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金属蒸气蒸发侵蚀

发布日期:2018-01-02 15:21:09 【关闭】
摘要:物理学上蒸发通常包括扩散蒸发和对流蒸发两种方式。直流电弧作用下的触头表面液态金属熔池表面的温度在材料沸点以下时,熔池表面压力相对较小,金属蒸气蒸发主要由物质浓度梯度所致,以扩散蒸发型为主;

   在物理学上蒸发通常包括扩散蒸发和对流蒸发两种方式。直流电弧作用下的触头表面液态金属熔池表面的温度在材料沸点以下时,熔池表面压力相对较小,金属蒸气蒸发主要由物质浓度梯度所致,以扩散蒸发型为主;当金属熔池的表面温度在材料沸点以上时,熔池表面压力相对较大,金属蒸气蒸发逐渐由压力梯度所主导,蒸发形式也以对流蒸发为主。由于直流电弧作用到触头材料表面的热流密度大、作用区域集中,对于铜、银等冷阴极触头材料而言,电弧覆盖的触头区域温度一般高于触头材料的沸点,因此触头材料金属蒸气蒸发以扩散蒸发为主。因金属蒸气蒸发导致的电触头材料侵蚀的动态数学描述还应该考虑以下因素:离子(气体介质、金属)、电子对电极表面的轰击,阴极电子发射,逆电子通量和弧柱辐射,时变电磁场以及热传导的温度场。这些物理现象主要通过负载电流和电压、触头分断速度、电路参数、触头材料和熄弧气体介质等进行研究。蒸发侵蚀特性主要通过蒸发通量、蒸发速率和蒸发侵蚀率三个参数进行定量描述。影响金属蒸气蒸发过程的因素包括金属熔池内温度、熔池表面积、熔池表面气体流动速度及非平衡态电弧放电等离子体的作用等。其中触头材料的沸点和热导率是决定触头抗蒸发侵蚀的关键材料属性。采用高沸点、高热导率的材料可以在一定程度上有效减小蒸发通量,从而降低因蒸发引起的触头材料侵蚀。

   计算因金属蒸气蒸发导致的触头材料侵蚀,最初主要是利用简单的传热模型计算触头温度分布,并假设触头材料温度达到沸点以上的区域全部被蒸发侵蚀,由此确定蒸发侵蚀率,该方法计算较为粗略,难以获得电弧作用下金属蒸气蒸发导致的侵蚀的精准数据。随着对触头材料蒸发问题的深入研究,有根据电弧触头表面能量平衡模型计算蒸发引起的热流密度,目前计算蒸发速率较为普遍的方法是 Langmuir 方程与熔池相结合,Langmuir 方法没有考虑气化温度和熔池表面压力的变化、弧柱区域温度和压力的变化对蒸发影响,对于常压条件下,金属蒸气的蒸发通量的计算比试验结果大 3~10 倍。一些研究采用修正系数法改进 Langmuir 方法,但修正系数通常根据实验结果或经验来确定,还缺乏必要的理论依据。

   液态金属熔池与电弧之间的过渡区域的物理结构示意图如图 2 所示。文献将金属熔池与电弧放电等离子体之间由努森层、蒸气层、暂态电弧层和稳态电弧层 4 个区域组成。努森层为物质密度的间断层,用于描述金属液态到气态的相变过程,实现金属物质的密度由液态到气态的过渡。高压金属蒸气流推动熔池表面粒子流远离熔池。金属蒸气流引起的扰动,会在金属蒸气层Ⅱ与稳态电弧层Ⅳ之间形成一个非平衡状态的暂态电弧层Ⅲ。

 

gooxian-电弧

  另一种方法是在特定假设条件下,以气体动力学理论为基础,采用一系列气体动力学方程描述电弧与金属熔池之间的多层结构中层与层交界面物质状态(如密度、温度和压力等参数)的耦合变化。求解这样一组特定的气体动力学方程组,即可建立特定燃弧条件下蒸发通量与熔池表面温度的关系。文献建立了基于气体动力学理论的触头材料蒸发通量的计算模型,根据金属蒸气蒸发侵蚀特性得到了在零质量损失假设的前提下的电弧燃炽过程中蒸发导致的材料转移特性,材料转移的方向、速率与电弧电流大小和电弧注入电极的热流密度比例有关。当电流增大时,阳极蒸发最大点有微小移动,该现象可以用温度变化和蒸发强度之间关系的改变来解释。在蒸发能量增加的初期主要依靠阳极局部温度的急剧上升,在蒸发冷却效应和触头间隙增加、电弧热流密度下降的共同作用下,温度在达到最高值后开始减小。金属蒸气的蒸发强度易受温度变化的影响,因为其与电流是呈指数关系。以上计算结果与实验数据对比,误差不超过 20%,效果较好。

  计算了稳态直流电弧作用下的触头材料蒸发通量与熔池表面温度的关系,并分析了触头材料的气化潜热、沸点和摩尔质量对蒸发通量的影响,结果显示沸点和热导率是决定触头抗蒸发侵蚀能力的关键材料属性。但是,该研究的仿真计算和试验测量的结果相比差距较大,主要原因是在仿真计算过程中将电弧简化为热流密度和电流密度边界条件,且没有考虑合适电弧模型的运用和触头开距变化的影响。

 

 

 

  

 

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