CC BY
331
УДК 537.525.7
Р. Ф. Шарафеев
ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: поток, ВЧЕ-разряд. flow, high-frequency discharge
Работа посвящена исследованию полей температуры, давления и скорости потока высокочастотной плазмы емкостного разряда в процессе обработки материалов при давлении в камере от 13,3 до 133 Па, расходе плазмооб-разующего газа от 0 до 0,24 г/с, потребляемой мощности в разряде от 0,1 до 5 кВт, частоте генератора 13,56 МГц.
Results of experimental studying of temperature, pressure and speed fields in the plasma flow of the radio-frequency capacitive coupled discharge at the materials processing at the following parameters: camera pressure was from 13,3 upto 133 Pa, flow rate - upto 0,24 г/с, discharge power - from 0,1 upto 5 kW and generator frequency - 13,56 MHz is considered
Высокочастотная (ВЧ) плазма при пониженном давлении (p = 13,3-133 Па) - это частично ионизированный газ (степень ионизации от 10-5 до 10-3 ), который представляет собой смесь частиц трех сортов: ионов, электронов и нейтральных атомов или молекул.
Описание механики потока плазмы невозможно без знания полей скоростей, давлений и температур, а также режима течения газа.
Одним из основных параметров течения газа, определяющих выбор модели, является число Кнудсена:
Kn = ^, (1)
D (1)
где la - длина свободного пробега атомов, м,; D - диаметр струи, м. При Kn < 10-3 используется модель течения сплошной среды на основе уравнений Навье-Стокса, при Kn > 1 -модель свободно-молекулярного течения. При значениях 10-3 < Kn < 1 течение имеет переходный характер.
Для газа нейтральных атомов, состоящего из одинаковых молекул диаметром da , с учетом Максвелловского распределения по скоростям, средняя длина свободного пробега оценивается по формуле [1]:
l = °'707
a nd\na ■ (2)
При р = 13,3-133 Па и температур е в плазменной струи Та = 300-1000 К концентра-ци2 атомов составит па = 10 -3-10 1/м . Диаметр атома аргона ба = 0,183 нм. Подставляя эти значения в формулу (2), получим оценку длины свободного пробега нейтральных атомов в диапазоне 1а = 2-10" - 7-10" м. Диаметр струи равен 2-10" м на выходе из плазмотрона до ~10-1 м в хвостовой ее части. При этом число Кнудсена лежит в диапазоне 2-103 < Кп < 0,3 , то есть течение носит переходный характер от режима сплошной среды к свободно-молекулярному потоку.
Общепризнанной модели течений газов в переходном режиме, наподобие уравнений Навье-Стокса для сплошной среды, в настоящее время нет. Одним из способов описания динамики потока является создание полуэмпирических моделей, в которых ряд параметров может быть определен из эксперимента.
Наиболее важным является определение полей скоростей, давлений и температур потока газа.
Экспериментальная часть
Объектом исследования является струя ВЧ-емкостной (ВЧЕ) плазмы пониженного давления, создаваемая плазмотроном емкостного типа с кольцевыми электродами, внутренний диаметр которого составляет 20 мм, диаметр кольцевых электродов 30 мм Плазмотрон работает в составе экспериментальной установки, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. ВЧ-плазменная установка создана на базе промышленной установки термовакуумного напыления, дополненной ВЧ-генератором [2].
Рис. 1 - Принципиальная схема экспериментальной ВЧ-плазменной установки: 1 - вакуумная камера; 2 - координационное устройство; 3 - вакуумметр; 4 - пластинчато-роторный вакуумный насос; 5 - двухроторный вакуумный насос; 6 -ВЧ-генератор; 7 - баллон с аргоном; 8 - манометр; 9 - ротаметр; 10 - натекатель; 11 - кольцевые электроды; 12 - кварцевый плазмотрон; 13 - термопара, 14 - компаратор; 15 - трубка Пито; 16 - рубашка охлаждения
При исследовании характеристик плазменного потока входные параметры установки варьировались в следующих пределах: расход плазмообразующего газа от 0 до 0,24 г/с, давление в камере от 13,3 до 133 Па, потребляемая мощность в разряде от 0,1 до 5 кВт, частота генератора 13,56 МГц. В качестве плазмообразующего газа использовались аргон и воздух.
Для исследования полей скоростей и давлений использована модернизированная трубка Пито. Трубка Пито изготавливалась из кварцевого стекла. Диаметр приемного отверстия, вводимого непосредственно в поток плазмы, равен 2 мм. Скорость потока определялась по формуле [3]:
и =
V
2КТ Ар
VРк
(3)
где R = 8314 Дж/(кмоль К) - универсальная газовая постоянная; /л - молекулярная масса газа, кг/кмоль; Ар = рполн - рк - избыточное давление, Па; рполн - полное давление, Па; рк - давление в вакуумной камере, Па; Т - газовая температура, К.
