда. Разряд возникает и начинает развиваться на внешней поверхности струи в пространстве, насыщенном парами воды, озоном и другими продуктами разложения воды и атмосферы (рис.1). При определенных условиях в приэлектродном пространстве могут возникать образования, отожествляемые авторами предположительно с фрактальными кластерами, которые могут иметь как шарообразную форму, так и форму многогранника. Эти образования могут быть полупрозрачными и иметь яркость, сравнимую с основным разрядом. Иногда удается выявить их гранулированную структуру. В отдельных случаях наблюдаются светящиеся каналы тока от основного электрода к этим образованиям. Расшифровка фильма позволяет утверждать, что время их существения больше времени действия импульса тока, и составляет для шарообразных объектов не менее 0,2 – 0,3 с, для многогранников более 2 – 3 с. Кроме того, отмечено, что формирование многогранников (имеющих почти одинаковые размеры) происходит интенсивнее с увеличением мощности разряда.

Рис.1. Формирование разряда в приэлектродном пространстве, x10

В процессе разряда наблюдаются также объекты более сложной формы, которые имеют размеры 2 - 4 мм и могут существовать значительно больше периода разряда (до 5 мин), трансформируясь в течение этого времени. На рис.2 и рис.3 видно зарождение кольцевых (торообразных) объектов. На рис.4 представлен случай разряда между одним из долгоживущих объектов и высоковольтным электродом.

Рис.2. Начало образования торообразных объектов в процессе разряда у поверхности плоского электрода, x10

Рис.3. Сформировавшийся торообразный объект через 5 мин после начала процесса, x10

Рис.4. Процесс нейтрализации заряда ядра торообразного объекта одним из последующих разрядов, x10

В ряде случаев торообразные объекты имеют внешне достаточно однородную структуру и при этом достигают размеров 4-10 мм в диаметре (рис.4, рис.5). На представленных фотографиях также наблюдается эффект пинчивания разряда. Возможно образование нескольких пинчей. Совокупность пинчевой структуры и торообразных объектов может создавать вихревые структуры (рис.5, рис.6 и рис.7) похожие на смерчи. На поверхности возможно формирование светящихся образований (рис.8), а над ними одиночных и парных объектов с четко выраженной геометрией (рис.9).

Рис.5. Характерная картина одновременного существования кольцевых (торообразных) объектов (1) и пинчей (2), x12

Рис.6. Формирование торообразного объекта вблизи пинча, x15

Кроме того, при определенных режимах разряда наблюдается образование прямолинейных светящихся каналов значительной протяженности (рис.10), которые с достаточно большой степенью вероятности могут быть отождествлены с так называемыми флюксами, представляющими собой линейную цепочку нуклонов [6]. Наблюдение подобных объектов возможно благодаря наличию окружающей их светящейся зоны, состоящей из частиц, компенсирующих суммарный заряд такой ядерной нити.

Рис.7. Характерная картина одновременного существования кольцевого (торообразного) объекта и пинчей , x5

Рис.8. Наличие светящихся зон на поверхности электродов, x5

Рис.9. Образование парных светящихся объектов, x10

Рис.10. Образование светящихся каналов значительной протяженности в процессе разряда, x12

2.Рельеф поверхности

Анализ рельефа поверхности плоского электрода после воздействия ПРПЖ свидетельствует о наличии не только кратеров, связанных с разрядом, но и протяженных следов (рис.11), которые можно было бы объяснить воздействием перемещающихся в процессе разряда объектов с характерными размерами не более 0,1 мм. Изучение поверхности образцов, ранее обработанных ПРПЖ, показал, что поверхность образцов претерпевает существенные изменения и после обработки (рис.12), что говорит о сложных процессах, происходящих в материале. В табл.1 представлены результаты оценки изменения общей длины следов на поверхности образца меди времени после обработки ПРПЖ, иллюстрирующую отмеченную закономерность. Образование следов может быть связано с воздействием флюксов при их перемещении по поверхности образцов.

