Анализ температурных характеристик электролитно-плазменного разряда при струйной обработке металлического анода

Введение. Электролитно-плазменные технологии, применяемые для размерной и финишной обработки металлических поверхностей, привлекают внимание благодаря их высокой эффективности и точности. Ключевым фактором, определяющим качество обработки, является температура электролитно-плазменного разряда (ЭПР), влияющая на ионизацию электролита и свойства поверхности. Недостаток комплексных исследований температурных характеристик струйного ЭПР ограничивает оптимизацию процессов. Цель данного исследования — определить распределение температур и тепловых потоков в системе «струйный электролитический катод — металлический анод» при различных условиях обработки.

Материалы и методы. Исследования проводились с использованием струи электролита диаметром 3 мм с массовой скоростью потока 0,25–3,75 г/с при напряжении 20–500 В. В качестве анода применялись стали ХВГ и 08Х18Н9Т, электролиты — водные растворы NaCl, (NH₄)₂SO₄, C₆H₈O₇ с концентрацией 4–50 г/л. Температура измерялась хромель-алюмелевой термопарой, инфракрасным пирометром и тепловизором.

Результаты исследования. Разработано уравнение теплового баланса, описывающее распределение тепла между металлическим анодом (МА), струйным катодом, электролитом, паром и излучением. Анализ вольт-амперных характеристик (ВАХ) показал рост тока при низких расходах электролита (0,75–1,2 г/с) с последующим снижением при 300–500 В и параболическую зависимость с максимумом 2,6 А при расходе 2,37 г/с. Максимальная температура МА достигала 100 °С (NaCl, 4–35 г/л) и снижалась до 82 °С при 150 г/л, а полого катода — 158 °С при начальной температуре электролита 90 °С. Температура пара варьировалась от 67,3 (высокие расходы) до 87,5 °С (низкие расходы). Убыль электролита на испарение достигала 5,8 г при 300–340 В. Температура на периферии анода была на 15–20 % выше, чем в центре.

Обсуждение и заключение. В процессе формирования электрического разряда (ЭР) в приповерхностном электролитно-плазменном слое выделяется теплота за счет множества микроразрядов, возникающих из-за высокой напряженности электрического поля на вершинах микронеровностей, границах зерен, дислокациях, отдельных атомах, а также на отрицательно заряженных поверхностях, таких как жировые отложения или окисленные участки. Основным источником теплового потока является тепло, выделяемое по закону Джоуля-Ленца. До напряжения 260 В дополнительный вклад вносит экзотермическая реакция окисления углерода в стали. Сформированное тепло неравномерно распределяется между электролитом, МА, полым катодом, паром и излучением. Наибольшее тепловыделение наблюдается в зоне формирования ЭР в виде эллипсоида, где фиксируются максимальные температуры МА (до 100 °C), полого катода (до 158 °C) и пара (до 87,5 °C). Полученные данные и уравнение теплового баланса создают основу для оптимизации струйного электролитно-плазменного полирования в машиностроении, медицине и микроэлектронике.

1. Quitzke S, Danilov I, Martin A, Morgenstern R, Lampke Th, Schubert A. Simulation-Assisted Process Design and Experimental Verification of Laterally Confined Oxide Areas Generated with Continuous Electrolytic Free Jet on EN AW-7075 Aluminum Alloy. Micromachines. 2023;14(2):293. https://doi.org/10.3390/mi14020293

2. Bagautdinova LN, Gaisin FM. A Multichannel Discharge in Conducting Liquid at Atmospheric Pressure. High Temperature. 2010;48:126–128. https://doi.org/10.1134/S0018151X10010153

3. Gaisin AlF, Son EE. Vapor-Air Discharges between Jet Electrolytic Cathode and Metal Anode at Low Pressure. High Temperature. 2010;48:447–450. https://doi.org/10.1134/S0018151X10030223

4. Nagulin KYu, Terent’ev AA, Belov MD, Gil’mutdinov AKh. Electrolytic-Plasma Jet Polishing of Additively Manufactured Gas Turbine Engine Components. Russian Aeronautics. 2022;65(4):822–830. https://doi.org/10.3103/S1068799822040237

5. Danilov I, Hackert-Oschätzchen M, Zinecker M, Meichsner G, Edelmann J, Schubert A. Process Understanding of Plasma Electrolytic Polishing through Multiphysics Simulation and Inline Metrology. Micromachines. 2019;10(3):214. https://doi.org/10.3390/mi10030214

6. Гайсин Ал.Ф., Гайсин Ф.М., Басыров Р.Ш., Каюмов Р.Р., Мирханов Д.Н., Петряков С.Ю. Электрофизические и тепловые процессы в условиях горения разряда с жидким (неметаллическим) катодом. Теплофизика высоких температур. 2023;61(4):484–491. https://doi.org/10.31857/S004036442304004X

7. Viet D Bui, Martin A, Berger Th, Steinert P, Schubert A. Antibacterial Surface Protection using Electrical Discharge Machining with Zinc Tool Electrode for Medical Devices. Procedia CIRP. 2024;125:278–283. https://doi.org/10.1016/j.procir.2024.08.058

8. Дьяков И.Г., Белкин В.С., Шадрин С.Ю., Белкин П.Н. Особенности теплообмена при анодной электролитноплазменной обработке цилиндрических деталей Электронная обработка материалов. 2014;50(4):65–75. URL: https://eom.usm.md/index.php/journal/article/view/eom.2014.50.4.65 (дата обращения: 10.02.2025).