В качестве вторичного прибора использовался £/-образный дифференциальный манометр, заполненный предварительно вакуумированным дибутилфталатом.
Направление вектора скорости определялось поворотом трубки Пито до получения максимальных показаний манометра. Для определения скорости потока у поверхности тела изготовлен макетный образец, в котором просверлены сквозные отверстия с заглушками. В эти отверстия поочередно вставлялась трубка Пито и измерялось избыточное давление в разных точках образца при обтекании его плазмой. Погрешности измерения скорости потока, описанным выше методом, не превышала 15%.
Проведенные оценки статического давления показали, что его перепад по длине потока находится в пределах погрешности метода измерения. На основании этого статическое давление потока принималось равным давлению в вакуумной камере, измеряемое вакуумметром ВТ-6.
Для исследования полей температур использовался хромель-алюмелевые и хро-мель-копелевые термопары. ЭДС термопары измеряли компаратором Р3003. Для исключения погрешности, возникающей за счет непосредственного контакта термопар с плазмой, их размещали на глубине 0,5 мм от поверхности [4]. Термопары располагались с определенным шагом по всему образцу. Это позволило исследовать радиальное распределение температуры. Для исключения влияния ВЧ-поля на ЭДС термопар измерения проводили по нагреву образца после выключения разряда.
Результаты исследований
В плазмотроне с кольцевыми электродами скорость потока иа, имеет максимальное значение на оси плазмотрона. При мощности разряда Рр = 2,4 кВт, расстоянии от среза сопла плазмотрона 1 = 10 мм и расхода Ог = 0,1 г/с скорость потока плазмы аргона на оси составляет 250 м/с, а вблизи границы разряда она уменьшается до 50 м/с (рис.2 а).
С ростом 1 радиальное распределение скорости становится более пологим и убывает медленнее. Так, например, при 1 = 120 мм, Рр = 2,4 кВт и Ог = 0,1 г/с скорость потока на оси уменьшается до 150 м/с, а около границы электропроводной области до 50 м/с.
С увеличением расхода газа скорость плазменного потока растет приблизительно линейно (рис. 3). У воздушной плазмы скорость потока в среднем на 14% меньше аргоновой. Это связано с тем, что воздух в отличии от аргона является смесью молекулярных газов и часть подводимой энергии расходуется на возбуждение вращательных уровней молекул. В результате при одной и той же вкладываемой в разряд мощности в воздушном разряде температура атомов и ионов Та меньше, чем в аргоновом. Таким образом, кинетическая энергия частиц в разряде существенно влияет на скорость потока.
Также, с увеличением расхода газа мощность, выносимая струей, достигает своего максимального значения при Ог = 0,08 г/с. При этом максимум Рр несколько смещен в сторону больших расходов. Это связано с газодинамикой разряда и объясняется более интенсивным выносом тепла в этом диапазоне.
V, м/с
г. мм
20 0 20
25 иа
200
150
100
50
7\ ММ
т,. С
ММ
250
200
150
100
50
б
а
Рис. 2 - Поля скоростей потока (а) и эффективных температур (б) ВЧ-струи пониженного давления в разряде аргона при Рр = 2,4 кВт, р = 133 Па, Ог = 0,1 г/с (штриховая линия соответствует границе видимой части струи, цифры у кривых - значения ско-
600 500 400 300 200 к м/с
0 0.04 0.08 0. • 1 12 0.16 0.20 0.24 а г/с А2
Рис. 3 - Зависимость скорости потока плазмы на его оси от расхода плазмообразую-щего газа (г = 0, г = 0). ВЧЕ-разряд, аргон: 1 = 13,56 МГц: 1 - Рр = 2,7 кВт; 2 -Рр = 1,3 кВт
Исследования показали, что при неизменном расходе газа с уменьшением давления иа монотонно увеличивается. При Рр = 3 кВт, Ог = 0,16 г/с и г = 0 скорость потока достигает 500 м/с. Однако при расходах плазмообразующего газа, не превышающих 0,08 г/с, и мощности разряда менее 2 кВт в исследуемом диапазоне давлений скорость потока невелика. Визуальные наблюдения показывают, что при таких скоростях сгусток плазмы не перемещается относительно зоны генерирования электромагнитного поля. При указанных входных параметрах плазмотрона Рр также практически не изменяется при изменении скорости потока. Таким образом, наличие потока при этих расходах не вносит существенных изменений в параметры разряда.
