基于Ar發(fā)射光譜的感應(yīng)等離子體球化高溫流場溫度測量研究

曾 徽,歐東斌

中國航天空氣動力技術(shù)研究院電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點實驗室，北京 100074

引 言

高頻感應(yīng)等離子體可以產(chǎn)生化學(xué)純凈、無污染的高溫(8 000～12 000 K)、低速(5～20 m·s-1)流場，不規(guī)則的微米量級粉末顆粒在熱等離子體的加熱作用下，表面熔融并在表面張力作用下形成球形液滴，之后迅速冷卻凝固，從而獲得致密、流動性良好、高純度的球形顆粒[1]，高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器的長時間工作特性(以小時計)也利于粉末球化的大規(guī)模生產(chǎn)。感應(yīng)等離子體球化制粉在3D打印、熱噴涂等技術(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，目前航空航天和工業(yè)冶金領(lǐng)域?qū)τ阝伔邸f粉、鈮粉等金屬粉球化有大量的需求，感應(yīng)等離子體球化粉末的研究得到了國內(nèi)外研究人員的重點關(guān)注[2-4]。在等離子體球化粉末過程中，最重要的過程是通過熱等離子焦耳加熱作用于不規(guī)則粉末顆粒，因此等離子體發(fā)生器內(nèi)氣流溫度是感應(yīng)等離子體制備球形粉末的關(guān)鍵參數(shù)，流場內(nèi)氣流溫度的空間分布測量為評估和優(yōu)化等離子體球化制粉工藝提供了直接定量依據(jù)。在實驗測量方面，由于感應(yīng)等離子體發(fā)生器內(nèi)的高溫(8 000～12 000 K)環(huán)境，傳統(tǒng)接觸式測量手段無法應(yīng)用于對流場內(nèi)氣流溫度的診斷。目前以原子發(fā)射光譜技術(shù)、激光吸收光譜技術(shù)為代表的非接觸式光譜診斷技術(shù)是國內(nèi)外高溫燃燒診斷技術(shù)的重要發(fā)展方向，是進行感應(yīng)等離子體高溫流場測量的理想手段[5]。

國內(nèi)外在光譜診斷高溫流場研究方面進行了數(shù)十年的研究，Stanford大學(xué)的Hanson等在超燃沖壓發(fā)動機、等離子體發(fā)生器以及激波管等設(shè)備的流場診斷方面上進行了系統(tǒng)、細(xì)致的研究工作[6-8]。德國Stuttgart大學(xué)的Stefan,Loehle等在發(fā)射光譜、吸收光譜診斷等離子體流場方面獲得了大量的研究成果[9-11]。本研究應(yīng)用發(fā)射光譜技術(shù)，開展對100 kW高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器高溫流場的診斷，獲得了等離子體發(fā)生器內(nèi)某一截面氣流溫度的徑向空間分布測量結(jié)果，并進一步研究了有無送粉條件下感應(yīng)等離子體發(fā)生器內(nèi)流場溫度的變化和差異。實際溫度測量結(jié)果與國內(nèi)外相關(guān)數(shù)值研究進行對比，獲得了良好的一致性。該研究結(jié)果對改進、優(yōu)化制粉工藝中等離子體發(fā)生器電參數(shù)、氣參數(shù)以及粉末送粉量等參數(shù)提供了直接的定量依據(jù)。

1 發(fā)射光譜測溫原理

原子發(fā)射光譜的輻射強度可表示為

其中，Aul為譜線的愛因斯坦發(fā)射系數(shù)(s-1)；hul為普朗克常數(shù)(Js)；vul為譜線躍遷的頻率(cm-1)；nu為譜線高能級粒子數(shù)密度(cm-3)，其中“u”表示高能級，“l(fā)”表示低能級。高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器內(nèi)流場為低速氣流(5～20 m·s-1)，高溫氣流滿足局部熱化學(xué)平衡假設(shè)，高能級粒子數(shù)密度與總粒子數(shù)密度之間滿足Maxwell-Boltzmann分布

