CN117660866A - 金属表面等离子爆轰处理装置 - Google Patents

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图尔尹·尤里
赵军军
郭瑞·弗拉基米尔
代锋先
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斯特罗戈诺夫·德米特罗
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Abstract

本发明公开了金属部件等离子爆轰处理装置，包括：电容感应电源，所述电容感应电源包括环形的阴极电极、环形的阳极电极以及中心电极，所述中心电极与阳极电极固定连接；反应室，所述反应室为环绕阳极电极的环形腔室，所述反应室将阴极电极与阳极电极分隔开；爆炸枪，所述爆炸枪与爆炸枪环室相连通，用于引入可燃气体并进行周期性的引爆；喷嘴，所述喷嘴与环形腔室相连通，用于将合金元素引入；本发明通过设置金属部件等离子爆轰处理装置，提高该装置在金属表面的硬化效果、改善合金元素的均匀分布、提高工件表面的改性质量和生产率。

Description

金属表面等离子爆轰处理装置
技术领域
本发明属于材料加工领域，具体涉及金属表面等离子爆轰处理装置。
背景技术
已知一种高压等离子装置(RU PATENT 2 529 056 C2，IPC H05H 1/26(2006.01).公布时间：2014年09月27日，公报No.27)。高压等离子装置由高压电源、等离子发生器、圆锥形喷嘴、圆形的点火和输出电极、具有孔平行于轴的中心绝缘垫圈和孔与装置轴线倾斜的绝缘垫圈组成。此外，还有一个风扇，用于轴向供给空气。
该发明是等离子技术，可使用各种气体加热处理金属部件的表面。其技术成果是提高了装置的效率，并延长了工作电极的使用寿命。在连续模式下形成高频交流电压的高压电源连接到圆锥形喷嘴和圆形电极，圆形电极有两个，分别用于点火和输出。两个圆形电极通过中心绝缘垫圈同轴安装在圆形绝缘体中(即装置的主体中)，中心绝缘垫圈的孔与装置主轴平行，用于通入空气。
高压等离子装置按照以下方式工作：打开高压电源，触发点火电极端部到圆锥形喷嘴底部的高压放电，并在它们之间的窄间隙中产生电弧。打开风扇，由绝缘垫圈的倾斜孔吹入，气流围绕圆锥形喷嘴旋转。气流的平移-旋转运动将电弧带到圆锥形喷嘴的边缘，然后气流将电弧以等离子的形式通过喷嘴的内孔吹出。绝缘垫圈上的孔为冷却等离子装置的结构元件提供了额外的气流，并有助于等离子射流形状的稳定。
该已知装置的主要缺点是等离子射流的功率低，受等离子装置结构的限制，其电极表面随着电流增加会加剧烧蚀。该等离子装置不能用于金属部件的系列化、大批量生产中快速加热工件表层。
已知一种使用双弧等离子以自动和手动模式对钢和铸铁部件进行等离子硬化的装置，RU Patent 95，665U1，IPC C21D1/09(2006.01)。公布日期：2010年07月10日，公报No.19。
该等离子硬化装置由工作气体供给系统、绝缘体和阴极组件组成。等离子加速器有一个使用铁磁性钳口扫描装置的喷嘴，在结构上集成到小型等离子加速器中。还有用于在操作过程中固定、转动和调整等离子加速器的装置，以及喷嘴和铁磁性钳口喷嘴的冷却系统。等离子加速器中内置电弧扫描装置，其中包括发电机、电磁线圈和铁磁性海绵、一个内置振荡器和测量仪器的控制面板。感应线圈上有一个交流电压电位的指示器、一个直流电压的调节器。通过在金属工件表面上方移动双弧等离子加速器，燃烧电弧直接和间接作用于工件表面进行硬化。在该等离子加速器中，每个电弧由单独整流器供电，每个电弧的电功率可单独调节。
该已知装置的缺点是等离子射流的功率低、速度慢、动能低。所形成的等离子射流的技术参数不足以在工件表面形成足够厚(高达50μm)的纳米晶层。
已知的一种金属产品等离子爆炸加工方法和装置。欧洲专利，申请号：91907287.6INT.cl.5：C23C 4/00，B05B7/20.公开号:0531527A1。