С увеличением мощности наблюдается смещение оптимального диапазона Ог в сторону увеличения расхода газа. КПД ВЧЕ-плазмотрона, определяемый как отношение Рстр / Рр , при Ог = 0,1-0,12 г/с достигает 50%. Таким образом, в зависимости от размещения обрабатываемого изделия в разрядной камере или вакуумном блоке, оптимальное согласование ВЧ-генератора с нагрузкой достигается при различных Ог.
Для технологических целей большее значение имеет температура нагрева образцов, так как свойства многих конструкционные материалов чувствительны к температурному режиму в процессе обработки.
В качестве температуры плазменного потока принималась «эффективная температура», величина которой равна установившейся температуре образца, помещенного в плазменную струю. Эта характеристика является неким упрощением и носит интегральный характер, с помощью которого удобно в первом приближении дать оценку технологическому процессу. По своей природе ВЧ-плазма пониженного давления термически неравновесна. Электронная температура составляет от 1 до 4 эВ, в зависимости от типа разряда, давления и расхода газа, вкладываемой мощности, в то время как температура атомов и ионов находится в диапазоне от 0,025 эВ в плазменной струе до 0,4 эВ в плазменном сгустке. Если учесть, что масса электронов на несколько порядков меньше массы атомов и ионов, а степень ионизации газа в плазме при пониженном давлении невысока, то можно допустить, что средняя температура потока соответствует температуре тяжелых частиц. Отметим, что «эффективная температура» потока плазмы за счет вклада энергии электронов на десятые доли процента выше температуры тяжелых частиц.
При введении образца в плазменную струю, его температура только с течением времени достигает температуры плазмы. В рассматриваемом диапазоне параметров это время составляет 3-15 минут, в зависимости от габаритов изделия. Рост температуры образца, а также ее уменьшение после выключения плазмотрона происходят по экспоненциальному закону.
Эксперименты показали, что изменение расхода и давления существенно влияют на профиль распределения температуры (рис. 2б). С уменьшением давления и ростом расхода изотермы, соответствующие высоким температурам (Тэ = 400-500°С), вытягиваются, а изотермы, соответствующие низким температурам (Тэ = 100-200°С), при больших значениях координаты по оси плазменной струи расширяются.
На рис. 2 а и б штриховой линией показана граница видимой части плазменной струи. Как видно, она близка к изотерме Тэ = 300°С. Известно, что равновесный газ при таких низких температурах и давлениях практически не светится. Это говорит о заметном нарушении термического равновесия в струе, в частности, о значительной концентрации возбужденных атомов. Причиной этого в том, что струя плазмы является разрядом, горящим между верхним витком индуктора и деталью или стенкой вакуумной камеры.
Опыты показали, что при введении образца в плазменную струю эффективная температура по радиусу струи выравнивается и отклонение от осевого значения составляет 2025 %. Следовательно, при воздействии на образец плазменной струи пониженного давления его поверхность находится практически в одинаковых условиях. Струя в рассматриваемом диапазоне параметров позволяет нагревать образец до тысячи градусов.
Скорость звука потока можно оценить по формуле Лапласа для идеального газа:
сзв =.
kRT
V
(4)
где к - показатель адиабаты; R = 8314 Дж/(кмоль К); Т- абсолютная температура газа, К; /л - молекулярная масса, кг/кмоль.
Для аргона, к = 1,67 при Т = 473 К, у = 39,95 кг/кмоль, СЗВ = 405 м/с.
Для воздуха к = 1,4 при Т = 473 К, у = 28,98 кг/кмоль СЗВ = 435 м/с.
Выводы
Для представленных результатов выполненные оценки по формуле Лапласа, показали, что для всей исследованной области потока ВЧЕ-разряда скорость истечения плазмы из сопла плазмотрона (от 300 до 500 м/с) не превышает звуковой, т.е. в потоке ударные волны отсутствуют. Поэтому в области обрабатываемого тела температура потока не может резко подняться. Следовательно, роль потока плазмы сводится к транспортировке заряженных частиц и атомов к поверхности и интенсификации тепло- и массообмена.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и
инновациям, государственный контракт № 02.552.11.707.
Литература
1. Абдуллин, И.Ш. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления: монография / И.Ш. Абдуллин [и др.].- Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007.-356 с.
2. Сивухин, Д.В. Общий курс физики: Термодинамика и молекуляр-ная физика / Д.В. Сивухин. -М.: Наука, 1979. - 565 с.
3. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин / В.Х. Абианц. - М.: Машиностроение, 1978. -246 с.
4. Дзюба, В.Л. Электродуговые и высокочастотные плазмотроны химико-металлургических процессах / В.Л. Дзюба, Г.Ю. Даутов, И.Ш. Абдуллин. - Киев: Вища школа, 1991. - 170 с.
© Р. Ф. Шарафеев - асп. каф. теоретических основ теплотехники КГТУ, sharafeevrf@mail.ru