Рис.11. Линейный след на поверхности образца, частично закрытый выбросом металла из кратера при обработке ПРПЖ, x200

Рис.12. Появление на поверхности образца стали сплошных и прерывистых протяженных следов через месяц после обработки ПРПЖ, x200

Таблица 1.

Суммарная длина протяженных следов на образце меди после

воздействия ПРПЖ (площадь поверхности образца 2 см²)

3.Структура материалов

На рис.13 представлены типичные фотографии поперечного шлифа обработанной меди, иллюстрирующего формирование кольцевых зон, где металл был предположительно сильно разогрет. Такое термическое воздействие, вероятнее всего, связано как с особенностями протекания электрического тока через образец в процессе разряда, так и с воздействием вторичных образований типа флюксов.

Изучение поверхности пластин со стороны обработки и с обратной (необработанной) стороны позволило выявить наличие нитевидных образований (рис.15), как правило, прозрачных, или имеющих красноватую или синюю окраску, в зависимости от материала образца. Характерные размеры нитей: диаметр 4 - 10 мкм, длина достигает единиц мм (наблюдаются отдельные нити длиной до 5 мм). Нити имеют тенденцию к группированию или скручиванию (рис.15) с течением времени. Наблюдаются случаи, когда нити имеют форму дуги, уходящую обоими концами в приповерхностный слой материала (рис.16). Более длительное наблюдение за состоянием таких образований позволяет предположить, что они постепенно могут как бы выходить из объема металла. При этом в зоне их роста металл сильно корродирует. Рост нитей сопровождается уменьшением среднего размера зерен материалов за счет их дробления, предположительно, из-за больших внутренних напряжений.

Рис.13. Система зон перегретого металла в области формирования вихря, x200

Рис.14. Поперечный шлиф с одиночной зоной перегретого металла, x500

Рис.15. Образование группы нитевидных объектов на поверхности материала, x 400

Рис.16. Нитевидный объект в виде дуги (вид сверху), x400

На рис.17. просматривается более тонкая структура нитевидного образования. Отмечено, что сечение нити в большинстве случаев имеет форму прямоугольника с закругленными краями (размер 4х16 мкм) или круга (диаметр ~ 8 мкм), иногда они связаны перемычкой толщиной до 4 мкм. Как видно из рис.17, нити , как правило, скручены вдоль оси (с шагом ~ 20 - 40 мкм). Изучение оптических и механических свойств нитей позволяет отметить их высокую прозрачность (приближающуюся к световодам) и гибкость. Как ранее отмечалось, нити могут изгибаться (рис.18) и образовывать сферические формы (рис.19). В случае механического воздействия на них эти объекты разрушаются, при этом образуются отдельные фрагменты прямых или почти прямых нитей. Обращает на себя внимание свойство нитей формировать скрутку из двух и болей нитей (до 4-х) (рис.20, рис.21).

Рис.17. Структура нитевидных объектов в виде полоски, скрученной вдоль своей оси, x200

Рис.18. Нитевидный объект с прямоугольным перегибом, x 200

Рис.19. Фотография нитевидного объекта, свернутого в сфероид, x800

Рис.20. Образование скрученных нитевидных объектов, x200

Рис.21. Концы двух скрученных нитей, x500

Изучение особенностей структуры материалов с помощью поперечных шлифов выявило наличие каналов диаметром ~ (2 - 20) мкм (рис.22, рис.23), которые имеют большую протяженность (до 10 мм) и, предположительно, связаны с образованием в последующем нитевидных структур.

Более детальное изучение структуры поперечных шлифов, приготовленных методом ионно-лучевого травления полиэнергетическим пучком ионов аргона, выявило наличие протяженных линейных следов- треков, которые пронизывают образцы по всей толщине (2 - 5 мм) с поперечным размером в интервале величин 1 - 4 мкм. Как следует из анализа структуры и вида “треков”, их появление не связано с условиями механической обработки образцов. Авторы полагают, что образование данных каналов обязано появлением в течение разряда материальных объектов, обладающих повышенной проникающей способностью, но, тем не менее, способных оставлять след в материале в виде дефектов кристаллической структуры. Тип и свойства этих объектов будут определяться в последующих исследованиях.

