Оценка испарительной деградации катодов плазмотронов с C_xH_y-содержащими плазмами для напыления, тестирования теплозащиты и смежных технологий

Разработка электродуговых плазмотронов (ЭДП) на плазмообразующих газах с алкановыми углеводородами (АУВ) как перспективной разновидности плазмотронов косвенного действия для ряда технологий (в том числе напыления покрытий, тестирования теплозащитных материалов и др.) требует учета скорости испарения материала катодов (как одного из каналов их абляционной деградации). Для этой процедуры в качестве первой стадии может быть использовано моделирование состава и свойств реагирующей системы типа C–H–O–N–Ar–Me термодинамическим методом при варьируемых входных параметрах – соотношении компонентов в плазмообразующей смеси, ее давлении и температуре. Авторы теоретически оценивали испарительную деградацию материалов в трех вариантах катода ЭДП с АУВ-содержащими плазмами («холодный» из меди и тугоплавкие «горячие» – термохимический из циркония и термоэмиссионный из вольфрама) в квазиравновесном и равновесном режимах смеси «плазмообразователь + материал поверхности катода» с учетом обобщенных данных по фазовым переходам в данных материалах. Расчет для условий с характерным для разрядной камеры ЭДП давлением показал, что изменение состава плазмы (от окислителя (смесь продуктов сгорания АУВ) до восстановителя из продуктов комбинации частичного окисления и пиролиза АУВ) дает явный эффект отличия интенсивности испарения катода EAI вблизи точки плавления вещества его поверхности в воздушно-алкановых средах по сравнению с вариантом ЭДП на более простых газах (техническом N₂, воздухе), причем для двух вариантов катода (за исключением меди). Сопоставлен уровень эрозии (рассчитанный по испарительной составляющей) циркониевого катода в среде продуктов сгорания АУВ (из смеси «воздух + CH₄») и этот же параметр, но в опытах с известными ЭДП со сходными катодами в других газах. На примере ранее изученного ЭДП со стержневым катодом из Zr с гетерогенной поверхностью показано, что термохимический расчет дает немонотонное изменение параметра EAI и концентраций Zr-содержащих паров при сдвиге фактора эквивалентности f плазмообразующей смеси. Такой эффект не согласуется с найденным в эксперименте составом катода, что указывает на вероятность неравновесного характера тепловых процессов и диффузии в приэлектродной плазме и в поверхностном слое (~1 мм) катода, по крайней мере, в режимах с силой постоянного тока в дуге ЭДП около 300 А. Полученные в расчете данные о поведении соединений ZrO₂ и ZrC в системе C–H–O–N–Ar–Zr можно применять не только для оптимизации катодов плазмотронов, но и в разработке новых Zr-содержащих керамических теплозащитных систем, в том числе для прогноза темпа их разрушения в потоках продуктов сгорания (в том числе неполного) моторных, ракетных и иных топлив. Сходным образом результаты по поведению меди вблизи температуры ее испарения могут быть полезны для совершенствования процессов газотермического напыления покрытий из сплавов меди.

1. Zhukov M. F., Zasypkin I. M. (2007) Thermal Plasma Torches: Design, Characteristics and Applications. Cambridge (UK), Cambridge International Science Publ. 596.

2. Bielyi A. V., Kalinitchenko A. S., Devoino O. G., Kukareko V. A. (2017) Surface Engineering of Structural Materials with Using of Plasma and Beam Technologies. Minsk, Belorusskaya Nauka Publ. 457 (in Russian).

3. Petrov S. V., Saakov A. G. (2000) Plasma of Combustion Products in Surface Engineering. Kyiv, TOPAS Publ. 218 (in Russian).

4. Kornienko E. E., Mul’ D. O., Rubtsova O. A., Vaschenko S. P., Kuzmin V. I., Gulyaev I. P., Sergachev D. V. (2016) Effect of Plasma Spraying Regimes on Structure and Properties of Ni3Al Coatings. Thermophysics and Aeromechanics, 23 (6), 919–928. https://doi.org/10.1134/ S0869 864316060147.

5. Petrov S. V. (1996) Apparatus and Technological Principles of Coatings Thermal Spraying and Materials Processing in Gas-Air Plasma. Kyiv, Gas Institute of NAS of Ukraine. 399 (in Ukrainian).

