Dutova O.S. et al. 2018 Vol. 20 No. 1

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 20 № 1 2018 55 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Моделирование теплового и структурного состояния полого катода вакуумного плазмотрона Ольга Дутова 1, a, * , Андрей Шишкин 1, b , Владимир Чередниченко 2, c 1 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, пр. Академика Лаврентьева, 1, г. Новосибирск, 630090, Россия 2 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия a http://orcid.org/ 0000-0001-5366-8010, odutova@ngs.ru , b http://orcid.org/0000-0002-5431-0077 , andrshi@itp.nsc.ru , c http://orcid.org/0000-0002-4844-5928 , bm@skbterm.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2018 Том 20 № 1 с. 55–68 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.1-55-68 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.387.143 + 536.2 +548.53 История статьи : Поступила: 14 ноября 2017 Рецензирование: 12 января 2018 Принята к печати: 08 февраля 2018 Доступно онлайн: 15 марта 2018 Ключевые слова : Плазмотрон Катод Температурное поле Рекристаллизация Размер зерна АННОТАЦИЯ Введение. Дуговые плазмотроны широко используются в различных областях науки и техники. Ресурс непрерывной работы электродов определяет эффективность плазмотрона и является одной из его важней- ших технологических характеристик. Теоретическое и экспериментальное исследование физико-механиче- ских процессов в материале катода направлено на повышение длительности его работы и является актуаль- ной задачей. Цель работы : создание физико-математических моделей и численное исследование тепловых и рекристаллизационных процессов, происходящих в полом катоде вакуумного плазмотрона под воздействием электрической дуги. Методы исследования. Для исследования температурного поля катода при воздействии электрической дуги проводится совместное численное решение дифференциального уравнения Фурье с вну- тренним источником тепла, уравнения Лапласа для электрического потенциала и уравнения закона Ома. При работе плазмотрона в катоде формируются и растут зародыши новых зёрен. Наиболее существенными для рекристаллизационных процессов являются три взаимосвязанных между собой явления – это нагрев матери- ала, зарождение и рост новых зерен. На основе данных о температурном поле и параметрах активационных моделей процессов зарождения и роста зерен в вольфраме получено распределение размера кристаллическо- го зерна по объему катода. Предложенные математические модели позволяют проводить численное модели- рование различных режимов работы полого катода, оценивать изменение структуры материала в процессе его нагрева и могут быть использованы для исследования и повышения эксплуатационных характеристик полых катодов вакуумных плазмотронов. Результаты и обсуждение. Полученные решения показали, что нагрев катода характеризуется большими скоростями и быстрым выходом на стационарный режим. Нужно отметить резкое изменение температуры по длине катода в окрестности активной зоны (поверхности на- грева). Характерным признаком распределения температуры являются значительные осевые и радиальные градиенты температуры, которые могут приводить к большим термическим напряжениям в катоде. Резуль- таты расчёта показали, что размер зерна увеличивается с уменьшением перегрева над температурой начала рекристаллизации. Это связано с тем, что с ростом перегрева скорость образования новых зерен опережает скорость их роста, и зерно начинает уменьшаться в размере. Для исследованных значений плотности пото- ка среднее по длине катода значение размера первично рекристаллизованного зерна находится в интервале 3,7…14 мкм. Время, необходимое для получения монокристаллической стенки полого катода в результате собирательной и/или вторичной рекристаллизации, составляет 1…32 ч. В результате полная рекристалли- зация зерна в поперечном сечении вольфрамового катода может происходить за один цикл работы плаз- мотрона. Это означает, что электрофизические и тепловые характеристики катода существенно меняются в ходе его работы. Размер зерна также оказывает существенное влияние на сопротивление разрушающему воздействию термических напряжений. Для цитирования: Дутова О.С., Шишкин А.В., Чередниченко В.С. Моделирование теплового и структурного состояния полого катода вакуумного плазмотрона // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 1. – С. 55–68. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.1-55-68. ______ *Адрес для переписки Дутова Ольга Степановна , к.ф.-м. н., н.с. Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, пр. Академика Лаврентьева, 1, 630090, г. Новосибирск, Россия Тел.: 8 (383) 333-10-96, e-mail: odutova@ngs.ru Введение В настоящее время дуговые плазмотроны широко используются в различных областях науки и техники, а также для решения новых электротехнологических задач [1]. Круг плаз- менно-термических процессов, включающих