根据该发明，脉冲等离子发生器有2个燃烧室——反应室和爆震室，其中填充有可燃气体混合物和元素周期表中III、IV、V、VI族元素金属的粉末材料。火花塞固定在爆炸燃烧室中，可在气体混合处周期性地引爆可燃混合气体。在反应室，爆轰燃烧模式是在电磁场中进行的，电磁场由燃烧产物转换电流而产生。该发明通过燃烧产物、粉末材料的高能射流加工金属表面。同时，粉末材料和等离子化合物沉积在金属表面上。由于快速加热和冷却，金属表面发生了再结晶以及弥散合金化。该装置可用于硬化机械零件和工具的磨损面。
该发明的缺点是使用粉末材料对工件表面进行改性，这会改变工件表面的几何参数。此外，改性表面采用等离子射流加热，由于传热介质的对流机理，加热速度受到限制。因此，工件表面对于再结晶和形成纳米晶材料的加热和冷却速率不够高。反应室中燃烧产物不均匀地引入会导致电极间隙中放电的不均匀，从而造成电极表面局部烧蚀。腐蚀产物污染的等离子射流和电流的不均匀输入，形成不对称射流，会在金属工件表面上形成相应的燃烧产物冲击压缩区域作用。最终，在工件表面形成不均匀的快速硬化层。该装置效率低，使用该装置加工的表面需进行研磨处理，以保证所需的粗糙度和精度，这也是限制其使用的另一个原因。
针对上述技术问题，故需要进行改进。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了金属部件等离子爆轰处理装置，提高该类装置在金属表面的硬化效果，改善合金元素的均匀分布，提高工件表面的改性质量和生产率。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：金属部件等离子爆轰处理装置，包括：电容感应电源，所述电容感应电源通过第一电流引线和第二电流引线分别连接阴极电极和中心电极，所述中心电极与阳极电极固定连接；反应室，所述反应室包括环绕阳极电极的环形腔室和锥形腔室，由阳极电极和阴极电极之间的空腔组成，将阴极电极与阳极电极分隔开；爆炸枪，所述爆炸枪与爆炸枪环室相连通，用于引入可燃气体并进行周期性的引爆；喷嘴，所述喷嘴连接到环形腔室，用于将元素周期表第III、IV、V、VI族的一种或多种元素和或其化合物引入环形腔室；消耗电极，所述消耗电极固定于中心电极和阳极电极的轴线上并贯穿阳极电极，用于提供合金元素；所述消耗电极与阳极电极之间设置有冷却腔，冷却腔将消耗电极与阳极电极分隔。
作为本发明的一种优选方案，所述爆炸枪设置有可燃气体进气口、氧气进气口和电火花塞；电火花塞通过角集中器与辅助管连接，周期性放电引爆可燃气体混合物。
作为本发明的一种优选方案，所述爆炸枪上的角集中器通过辅助管与爆炸枪环室连接。
作为本发明的一种优选方案，所述爆炸枪环室分为上下两个相同的腔室，上下两个环室通过平滑接头相连，辅助管切向输入爆炸枪上环室的末端和下环室的前端。
作为本发明的一种优选方案，所述喷嘴切向连接到爆炸枪下环室的环形分配器中，在环形分配器的圆周上均匀分布着小孔，每个孔上安装的角反射器连通到环形腔室中，向环形腔室均匀的供给爆炸燃烧产物，将元素周期表第III、IV、V、VI族的一种或多种元素和或其化合物(使用烃气或氮气载气输送粉末等)均匀引入反应室。
作为本发明的一种优选方案，所述角反射器的总横截面积小于爆炸枪环室的总横截面积。
作为本发明的一种优选方案，所述爆炸枪环室、环形腔室、阳极电极、中心电极同轴设置。
作为本发明的一种优选方案，所述阴极电极与阳极电极之间还设置有第一环形绝缘体和第二环形绝缘体；第一环形绝缘体和第二环形绝缘体之间装配有环形接头。
作为本发明的一种优选方案，所述冷却腔由消耗电极和阳极内壁之间的腔体组成，由冷却气体进气口进入冷却腔内的冷却气流沿着阳极内壁集中到电极末端，用于冷却消耗电极。
作为本发明的一种优选方案，所述阴极电极的底部形成有阴极出口端，阴极出口端与电极末端之间形成用于冲击工件表面的等离子射流。
作为本发明的一种优选方案，所述消耗电极的电极末端被消耗时可以通过轴向移动来补偿，其通过气流冷却。
作为本发明的一种优选方案，所述合金元素以可再生涂层的形式置于反应室的内表面上，在消耗后可通过热喷涂等方法重新制备。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明通过设置金属部件等离子爆轰处理装置，提高该装置在金属表面的硬化效果、改善合金元素的均匀分布、提高工件表面的改性质量和生产率。
