Pulsed plasma deposition of Fe-C-Cr-W coating on high-Cr-cast iron: Effect of layered morphology and heat treatment on the microstructure and hardness

Pulsed plasma treatment was applied for surface modification and laminated coating deposition on 14.5 wt%-Cr cast iron. The scopes of the research were: (a) to obtain a microstructure gradient, (b) to study the relationship between cathode material and coating layer microstructure/hardness, and (c) to improve coating quality by applying post-deposition heat treatment. An electrothermal axial plasma accelerator with a gas-dynamic working regime was used as plasma source (4.0 kV, 10 kA). The layered structure was obtained by alternation of the cathode material (T1 - 18 wt% W high speed steel and 28 wt% Cr-cast iron). It was found that pulsed plasma treatment led to substrate sub-surface modification by the formation of an 11–18 μm thick remelted layer with very fine carbide particles that provided a smooth transition from the substrate into the coating (80–120 μm thick). The as-deposited coating of 500–655 HV0.05 hardness consisted of “martensite/austenite” layers which alternated with heat-affected layers (layers the microstructure of which was affected by the subsequent plasma pulses). Post-deposition heat treatment (isothermal holding at 950 °C for 2 h followed by oil quenching) resulted in precipitation of carbides M7C3, M3C2, M3C (in Cr-rich layers) and M6C, M2C (in W-rich layers). These carbides were found to be Cr/W depleted in favor of Fe. The carbide precipitation led to a substantial increase in the coating hardness to 1240–1445 HV0.05. The volume fraction of carbides in the coating notably increased relatively to the electrode materials

Збудження плазмовими утвореннями гідроакустичних хвилеводів

Fedun V.I. Excitation by plasma formations of hydroacoustic waveguides. – Manuscript. Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of sciences on a specialty 01.04.08 – plasma physics. - V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv. – 2019. The thesis is devoted to the solution of the actual scientific problem, which consists in the establishment of mechanisms and pecualirities of formation and interaction of powerful pulsed fluxes of plasma with fluid, the excitation of elastic waves by plasma flows and their propagation in a liquid waveguide, which was practically used for the intensification of oil and gas production. The mathematical model of excitation by a plasma jet of elastic impulses in acoustic liquid waveguides with cylindrical geometry is proposed and substantiated. The mathematical modeling determines the dynamics of the vapor-gas cavity in in the hydroacoustic waveguide and the parameters of the emitted pulse. It is shown for the first time that a solitary compression pulse is excited in the waveguide if the cavity energy exceeds a certain critical value. This value is determined both by the properties of the liquid and by the injection conditions of the plasma. It is shown that the emitted pulse is unipolar, that is, there is only a compression pulse and there is no extension pulse. The analysis of the model showed that, with the piston expansion of the cavity, virtually all work on the liquid is converted into acoustic energy, and the transformation efficiency of plasma energy into the elastic energy of the liquid can reach 30%. On the basis of direct and inverse Fourier transforms, a method for calculating the impulse fading in a long waveguide has been developed. It was assumed that each harmonic decreases with the corresponding attenuation coefficient only due to the viscosity of the wall layer.У дисертації вирішено актуальну наукову задачу встановлення механізмів і закономірностей формування і взаємодії потужних імпульсних потоків плазми з рідиною, збудження пружних хвиль і їх поширення в рідинному хвилеводі. В роботі розроблено нову конструкцію електротермічного імпульсного прискорювача, яка забезпечує максимальну ефективність передачі енергії від ємнісного накопичувача в плазмові утворення. Експериментально-аналітичним шляхом встановлено, що розроблений прискорювач генерує плазму з температурою до 1,5 еВ при тиску, що сягає 100 атм. Показано, що генерація плазмоутворюючого газу в прискорювачі відбувається в основному за рахунок абляція матеріалу стінки капіляру. Розроблено математичну модель роботи прискорювача при генерації пружних імпульсів в середовищі з циліндричної геометрією та досліджено параметри випромінюваних імпульсів. Запропоновано і експериментально підтверджено на хвилеводах складної конфігурації (свердловинах) довжиною до 4200 м метод розрахунку затухання пружного імпульсу. Розроблено методику і апаратуру для генерації акустичних полів за допомогою плазмового прискорювача, використання яких в умовах діючих газонафтових свердловин забезпечило підвищення їх продуктивності в 1,8-47,3 разів – по нафті та в 1,3-2,9 разів – по газу, що забезпечило отримання економічного ефекту в розмірі 310 тис. грн. (в цінах 2010 року)

Импульсный электротермический плазменный ускоритель и его применение в научных исследованиях

This paper presents the pulse electrothermal plasma accelerator erosion type. Formation of dense plasma bunches occurs under atmospheric pressure through the development of high-current arc discharge in a cylindrical channel bounded by dielectric walls. Mode of operation accelerator is hydrodynamic. It is demonstrated the possibility use it to obtain microsecond high-current electron beams without vacuum conditions, the synthesis of nanoscale materials, the excitation of elastic pulses in the fluid.Розглянуто імпульсний електротермічний прискорювач плазми ерозійного типу. Формування згустків щільної плазми відбувається при атмосферному тиску за рахунок реалізації потужнострумового дугового розряду в циліндричному каналі, обмеженому діелектричними стінками. Режим роботи прискорювача гідродинамічний. Продемонстрована можливість його використання для отримання мікросекундних сильнострумових електронних пучків поза вакуумних умов, синтезу наноматеріалів, збудження пружних імпульсів у рідині.Описан импульсный электротермический плазменный ускоритель эрозионного типа. Формирование концентрированных плазменных сгустков происходит при атмосферном давлении за счёт развития сильноточного дугового разряда в цилиндрическом канале, ограниченном диэлектрическими стенками. Режим работы ускорителя гидродинамический. Продемонстрирована возможность его использования для получения микросекундных сильноточных электронных пучков вне вакуумных условий, синтеза наноразмерных материалов, возбуждения упругих импульсов в жидкости

Генерация акустических полей плазменными сгустками в скважинах

In this paper it is proposed a method of acoustic pulses generation in a wellbore by means a plasma gun which located at the well mouth. Acoustic measurements results are presented. It is shown that the wellhead pressure affects on the amplitude and hydrodynamic pulse shape, on its attenuation and the impact intensity at the wellbottom zone. It was determined the range of wellhead pressures at which a impulse force of wave reaches the highest values at the well bottom zone. It is shown that this method can favorably affect on the oil well productivity.У статті запропоновано метод генерації акустичних полів з використанням плазмової гармати. Наведено результати акустичних вимірювань. Показано, що тиск в усті свердловини впливає на амплітуду та форму гідроімпульсу, його загасання та на інтенсивність дії на область вибою. Визначено інтервал тисків в усті свердловини, при якому досягаються найбільші значення дії імпульсу сили на вибій. Показано, що даний метод може сприяти істотному збільшенню видобутку нафти.В статье предложен метод генерации акустических полей с помощью плазменной пушки. Приведены результаты акустических измерений. Показано, что давление на устье скважины влияет на амплитуду и форму гидроимпульса, его затухание и на интенсивность воздействия в области забоя скважины. Определен интервал давлений на устье скважины, на котором достигаются наибольшие значения импульса силы на забой скважины. Показано, что данный метод может благоприятно влиять на последующий процесс нефтедобычи