Электрический разряд между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом

Введение. Газоразрядная плазма, формируемая в межэлектродном промежутке, где один или оба электрода являются жидкостью, представляется одним из перспективных направлений исследований в области механики жидкости, газа и плазмы, а также современных технологий обработки материалов [1]. Одной из востребованных конфигураций выступает система со струйным электролитическим катодом и металлическим анодом, в которой функции катода выполняет проточная струя электролита [2]. Подобная схема позволяет формировать локальную катодную область с газоразрядной плазмой и обеспечивает гибкую настройку параметров процесса [3]. Локальный энерговклад в зоне катодного пятна, эффективный теплоотвод через жидкие электроды, а также оперативное удаление продуктов реакции обуславливают высокую результативность данной конфигурации при локальной обработке поверхностей малогабаритных металлических изделий [4], проведении очистки [5], удалении заусенцев и нанесении функциональных покрытий [6].

Механизм разряда со струйным электролитическим катодом определяется сложным межфазным взаимодействием в трехфазном узле «газ – жидкость – твердое тело» [7]. На характер горения и устойчивость процесса существенное влияние оказывают электрические параметры (напряжение, ток, мощность, вид питания — постоянный или ВЧ-ток) [8], гидродинамика струи (расход, скорость течения, диаметр сопла, уровень турбулентности) [9], термические и массообменные явления (испарение, дегазация) [10], химический состав и удельная электропроводность электролита [11], а также давление и состав окружающей газовой среды [12]. Для таких систем характерны смена режимов горения, возникновение самовозбуждающихся колебаний и срывов, а также выраженная нелинейность вольтамперных характеристик [13]. В сравнении с разрядом на твердом катоде структура приэлектродного слоя у жидкого катода специфична: ключевую роль играют ионная бомбардировка поверхности струи, вторичная электронная эмиссия на границе раздела сред, микроплески и микроразряды на газовых включениях, а также электродинамическая стабилизация или дестабилизация мениска [14].

Практическая значимость таких разрядов обусловлена возможностью направленного изменения микрорельефа и состояния приповерхностного слоя металлического анода без критического термического воздействия на деталь. Это позволяет: формировать активные функциональные группы; регулировать смачиваемость поверхности; проводить очистку от оксидных пленок и органических загрязнений; инициировать центры зародышеобразования для последующего осаждения покрытий; повышать показатели микротвердости и коррозионной стойкости. Локальный характер воздействия особенно актуален для малогабаритных деталей со сложной геометрией, где традиционные механические и электрохимические методы неприменимы. Для промышленного производства наиболее важной задачей остается определение оптимальных режимов обработки, связывающих характеристики разряда и параметры струи электролита.

Вместе с тем данная область исследований на сегодняшний день изучена недостаточно. Не в полной мере описаны условия перехода между различными формами горения разряда в зависимости от электродинамических и гидродинамических факторов. Требуется разработка математических моделей слоя в области жидкого катода, учитывающих процессы генерации парогазовой оболочки. Необходима систематизация режимов в виде карт, где электрические характеристики (удельный энерговклад на единицу площади поверхности, вольтамперные кривые) сопоставлялись бы с итоговыми функциональными свойствами материала. С позиции диагностики востребованы: высокоскоростная визуализация межэлектродных процессов; прецизионная регистрация вольтамперных характеристик и осцилляций тока; оптическая эмиссионная спектроскопия для идентификации состава плазмы, определения концентрации и температуры электронов, а также температуры тяжелой компоненты.

Целью данной работы является установление форм горения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и алюминиевым анодом, выявление областей их устойчивого существования, а также комплексное определение электрофизических, спектральных и тепловых характеристик. Полученные результаты ориентированы на создание научно обоснованных рекомендаций по финишной подготовке и модификации изделий из алюминия и его сплавов.

Материалы и методы. Зажигание и устойчивое горение струйного электрического разряда с жидкой плазмообразующей средой при локальном воздействии на металлический анод были реализованы на лабораторной установке, в которой проточная струя электролита выступает катодом, а металлическая пластина — анодом (рис. 1 а). Конструктивно узел «струя – анод» размещен в объёме электролитической ячейки (рис. 2 б), оснащённой системами подвода и отвода раствора, термостатирования и штатной вытяжной вентиляции рабочей зоны.

