Разработка термохимического катода на основе гафния для плазменной резки в среде кислорода

• Автор: Россомахо, Яков Вульфович
• Шифр специальности: 05.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Ленинград
• Количество страниц: 138 c. : ил

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ГАФНИЕВОМ КАТОДЕ ПРИ ГОРЕНИИ ДУГИ В КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ПЛАЗМООБРАЗУЮЩИХ СРЕДАХ
3.1. Цель и предмет исследования
3.2. Исследование агрегатного состояния материала 42 гафниевого катода плазмотрона в момент горения дуги методом танталовых свидетелей.
3.3. Исследование состава и структуры материала в рабочей зоне гафниевого катода
3.4. Исследование взаимодействия жидкого расплава с твердым гафнием на катоде
3.5. Исследование влияния катодных процессов на
состав расплава на гафниевом электроде
3.6. Выводы
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРОЗИИ ГАФНИЕВОГО КАТОДА ПРИ ГОРЕНИИ ДУШ
В КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩЕМ ПЛАЗМООБРАЗУЮЩЕЙ СРЕДЕ
5. РАЗРАБОТКА КАТОДА ДЛЯ РАБОТЫ В СРЕДЕ КИСЛОРОДА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ИЗ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВВДЕНИЕ
Плазменная обработка является одним из наиболее прогрессивных технологических процессов. Широкое использование плазменной технологии предусмотрено "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-85 гг." Наиболее важное значение для промышленности имеют плазменные способы обработки в кислородосодержащих средах. Применение таких сред позволяет добиться высокого коэффициента полезного действия преобразования электрической энергии в тепловую и передачи её обрабатываемому изделию, а также использовать тепло экзотермических реакций окисления обрабатываемого металла и, в конечном счете, получить высокую производительность процесса. Возможность применения кислородосодержащих плазмообра-зующих смесей регламентируется стойкостью электрода. Так широко употреблявши в плазменном оборудовании вольфрамовый электрод при наличии в смеси кислорода имеет крайне низкую стойкость, обусловленную низкой термической устойчивостью его окислов.
Новые возможности применения кислородосодержащих смесей появились в связи с созданием термохимических катодов. Разработка таких катодов основана на образовании на их поверхности термически устойчивых соединений, обладающих высокими эмиссионными свойствами.
К моменту постановки настоящей работы в промышленности на основе использования термохимических катодов с циркониевыми и гафниевыми вставками начала применяться воздушно-плазменная резка. Однако, в ряде случаев её применение породило новую проблему, связанную с тем, что при двухсторонней автоматической сварке под слоем флюса заготовок из низкоутлеродистых и

низколегированных сталей, вырезанных воздушно-плазменной резкой, в сварных швах возникают поры и свищи. Было установлено, что использование кислорода в качестве плазмообразующего газа является одним из путей, предотвращающих порообразование. В то не время выпускаемые промышленностью для воздушно-плазменной резки циркониевые и гашниевые катоды при работе в кислороде имели недостаточный для промышленного использования ресурс.
Целью настоящего исследования явилась разработка катода для работы в среде кисдорода.
Кинетические исследования эрозии показали, что циркониевые катоды при работе в кислороде имеют высокую равномерную скорость эрозии, что послужило основанием исключить их из рассмотрения при разработке нового катода. Гашниевые катоды при работе в кислороде имеют более высокий ресурс, однако он весь реализуется при использовании только 1/5 части гафниевой вставки. При дальнейшей работе катода происходит резкая интенсификация эрозии. В то же время при работе на воздухе ресурс гафниевого катода реализуется равномерно на всей глубине вставки.
Задача создания катода для работы в кислороде могла бы быть решена путем использования гафниевого катода, если бы удалось предотвратить его переход в режим интенсивной эрозии. Совершенно очевидно, что ключом к решению этой проблемы является понимание различия в характере эрозии гафниевого катода в кислороде и воздухе.
На основании существующих представлений о процессах, протекающих на термохимических катодах, ответить на этот вопрос было нельзя. Поэтому было принято решение перед непосредственно разработкой катода исследовать:
- структуру и состав материала в рабочей зоне гафниевого катода при горении дути в различных кислородосодержащих

приведены в приложении I.
Для определения среднего содержания кислорода в материале, заключенном в пределах расплава, три партии катодов были подвергнуты термовесовому анализу. Каждая из партий отличалась чистотой используемого при горении дуги плазмообразующего кислорода. Результаты анализа приведены в табл. 5.
Таблица
Окисление гафниевого расплава на катоде в кислороде различной чистоты.
Содержание кислорода Содержание кислорода Химическая формула,
в газе, % объем. в расплаве на катоде, соответствующая
% вес. составу расплава
на катоде
Не менее 99,999 12,925
99,93 13,666 ЩО 1,166
Не менее 99,7 13,726 М #04,775*
Среднее содержание кислорода по всем партиям составляет 13,439$ вес. и соответствует формуле /,73
Микроструктура материала катода после испытаний в смесях аргон+кислород определяется составом смеси и временем горения дуги. Фотографии типичных микроструктур приведены на рисунках 19, 20, 21. Эти микроструктуры имеют две отличительные особенности, наблюдавшиеся в широком диапазоне изменения концентрации кислорода в плазмообразующей смеси. Первой особенностью является дендритное строение кристаллов. По осям дендритов выпадает темно-серая фаза, богатая кислородом. В межосном пространстве располагается светлая фаза. По данным локального анализа на микроанализаторе МАР-1 темно-серая фаза была индицирована как