Design and optimization of components and processes for plasma sources in advanced material treatments
Creators: name: Rotundo, Fabio <1983>
Publisher: name: Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
Year: 2012
Subjects: ING-IND/21 Metallurgia

description: The research activities described in the present thesis have been oriented to the design and development of components and technological processes aimed at optimizing the performance of plasma sources in advanced in material treatments.
Consumables components for high definition plasma arc cutting (PAC) torches were studied and developed. Experimental activities have in particular focussed on the modifications of the emissive insert with respect to the standard electrode configuration, which comprises a press fit hafnium  insert in a copper body holder, to improve its durability. Based on a deep analysis of both the scientific and patent literature, different solutions were proposed and tested. First, the behaviour of Hf cathodes when operating at high current levels (250A) in oxidizing atmosphere has been experimentally investigated optimizing, with respect to expected service life, the initial shape of the electrode emissive surface. Moreover, the microstructural modifications of the Hf insert in PAC electrodes were experimentally investigated during first cycles, in order to understand those phenomena occurring on and under the Hf emissive surface and involved in the electrode erosion process. Thereafter, the research activity focussed on producing, characterizing and testing prototypes of composite inserts, combining powders of a high thermal conductibility (Cu, Ag) and high thermionic emissivity (Hf, Zr) materials
The complexity of the thermal plasma torch environment required and integrated approach also involving physical modelling. Accordingly, a detailed line-by-line method was developed to compute the net emission coefficient of Ar plasmas at temperatures ranging from 3000 K to 25000 K and pressure ranging from 50 kPa to 200 kPa, for optically thin and partially autoabsorbed plasmas.
Finally, prototypal electrodes were studied and realized for a newly developed plasma source, based on the plasma needle concept and devoted to the generation of atmospheric pressure non-thermal plasmas for biomedical applications.
description: L’attività di ricerca svoltasi durante il Dottorato è stata orientata alla progettazione e allo sviluppo di componenti e processi tecnologici innovativi atti ad ottimizzare le prestazioni di sorgenti plasma nel trattamento avanzato di materiali. 
Sono stati in particolare studiati e sviluppati consumabili di torce al plasma termico per il taglio di materiali metallici (PAC, plasma arc cutting), nell’ambito della cosiddetta alta definizione. L’attività di tipo sperimentale in ambito PAC si è concentrata sulla valutazione e realizzazione di modifiche dell’inserto emettitore, rispetto alla configurazione attuale di elettrodi standard, che prevede un inserto piatto in afnio (Hf) inserito per interferenza in un corpo elettrodo in rame (Cu). Le soluzioni proposte per l’attività di ricerca sono state basate su un’approfondita analisi bibliografica e brevettuale. Il comportamento di inserti in Hf operanti ad alte correnti (250A) in torce PAC è stato sperimentalmente analizzato, ottimizzando la forma iniziale della superficie emittente per incrementarne la vita utile. Sono inoltre state studiate le modificazioni microstrutturali dell’inserto emettitore al fine di comprendere i fenomeni coinvolti nel processo di erosione. Infine, l’attività di ricerca su elettrodi PAC si è concentrata sulla produzione, caratterizzazione e test di inserti compositi prototipali, realizzati unendo polveri ad alta conduttività termica (Cu, Ag) e polvere ad alta emissività termoionica (Hf, Zr).
La complessità del sistema torcia ha inoltre richiesto un approccio integrato, che affiancasse attività di simulazione modellistico-computazionale con le valutazioni sperimentali, di natura chimico-fisica e microstrutturale. È stato in questo senso implementato un modello per il calcolo del coefficiente di emissione netto (NEC) del plasma di Argon in funzione di temperatura (1000-25000 K) e pressione (50-200 kPa), per plasmi otticamente sottili o parzialmente auto-assorbiti. 
Sono infine stati inoltre studiati e realizzati elettrodi prototipali per sorgenti di plasma non termico, finalizzate in particolare ad applicazioni biomedicali, nella configurazione detta plasma needle.