В качестве анода использовалась алюминиевая пластина марки АМц-40, закреплённая в ячейке; катод образовывала непрерывная струя 3 %-го водного раствора NaCl, приготовленного на очищенной водопроводной воде. Перед запуском на сопло и струю подавали отрицательный потенциал, на алюминиевую пластину — положительный. Струю формировали через сменное сопло; расход задавали регулирующим краном с контролем по расходомеру. Для стабильности характеристик раствора предусматривалось термостатирование: циркуляционный охладитель рефрижераторного типа удерживал температуру в заданных пределах, а обновление электролита осуществлялось по замкнутому контуру с фильтром грубой очистки для удаления механических примесей. Пары и аэрозоли из рабочей зоны удалялись стационарной вытяжкой. Все токоведущие и корпусные элементы имели защитное заземление.

Питание разряда обеспечивал высоковольтный источник до 4 кВ с номинальным током до 10 А и плавной регулировкой, включающий высоковольтный и низковольтный каналы. Это позволяло гибко задавать диапазоны напряжения и тока, а также запитывать вспомогательные датчики. Текущие значения U и I выводились на панельные индикаторы и дублировались на управляющем ПК для оперативного контроля. В типовых сериях опытов параметры составляли: напряжение U = 0,1–1,1 кВ; давление p ≈ 10⁵ Па (атмосферное); скорость струи v_к = 0,5 – 0,7 м/с; диаметр струи d = 2 мм; длина струи l = 15 мм; удельная электропроводность раствора σ = 0,10–0,12 Ом⁻¹·см⁻¹; температура T = 12–64 °C. Полярность электродов во всех режимах сохранялась: струя — катод, пластина — анод.

Диагностический комплекс включал взаимодополняющие методы визуализации, теплового и электрического контроля, а также оптическую эмиссионную спектроскопию.

1. Высокоскоростная видеосъёмка динамики факела и приэлектродных структур выполнялась камерой «Casio EX-F1» со скоростями 600 и 1200 к/с. Камеру устанавливали на штатив на расстоянии около 300мм от зоны разряда; передача и первичная обработка данных производились на ПК с использованием ПО «HX Link» и «Movavi Video Editor 14 Plus». Съёмка позволяла фиксировать форму и колебания катодной струи, а также эволюцию анодного пятна.
2. Для картирования температурного поля на поверхности анода и в окрестности катодной струи применялась тепловизионная камера «FLIR A6500sc» (640×512 пикселей; 3,6–4,9 мкм) с калибровкой по многоволновому пирометру. Это компенсировало изменения эффективной излучательной способности, связанные с образованием и ростом оксидной плёнки на алюминии. Анализ термограмм выполнялся в программном пакете «ALTAIR v91.010».
3. Пульсации тока и напряжения регистрировались цифровыми осциллографами «GDS-806S» и «GOS-6030». Для синхронизации электрических сигналов с оптическими событиями использовался фотодиодный датчик излучения разряда, подключённый к осциллографу. Такой подход обеспечивал привязку моментов зажигания, переходов между формами горения и всплесков к визуально наблюдаемым изменениям факела.
4. Оптическая эмиссионная спектроскопия осуществлялась на оптико-волоконном спектрометре «PLASUS EC 150201 MC» в диапазоне 195–1105нм. Излучение собиралось коллиматором, подведённым к зоне горения на расстояние 100–200мм. Градуировку аппаратной функции проводили по источнику «СИРШ 6-100»; аппаратная ширина составила Δλ_g ≈ 1 нм. Спектры сопоставлялись с базой данных NIST. По профилям линий водорода серии Бальмера оценивали концентрацию электронов (по уширению H_α).

Набор средств и режимов обеспечил репрезентативные, воспроизводимые измерения и сопоставление электрических, спектральных, тепловых и визуальных характеристик струйного разряда с жидким катодом и локального воздействия на поверхность металлического анода.

