低压条件下的等离子射流特性分析



低压条件下的等离子射流特性分析

杨德明1， 高 阳1， 傅迎庆1， 孙成琪1,2

(1. 大连海事大学 热喷涂研究中心，大连 116026; 2. 广东海洋大学 航海学院，湛江 524025)

摘 要：低压等离子喷涂由于具有特殊的射流特性，以及可以沉积组织均匀的特殊结构涂层而备受关注． 涂层的形成受到等离子射流特性的影响，比如焓值、温度、速度等． 研究中利用热焓探针技术在环境压力为3 kPa的条件下，测量了Ar-H2等离子体不同轴向位置射流中心的焓值和压力，并且进一步计算了射流的温度和速度，以及表征等离子体对粉体加热能力的努森数． 结果表明，等离子射流在距离喷嘴出口12.5 mm处的温度为11 000 K;400 mm处降为7 000 K；等离子射流速度在喷嘴出口处25 mm左右达到最大值，约为2 000 m/s；喷嘴外部等离子射流的努森数处于过渡区，对粉体的加热能力较低．

关键词：低压等离子喷涂；等离子射流；焓探针；努森数

0 序 言

直流电弧等离子体的温度很容易达到10 000 K以上，可以熔化大部分难熔陶瓷材料，因此等离子喷涂被广泛应用于耐磨、防腐、耐高温等各种工程领域． 近年来，直流低压等离子喷涂技术倍受关注，在低压环境下喷涂不仅可以降低粉末颗粒的氧化，而且等离子射流被拉长膨胀，区别于大气等离子喷涂，在制备涂层方面，通过调整工艺参数，使用低压等离子喷涂可以制备具有等轴晶[1-3]或柱状晶[4-6]结构的特殊组织涂层． 喷涂粉末的熔化状态受到等离子射流特性的影响，等离子体的温度和速度分布直接影响着射流中粉末颗粒的加热和加速. 努森数(Kn)是判断等离子射流对粉末粒子传热的重要参量，定义为等离子体气体粒子的平均自由程长度与粉末颗粒的特征尺度之间的比值，因此研究低压条件下等离子射流的焓值、温度、速度和努森数在轴向方向上的分布对于研究粉末颗粒在低压等离子射流中的受热具有重要意义．

对等离子射流特性的诊断目前主要采用热焓探针和光谱分析法[7]，光谱分析法主要用来测量等离子的电子温度和电子密度[8]，而热焓探针系统作为测量等离子体射流特性的重要工具，具有测量方法简单等优点，通过测量和计算可以获得等离子体的多种参数，比如焓值、温度、速度等． Swank等人[9,10]介绍了使用热焓探针测量与计算大气条件下等离子体温度和速度的方法，但在低压条件下，等离子气体的密度远低于大气条件下，为了使焓探针能够抽取一定量的等离子气体，在大气等离子喷涂热焓探针系统[11]的基础上进行改造，将焓探针抽气管内径适当扩大，设计了适合于测量低压条件的等离子射流热焓探针，另外低压状态下等离子射流的速度达到亚音速或超音速范围，在计算方面也区别于大气等离子体． 为了从理论上研究低压条件下等离子射流的特性，为低压等离子喷涂提供理论依据，研究在等离子气体流量、弧电流和弧电压相同的条件下，利用自制的热焓探针系统测量了低压条件下等离子射流中心不同位置处的焓值、压力等物理量，并进一步计算了对应位置等离子的温度、速度以及努森数．

1 试验方法

1.1 热焓探针测量系统

图1为试验使用的自制热焓探针系统示意图，为了降低出入焓探针冷却水之间的相互干扰，热焓探针采用单套管结构，外部套管的直径为10 mm，内部抽气管的内径为2 mm，抽气孔位于焓探针外部套管的中间部位． 冷却水采用去离子水，流量为7 L/min，在水箱内安装恒温装置，确保注入焓探针的冷却水温度恒定． 在焓探针的冷却水入口和出口分处别安装了k型热电偶，测量进出焓探针冷却水温度的变化．

图1 热焓探针系统示意图

Fig.1 Diagram of enthalpy probe system

试验采用大连海事大学热喷涂中心研发的超低压等离子喷涂设备[12]，试验过程中，喷涂容器内的压力控制在3 kPa左右，使用氩气和氢气作为等离子气体，保持等离子体的输入功率不变，分别在距离喷嘴出口不同轴向位置D处(12.5,18,25,37.5,50,100,200,300和400 mm)测量等离子体中心的焓值和压力，等离子参数如表1所示． 具体的测量步骤如下，将容器内抽真空，容器内的压力达到一定值，此时使用U型管1测量容器内环境压力；启动等离子体，根据试验条件设定等离子体气体流量，弧电流，电压等参数；稳定工作后，将焓探针抽气孔对准等离子射流中心，此时测量进出焓探针冷却水的温度，使用U型管2测量等离子射流的压力；打开焓探针系统的抽气阀，抽取等离子体气体，同时测量进出焓探针冷却水的温度，通过排水法，测量抽出的等离子气体的流量． 然后调整等离子喷枪与焓探针的相对位置，重复进行测量，获得等离子射流不同位置的特性分布．