2.本发明的金属部件等离子爆轰处理装置可增加产生脉冲等离子的频率。通过10～15个连通到环形腔室中的角反射器，向环形腔室均匀的供给爆炸燃烧产物，使电流在电极表面上的能量转换均匀分布，可确保能量密度的相应降低，同时降低电极表面的侵蚀强度；产生脉冲等离子的频率增加5～10倍。
3.本发明增加反应室中以及等离子射流中合金元素分布的均匀性；扩大了装置的应用范围，可在金属部件工作表面形成纳米晶层。
附图说明
图1.是本发明的金属部件等离子爆轰处理装置示意图；
图2.是本发明的金属部件等离子爆轰处理装置爆炸燃烧产物流向和能量转换示意图；
图3.是本发明的图2的A-A剖视图；
图4.是本发明的图2的B-B剖视图；
图5.是本发明的金属部件等离子爆轰处理装置的消耗电极与工件表面之间的能量转换示意图。
附图标记说明：中心电极1、消耗电极2、冷却气体进气口3、螺钉4、爆炸枪5、可燃气体进气口6、氧气进气口7、电火花塞8、角集中器9、辅助管10、喷嘴11，角反射器12、阳极电极13、阴极电极14、锥形腔室15、阳极内壁16、电极末端17、阴极出口端18、环形腔室19、环形分配器20、平滑接头21、爆炸枪环室22、第一环形绝缘体23、环形接头24、第二环形绝缘体25、第一电流引线26、第二电流引线27、工件28、冲击压缩层29、等离子射流30。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明是金属部件等离子爆轰处理装置，包括：电容感应电源，所述电容感应电源通过第一电流引线26和第二电流引线27分别连接阴极电极14和中心电极1，所述中心电极1与阳极电极13固定连接；反应室，所述反应室包括环绕阳极电极的环形腔室19和锥形腔室15，由阳极电极13和阴极电极14之间的空腔组成，将阴极电极14与阳极电极13分隔开；爆炸枪5，所述爆炸枪5与爆炸枪环室22相连通，用于引入可燃气体并进行周期性的引爆；喷嘴11，所述喷嘴11连接到环形腔室19，用于将元素周期表第III、IV、V、VI族的一种或多种元素和或其化合物引入环形腔室；消耗电极2，所述消耗电极2固定于中心电极1和阳极电极13的轴线上并贯穿阳极电极13，用于提供合金元素；所述消耗电极2与阳极电极13之间设置有冷却腔，冷却腔将消耗电极2与阳极电极13分隔。
爆炸枪环室22分为上下两个相同的腔室，爆炸枪环室22、环形腔室19、阳极电极13、中心电极1同轴设置，辅助管10切向输入爆炸枪上环室的末端和下环室的前端，这可确保爆炸燃烧模式的发展。沿着爆炸枪下环室圆周均匀分布的角反射器12，其总横截面积低于爆炸枪环室的总横截面积，可确保向反应室环形腔室19均匀的供给爆炸燃烧产物。
沿反应室的轴线方向安装一个棒状的消耗电极2以提供合金元素，电极末端17被消耗时可以进行轴向移动补偿，其通过气流冷却。合金元素还可以通过喷嘴11切向输入爆炸枪下环室中并通过环形分配器20及角反射器12引入反应室的环形腔室19中。合金元素还可以可再生涂层的形式置于反应室的内表面上。涂层材料消耗后，可通过热喷涂方式再进行制备。
喷嘴11，所述喷嘴11与环形腔室19相连通。一种或多种元素周期表中III、IV、V、VI族的元素或其化合物合通过喷嘴11切向输入爆炸枪下环室的环形分配器20中，通过环形分配器20圆周均布的孔及与其相连的角反射器12与环形腔室19连通。
消耗电极2，所述消耗电极2固定于中心电极1的轴线上并被冷却气体进气口3输入的冷却气流冷却；冷却气流沿着阳极内壁16流出，阳极内壁16可将冷却气流集中到电极末端17；阴极电极14的底部为阴极出口端18，电极末端17与阴极出口端18之间形成用于冲击处理工件28表面的等离子射流30；脉冲等离子对工件28表层的每一次冲击都伴随着电流冲击。通过等离子将合成产物和工件表面周期性地快速加热至相变温度以上并冷却。工件表层的快速加热和冷却，与脉冲电流的冲击、磁场、声场冲击和振动的作用同时进行。脉冲电流强度为10×107A/m2，磁场强度为4×105A/m，声压范围为140～150dB，振动频率为20000Hz。
电容感应电源通过第一电流引线26和第二电流引线27连通电路。本装置配有电容感应电流存储器，通过爆炸燃烧的导电产物以1～5Hz的频率切换装置的电极极性。在电流换向间隙，由等离子元素和消耗电极元素形成的等离子化合物层凝结在工件表面。每个等离子脉冲期间，该等离子化合物周期性地熔化与基体结合。此外，电流通过脉冲等离子在消耗电极末端与硬化表面之间的间隙中进行切换。
