等離子噴涂弧性能的研究

解曉梅

【摘要】等離子弧具有溫度高、能量集中、氣氛可控和沖擊力大等特點，在機械行業中得到越來越廣泛的應用。本文以提高等離子弧加工質量為目的。利用紋影法對等離子射流的流場進行了實驗研究，分析了等離子工作電流、氣體流量對等離子射流的影響，從而對提高等離子弧噴涂質量具有一定的指導作用。

【關鍵詞】等離子弧；噴涂；熱焓

等離子噴涂層是通過向流經弧室的惰性氣體與高溫電弧發生熱交換所得到的等離子射流中注入粉末這一過程而得到的。在此過程中，粉末顆粒經過等離子射流加熱，熔化，并高速撞擊到工件上，而形成致密的涂層。由此可見，等離子射流是連接粉末與工件的紐帶，是涂層賴以形成的基本條件。在這一射流區域中，粉末顆粒將發生復雜的物理化學變化，并且工件表面狀況（表面溫度，氧化膜的形成等）也將受其影響。因此，等離子射流是形成涂層的關鍵所在。如何利用這種熱源提高涂層質量，首先必須對等離子射流的特性加以研究，但是由于等離子射流的高溫、高速特點，因此研究起來較為困難。過去有人用探針法和光譜法對等離子射流進行了研究。我們知道，位于等離子流場中的探針將對流場產生影響，從而影響精度，而光譜法雖然精度高，但設備昂貴，且測量時間很長。為了更簡潔、迅速、直觀地得到等離子射流的流場信息，本實驗利用紋影法對等離子射流流場進行實驗研究。如圖1是等離子射流的彩色紋影照片，其中刀口平行射流軸線，因此該照片反映的是垂直軸線方向的氣體密度梯度變化。由圖可見，其射流可簡化成圖2形式。

如果忽略射流出口與噴咀壁之間的邊界層，則此邊界層隨離開射流孔距離的增加而增加，一直到0點處。邊界層覆蓋了整個射流，致使射流整個呈倒錐形，并在射流出口處有一射流核心區。整個射流呈湍流態，湍流脈動很歷害。按照湍流射流理論，可將流型簡單地劃分成如圖2所示的幾個區域，其中包括初始段，擴展段以及射流核心三部分，下面對其進行詳細分析。

一、射流核心分析

首先我們分析射流初始端。如果設射流出口截面溫度、速度、濃度分布均勻，按照湍流射流理論，射流存在一溫度、速度、密度均為常數的一個三角形區域，且稱為射流核心或“勢錐”。顯然該“勢錐”的諸參數，如溫度、速度及幾何尺寸等應該與射流出口的溫度、速度及幾何尺寸有關，而湍流理論認為勢錐的幾何尺寸只決定于噴咀的幾何尺寸，及來流的擾動或Re數。

對于等離子射流，我們發現和傳統的湍流射流并不完全一樣，而是有其本身的特點。首先，在氣流量不變的條件下提高等離子弧的電功率，射流變長、變粗。這是因為電功率提高，等離子射流出口的平均熱焓和速度提高，因而在攝影條件不變的情況下，也就是在照片感光度與曝光時間不變的條件下，由于熱焓的提高，而導致等溫線向前移動，從而使得射流變長。但這并不意味著射流核心尺寸一定增大，湍流度增大，使得射流變粗。因此提高電功率，電弧射流所表現的特性與湍流理論相似。

其次，當固定電流不變，提高氣流量時，弧柱變長，變粗。但實際上，電弧隨氣流量增大，冷卻加強，從而使射流出口平均熱焓降低。而這種射流變長與變粗的現象主要歸結于以下幾點。

（一）氣流量的增大，導致陰極和陽極之間的電弧被吹出噴咀部分增大，輻射增大，而顯得射流又粗又長；

（二）當電流不變，而氣流量變化時，功率有所增加，因此射流熱焓降低不是很快。

另外，還有一點，即氣流量增大以后，是否會使等離子體偏離局部熱力學平衡狀態更嚴重。關于這一點，有待于進一步深入研究。總之，當電流不變，氣流量增大后，射流核心的平均熱焓降低，速度增高，導致Re數增高，使射流變粗。

二、射流邊界的分析

我們知道，紋影照相反映的是流場的密度變化，而影響氣體密度的主要因素是壓力、溫度和氣體的組成成份。同時由湍流射流理論可知，對于不等溫氣體射流，其理想等離子體密度Pr≈0.7即射流的速度邊界層厚度與溫度邊界層厚度之比約為0.7。可見等離子射流與低溫氣體射流相似，即射流熱量擴散比動量擴散要快。另一方面，對紋影儀而言，其反映密度變化的靈敏度如果轉化成馬赫數變化的話為M=0.2。而轉化成溫度變化，則只需幾度。因而可以說圖1中反映的射流邊界是溫度或熱焓邊界，而相應的速度邊界要比其更窄一些。圖3示出了不同功率下射流的邊界，其中參數為：工作氣流量Q=2.2m3∕h，（a）I=225A，（b）I=275A，（c）I=325A。

三、射流濃度邊界層分析

由于對于噴涂來說，射流中的氣體成份變化對飛行中的顆粒有影響，因此必須考慮濃度邊界層的變化。傳統的湍流射流理論中，物質擴散主要由Schmit數表示。Sc=0.70.75與Pr數基本相同，即質量擴散與熱量的擴散相類似。因此可近似認為濃度邊界與熱焓邊界相同。

參考文獻：

[1]楊耀華.等離子噴涂和燃燒火焰噴涂技術[M].北京：國防工業出版社，1984

[2]姚燚紅.反應等離子噴涂技術的研究進展[J].機械工程材料，2011（12）：15