Рис.22. Протяженный канал в медном образце после воздействия ПРПЖ, x400

Рис.23. Поперечный шлиф образца меди с линейными треками, x400

4.Активность обработанного материала

При изучении структуры образцов методом поперечных шлифов на границе поверхности металла обнаружено свечение в области межзеренных границ (рис.24), которое наблюдается даже через 3 и более месяцев после обработки ПРПЖ. Предположение, что свечение связано с наведенной активностью в материале, не нашло убедительного подтверждения при радиометрических измерениях методами е- и g - спектрометрии. Это дало основание полагать, что свечение может быть связано с известными процессами хемлюминисценции и с релаксацией механических напряжений на границах зерен и трещин (в теле зерна).

Для уточнения природы обнаруженного свечения образцы были помещены не фоточувствительные материалы (фотобумага “УНИБРОМ” контрастная и фотопленка марки РГ-1). После экспозиции на образцах соответственно 140 и 42 час фотоматериалы были проявлены и зафиксированы по стандартной методике. Изучение состояния проявленных фотоматериалов позволило выявить ряд особенностей. На фотобумаге отмечаются протяженные области почернения эмульсии вблизи расположения образцов (рис.25). Детальное изучение структуры затемненных областей эмульсии с помощью оптической микроскопии выявило наличие точечных зон потемнения (1 - 10 мкм), по-видимому, связанных с локальным воздействием вторичного излучения. Изучение структуры фотопленки показало аналогичное изменение.

В ходе изучения состояния поверхности образцов было обнаружено изменение топографии поверхности образцов, не подвергавшихся воздействию ПРПЖ, но хранившихся в отдельной упаковке в непосредственной близости с обработанными образцами. На поверхности необработанных образцов металлов (Ti, Cu, Fe, стали разных марок) наблюдаются отсутствующие ранее протяженные следы. На рис.26 представлен участок поверхности образца меди, который не подвергался непосредственному воздействию ПРПЖ. После совместного хранения с образцами, подвергнутыми воздействию ПРПЖ, обнаружены указанные изменения. Удаление части металла с необработанных ПРПЖ образцов путем растворения в соответствующих электролитах выявило присутствие в их теле нитевидных образований, аналогичных обнаруженным на образцах, прошедших обработку ПРПЖ.

Рис.24. Фотография границы поверхности стали М76, x200

а- поперечный шлиф образца через 3 месяца;

б- контраст изображения увеличен (выделены зоны свечения)

Рис.25. Структура области потемнения фотоэмульсии, x500

Рис.26. Появление протяженных следов на поверхности медного образца, не подвергавшемуся воздействию ПРПЖ, x400

5.Химический состав образцов

Проведенный анализ химического состава приповерхностных слоев на глубину до 0,1 мм образцов бериллия, меди и вольфрама в исходном состоянии и после обработки ПРПЖ выявил ряд особенностей.

В образцах легких металлов, в частности, бериллия, состав образца остается практически неизменным после обработки ПРПЖ. В образцах более тяжелых металлов (медь, вольфрам) обнаруживается изменение состава, аналогичное наблюдаемым ранее в экспериментах по генерации пинчей [7,8,10]. В образцах меди отмечено увеличение содержание азота, кислорода, углерода, натрия, калия, кальция, серы и хлора, в вольфраме – меди, цинка, железа, водорода. Указанные изменения могут объясняться как внедрением данных элементов (на глубину до нескольких микрон) из плазмы разряда, так и делением ядер вещества мишени под действием флюксов.

Обсуждение результатов

Полученные результаты свидетельствуют о сложном процессе воздействия квазипериодического разряда в потоке жидкости с поверхностью материала плоского электрода, которое обусловлено как присутствием атомов и ионов водорода и кислорода, так и взаимодействием электронов в условиях их сверхвысокой плотности (>10²³ электрон/см³). Последнее приводит к интенсификации ряда электрохимических процессов и, возможно, ядерных реакций в приповерхностном слое материала толщиной до 10 мкм в условиях мощных ударных волн [7, 8, 11].