等离子爆轰装置的结构特征可提高等离子射流的功率。4000～6000A电流沿着等离子射流会产生相应的脉冲磁场。在脉冲等离子中注入金属蒸汽和可燃气体可提高其电导率，并提高等离子化学合成的效率和合成产物在工件表面的沉积效率。金属蒸汽可从消耗电极注入等离子中。
该等离子脉冲能量可快速加热表面并形成高的温度梯度。高梯度加热局部表面使其发生弹塑性变形、细化表层材料晶粒、加强表面扩散过程。
等离子爆轰处理装置会产生强烈的声振动，从而激活金属工件中的声子和声子-电子相互作用，从而增加金属的导热性和温度梯度。最终，等离子爆轰处理提供了有效的弹塑性变形、纳米晶的形成。脉冲磁场可激活磁振子，其作用方式与声子类似。
装置可将消耗电极的金属元素和气体注入等离子。这些元素形成化合物的过热蒸汽，在电流换向间歇期间沉积在工件表面。随后的等离子脉冲将沉积层与基体表面一起熔化，并对工件的表层进行复杂的合金化。消耗电极通过粉末冶金或其他合金方法由各种粉末制成。
使用等离子爆轰处理装置的上述重要特征决定了金属工件可形成表面高质量的纳米晶层。该装置可减少合金元素的消耗，并降低制备涂层的成本(与原型装置相比)。
在装置的反应室内和电极间隙中填充可燃气体混合物，周期性的启动爆炸燃烧模式。燃烧产物在反应室中转换电流脉冲。最终，冲击脉冲、声脉冲和磁场的磁脉冲共同作用于工件表面上。电流通过脉冲等离子在消耗电极末端与硬化表面之间切换。
工件表层同时产生弹塑性振动、声振动和磁振动。沿装置的轴线安装一个消耗电极，使等离子富含参与等离子化学合成过程的合金元素，形成其相对的等离子应化合物周期性地沉积在工件表面上。将金属蒸汽和反应元素注入等离子，其化合物沉积在工件表面上。装置的电极和工件表面连接到脉冲电源电路，电流由燃烧产物转换。通过脉冲电流和等离子对工件表面进行加热。表层与沉积层一起加热至相变温度以上。工件表层的局部区域内形成高的温度梯度。快速加热和冷却可在表层形成弹塑性变形波，使表层材料产生变形，显著增加热传质，并形成纳米晶层。
具体的，如图1所示，图1是本发明的金属部件等离子爆轰处理装置示意图；爆炸枪5设置有可燃气体进气口6、氧气进气口7和电火花塞8；通过电火花塞8的放电引爆；爆炸枪5上的角集中器9通过辅助管10与爆炸枪环室22连接；爆炸开始在爆炸枪环室22上环室发展，通过平滑接头21移动到爆炸枪环室22的下环室与环形分配器20连接；阴极电极14与阳极电极13之间还设置有第一环形绝缘体23和第二环形绝缘体25；第一环形绝缘体23和第二环形绝缘体25之间装配有环形接头24；粉末或悬浮液形式的合金元素由喷嘴11引入环形分配器20。合金元素与爆炸燃烧产物通过环形分配器20及角反射器12输入反应室的环形腔室19中，反应室的环形腔室19受轴向阳极电极13和阴极电极14表面的限制。反应室的环形腔室19前端为锥形腔室15。棒状消耗电极2沿中心电极1的轴线固定，并被冷却气体进气口3输入的冷却气流冷却。冷却气流的流动受阳极内壁16限制，阳极内壁16将气流集中到电极末端17。阳极电极末端17和阴极出口端18之间的间距可形成电磁透镜，在脉冲电流通过期间聚焦等离子。通过阴极电极14的外壳、环形绝缘体23、阳极电极13上的环形接头24、第二个环形绝缘体25固定内部的阳极电极13。整个绝缘结构用螺钉4紧固；电容感应电源通过第一电流引线26和第二电流引线27连通电路。
如图2-4所示，图2是本发明的金属部件等离子爆轰处理装置爆炸燃烧产物流向和能量转换示意图；图3是本发明的图2的A-A剖视图；图4是本发明的图2的B-B剖视图；阳极和阴极的锥形部分形成反应室的锥形腔室15、沿反应室轴线安装的消耗电极2、通过第一电流引线26和第二电流引线27连接电源电路；爆炸枪5、爆炸枪环室22和环形腔室19填充有可燃气体混合物。该混合物以2～5Hz的频率周期性地启动爆炸燃烧模式。在反应室的环形腔室19和锥形腔室15中，形成爆炸燃烧产物的导电层。爆炸冲击波介质的低电阻(～20Ω)使在该层中的能量转换产生电流、形成爆炸燃烧产物加速和加热的磁气动力模式。
