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(yè)中得到越來越廣泛的應用。本文以提高等離子弧加工質(zhì)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(zhì)量具有一定的指導作用。

【關鍵詞】等離子??；噴涂；熱焓

等離子噴涂層是通過向流經(jīng)弧室的惰性氣體與高溫電弧發(fā)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(jīng)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(qū)域中，粉末顆粒將發(fā)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(zhì)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(chǎn)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(qū)。整個射流呈湍流態(tài)，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(qū)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(shù)的一個三角形區(qū)域，且稱為射流核心或“勢錐”。顯然該“勢錐”的諸參數(shù)，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(shù)。

對于等離子射流，我們發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)更嚴重。關于這一點，有待于進一步深入研究?？傊?，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(shù)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?？梢姷入x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(zhuǎn)化成馬赫數(shù)變化的話為M=0.2。而轉(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)的湍流射流理論中，物質(zhì)擴散主要由Schmit數(shù)表示。Sc=0.70.75與Pr數(shù)基本相同，即質(zhì)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(yè)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