式中，n0為總粒子數(shù)密度(cm-3)；gu為高能級電子簡并度；Q(T)為配分函數(shù),對于本實驗中的試驗介質(zhì)氬氣，當(dāng)溫度T<14 000 K,其配分函數(shù)Q(T)近似等于1，k為玻爾茲曼常數(shù)(J·K-1)，Eu為高能級能量(cm-1)，則

研究通過同時采集感應(yīng)等離子體試驗介質(zhì)Ar在不同能級Eu的譜線，通過Boltzmann法畫圖，進行線性擬合后得到斜率，即可以得到感應(yīng)等離子體的溫度。Ar譜線選擇的原則包括：(1)高信噪比，基于現(xiàn)有試驗工況和光譜采集設(shè)備，可以有效分辨Ar的原子譜線信號；(2) 高測溫靈敏度，基于Boltzmann畫圖測溫法要實現(xiàn)高靈敏度、精確的溫度測量，要求所選譜線具有較寬的高能級能量；(3) 譜線相互獨立，所選Ar譜線要求相互獨立，沒有發(fā)生互相干擾，同時要避免其他組分譜線的影響，因此選擇了氬氣在640～780 nm范圍內(nèi)的15條譜線，具體的氬氣光譜參數(shù)見表1。

表1 Ar譜線光譜參數(shù)Table 1 Fundamental spectroscopic data for argon lines

2 實驗部分

2.1 高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器

圖1給出了感應(yīng)等離子體發(fā)生器球化系統(tǒng)發(fā)射光譜測溫系統(tǒng)的示意圖。高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器的主要結(jié)構(gòu)是在垂直放置的石英管外邊套一個水冷銅管繞制的線圈，高頻電流通過線圈所產(chǎn)生的磁場與放電管中的等離子體相耦合，通過氬氣擊穿起弧，線圈中流過的激發(fā)電流產(chǎn)生的交變磁場所感生的交變電場，對進入等離子體發(fā)生器內(nèi)的試驗介質(zhì)進行加熱，產(chǎn)生熱等離子體。本研究中感應(yīng)等離子體發(fā)生器采用氬氣為試驗介質(zhì)，高純氬氣分三路進入石英管內(nèi)：G1為外環(huán)保護氣，主要用于氣冷保護石英管；G2為內(nèi)環(huán)工作氣;G3為載氣，將鈦粉顆粒經(jīng)送粉槍送入石英管內(nèi)高溫流場，不規(guī)則鈦粉在高溫?zé)岬入x子體的加熱作用下形成規(guī)則球形的粉末。試驗中石英管內(nèi)高溫流場的待測橫截面位于送粉槍正下方20 mm處的軸向圓截面，石英管內(nèi)高溫流場的輻射發(fā)光通過輻射采集鏡頭(LDM-9811，Gigahertz-Optik)獲得，該鏡頭可實現(xiàn)對高溫流場輻射發(fā)光的空間點分辨測量，本實驗條件下聚焦點的光斑直徑為1 mm，利用該裝置可獲得高溫流場待測橫截面內(nèi)單點位置的輻射發(fā)光。輻射發(fā)光經(jīng)VIS-NIR多模光纖傳輸給光纖光譜儀(HR2000,Ocean Optics)進行波長分辨，獲得目標(biāo)組分Ar在600～800 nm波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜譜線，為了捕捉石英管內(nèi)感應(yīng)等離子體流場參數(shù)的變化，光譜儀的采集周期時間設(shè)定為8 ms，是目前本實驗所采用光纖光譜儀的最大時間分辨能力。同時，利用氫燈光源標(biāo)定光譜儀的分辨率，Δλ=0.17 nm。該光譜測量系統(tǒng)的波長及強度響應(yīng)系數(shù)在試驗前利用一臺鎢燈標(biāo)準(zhǔn)光源 (Oriel 63945,Newport) 進行標(biāo)定。為了獲得待測橫截面上徑向的空間分布，將該套光學(xué)聚焦系統(tǒng)安裝在電動位移掃描臺(KSA800,Zolix)，試驗過程中可以遠程控制電動位移機構(gòu)的掃描速度和距離，對高溫流場待測橫截面進行來回的掃描，從而獲得石英管內(nèi)等離子體流場輻射光譜的徑向空間分布。