如图5所示，图5是本发明的金属部件等离子爆轰处理装置的消耗电极与工件表面之间的能量转换示意图；在等离子装置出口处的电极末端17和阴极出口端18之间，电流的开关产生等离子射流30；等离子射流到工件28的表面形成冲击压缩层29。该层的导电等离子聚集在轴线上流向工件28的表面，工件连接电路的阴极。等离子射流在消耗电极-阳极末端17和工件28的表面之间转换电能。电流在消耗电极末端17、阴极出口端18的环形端面、以及工件28的表面之间转换极性，形成反应区域即等离子冲击压缩层29；在该区域中会发生等离子化合物的反应，这些化合物在工件的冷表面上流动和沉积；电路闭合，脉冲电流通过金属工件的表面，工件表面与表层等离子化合物一起被高梯度加热和快速冷却；该装置的用途是形成等离子化合物的高速射流，射流到工件表面并形成高密度冲击压缩层29。该区域在超过5000A的电流下维持0.6～0.8ms。该层中的等离子化合物沉积在工件表面。在冲击压缩层形成时，放电电弧可清除工件表面的污染物，并通过过热氢气流恢复。
该装置通过电流、过热燃烧产物、冲击波、声波和电磁波对产品处理表面进行复杂的能量作用。
结果，在工件表面形成金属合金化纳米晶结构层，改性层中间部分硬度可达16GPa。靠近表面的硬度降低至11GPa。反复熔化、熔池合金化和快速冷却，获得的硬化层表面具有一层厚度≤5μm的非晶层。从硬化层到基体硬度逐渐降低至基体硬度4GPa(为U10A钢交货状态下的硬度)。
该装置可使用多种消耗电极，可将各种重金属(W、Mo、CrNi)引入等离子体。硬化效率的提高取决于所引入的金属密度和冲击的脉冲次数。在8个冲击脉冲下引入钨和/或钼元素可获得最大硬度的硬化层。脉冲数减少到3时，硬化层的硬度降低为12GPa。使用由CrNi合金制成的棒材作为消耗电极时，获得的硬化层硬度最小。
在装置出口处，能量在工件表面聚焦成直径为10～20mm的斑点。在该斑点区，表层形成高温度梯度并产生相应的弹塑性变形，从而提高热传质的效率。此外，硬化表面会产生强烈的声振动，从而激活金属工件材料中的声子和声子-电子相互作用，同时增加金属的热导率和温度梯度。脉冲磁场激活磁振子，其作用类似于声子。将金属蒸汽和反应元素引入每个等离子脉冲可提高等离子的电导率、改性层的等离子化学合成效率和工件表面合金化的效率。
使用脉冲等离子装置硬化模具钢。使用钨极作为消耗电极固定在等离子装置中。经等离子处理后，获得了厚度为10μm的改性层，在深度2μm处含有4％至38％的钨。硬化工具的表面仅含45％的铁，其余为金属和非金属合金元素。表面形成了高质量的纳米晶层，具有高的抗粘性、耐热性、耐磨性和耐腐蚀性。
合金元素以粉末和气体的形式引入等离子爆轰处理装置的电极间间隙中。例如，引入氮气和硅粉末。研究表明，引入氮气和硅粉末使用等离爆轰装置进行处理后，工具钢(基体Fe、5.0Cr、1.0Si、1.0V、0.37C)表面形成了新的纳米晶层。使用该装置对冲压工具进行表面改性。冲压工具的工业试验表明，等离子爆轰处理可将其性能提高3～6倍。
等离子爆轰处理加工时，工件表面的能量密度不仅取决于电容储能器存储的能量，还取决于R-L-C电源电路的放电参数。工件表面相对于等离子发生器中心电极的极性是一个重要的技术参数，会影响待处理表面的化学热过程。
根据等离子爆轰装置电极间间隙中的电场强度，评估冲击压缩层中的等离子参数和进入工件表面的热通量。结果表明，当工件为阳极时，工件表面的能量密度最大，电极间间隙电场强度为3.5×105V/m时，能量密度为1010W/m2。当工件为阴极时，热通量会降低。
如上所述，当工件为阳极时，脉冲放电的能量能最有效地利用，热通量最大。另一方面，当工件表面为阴极时，电场强度主要影响等离子射流中的金属蒸汽和等离子化合物的沉积。
这种加工可周期性地引入合金元素和高梯度加热工件表面，有利于材料的强烈变形和异常传质效应的实现。同时声振动和磁振动会增强处理效果。
以下处理模式是最佳的：放电电路的电感L＝27μH，电容存储器的电容C＝800μF，电容极板上的电压U＝3kV，到表面的距离H＝40mm，电极内缩h＝18mm，处理区域的重叠数K＝5。硬化表面通过周期性地接通阴极或阳极，取决于等离子射流的电导率。