Данные результаты могут служить экспериментальным подтверждением теоретических моделей и гипотез об образовании фрактальных кластеров в озоносодержащей среде в присутствии достаточно мощного источника электроэнергии [3]. Часть изменений можно связать с термохимическими процессами. Например, образование нитевидных треков в веществе мишени может быть связано с формированием в металле в течение переходного процесса плазменного канала высокого давления [7], в котором осуществляется образование различных веществ и перевод атомов металла в гидроокислы вследствие известных электрохимических процессов. Определенную роль в образовании этих объектов может также играть наличие на поверхности и в приповерхностном слое атомов, образованных в пинчевом разряде [9], или при делении ядер материала, том числе, из-за наличия флюксов. Авторы работы также не исключают и другие механизмы воздействия, например, обсуждаемых в работах [5-10], которые будут выявлены в ходе дальнейшего накопления экспериментальных данных и теоретических исследований.

Список Литературы

1. Богданович Б.Ю., Калин Б.А., Нестерович А.В., Пучков А.Н. Периодический дуговой разряд в потоке жидкости как средство повышения микротвердости и “травления” поверхности металла. Тезисы IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц, Томск: ТПУ, 1996.- С.102.

2. Нестерович А.В., Богданович Б.Ю., Калин Б.А., Волков Н.В., Лубков В.М. Упрочение поверхности углеродистой стали при воздействии периодического высоковольтного разряда в потоке жидкости. Сборник научных трудов "Научная сессия МИФИ-99", М.: МИФИ, 1999.. Т.5, С.20-22.

3. Нестерович А.В., Богданович Б.Ю., Калин Б.А.., Волков Н.В., Мизин Ю.В. Модификация приповерхностного слоя материалов в области воздействия высоковольтного разряда в потоке жидкости. Сборник научных трудов "Научная сессия МИФИ-2000", М.: МИФИ, 2000. Т.9, С. 34-35.

4. Богданович Б.Ю., Волков Н.В., Косточко Ю.П., Лень Н.А., Нестерович А.В., Старостин А.И. Экспериментальное исследование квазипериодического импульсного разряда, инициируемого в потоке жидкости и приэлектродном пространстве.- Инженерная физика, М.: МИФИ. 2000.- №1. С.19-23.

5. Богданович Б.Ю., Волков Н.В., Лень Н.А., Нестерович А.В., Старостин А.И.Экспериментальное исследование свойств материалов, подвергнутых воздействию разрядов в потоке жидкости.- Инженерная физика, М.: МИФИ. 2000.- №2. С.50-54.

6. Ольхатов А.Ю, Родионов Б.У. Тунгусское сияние.- М.: Лаборатория базовых знаний, 1999.- 240 с.

7.Мейерович Б.Э. Канал сильного тока. – М.: ООО “ФИМА”, 1999. 376 с.

8.Меерович Э.А., Мейерович Б.Э. Методы релятивистской электрординамики в электротехнике и электрофизике.- М.: Энергоатомиздат, 1987. 232с.

9. Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин И.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов.- М.: Энергоатомиздат, 1987.- 183 С.

10. L.Cjhtn, U.Feldman, M.Swartz, J.H. Underwood. Studu of the x-rays produced by a vacuum spark. - Journal of the optical society of America, vol. 58, № 6, 1968.

11. Ч. Бранс, Д. Клейтон, Д. Шрамм. Ядерная астрофизика. – М.: Мир, 1968

12. Богданович Б.Ю., Фетисов Г.П. Модель теплового воздействия периодического разряда в потоке жидкости (ПРПЖ) на обрабатываемый материал.- Инженерная физика, М.: МИФИ. 2007.- №5. С.2-6.

13. Нестерович А.В., Фетисов Г.П. Деформационное упрочение металла при воздействии периодическим разрядом в потоке жидкости (ПРПЖ).- Инженерная физика, М.: МИФИ. 2007.- №5. С.7-11.