圖1 發(fā)射光譜測溫系統(tǒng)光學(xué)布置圖Fig.1 Schematic of OES sensor and associated apparatus

2.2 數(shù)據(jù)處理

圖2(a)給出了利用光譜儀獲得的Ar等離子體在600～800 nm波長范圍內(nèi)的發(fā)射光譜圖。從圖中可以看出Ar譜線在高能級激發(fā)能量較低(4p-4s)時可以獲得較高的發(fā)射譜線信號，其信噪比最高可達400，而對于高能級激發(fā)能量較高(5p-4s)時，Ar發(fā)射譜線的信號強度較低，但其信噪比最低仍可達6左右，可以保證提取光譜信號的有效。分析Ar在600～800 nm波長范圍內(nèi)的發(fā)射譜線，本研究選取了15組Ar不同高能級激發(fā)能力的譜線，用于測量是石英管內(nèi)感應(yīng)等離子體高溫流場的溫度。圖2(b)基于氬氣等離子體的15組發(fā)射光譜譜線，利用Boltzmann畫圖法給出了石英管內(nèi)待測橫截面內(nèi)某點的氣流溫度的擬合情況?；跍y量值與高能級能量進行線性擬合獲得氣流溫度，氣流溫度值為10 090 K，線性擬合偏差引起的溫度偏差為±240 K,顯示出良好的測溫準(zhǔn)確度。

圖2 Ar發(fā)射光譜測溫(a):600～800 nm波長范圍內(nèi)的典型發(fā)射光譜圖; (b)：Ar譜線玻爾茲曼畫圖Fig.2 OES for temperature mesurements(a)：A typical emission spectrum in the range of 600～800 nm from the argon plasma;(b)：Boltzmann plot for Ar lines

3 結(jié)果與討論

基于光學(xué)發(fā)射光譜技術(shù)和電動位移掃描測量，圖3給出了石英管內(nèi)感應(yīng)等離子體待測橫截面內(nèi)Ar在波長λ=763.5 nm的光譜輻射強度的徑向分布。電動位移機構(gòu)的掃描區(qū)域從石英管外一側(cè)掃描值石英管外另一側(cè)，覆蓋整個感應(yīng)等離子體高溫流場。無送粉時等離子體流場的輻射發(fā)光呈現(xiàn)徑向中心區(qū)發(fā)光強度低，之后向兩側(cè)增加，在離中心軸±10 mm半徑附近時達到最大值，之后輻射強度值迅速減少，輻射強度值在靠近石英管內(nèi)壁時有一個明顯的變化。同時，圖3給出了石英管內(nèi)送粉和不送粉兩種工況下輻射強度的分布特性，可以看到，相比于無送粉時的純氬氣流場，送粉條件下待測截面中心區(qū)的輻射光譜強度出現(xiàn)明顯下降，送粉對輻射強度的影響逐漸向兩側(cè)徑向延伸，在離中心軸±15 mm半徑后基本沒有影響，此區(qū)域基本為內(nèi)環(huán)工作氣覆蓋的區(qū)域，說明不規(guī)則鈦粉顆粒主要在此區(qū)域內(nèi)被感應(yīng)等離子體加熱作用。

圖3 有無送粉條件下發(fā)射光譜強度徑向分布，λ=772.40 nmFig.3 Radial distribution of OES intensity under conditions with powder in and no powder in,λ=772.40 nm

