多组分材料的微弧等离子体放电抛光参数优化及控制
发布时间：2021-07-13 00:15
多组分材料以其良好的物理、化学及机械性能在工业的重要零部件生产中应用广泛,如航空发动机叶轮、高温合金和3D打印的钛合金零件等,在生产制造中,需要这些多组分材料的表面光整度极高（Ra/Sa<0.01μm）,故多组分材料的表面光整成为近年来学者研究的重点问题。微弧等离子体放电抛光通过在工件和电解液之间形成液—固通道,通道内等离子体放电实现对多组分材料的抛光。由于电解液为浓度较低的中性或弱酸弱碱性盐溶液,并可通过补充电解质而循环使用,是一种“绿色”高质高效的抛光工件的特种加工方法。这种加工方法不仅能够解决机械抛光效率低和无法抛光表面形状复杂的工件的问题,也可以解决电解抛光难以避免的污染问题,同时微弧等离子体放电抛光比常见的电解抛光效率和质量更高,应用前景广阔。本文首先从不同角度分析微弧等离子体放电抛光的作用机制,从宏观角度解释等离子体放电通道的建立、击穿和工件去除过程;从微观的流光放电原理阐述内部的等离子体的运动过程及反应状态;从微弧等离子体放电角度分析材料去除与微平坦化机理。根据影响微弧等离子体放电的影响因素,包括溶液浓度、电源参数和加工时间等设计实验,搭建试验平台。以304不锈钢为...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多组
身电解和受热会产生氨气、氧气和水蒸气等，气化的电解液和少量其他气体包裹在工件四周，形成隔离工件和电解液的气膜。由于气膜的存在，工件和电解液之间的电阻迅速增大，会在两极间形成局部的高电压，在电压的作用下，当气膜达到一定厚度被击穿，击穿的过程分为三个阶段：两极充电阶段（电容模型阶段）、气膜击穿阶段（电感模型阶段）、击穿后稳定放电阶段（电阻模型阶段），而真正对工件表面作用的是后面两个阶段，这三个阶段两极间的电流电压都会发生有规律的变化，这三个阶段的建模、仿真及实验会在后文中具体解释。图2-2放电微观通道图Fig.2-2Microscopicviewofthedischargechannel气膜击穿后会在两极之间形成放电通道，放电通道内电离产生大量等离子体，这些等离子体正是由气体击穿形成的一种新的物质形态。如图2-2所示，每一个放电过程产生的能量相同，但是由于放电距离的影响，位置m的放电能量大于位置n的能量，所以放电所造成的工件去除Sm>Sn，又因为凸起点m的截面积小于n，所以去除高度hm>hn。因此可得：等离子体放电抛光对凸起点的去除速度最快，然后是次高点，依次类推。与此同时工件表面也进行着金属的氧化反应，形成疏松的氧化膜（相较于多组分材料本体比较疏松），多组分材料各组成成分氧化膜的生成速度小于微弧放电抛光的速度是保证抛光实现的基础条件。同时疏松的氧化膜易去除的性能也为抛光过程提供条件，电化学与放电加工相结合来达到多组分材料抛光的目的[24]。2.1.2微弧等离子体放电抛光微观机理—流光放电在抛光的初始阶段，脉冲电源供电，随着工件和电解液的通电，电解液首先被电解，在工件附近发生电解反应，具体反应为水蒸气、电子以及离子的生成过程：
2多组分材料微弧等离子体放电抛光机理研究及实验平台搭建11--224OH→2HO+O+4e（2-1）负离子→原子(分子)+ne-（2-2）图2-3基于流光理论的微弧放电抛光过程示意图Fig.2-3Schematicdiagramofmicro-arcdischargepolishingprocessbasedonstreamertheory高温下电解液产生的气体和水蒸气以及水电离产生的气体集聚在工件附近形成类似放电间隙的气膜，同时在电解液的表面也会聚集大量的电子和离子，如图2-3所示为微弧等离子体放电抛光的微观基本原理图，也称作流光放电原理。根据流光放电理论。在图2-3（a）中，体积较小的电子比相对较大的离子运动向工件（阳极）的速度快得多，这主要是因为它们的质量较轻。因此电子的雪崩电子团形成电子雪崩头，而离子留在后面。几乎像雪崩尾巴一样静止不动。电子和离子的运动造成这个区域的电荷分布不均匀，引起电场的畸变。如图2-3（b）所示，二次电子是由光电离的游离态离子形成的。这些电子通过光电离加速并形成二次雪崩如图2-3（c）。由于电场的扭曲，分支雪崩被初级雪崩形成的雪崩团所吸引，两者相结合如图2-3（d）所示。由于两次雪崩的结合，形成一个最初的弱放电通道（流光通道）。通道中具有高载流子密度的特点，这就导致粒子运动的频繁和粒子碰撞的增加，弱放电通道逐渐扩展升温，最终该流光产生等离子体放电通道如图2-3（e）。电流通过等离子体放电产生磁场，磁场会反过来又把通道挤压成一根细线，这个过程称为缩放效应[41]。在缩放效应的影响下，等离子体通道的密度增大，温度升高。已知气体受热易膨胀，但是由于气体被压缩造成的结果就是爆炸，如图2-3（f）所示。气体爆炸后，等离子体通道坍塌，工件表面高点被去除，最终实现工件表面的平整化。2.1.3微弧等离子体放电材料去除与微平坦化机理微弧?