Результаты исследования. На фотографиях (рис. 2) показано, что при полярности «струйный электролитический катод — алюминиевый анод» разряд при U = 600 В, p = 10⁵ Па и скорости струи v_k = 0,6 м/с локализуется в двух характерных областях: 1 — в зоне непосредственного контакта струи с поверхностью анода (рис. 2 а) и 2 — в районе распада струи (рис. 2 б).

В первом случае формируется приэлектродная светоизлучающая область, привязанная к «пятну контакта» и линии тройного сечения «газ – жидкость – твердое тело». Во втором — свечение и микроразрядные события возникают на шейках и каплях распадающейся струи, где кривизна поверхности и локальные газовые включения усиливают поле и уменьшают эффективную длину промежутка.

Характерная жёлтая окраска факела в обоих случаях обусловлена главным образом интенсивным излучением резонансного дублета натрия (≈ 589 нм), возникающим за счёт испарения/аэрозольного выброса Na-содержащих компонентов из струи 3 %-го раствора NaCl в прикатодной зоне и их последующей диссоциации-возбуждения в объёме разряда. Вклад непрерывного излучения от разогретых аэрозольных частиц и локальных оксидных включений может придавать оранжево-жёлтый оттенок в моменты пикового энерговклада, но остаётся вторичным по отношению к линиям Na.

Осциллограммы тока (рис. 3) при фиксированном напряжении U = 600 В демонстрируют импульсный характер проводимости: ток реализуется сериями импульсов амплитудой порядка 0,8–1,6 А. Такая интермиттирующая структура соответствует чередованию стадий усиления и ослабления эмиссии электронов на границе газ — жидкость и периодическому «переключению» канала проводимости между двумя геометриями — «пятно на поверхности металлического электрода» и «в зоне распада струи».

Гидрогазодинамические процессы, включая образование газовых пузырьков, возникновение конвективных потоков, а также специфику течения и скорость струи — наряду с сопутствующими вариациями межэлектродного расстояния и геометрии катодного пятна — обуславливают флуктуации плотности тока и напряжённости электромагнитного поля. Данные явления фиксируются на осциллограмме в виде характерных импульсных областей (рис. 3).

Электрические сигналы, полученные при помощи осциллографа, были сопоставлены с данными оптической регистрации свечения разряда. Установлено, что импульсы тока по времени коррелируют с возникновением интенсивного излучения в зоне горения. Это свидетельствует о том, что определяющее значение в инициации импульсов имеют быстропротекающие микрособытия в прикатодной области, трансформирующие условия формирования катодного слоя и провоцирующие микроразряды по направлению к аноду.

В данной конфигурации электродов источниками первичных электронов, для лавинной ионизации и последующей ионизации в объеме могут выступать следующие механизмы образования заряженных частиц: (1) вторичная электронная эмиссия с поверхности жидкого катода под действием бомбардировки положительными ионами и быстрыми нейтральными частицами; (2) автоэлектронная эмиссия с сильно искривлённых участков, где локально возрастает напряжённость поля; (3) фотоэлектронная эмиссия с поверхности струи под действием излучения из объёма разряда; (4) эмиссия из газовых пузырьков, прилегающих к катоду, где пониженная эффективная работа выхода и концентрация поля облегчают инжекцию электронов; (5) отрыв электронов от отрицательных ионов в приэлектродном слое.

На рис. 4 приведён эмиссионный спектр излучения плазмы разряда между струйным электролитическим катодом и алюминиевым анодом с идентифицированными полосами и линиями.

Регистрируются полосы OH (A→X), а также атомарные линии H I, Na I, N I и K I. Наличие интенсивного резонансного дублета Na I (≈ 589,0/589,6 нм) согласуется с визуально наблюдаемой жёлтой окраской факела: натрий попадает в разрядную зону из 3 %-го раствора NaCl посредством испарения из прикатодной области, после чего возбуждается в объёме плазмы.