6. Korzhik V. N., Borisova A. L., Popov V. V., Kolomiitsev M. V., Chaika A. A., Tkachuk V. I., Vigilyanskaya N. V. (2014) Cermet Coatings of Chromium Carbide-Nichrome System Produced by Supersonic Plasma Gas Air Spraying. The Paton Welding Journal, (12), 19–24. https://doi.org/10.15407/tpwj2014.12.05.

7. Petrov S. V., Saakov A. G. (2002) Technology and Equipment for Plasma Surface Hardening of Heavy-Duty Parts. Materials and Manufacturing Processes, 17 (3), 363–378. https://doi.org/10.1081/amp-120005382.

8. Martinez B., Mariaux G., Vardelle A. M., Barykin G., Parco M. (2009) Modeling and Control of a New Spray Process Combining Plasma and HVOF. International Thermal Spray Conference (ITSC) 2009. American Society for Metals. https://doi.org/10.1361/cp2009itsc0481.

9. Mohanty P. S., Roche A. D., Guduru R. K., Varadaraajan V. (2009) Ultrafine Particulate Dispersed High-Temperature Coatings by Hybrid Spray Process. Journal of Thermal Spray Technology, 19 (1–2), 484–494. https://doi.org/10.1007/s11666-009-9413-3.

10. Rita C. C. P., Miranda F. D. S., Caliari F. R., Rocha R. M., Essiptchouk A., Petraconi G. (2020) Hypersonic Plasma Setup for Oxidation Testing of Ultra-High Temperature Ceramic Composites. Journal of Heat Transfer, 142 (8), 082103. https://doi.org/10.1115/1.4047150.

11. Shen X., Gao N., Shi Z., Wang X., Zhang L., Huang J., Li K. (2021) New Insight into the Ablation Behavior of C/C-ZrC Composites in a Nitrogen Plasma Torch with a High Heat Flux of ∼25 MW/m2. Corrosion Science, 185, 109409. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109409.

12. Panakarajupally R. P., Mirza F., El Rassi J., Morscher G. N., Abdi F., Choi S. (2021) Solid Particle Erosion Behavior of Melt-Infiltrated SiC/SiC Ceramic Matrix Composites (CMCs) in a Simulated Turbine Engine Environment. Composites. Part B: Engineering, 216 (12), 108860. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108860.

13. Bei G., van der Zwaag S., Kota S., Barsoum M. W., Sloof W. G. (2019) Ultra-High Temperature Ablation Behavior of MoAlB Ceramics Under an Oxyacetylene Flame. Journal of the European Ceramic Society, 39 (6), 2010–2017. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.01.016.

14. Maciel H. S., de Souza M. A., Gorbunov A. V., Miranda F. (2016) Demonstration Thermal Plasma System for the Treatment of Contaminated Ash Waste and WTE Applications. Presentation for International Symposium on Non-Thermal/Thermal Plasma Pollution Control Technology & Sustainable Energy (ISNTP-10), August, 2016, Florianopolis, Brazil.

15. Ustimenko A. B. (2012) Plasma-Fuel Systems for Increasing the Efficiency of the Using Solid Fuels. Ulan-Ude, East Siberia State University of Technology and Management. 449 (in Russian).

16. Okovity V. A., Panteleenko F. I., Okovity V. V., Astashinsky V. M. (2020) Formation of Plasma Powder Coatings from Cermet with Subsequent High-Energy Modification. Nauka i Technika = Science & Technique, 19 (6), 469–474. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2020-19-6-469-474 (in Russian).

17. Petrov S. V., Vasenin Yu. L. (2006) Behavior of the Arc at the Cathode in the Plasma of Combustion Products. Tekhnologiya Mashinostroyeniya = Technology of Machine Industry, (12), 41–44 (in Russian).

18. Petrov S. V., Saakov V. A., Vasenin Yu. L. (2004) Behaviour of the Arc at Cathode in Combustion Products Plasma. 31st EPS Conference on Plasma Physics, London, 28 June – 2 July 2004. ECA, 28G, P-1.049.

19. Gorokhovski M., Karpenko E. I., Lockwood F. C., Mes-serle V. E., Trusov B. G., Ustimenko A. B. (2005) Plasma Technologies for Solid Fuels: Experiment and Theory. Journal of the Energy Institute, 78 (4), 157–171. https://doi.org/10.1179/174602205x68261.