表1 等离子射流参数

Table 1 Parameters of plasma jet

氩气流量q1/(L·min-1)氢气流量q2/(L·min-1)电流I/A电压U/V40560045

1.2 热平衡式

抽取等离子气体前后焓探针内部的冷却水热量的变化和抽取的等离子气体放出的热量相等，即得到以下热平衡关系为

mg(h1g-h2g)=mcwCpw[ΔTgf-ΔTngf]

(1)

式中：mg为从通过焓探针抽取的等离子气体的流量；h1g为计算获得的焓探针采样位置的等离子体焓值;h2g为焓探针气体出口位置气体的焓值；mcw，Cpw分别为流入焓探针冷却水的流量和比热；ΔTgf为抽取等离子气体时，流出与流入焓探针的冷却水温度差；ΔTngf为不抽取等离子气体时，流出与流入焓探针的冷却水温度差． 公式(1)的含义为：抽取等离子气体热量的散失等于有无等离子气体流过焓探针时冷却水热量的变化． 等离子体的温度可以通过公式(2)计算得

(2)

式中：Cpg为等离子气体的比热，可参考文献[13]获得;Ti为通过计算得到的等离子气体温度；To为经过焓探针冷却以后的等离子气体温度，可以通过图1中热电偶TC3测得．

由于大气等离子喷涂射流的速度较低，通常马赫数M<>[14]． 而对于低压条件下等离子射流的速度达到亚音速或超音速范围，伯努力方程不再适用，根据连续性方程，动量方程，以及上述测量的相关温度和压力，等离子射流的速度可用以下公式[15]计算为

(3)

式中：v为等离子射流的速度；P0为焓探针测试位置等离子射流压力；P为真空室内环境压力；R为气体常数；γ为气体的等压比热与等容比热之比．

1.3 努森数

等离子体传热可以在很广泛的区域内进行[16]，传热区域根据努森数(Kn)的大小来进行划分，Kn是判断等离子体对粉末粒子传热程度的重要物理量，该无量纲数定义为等离子气体的平均自由程长度λ与粉末颗粒的特征尺度L之比，即

Kn=λ/L

(4)

等离子气体的平均自由程长度λ可由气体黏度和平均运动速度计算为

λ=2μ/ρv

(5)

式中:μ与ρ分别为等离子气体的黏度与密度；v为温度为T时气体粒子的平均热运动速率． 高温气体在等离子体状态下的黏度等物理量由文献[13]获得．

根据Kn的大小将等离子射流对粉体的传热划分为以下几个区域[17]：当Kn<>-3时为连续介质区；10-3Kn<>-1为速度滑移与温度跳跃区；10-1Kn<>Kn>10为自由分子流区． 在连续介质区，等离子体的平均自由程远小于粉体颗粒直径，等离子体对粉末颗粒的加热效率较高，在等离子喷枪喷嘴内部的等离子射流正是处于这种状态． 在速度滑移与温度跳跃区，尽管等离子体的平均自由程仍然小于粉体的直径，但已不能忽略不计，传统的低压等离子喷涂(1～10 kPa)可能存在这种情况．

2 结果与讨论

2.1 等离子射流中的压力变化

图2为低压条件下等离子射流中心压力与轴向距离的分布关系，可以看到等离子射流中心的各个位置压力均高于真空室环境压力，喷嘴内部即送粉口(距喷嘴-25 mm)的射流压力最高为39 kPa，由于出口位置压力不便于测量，近似认为喷嘴外部0～25 mm处压力呈线性变化，在图2中使用空心点来表示． 在喷嘴外部，喷嘴出口至距离喷嘴25 mm范围内射流压力迅速降低，在50 mm处迅速升高，而后缓慢下降，喷嘴外部等离子射流的压力经历了降低，升高，再降低的过程，分别对应了射流的膨胀和压缩区域，根据对应位置等离子射流的照片(图3)可知，这些膨胀压缩区域的形成与超音速射流产生的激波有关．

图2 低压条件下的等离子射流中心压力分布

Fig.2 Pressure distribution of plasma jet as a function of axial distance from nozzle exit