优化合金元素层的沉积模式以及沉积层与硬化表面的加热模式。可使用丙烷-丁烷作为可燃气体。合金元素的引入根据工艺需求，可使用粉末冶金方法制造的钨棒或钼、钛电极，也可以使用各种金属粉末的烧结机械混合物。当工件为阳极接通电路时，硬化表面的温度最高。在这种情况下，表层中形成高梯度热振动，从而形成超过材料极限强度的剪切应力。表层材料的强烈塑性变形为纳米晶形成和弥散合金化提供了条件。声压范围为140～150dB、振动频率为20～20000Hz的(多个)声波，同时作用于硬化层，强化加工过程。声学作用可激活材料中的声子，磁振动则激活磁振子，从而显著提高介质的电导率。
等离子爆轰处理装置中可燃气体混合物(C3H8、O2、N2)的起爆频率可在1～5Hz范围内变化。由于可燃混合物在爆炸枪和爆炸枪环室中发生爆炸燃烧模式，电离爆炸燃烧产物注入同轴电极之间，R-L-C电源电路闭合。在等离子发生器的电极间隙中，电流在爆轰波前沿后面沿导电气体体积流动，其电离程度随着时间的推移而增加。中心电极周围产生磁场，该磁场与在电极间隙中流动的电流相互作用，并产生加速等离子的电磁力。此外，当电流流动时，会释放焦耳热(这是由于受热气体体积膨胀)，焦耳热可增强等离子的气体动力分量。等离子射流闭合消耗电极和工件表面之间的电路。消耗电极接通阳极时，电极末端的材料薄层会过热而爆炸(从亚稳定状态过渡到稳定状态)破坏。这可确保将加热和加速的元素从电极同步注入等离子射流。
在等离子射流的减速区域，在处理表面上会形成等离子和电极侵蚀产物的冲击压缩层。该层与工件表面相互作用的持续时间为0.4～0.6ms，热通量在0.3×105～1.4×106W/cm2范围内变化。热通量由电源电路R-L-C的参数、距离H和电极内缩h调节。电极内缩主要影响等离子与工件表面的接触斑点的直径，确保其在10mm～20mm范围内变化。因此，可在相同的脉冲能量下控制热通量密度。
所开发的设备的特征还包括：可以将元素周期表第III、IV、V、VI族的一种或多种元素和或其化合物引入等离子。当表面与阴极接通时，这些元素会沉积在表面上。表层的弹塑性变形与作用于工件表面的脉冲电流(≤6kA)所产生的电磁作用相结合，可强化晶粒的传质和分散机制。
金属部件等离子爆轰处理装置具有多个环形爆轰枪，可形成燃烧产物和合金元素的高能射流。在装置中，分布在工件表面上的电能在反应室中进行转换。这可降低电极单位面积的能量密度，从而降低电极表面的烧蚀。最终，大面积的电能转换分布可极大地减少电极烧蚀产物对等离子射流的污染，并极大地提高等离子爆轰处理装置的效率(10～20倍)。
合金元素的引入和电能的转换是在反应室的多个局部区域进行的，这可显著降低比能量密度并确保合金元素在等离子射流中的均匀分布。来自爆炸燃烧的所有局部区域和产物的电流能量总和可确保合金元素的热活化，并产生高速等离子射流——过热燃烧产物和合金元素。等离子射流流向处理表面并形成冲击压缩层。在该层中工件表面的被快速加热冷却，以及等离子元素对表面进行合金化加工。
实验工作表明，在脉冲之间的3～5ms内，等离子化学合成产物从电极间间隙流到工件表面并沉积。随后的等离子脉冲熔化薄的表层，将其与工件表层混合并通过合金元素使其饱和。
基于非平稳热传导方程的理论分析，对铁基合金中的热通量进行了评估。结果表明，持续时间τ＝0.6ms、功率q＝7.2×108W/m2的单个脉冲时间在距工件表面不同距离处的温度是变化的。数值分析表明，加热和冷却速率可达107K/s，改性层厚度上的温度梯度可达2.5×107K/m。在频率为2Hz的多个脉冲之间的时间内，加热到熔化温度的表层有时间冷却。对表面的多次脉冲等离子作用可引起表层的周期性变形、相硬化和结构细化。
本发明的有效性可通过硬化冲压工具表面来进行测试。将氮气和非晶硅细粉末射流供给到装置的电极间间隙中，用于引入额外的合金元素硅和氮。
铬硅化处理是一种高温(950～1200℃)化学热处理工艺。经铬硅化处理后的零件具有更高的抗氧化性和耐酸性，以及在800～1000℃下的高温耐腐蚀性。合金元素在改性层厚度上的分布是使用辉光放电光谱仪发现的。
在等离子中引入钨、硅和氮等元素对模具钢表面进行脉冲等离子处理后，进行精确定量、逐层分析。结果表明，合金元素的分布深度可达10μm。在模具钢表层形成一种高合金元素含量的新材料。该材料具有纳米晶结构。
