大气热喷涂等离子体射流中电子温度和电子密度的测量

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连海事大学 作者:孙成琪

  发射光谱研究是热喷涂等离子体诊断的一种重要的方法。通过使用发射光谱测量的氩原子在763.51和772.42nm处谱线辐射强度的信息,采用双谱线法计算大气热喷涂等离子体射流的电子温度,研究纯氩气条件下,不同的氩气流量和不同的弧电流对热喷涂等离子体射流中电子度的影响。通过使用HB谱线的Stark展宽,来计算热喷涂等离子射流的电子密度,研究氢气流量变化对电子密度的影响。结果表明,电子温度随等离子体功率的增加而增加,氩气流量增加时等离子体的电子温度略有降低;对于氩-氢等离子体,氩-氢混合气体中氢气流量增加时等离子体的电子温度和电子密度都显著增加。

  等离子喷涂中由于等离子炬的高温、高速以及高传热特性,已经被广泛的应用于各种工程技术领域,形成各种耐磨涂层,耐高温涂层和耐腐蚀涂层等。尤其是使用性能优越却极其难熔的陶瓷粉末和硬质合金粉末的喷涂问题,在等离子喷涂中得到了很好的解决。尽管等离子喷涂已经取得了令人瞩目的发展,许多等离子喷涂的基本机理仍然需要进一步的了解,这包括等离子炬的特性研究,电子温度和电子密度是表征等离子体性质的一个重要参数,测量电子温度和电子密度对于理解等离子炬的特性具有重要意义。

  热喷涂等离子炬的温度在2,000~20,000K之间,远高于传统的热电偶与热电阻的测量范围。现有的等离子体温度与速度的测量仪器主要分为接触式测量仪器和非接触式测量仪器,接触式测量包括探针法、微波法、阻抗测量法等。非接触式测量主要有Thomson散射法、光谱法等。其中,发射光谱法因其所使用的仪器相对简单,当前被广泛地应用于各种不同过程的等离子体诊断及测试。迄今为止,采用光谱法对等离子体的诊断已经进行了很多研究沈岩和赵文华等分别采用绝对强度法和波尔兹曼图法得到了射流的波尔兹曼图和激发温度,董丽芳等采用Ar原子的两条谱线对介质阻挡放电中电子的激发温度进行了测量和计算,W.L.T.chen等通过Ar原子430和43112nm处绝对发射系数计算了等离子体炬轴向和径向的电子温度分布,并与焓探针的测量值进行了比较。但是,有关热喷涂等离子体射流的光谱诊断的研究少见报道,因此,本文用发射光谱法对大气下热喷涂等离子体射流中电子温度的测量原理进行了分析,同时研究了不同电流和不同气体成分下电子温度及电子密度的演变情况,为进一步了解电弧等离子体的特性提供参考。

1、实验方法和装置

  在本文的实验中,使用大连海事大学热喷涂研究中心的大气等离子喷涂系统,喷枪是由水冷的涂钍钨阴极和铜阳极喷嘴构成。图1为等离子焰流,等离子体电弧由气体的持续供给来保持,一般来说氩气是很好的稳定等离子体电弧的气体,同时引弧的电压比较低。本文实验所使用的等离子炬的功率为2.3,3.6,5.2,6.75kW,氩气的流量为25,30,35,40L/min。研究输入功率、气体流量以及气体成分变化对等离子炬电子温度的影响,其详细喷涂参数见表1。

表1 试验条件(喷涂参数)

大气热喷涂等离子体射流中电子温度和电子密度的测量

大气热喷涂等离子体射流中电子温度和电子密度的测量

图1 等离子体射流的照片

  在实验中,使用AvaSpec-2048-4-USB2光纤光谱仪采集等离子射流的光学信号,测量分辨率为0.2nm,测量波长范围为200~1020nm,积分时间为111ms~10min,采样速度为111ms/次,带有CCD探测器,像素为4@2048。为保证测量结果的准确性,实

  验前对光谱诊断设备进行必要的调试和校正,使用标准光源AvaLigh-tHAL卤钨灯对光谱仪进行标定。400um的光纤探头放置在距离喷枪轴线50cm,对准等离子喷枪出口轴向10mm处,光谱测量系统如图2。测量时,通过改变CCD探测器的读出频率即积分时间(也称为曝光时间)保证四个通道中获得的信号强度不出现饱和,为了测量数据具有可比性,四个通道测量的积分时间都为1105ms,为了降低信噪比的影响,平均扫描次数选择100。使用PlasusSpecLine软件对测量的光谱数据进行分析和标定,确定不同原子的谱线,其软件中所使用的数据库来自美国国家标准与技术研究院。图3为在Ar30L/min,250A,功率为6kW时条件下,所采集的使用PlasusSpecLine软件标定后的等离子体光谱信息,光谱图谱中显示了氩原子辐射光谱谱线的辐射强度。

大气热喷涂等离子体射流中电子温度和电子密度的测量

图2 光谱测量系统

大气热喷涂等离子体射流中电子温度和电子密度的测量

图3 大气压力下的发射光谱检测

4、结论

  本文利用发射光谱,测量了距离喷嘴出口轴向10mm处得大气等离子炬的辐射谱线,通过相对强度法和Stark展宽法对纯氩气和氩-氢气的条件下等离子体电子的温度和电子密度进行了计算和分析。

  (1)在纯氩气条件下,保持电流不变时,随着氩气流量的增加,等离子体的电子温度逐渐减小,在保持氩气流量不变时,等离子体的电子温度会随电流的增加而显著增加;

  (2)在氩-氢混合气体时,保持氩气流量和电流强度不变,随着氢气流量的增加,等离子体的电子温度会逐渐增加,这与氩气流量增加的影响是不相同;

  (3)氩原子在706.68nm处发射光谱强度随氩气流量的增加而增加,随电流强度的增加而增大;

  (4)在氩-氢混合气体条件下,保持电流不变时,通过HB谱线的半宽高计算得电子密度随氢气流量的增加而增多。

  在本文研究的基础上,未来可以对热喷涂等离子炬的电离程度以及偏离热力学局域平衡态的程度进行研究。

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