图3 试验条件下的等离子射流

Fig.3 Jet photo under experimental condition

氩气和氩-氢等离子体在距离喷嘴出口25，50和100 mm位置处射流中心压力变化与等离子弧电流的关系如图4所示，当电流从100 A调整到300 A时，各位置处等离子体的压力变化明显，并且不同气体成分的等离子体表现了相同的变化趋势． 随着电流的增加，在25 mm处，等离子射流的内部压力会逐渐降低，在50 mm处，等离子射流压力会逐渐增加，而在100 mm处，压力变化幅度较小；而当电流由300～500 A范围内时，等离子射流在不同位置处的压力基本不变，增加电流对于压力的变化影响较少，说明在300 A以下时，改变电流会影响激波在等离子束中的位置，而电流在300 A以上时，改变电流对其基本无影响，氢气的加入会增加等离子射流的内部压力，但不会影响射流内部的压力分布． 这可能是由于300 A以下时，改变电流会改变等离子体弧根的位置；300 A以上时，改变电流对弧根的位置影响不大，而氢气的加入基本上不会影响弧根的位置．

图4 氩气和氩-氢等离子体在距离喷嘴不同位置处射流中心压力变化与等离子弧电流的关系

Fig.4 Pressure of Ar and Ar-H2 plasma jet at different currents and different distances

2.2 等离子射流温度和速度

等离子射流的焓值和温度分布如图5所示，从图5中可以看出，从距离喷嘴12.5～25 mm处，等离子的焓值和温度迅速下降，焓值由42 MJ/kg降低到20 MJ/kg，温度由11 000 K降低到9 800 K，从25～100 mm范围内等离子的焓值和温度再次经历了升高与降低的过程，这与等离子射流在低压状态下的压缩与膨胀的过程相关，等离子射流照片如图3所示，等离子射流在50 mm内经历了一次压缩膨胀的过程，在50～200 mm范围内再次经历了一次压缩膨胀的过程；而后随着距离喷嘴越来越远，在400 mm处射流的温度迅速降低至7 000 K．

等离子射流速度分布如图6所示，在距离喷嘴出口12.5 mm处，等离子射流的速度约为1 981 m/s，至25 mm处，速度增加至2 024 m/s，在50 mm处再次降低，在100 mm处速度少量升高，以后逐渐下降. 测量的等离子射流温度、压力分布，与速度的分布在压缩膨胀过程中基本符合能量守恒定律，从测量结果看出，在12.5～25 mm和50～100 mm范围内，射流的压力、温度降低，速度增加，说明等离子射流在膨胀的过程中，将一部分热能转化为动能；而在25～50 mm和100～200 mm范围内，等离子射流为压缩过程，温度升高，速度降低，说明此时一部分动能转化为热能．

图5 氩-氢等离子体喷嘴外部轴向距离的焓值和温度分布

Fig.5 Distributions of enthalpy and temperature of Ar-H2 plasma jet as a function of axial distances

图6 氩-氢等离子体喷嘴外部轴向距离的速度分布

Fig.6 Velocity distribution of plasma jet as a function of the distance from nozzle exit

2.3 等离子射流的传热

等离子中心的平均自由程分布如图7a所示,在喷嘴出口处等离子射流处于压缩状态，平均自由程最小，在25 mm处的平均自由程突然增加又降低，这是由于在25 mm处等离子射流处于膨胀状态，等离子的平均自由程较高，而后等离子体的平均自由程逐渐增加. 假定喷涂粉末的颗粒直径平均为30 μm，经计算得到的努森数分布如图7b所示，400 mm范围内由0.5变化到1.6，10-1Kn<>

图7 等离子体的平均自由程以及对应的努森数的轴向分布

Fig.7 Mean free path and corresponding Knudsen number of plasma jet as a function of distance from nozzle exit

3 结 论

(1) 在低压环境下，等离子射流在喷嘴出口处的压力和温度骤然下降，速度逐渐升高，在25 mm左右达到最高的速度约2 000 m/s，为超音速状态；在喷嘴出口附近的温度最高约11 000 K.

(2) 由于激波的存在，射流的速度与温度交替的升高与降低，动能与热能之间相互转化，随着喷涂距离的增加，能量逐渐降低，与射流的膨胀与压缩的位置相符合.

(3) 尽管在距离喷嘴出口400 mm范围内，射流的温度始终维持在7 000～11 000 K范围内，但等离子射流的努森数较低(0.5～1.6)，属于过渡区，说明在喷嘴外部的等离子射流对粉体的加热能力较低，因此在低压条件下采用内送粉方式进行喷涂可以弥补这一不足．

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收稿日期：2014-11-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51172033)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132014323，3132016071)

作者简介：杨德明，男，1983年出生，博士，讲师. 主要从事低压等离子喷涂技术的研究.发表论文10余篇. Email: [e-mail]

通讯作者：高 阳，男，教授. Email: [e-mail]

中图分类号：TG 403

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)10-0064-05