对4X5MF1S模具钢进行了试验工作。这种钢用于制造在630℃温度长期热循环条件下运行的工具(如挤压杆、用于管道穿孔的针、锤锻镶件和冲压镶件、用于镦粗工件的工具等)。为了提高工具工作层的耐热性，需要增加表层中钨、硅、氮和碳的含量，以及将晶粒结构细化、和合金弥散强化到纳米级。
脉冲等离子处理的最佳工艺参数：放电电路的电感L＝27μH，电容存储器的电容C＝800μF，电容器组极板上的电压U＝3kV，到表面的距离H＝40mm，电极内缩h＝18mm，处理区域的重叠数K＝5，消耗电极为钨极。
使用消耗电极钨极对模具钢进行脉冲等离子硬化，获得了厚度为10μm的层，在深度2μm处含有4％至38％的钨。硬化工具的表面仅含45％的铁，其余为金属和非金属合金元素。表面形成一种高质量的纳米晶层：高抗粘性、耐热性、高耐磨和防腐蚀性。冲压工具的工业试验表明，脉冲等离子硬化可将其性能提高3～6倍。
在空气中对40Kh钢工件表面使用钨和碳进行复合的合金化处理。高能量密度等离子加热表面，确保了加热和冷却过程中形成高的温度梯度。实现了表层结构的异常合金化、变形和细化机制。研究表明，表面获得了改性层。该层与基体金属有清晰的边界。表面的粗糙度没有变化。使用配备能量色谱仪分析系统的透射电子显微镜对试样进行检查，可以确定表面的改性层具有高含量的钨(为38at.％)和氧(为13.8at.％)。近表层未发现氧，钨的含量为19.38at.％，由表面到1μm的深度处钨的含量逐渐降低至4at.％。改性层的晶体结构接近纳米晶结构。表面的显微硬度为1073HV1000。由于改性层厚度很小，在1000g载荷下会被压头压弯，这种评估硬度的方法不准确，测得的硬度比实际硬度要低。在50μm深度处，合金的结构没有明显的变化，但硬度为451HV300，约为基体硬度的三倍。使用能量色谱仪在扫描电子显微镜上对试样进行分析的结果表明，表层含有7at％的碳。钨以金属棒状电极的侵蚀产物的形式引入等离子体中，氮和碳以爆炸混合物的成分的形式引入等离子中。
等离子爆轰装置可以使工件表面同时具备高耐热性、高硬度和高强度。通过往复式磨损试验测试了经等离子爆轰硬化后工件的磨粒磨损性能。对磨件是由SiC制成的直径为5mm圆柱销，碳化硅的硬度为30GPa。对比硬化与未硬化试样的试验结果表明，经过脉冲等离子处理后的表面耐磨性提高了数百倍。研究表明，改性后工件表面的摩擦系数更稳定，不会随时间的推移波动，恒定在0.3的范围内。未处理表面的摩擦系数在0.4～0.8之间波动。试验结果的分析表明，硬化工件没有出现因脆性断裂等失效形式。经等离子爆轰处理的工件表面，提高了表层难熔合金元素的含量。实验结果表明，本装置对工件表面的改性处理伴随着复合作用——加速等离子成分深入硬化表面的传质。经处理后，表层在深度为5～10μm处含有合金元素(W、Si、N、C)。在深度为40μm处，工具发生合金化、再结晶并形成纳米晶。
本金属部件的等离子爆轰处理装置可实现工件及试样表面合金化的效果。这是由于声子和磁振子的激活强化了热传质过程，表层中形成了高温梯度以及材料的强烈弹塑性变形。最终在工件表面形成一层新的纳米晶。
此外，与原型装置不同，本装置是在合金元素和电能消耗较低的情况下进行的，这可确保形成更均匀的改性层，并且还具有更高的性能和效率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：中心电极1、消耗电极2、冷却气体进气口3、螺钉4、爆炸枪5、可燃气体进气口6、氧气进气口7、电火花塞8、角集中器9、辅助管10、喷嘴11，角反射器12、阳极电极13、阴极电极14、锥形腔室15、管壁16、电极末端17、阴极出口端18、环形腔室19、环形分配器20、平滑接头21、爆炸枪环室22、第一环形绝缘体23、环形接头24、第二环形绝缘体25、第一电流引线26、第二电流引线27、工件28、冲击压缩层29、等离子射流30等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (12)

1.金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：包括：
电容感应电源，所述电容感应电源通过第一电流引线(26)和第二电流引线(27)分别连接阴极电极(14)和中心电极(1)，所述中心电极与阳极电极(13)固定连接；