圖4給出了感應(yīng)等離子體待測橫截面內(nèi)氣流溫度的徑向分布，氣流溫度的變化呈現(xiàn)出與輻射光譜空間分布類似的趨勢：徑向中心區(qū)域的溫度低，靠近中心區(qū)域兩側(cè)的區(qū)域為最高溫度區(qū)(r=±10 mm)，之后等離子體氣流的溫度向兩側(cè)迅速下降。不送粉條件下，徑向中心區(qū)域低溫區(qū)的溫度在10 110～10 170 K，溫度測量偏差為240 K;兩側(cè)最高溫度區(qū)域的最大溫度值分別為(10 500±240)和(10 620±240) K，靠近石英管內(nèi)壁時，氣流溫度下降至8 600～8 700 K，分析感應(yīng)等離子體徑向溫度分布的特征，其原因在于由于趨膚效應(yīng)，徑向(r=±10 mm)的位置為等離子體放電的主要區(qū)域，感應(yīng)等離子體焦耳加熱集中在此，形成了兩側(cè)的等離子體高溫區(qū)。對比相關(guān)數(shù)值研究結(jié)果[12]，本研究測量獲得的溫度徑向空間變化趨勢和測量值均具有良好的一致性。

相比于不送粉條件，送入鈦粉后高溫流場氣流溫度分布特征出現(xiàn)明顯差異：鈦粉送入?yún)^(qū)域下面出現(xiàn)一個明顯的倒三角的低溫區(qū)，送粉與不送粉下圓心低溫區(qū)的溫差在500 K左右，趨膚層最大溫度區(qū)的溫差在400 K左右。在從趨膚層到石英管內(nèi)壁面的區(qū)域，送粉對流場氣流溫度的影響逐漸減少，此區(qū)域內(nèi)送粉和不送粉兩種工況下氣流溫度沒有顯著差異。此外，值得注意的是，鈦粉顆粒送粉對趨膚層兩側(cè)高溫區(qū)的影響不同：右側(cè)高溫區(qū)氣流溫度在送粉后出現(xiàn)了明顯的下降，而左側(cè)高溫區(qū)氣流溫度被整體拉低程度要更低。分析造成這種差異的原因，可能是送入鈦粉和內(nèi)環(huán)旋氣相互作用引起鈦粉顆粒分布不均勻造成的，內(nèi)環(huán)工作氣以單一方向旋進，帶動送入的鈦粉顆粒運動，因此對于某一個軸向橫截面，鈦粉的分布總是不均勻的，本研究中待測位置橫截面，可以判斷鈦粉顆粒主要集中在從徑向中心區(qū)域至右側(cè)趨膚層的區(qū)域。

4 結(jié) 論

基于發(fā)射光譜技術(shù)和位移掃描技術(shù)，對感應(yīng)等離子體發(fā)生器球化鈦粉顆粒過程中高溫流場溫度進行了實時診斷測量，獲得了待測橫截面內(nèi)氣流溫度的徑向空間分布。獲得如下結(jié)論：

(1)感應(yīng)等離子體高溫流場的溫度呈現(xiàn)馬鞍形的變化趨勢，徑向中心區(qū)存在一個低溫區(qū)，等離子體最高溫度位于待測橫截面中心兩側(cè)趨膚層的區(qū)域；

(2)針對石英管內(nèi)感應(yīng)等離子體無送粉和送粉條件兩種情況，研究了兩種工況下高溫氣流溫度的變化情況：有送粉條件下氣流徑向中心區(qū)和兩側(cè)趨膚層最大溫度區(qū)的溫度被明顯拉低，最大溫度分別為500和400 K，送粉對石英管內(nèi)感應(yīng)等離子體高溫流場的影響從中心徑向區(qū)域逐漸向兩側(cè)擴展。

本研究工作利用光學(xué)診斷技術(shù)獲得感應(yīng)等離子體制備球化粉末過程中等離子體高溫流場的徑向分布，該結(jié)果與相關(guān)數(shù)值計算進行對比，獲得了良好的一致性，該診斷方法可為進一步了解感應(yīng)等離子體工作特性和球化制粉工藝的改進優(yōu)化提供直接依據(jù)。下一步的工作可從兩方面展開:一方面，利用電動位移掃描技術(shù)和發(fā)射光譜技術(shù)進一步獲得感應(yīng)等離子體球化制粉過程中流場軸向、徑向溫度的空間分布；另一方面，結(jié)合窄線寬、可調(diào)諧原子激光吸收光譜技術(shù)同時對感應(yīng)等離子體發(fā)生器內(nèi)流場進行診斷，獲得精細(xì)化的流場溫度和粒子密度的空間分布信息。