20. Devoino O. G., Gorbunov A. V., Gorbunova V. A., Volod’ko A. S., Koval V. A., Yatskevich O. K., Halinouski A. A. (2021) Characterization of Opportunity for Upgrading of the System Based on Arc Plasma Torch for Thermal Spaying of Ceramic Materials, by Means of Use of Fuel Vortex Intensifier. Part I: Thermodynamic Modeling of the System Efficiency Parameters. Vestsi Natsyyanal’nai Akademii Navuk Belarusi. Seryya Fizika-Technichnych Navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Series, 66 (4), 399–410. https://doi.org/10.29235/1561-8358-202166-4-399-410.

21. Essiptchouk A. M., Charakhovski L. I., Filho G. P., Maciel H. S., Otani C., Barros E. A. (2009) Thermal and Power Characteristics of Plasma Torch with Reverse Vortex. Journal of Physics D: Applied Physics, 42 (17), 175205. https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/17/175205.

22. Anshakov A. S., Urbakh E. H., Urbakh A. E., Faleev V. A. (2005) Investigation of Thermochemical Cathodes in Arc Plasma Torches. Teplofizika i Aeromekhanika = Thermophysics and Aeromechanics, 12 (4), 685–691 (in Russian).

23. Gurvich L. V., Veyts I. V., Alcock C. B. (1988–1998) Thermodynamic Properties of Individual Substances. Vols. 1–5. 4th ed. New York, Hemisphere Publishing Co.

24. Methane. NIST Chemistry WebBook. Available at: https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C74828&Units=SI&Mask=1#Thermo-Gas.

25. Lide D. R. (ed.) (2003) CRC Handbook of Chemistry and Physics. Bosa Roca, US, Taylor & Francis Inc. 2616.

26. Hafnium. Chemical Element. Britannica. Available at: https://www.britannica.com/science/hafnium.

27. Lassner E., Schubert W. D. (1999) Tungsten: Properties, Chemistry, Technology of the Element, Alloys, and Chemical Compounds. Springer Verlag Publ. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-4907-9.

28. https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB5174366.htm.

29. Yan Z., Cai M., Shen P. K. (2013) Nanosized Tungsten Carbide Synthesized by a Novel Route at Low Temperature for High Performance Electrocatalysis. Scientific Reports, 3 (1), 1646. https://doi.org/10.1038/srep01646.

30. Tungsten Carbide. PubChem. Available at: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Tungsten-carbide#section=Chemical-and-Physical-Properties

31. Hafnium Dioxide. Webelements. Available at: https://www.webelements.com/compounds/hafnium/hafnium_dioxide.html; Zirconium Dioxide. Webelements. Available at: https://www.webelements.com/compounds/zirconium/zirconium_dioxide.html; Copper Oxide. Webelements. Available at: https://www.webelements.com/compounds/copper/copper_oxide.html.

32. Ruh R., Garrett H. J., Domagala R. F., Tallan N. M. (1968) The System Zirconia-Hafnia. Journal of the American Ceramic Society, 51 (1), 23–28. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1968.tb11822.x.

33. Backman L., Opila E. (2019). Thermodynamic Assessment of the Group IV, V and VI Oxides for the Design of Oxidation Resistant Multi-Principal Component Materials. Journal of the European Ceramic Society, 39 (5), 1796–1802. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.004.

34. Jackson H. F., Jayaseelan D. D., Manara D., Casoni C. P., Lee W. E. (2011) Laser Melting of Zirconium Carbide: Determination of Phase Transitions in Refractory Ceramic Systems. Journal of the American Ceramic Society, 94 (10), 3561–3569. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04560.x.

35. Fernández Guillermet A. (1995) Analysis of Thermochemical Properties and Phase Stability in the Zirconium-Carbon System. Journal of Alloys and Compounds, 217 (1), 69–89. https://doi.org/10.1016/0925-8388(94)01310-e.

36. Sheindlin M., Falyakhov T., Petukhov S., Valyano G., Vasin A. (2018) Recent Advances in the Study of High-Temperature Behaviour of Non-Stoichiometric TaCx, HfCx and ZrCx Carbides in the Domain of their Congruent Melting Point. Advances in Applied Ceramics, 117 (Suppl. 1), s48–s55. https://doi.org/10.1080/17436753.2018.1510819.

37. Justin J.-F., Julian-Jankowiak A., Guérineau V., Mathivet V., Debarre A. (2020) Ultra-High Temperature Ceramics Developments for Hypersonic Applications. CEAS Aeronautical Journal, 11 (3), 651–664. https://doi.org/10.1007/s13272-020-00445-y.