反应室，所述反应室包括环绕阳极电极(13)的环形腔室(19)和锥形腔室(15)，由阳极电极(13)和阴极电极(14)之间的空腔组成，将阴极电极(14)与阳极电极(13)分隔开；爆炸枪(5)，所述爆炸枪(5)与爆炸枪环室(22)相连通，用于引入可燃气体并进行周期性的引爆；
喷嘴(11)，所述喷嘴(11)连接到环形腔室(19)，用于将元素周期表第III、IV、V、VI族的一种或多种元素和或其化合物引入环形腔室(19)；
消耗电极(2)，所述消耗电极(2)固定于中心电极(1)和阳极电极(13)的轴线上并贯穿阳极电极(13)，用于提供合金元素；所述消耗电极(2)与阳极电极(13)之间设置有冷却腔，冷却腔将消耗电极(2)与阳极电极(13)分隔。
2.根据权利要求1所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述爆炸枪(5)设置有可燃气体进气口(6)、氧气进气口(7)和电火花塞(8)；电火花塞(8)通过角集中器(9)与辅助管(10)连接，周期性放电引爆可燃气体混合物。
3.根据权利要求1或2所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述爆炸枪(5)上的角集中器(9)通过辅助管(10)与爆炸枪环室(22)连接。
4.根据权利要求3所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述爆炸枪环室(22)分为上下两个相同的腔室，上下两个环室通过平滑接头(21)相连，辅助管(10)切向输入爆炸枪上环室的末端和下环室的前端。
5.根据权利要求1所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述喷嘴(11)切向连接到爆炸枪下环室的环形分配器(20)中，在环形分配器(20)的圆周上均匀分布着10～15个孔，每个孔上安装的角反射器(12)连通到环形腔室(19)中，向环形腔室(19)均匀的供给爆炸燃烧产物，将元素周期表第III、IV、V、VI族的一种或多种元素和或其化合物均匀引入反应室。
6.根据权利要求5所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述角反射器(12)的总横截面积小于爆炸枪环室的总横截面积。
7.根据权利要求1所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述爆炸枪环室(22)、环形腔室(19)、阳极电极(13)、中心电极(1)同轴设置。
8.根据权利要求1所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述阴极电极(14)与阳极电极(13)之间还设置有第一环形绝缘体(23)和第二环形绝缘体(25)；第一环形绝缘体(23)和第二环形绝缘体(25)之间装配有环形接头(24)。
9.根据权利要求1所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述冷却腔由消耗电极(2)和阳极内壁(16)之间的腔体组成，由冷却气体进气口(3)进入冷却腔内的冷却气流沿着阳极内壁(16)集中到电极末端(17)，用于冷却消耗电极(2)。
10.根据权利要求9所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述阴极电极(14)的底部形成有阴极出口端(18)，阴极出口端(18)与电极末端(17)之间形成用于冲击工件(28)表面的等离子射流(30)。
11.根据权利要求1或9所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述消耗电极(2)的电极末端(17)被消耗时可以通过轴向移动来补偿，其通过气流冷却。
12.根据权利要求1所述的金属部件等离子爆轰处理装置，其特征在于：所述合金元素以可再生涂层的形式置于反应室的内表面上，在消耗后可通过热喷涂等方法重新制备。
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