Vacuum arc velocity and erosion rate measurements on nanostructured plasma and HVOF spray coatings

Abstract

Arc velocity and erosion rate measurements were performed on nanostructured pure Cu cathodes in 10−5 Torr vacuum (1.3324 m Pa), in an external magnetic field of 0.04 T. Five different kinds of nanostructured cathodes were produced by spraying pure Cu powders of three different sizes, on Cu coupons by atmospheric pressure plasma spraying and high velocity oxygen fuel spraying techniques. The erosion rates of these electrodes were obtained by measuring the weight loss of the electrode after igniting as many as 135 arc pulses, each of which was 500 µs long at an arc current of 125 A. The arc erosion values measured on three kinds of nanostructured coatings were 50% lower than the conventional pure massive Cu cathodes. Microscopic analyses of the arc traces on these nanostructured coatings show that the craters formed on these coatings were smaller than those formed on conventional Cu (<1 µm in diameter compared with 7–12 µm diameter on conventional Cu). It was concluded that nanostructured cathodes had lower erosion rates than conventional pure Cu cathodes.

Моделювання Електроерозійних Процесів На Графітових Електродах При Формуванні Наноструктур У Плазмовому Середовищі

“…Так, у [28] проводилось моделювання дугового розряду на мідних катодах, а у [29]дослідження впливу електричних та магнітних полів у дуговій плазмі при синтезі одностінних вуглецевих нанотрубок. Проведено також експериментальне дослідження впливу товщини наноструктурованого шару на фізичні властивості вольфрамового катода [30,31] та швидкість ерозії на наноструктурованих мідних катодах [32]. Проводились і деякі дослідження дугових плям [33,34].…”

“…Також розглянемо можливі джерела і стоки тепла в електродах як з нерухомими плямами, так і з плямами, що переміщуються з деякою швидкістю. В експериментальних дослідженнях [30,31] було показано, що на електродах присутні як ті, так і інші види плям.…”

“…За наведеною вище моделлю та алгоритмом було проведено розрахунки для графітових електродів при технологічних умовах, необхідних для формування наноструктур у плазмовому середовищі [30,33]. У результаті теоретичних розрахунків було отримано температурні поля поблизу рухомої та нерухомої плям (рис.…”

“…Але при використанні графітових електродів викид матеріалу проходить у вигляді кластерів[29]. В теоретичних роботах, що стосуються ерозії, розглядається ціла низка варіантів викиду матеріалу електродів[10,30]. Виходячи з цього, умовою викиду матеріалу електрода будемо вважати умову, коли тиск, створений силами, що викидають матеріал, перевищує тиск створений силами, які утримують його, з урахуванням їх напрямків.…”

Effect of cathode microstructure on arc velocity and erosion rate of cold cathodes in magnetically rotated atmospheric pressure arcs

“…Specifically for Cu cathodes, the presence of O in the cathode and/or the presence of a certain amount of an oxidizing gas are known to reduce cathode erosion significantly [1,6]. In addition to the above-mentioned factors, the cathode microstructure is also known to affect arc erosion rates [11][12][13]. Researchers have shown that surface properties such as surface micro-protrusions, roughness, impurity inclusions and microstructure of the cathode (grain size, second phase or particles, features such as solute concentration and defect structure) significantly affect the break-down voltage and dielectric strength [14][15][16][17][18][19].…”