38. Ushakov S. V., Navrotsky A., Hong Q.-J., van de Walle A. (2019) Carbides and Nitrides of Zirconium and Hafnium. Materials, 12 (17), 2728. https://doi.org/10.3390/ma12172728.

39. Ma G., He P., Chen S., Kang J., Wang H., Liu M., Zhao Q., Li G. (2019) Physicochemical Properties of Yttria-Stabilized-Zirconia in-Flight Particles during Supersonic Atmospheric Plasma Spray. Coatings, 9 (7), 431. https://doi.org/10.3390/coatings9070431.

40. Suzuki M., Kagawa M., Syono Y., Hirai T. (1992) Synthesis of Ultrafine Single-Component Oxide Particles by the Spray-ICP Technique. Journal of Materials Science, 27 (3), 679–684. https://doi.org/10.1007/BF02403879.

41. Zirconium Carbide. Chemical Book. Available at: https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB6316307.htm.

42. Copper Oxide Powder. IndiaMART. Available at: https://www.indiamart.com/proddetail/copper-oxide-powder-21512086255.html.

43. Sillero J. A., Ortega D., Muñoz-Serrano E., Casado E. (2010) An Experimental Study of Thoriated Tungsten Cathodes Operating at Different Current Intensities in an Atmospheric-Pressure Plasma Torch. Journal of Physics D: Applied Physics, 43 (18), 185204. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/18/185204.

44. Quesne M. G., Roldan A., de Leeuw N. H., Catlow C. R. A. (2018) Bulk and Surface Properties of Metal Carbides: Implications for Catalysis. Physical Chemistry Chemical Physics, 20 (10), 6905–6916. https://doi.org/10.1039/c7cp06336a.

45. Hayami W., Tang S., Chiu T.-W., Tang J. (2021) Reduction in Work Functions of Transition-Metal Carbides and Oxycarbides upon Oxidation. ACS Omega, 6 (22), 14559–14565. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c01671.

46. Singh B., Mehta B. R. (2014) Relationship Between Nature of Metal-Oxide Contacts and Resistive Switching Properties of Copper Oxide Thin Film Based Devices. Thin Solid Films, 569, 35–43. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.08.030.

47. Deuermeier J., Liu H., Rapenne L., Calmeiro T., Renou G., Martins R., Munoz-Rojas D., Fortunato E. (2018) Visualization of Nanocrystalline CuO in the Grain Boundaries of Cu2O Thin Films and Effect on Band Bending and Film Resistivity. APL Materials, 6 (9), 096103. https://doi.org/10.1063/1.5042046.

48. Rutberg P. G., Bratsev A. N., Kuznetsov V. A., Popov V. E., Ufimtsev A. A., Shtengel’ S. V. (2011) On Efficiency of Plasma Gasification of Wood Residues. Biomass and Bioenergy, 35 (1), 495–504. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2010.09.01.

49. Atmospheric Concentrations of Greenhouse Gases. EPA. Available at: https://www.epa.gov/climate-indicators/climate-change-indicators-atmospheric-concentrations-greenhouse-gases#ref5.

50. State Standard 9293–74. ISO 2435-73. Gaseous and Liquid Nitrogen. Specifications. Moscow, Standartinform Publ. 1976 (in Russian).

51. Nitrogen Gas High Purity. Krion. Available at: https://krion.by/produktsiya/gazoobraznye-produkty-razdeleniya-vozdukha/azot-gazoobraznyy-vysokoy-chistoty.html (in Russian).

52. Shornikov S. I. (2015) Vaporization Coefficients of Oxides Contained in the Melts of Ca–Al-Inclusions in Chondrites. Geochemistry International, 53 (12), 1080–1089. https://doi.org/10.1134/s0016702915100055.

53. Gorbunov A. V. (1998) Plasma Chemical Treatment of the Solutions of Nitrates of II–III Groups Metals in the Electric Arc Reactor. Minsk, Heat & Mass Transfer Institute of NAS of Belarus. 332 (in Russian).

54. Kulygin V. M., Pereslavtsev A. B., Tresvyatsky S. S. (2017) Estimation of the Temporary Service Life of DC Arc Plasmatron Cathode. Technical Physics, 87 (9), 1327–1331. https://doi.org/10.1134/s1063784217090146.