Аппаратное уширение оценивали по оптически тонкой линии K I (769,9 нм); минимальная полуширина узких линий составила Δλ_G ≈ 1,0 нм и далее принималась как гауссова составляющая аппаратной функции. Наблюдаемые профили линий аппроксимировали фойгтовым контуром; для связи фойгтовой (Δλ_F), лоренцевой (Δλ_L) и гауссовой (Δλ_G) полуширин использовали приближение [15]:

Из него находили Δλ_L при известных Δλ_F и Δλ_G, тем самым исключая вклад приборного уширения.

Для линии H_α (656,28 нм) измеренная полуширина фойгтовского контура составила Δλ_F (H_α) = 1,38 нм. С учётом аппаратной составляющей получена лоренцева полуширина Δλ_L (H_α) ≈ 0,64 нм. По температурно-зависимым коэффициентам рассчитана электронная концентрация nₑ ≈ 6,4×10¹⁶ см⁻³.

Такое значение концентрации электронов характерно для атмосферного давления, где доминирует линейное штарковское уширение водородных линий.

В данной серии H_β (486,13 нм) не зарегистрирована из-за низкого отношения сигнал/шум в канале и настройки экспозиции под яркие жёлтые линии Na I, что не препятствует оценке nₑ по H_α.

Совокупность наблюдаемых полос и линий подтверждает смешанную природу плазмообразования (воздух + продукты распыления электролита). Жёлтая окраска факела обусловлена доминированием Na I линий, а оценка по уширению H_α даёт электронную концентрацию порядка 10¹⁶ см⁻³ при исследуемых режимах.

Термографический анализ зоны разряда. На термограммах (рис. 5) за начало координат принято положение, соответствующее области контакта струйного электролитического катода с алюминиевым анодом (линия «газ — жидкость — твёрдое тело»).

В этой точке фиксируется максимальная эффективная температура T = 47 °C. При движении к источнику струи электролита, то есть вдоль струи, температура убывает в пределах первых 7 мм, что указывает на вытянутую вдоль струи плазменную область длиной порядка 7 мм и эффективным поперечным размером 2 мм. Вне плазменной зоны профиль температуры переходит к экспоненциальному спаду до температуры окружающей среды. При движении в сторону алюминиевого анода температура также резко падает до уровня 22 °C. Такая асимметрия профиля объясняется высокой теплопроводностью алюминия и эффективным теплоотводом в объём детали, а также интенсивным конвективным охлаждением прилегающим электролитом. Температурное «пятно» на анодной поверхности компактно и привязано к зоне контакта. Это соответствует картине направленного энерговклада из разряда, вытянутого по струе катода.

Обсуждение. Исходя из полученных данных, следует, что плазменные структуры локализуются в двух областях системы: (1) — в области контакта струйного электрода с поверхностью обрабатываемого изделия и (2) — в зоне утончения и распада струйного электрода.

В первом случае максимальный энерговклад разряда локализуется в области катодного пятна на поверхности металлического анода, во втором — смещается к области сужения и распада струйного электрода, где геометрия поверхности и парогазовый промежуток усиливают электромагнитное поле. Такое поведение струйного электрода объясняет изменения проводимости и, как следствие, колебания тока в диапазоне 0,8 – 1,6 А при напряжении около 600 В.

Импульсный характер горения разряда обусловлен взаимосвязью электрических параметров разряда, катодного слоя и гидродинамики струи. Динамика течения струи, сопровождающаяся образованием локальных областей сужения и распада струи, приводит к нестационарному изменению геометрии катодной области и изменению напряженности электрического поля. В этих условиях формируются кратковременные микроразряды в парогазовой области между анодом и катодом, что проявляется в виде последовательных импульсов тока, коррелирующих со свечением плазмы разряда. Запуск таких импульсов определяется совокупным вкладом различных механизмов электронной эмиссии, включая вторичную эмиссию под действием ионной бомбардировки, автоэлектронную эмиссию, а также инжекцию электронов в объем плазмы с поверхности прикатодного слоя.