本文编号：3280938
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多组
身电解和受热会产生氨气、氧气和水蒸气等，气化的电解液和少量其他气体包裹在工件四周，形成隔离工件和电解液的气膜。由于气膜的存在，工件和电解液之间的电阻迅速增大，会在两极间形成局部的高电压，在电压的作用下，当气膜达到一定厚度被击穿，击穿的过程分为三个阶段：两极充电阶段（电容模型阶段）、气膜击穿阶段（电感模型阶段）、击穿后稳定放电阶段（电阻模型阶段），而真正对工件表面作用的是后面两个阶段，这三个阶段两极间的电流电压都会发生有规律的变化，这三个阶段的建模、仿真及实验会在后文中具体解释。图2-2放电微观通道图Fig.2-2Microscopicviewofthedischargechannel气膜击穿后会在两极之间形成放电通道，放电通道内电离产生大量等离子体，这些等离子体正是由气体击穿形成的一种新的物质形态。如图2-2所示，每一个放电过程产生的能量相同，但是由于放电距离的影响，位置m的放电能量大于位置n的能量，所以放电所造成的工件去除Sm>Sn，又因为凸起点m的截面积小于n，所以去除高度hm>hn。因此可得：等离子体放电抛光对凸起点的去除速度最快，然后是次高点，依次类推。与此同时工件表面也进行着金属的氧化反应，形成疏松的氧化膜（相较于多组分材料本体比较疏松），多组分材料各组成成分氧化膜的生成速度小于微弧放电抛光的速度是保证抛光实现的基础条件。同时疏松的氧化膜易去除的性能也为抛光过程提供条件，电化学与放电加工相结合来达到多组分材料抛光的目的[24]。2.1.2微弧等离子体放电抛光微观机理—流光放电在抛光的初始阶段，脉冲电源供电，随着工件和电解液的通电，电解液首先被电解，在工件附近发生电解反应，具体反应为水蒸气、电子以及离子的生成过程：
2多组分材料微弧等离子体放电抛光机理研究及实验平台搭建11--224OH→2HO+O+4e（2-1）负离子→原子(分子)+ne-（2-2）图2-3基于流光理论的微弧放电抛光过程示意图Fig.2-3Schematicdiagramofmicro-arcdischargepolishingprocessbasedonstreamertheory高温下电解液产生的气体和水蒸气以及水电离产生的气体集聚在工件附近形成类似放电间隙的气膜，同时在电解液的表面也会聚集大量的电子和离子，如图2-3所示为微弧等离子体放电抛光的微观基本原理图，也称作流光放电原理。根据流光放电理论。在图2-3（a）中，体积较小的电子比相对较大的离子运动向工件（阳极）的速度快得多，这主要是因为它们的质量较轻。因此电子的雪崩电子团形成电子雪崩头，而离子留在后面。几乎像雪崩尾巴一样静止不动。电子和离子的运动造成这个区域的电荷分布不均匀，引起电场的畸变。如图2-3（b）所示，二次电子是由光电离的游离态离子形成的。这些电子通过光电离加速并形成二次雪崩如图2-3（c）。由于电场的扭曲，分支雪崩被初级雪崩形成的雪崩团所吸引，两者相结合如图2-3（d）所示。由于两次雪崩的结合，形成一个最初的弱放电通道（流光通道）。通道中具有高载流子密度的特点，这就导致粒子运动的频繁和粒子碰撞的增加，弱放电通道逐渐扩展升温，最终该流光产生等离子体放电通道如图2-3（e）。电流通过等离子体放电产生磁场，磁场会反过来又把通道挤压成一根细线，这个过程称为缩放效应[41]。在缩放效应的影响下，等离子体通道的密度增大，温度升高。已知气体受热易膨胀，但是由于气体被压缩造成的结果就是爆炸，如图2-3（f）所示。气体爆炸后，等离子体通道坍塌，工件表面高点被去除，最终实现工件表面的平整化。2.1.3微弧等离子体放电材料去除与微平坦化机理微弧?
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