9. Popov AI, Novikov VI, Radkevich MM. Characteristics of the Development of Electric Discharge between the Jet Electrolyte Cathode and the Metal Anode at Atmospheric Pressure. High Temperature. 2019;57(4):447–458. https://doi.org/10.1134/S0018151X19030118

10. Куликов И.С., Ващенко С.В., Каменев А.Я. Электролитно-плазменная обработка материалов. Минск: Издательский дом «Беларуская навука»; 2010. 232 с.

11. Witzke M, Rumbach P, Go DB, Sankaran RM. Evidence for the Electrolysis of Water by Atmospheric-Pressure Plasmas Formed at the Surface of Aqueous Solutions. Journal of Physics D: Applied Physics. 2013;46:129601. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/44/442001

12. Valentinčič J, Koroth JE, Zeidler H. Advancements in Surface Finish for Additive Manufacturing of Metal Parts: A Comprehensive Review of Plasma Electrolytic Polishing (PEP). Virtual and Physical Prototyping. 2024;19:1–23. https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2364222

13. Радкевич М.М., Новиков В.И., Попов А.И., Тюхтяев М.И. Анализ тепловых явлений при струйной фокусированной электролитно-плазменной обработке. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физикоматематические науки. 2016;254(4):141–150. https://doi.org/10.5862/JEST.254.15

14. Кревсун Э.П., Куликов И.С. Устройство для электролитно-плазменной обработки токопроводящего изделия. Патент на изобретение Республики Беларусь № 16101. 2012.

15. Словецкий Д.И., Терентьев С.Д., Плеханов В.Г. Механизм плазменно-электролитного нагрева металлов. Теплофизика высоких температур. 1986;24(2):353–363. URL: https://www.mathnet.ru/rus/tvt4939 (дата обращения: 03.02.2025).

16. Алексеев Ю.Г., Королев А.Ю., Паршуто А.Э., Нисс В.С. Электролитно-плазменная обработка при нестационарных режимах в условиях высокоградиентного электрического поля. Наука и техника. 2017;16(5):391–399. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-5-391-399

17. Quitzke S, Kröning O, Safranchik D, Zeidler H, Danilov I, Martin A, et al. Design and Setup of a Jet-Based Technology for Localized Small Scale Plasma Electrolytic Polishing. Journal of Manufacturing Processes. 2022;75:1123–1133. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.01.064

18. Danilov I, Paul R, Hackert-Oschätzchen M, Zinecker M, Quitzke S, Schubert A. Random Sequential Simulation of the Resulting Surface Roughness in Plasma Electrolytic Polishing of Stainless Steel. Procedia CIRP. 2020;95:981–986. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.02.255

19. Hackert-Oschätzchen M, Meichsner G, Zinecker M, Martin A, Schubert A. Micro Machining with Continuous Electrolytic Free Jet. Precision Engineering. 2012;36(4):612–619. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2012.05.003

20. Nestler K, Böttger-Hiller F, Adamitzki W, Glowa G, Zeidler H, Schubert A. Plasma Electrolytic Polishing – An Overview of Applied Technologies and Current Challenges to Extend the Polishable Material Range. Procedia CIRP. 2016;42:503–507. https://doi.org/10.1016/J.PROCIR.2016.02.240

21. Guo QJ, Zhao YJ, Ni GH, Li L, Lin QF, Sui SY, et al. N2/H2 Non-Thermal Transferred Arc Plasma Nitriding Treatment of Stainless Steel at Atmospheric Pressure. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2020;40(6):1525–1537. https://doi.org/10.1007/s11090-020-10103-0

22. Баринов Ю.А., Школьник С.М. Разряд с жидким неметаллическим катодом (водопроводная вода) в потоке воздуха атмосферного давления. Журнал технической физики. 2016;86(11):155–158. https://doi.org/10.21883/jtf.2016.11.43833.1833

23. Ghezri A, Pratama K, Scholl YV, Küenzi AM, Nelis T, Burger J, et al. Energy Efficient Jet Polishing via Electrolytic Plasma Enhances Corrosion Resistance in Stainless Steel. MDPI. 2024;8(6):289. https://doi.org/10.24451/dspace/11365

24. Gangqiang Ji, Longfei Ma, Liyun Wu. Effect of the Gas Layer Evolution on Electrolytic Plasma Polishing of Stainless Steel. Scientific Reports. 2024;14:22099. https://doi.org/10.1038/s41598-024-74263-1

25. Chuanqiang Zhou, Ning Qian, Honghua Su, Zhao Zhang, Wenfeng Ding, Jiu-hua Xu. Effect of Energy Distribution on the Machining Efficiency and Surface Morphology of Inconel 718 Nickel-Based Superalloy Using Plasma Electrolytic Polishing. Surface and Coatings Technology. 2022:441(15):128506. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128506

26. Gangqiang Ji, Longfei Ma, Sunan Zhang, Juan Zhang, Liyun Wu. Study of Electrochemical Behavior and a Material Removal Mechanism During Electrolytic Plasma Polishing of 316L Stainless Steel. Materials. 2025;18(6):1307. https://doi.org/10.3390/ma18061307

27. Sirota VV, Zaitsev SV, Limarenko MV, Churikov AS, Podgornyi DS. The effect of the introduction of B4C on the adhesive and cohesive properties of self-fluxing coatings. Construction Materials and Products. 2024;7(6):5. https://doi.org/10.58224/2618-7183-2024-7-6-5