Анализ эмиссионных спектров указывает на комбинированный характер газоразрядной плазмы, формируемой как за счёт компонентов окружающего воздуха, так и элементов, дислоцированных из электролита. Интенсивное излучение фиксируется на линии Na I в области около 589 нм, что определяет преобладание желтого цвета горения разряда. Регистрация полос OH (A–X) и линии H_α свидетельствует о протекании газофазных процессов с участием водорода и гидроксильных радикалов. Оценка электронной концентрации, выполненная по Штарковскому уширению линии H_α (Δλ_L ≈ 0,64 нм), составляет n_e ≈ 6,4×10¹⁶ см⁻³.

Термографические измерения демонстрируют формирование локализованной зоны нагрева на поверхности металлического анода с максимальной температурой около 47 °C. Пространственная асимметрия температурного поля обусловлена высокой теплопроводностью алюминия, обеспечивающей интенсивный отвод тепла в объём материала и конвективным охлаждением со стороны электролита. Зафиксированные температурные значения не определяют механизм активации поверхности алюминия. Изменение свойств поверхностного слоя реализуется за счёт неравновесного воздействия газоразрядной плазмы, включающего поток заряженных частиц, активные химические компоненты и локальные электрические поля в прианодной области, а не вследствие термического разрушения оксидной плёнки Al₂O₃.

С точки зрения практической реализации процесс характеризуется наличием устойчивых режимных областей, определяемых совокупностью электрических параметров (напряжение, ток), гидродинамических характеристик струи (скорость, диаметр, длина промежутка) и электропроводности раствора.

К ограничениям проведённого исследования следует отнести конечное спектральное разрешение используемого оборудования (~1 нм), что накладывает ограничения на интерпретацию узких линий и делает предпочтительным использование линии H_α при оценке электронной концентрации. Дополнительным фактором является фиксированный состав электролита (3 % NaCl), тогда как изменение ионного состава и pH может существенно влиять на кинетику возбуждения и тепловой баланс системы. Указанные обстоятельства определяют направления дальнейших исследований.

Осмотр обработанной поверхности алюминиевого анода показывает формирование локализованной зоны воздействия без признаков оплавления. Это указывает на мягкий характер плазменно-жидкостного воздействия, обеспечивающего очистку поверхности при сохранении геометрии детали. Количественная оценка изменений шероховатости, смачиваемости и микромеханических свойств требует дальнейшего экспериментального анализа.

С прикладной точки зрения установленные импульсные режимы и наличие двух устойчивых типов горения электрического разряда создают предпосылки для управляемого изменения энерговклада за счёт варьирования параметров струи и электрических характеристик. Это позволяет реализовать переход от режимов мягкой очистки поверхности к контролируемому изменению морфологии поверхности без существенного теплового воздействия на материал, что важно для разработки компактных технологических решений подготовки алюминиевых поверхностей под нанесение покрытий и обеспечение адгезии.

Заключение. Выполнено экспериментальное исследование электрического разряда в системе «струйный электролитический катод — алюминиевый анод» при атмосферном давлении. Установлены две топологии локализации плазмы — контактная зона на тройной линии и область распада струи. В обоих случаях ток носит импульсный характер с амплитудой порядка 0,8 – 1,6 А. Оптическая эмиссионная спектроскопия подтверждает смешанную природу плазмы (воздух + продукты распыления электролита) и доминирование дублета Na I, а оценка по уширению H_α даёт концентрацию электронов n_e ≈ 10¹⁶ см⁻³. Термовизионные данные указывают на максимум эффективной температуры около 47 °С на стороне контакта и вытянутую вдоль струи зону энерговклада длиной около 7 мм. Показано, что механизм запуска импульсов обусловлен электромеханической обратной связью между катодным слоем и гидродинамикой струи. Возможные источники первичных электронов включают вторичную, авто- и фотоэмиссию, а также эмиссию из газовых микрополостей. Практически это позволяет целенаправленно выбирать режимы (скорость/диаметр струи, электропроводность, напряжение) для деликатной активации, очистки и микротекстурирования алюминиевых поверхностей. Перспективы дальнейших исследований связаны со стандартизацией энергетических метрик, количественной декомпозицией вкладов излучающих компонентов и расширением для построения режимных карт.

Представленные результаты формируют физическую основу для последующего количественного анализа качества поверхности и построения режимных карт плазменно-жидкостной обработки алюминиевых изделий.