大氣熱噴涂等離子體射流中電子溫度和電子密度的測(cè)量
發(fā)射光譜研究是熱噴涂等離子體診斷的一種重要的方法。通過(guò)使用發(fā)射光譜測(cè)量的氬原子在763.51和772.42nm處譜線輻射強(qiáng)度的信息，采用雙譜線法計(jì)算大氣熱噴涂等離子體射流的電子溫度，研究純氬氣條件下，不同的氬氣流量和不同的弧電流對(duì)熱噴涂等離子體射流中電子度的影響。通過(guò)使用HB譜線的Stark展寬，來(lái)計(jì)算熱噴涂等離子射流的電子密度，研究氫氣流量變化對(duì)電子密度的影響。結(jié)果表明，電子溫度隨等離子體功率的增加而增加，氬氣流量增加時(shí)等離子體的電子溫度略有降低；對(duì)于氬-氫等離子體，氬-氫混合氣體中氫氣流量增加時(shí)等離子體的電子溫度和電子密度都顯著增加。
等離子噴涂中由于等離子炬的高溫、高速以及高傳熱特性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種工程技術(shù)領(lǐng)域，形成各種耐磨涂層，耐高溫涂層和耐腐蝕涂層等。尤其是使用性能優(yōu)越卻極其難熔的陶瓷粉末和硬質(zhì)合金粉末的噴涂問(wèn)題，在等離子噴涂中得到了很好的解決。盡管等離子噴涂已經(jīng)取得了令人矚目的發(fā)展，許多等離子噴涂的基本機(jī)理仍然需要進(jìn)一步的了解，這包括等離子炬的特性研究，電子溫度和電子密度是表征等離子體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，測(cè)量電子溫度和電子密度對(duì)于理解等離子炬的特性具有重要意義。
熱噴涂等離子炬的溫度在2,000~20,000K之間，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的熱電偶與熱電阻的測(cè)量范圍。現(xiàn)有的等離子體溫度與速度的測(cè)量?jī)x器主要分為接觸式測(cè)量?jī)x器和非接觸式測(cè)量?jī)x器，接觸式測(cè)量包括探針?lè)ā⑽⒉ǚ�、阻抗測(cè)量法等。非接觸式測(cè)量主要有Thomson散射法、光譜法等。其中，發(fā)射光譜法因其所使用的儀器相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)前被廣泛地應(yīng)用于各種不同過(guò)程的等離子體診斷及測(cè)試。迄今為止，采用光譜法對(duì)等離子體的診斷已經(jīng)進(jìn)行了很多研究沈巖和趙文華等分別采用絕對(duì)強(qiáng)度法和波爾茲曼圖法得到了射流的波爾茲曼圖和激發(fā)溫度，董麗芳等采用Ar原子的兩條譜線對(duì)介質(zhì)阻擋放電中電子的激發(fā)溫度進(jìn)行了測(cè)量和計(jì)算，W.L.T.chen等通過(guò)Ar原子430和43112nm處絕對(duì)發(fā)射系數(shù)計(jì)算了等離子體炬軸向和徑向的電子溫度分布，并與焓探針的測(cè)量值進(jìn)行了比較。但是，有關(guān)熱噴涂等離子體射流的光譜診斷的研究少見(jiàn)報(bào)道，因此，本文用發(fā)射光譜法對(duì)大氣下熱噴涂等離子體射流中電子溫度的測(cè)量原理進(jìn)行了分析，同時(shí)研究了不同電流和不同氣體成分下電子溫度及電子密度的演變情況，為進(jìn)一步了解電弧等離子體的特性提供參考。
1、實(shí)驗(yàn)方法和裝置
在本文的實(shí)驗(yàn)中，使用大連海事大學(xué)熱噴涂研究中心的大氣等離子噴涂系統(tǒng)，噴槍是由水冷的涂釷鎢陰極和銅陽(yáng)極噴嘴構(gòu)成。圖1為等離子焰流，等離子體電弧由氣體的持續(xù)供給來(lái)保持，一般來(lái)說(shuō)氬氣是很好的穩(wěn)定等離子體電弧的氣體，同時(shí)引弧的電壓比較低。本文實(shí)驗(yàn)所使用的等離子炬的功率為2.3，3.6，5.2，6.75kW，氬氣的流量為25，30，35，40L/min。研究輸入功率、氣體流量以及氣體成分變化對(duì)等離子炬電子溫度的影響，其詳細(xì)噴涂參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)條件(噴涂參數(shù))
圖1 等離子體射流的照片
在實(shí)驗(yàn)中，使用AvaSpec-2048-4-USB2光纖光譜儀采集等離子射流的光學(xué)信號(hào)，測(cè)量分辨率為0.2nm，測(cè)量波長(zhǎng)范圍為200~1020nm，積分時(shí)間為111ms~10min，采樣速度為111ms/次，帶有CCD探測(cè)器，像素為4@2048。為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)
驗(yàn)前對(duì)光譜診斷設(shè)備進(jìn)行必要的調(diào)試和校正，使用標(biāo)準(zhǔn)光源AvaLigh-tHAL鹵鎢燈對(duì)光譜儀進(jìn)行標(biāo)定。400um的光纖探頭放置在距離噴槍軸線50cm，對(duì)準(zhǔn)等離子噴槍出口軸向10mm處，光譜測(cè)量系統(tǒng)如圖2。測(cè)量時(shí)，通過(guò)改變CCD探測(cè)器的讀出頻率即積分時(shí)間(也稱為曝光時(shí)間)保證四個(gè)通道中獲得的信號(hào)強(qiáng)度不出現(xiàn)飽和，為了測(cè)量數(shù)據(jù)具有可比性，四個(gè)通道測(cè)量的積分時(shí)間都為1105ms，為了降低信噪比的影響，平均掃描次數(shù)選擇100。使用PlasusSpecLine軟件對(duì)測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和標(biāo)定，確定不同原子的譜線，其軟件中所使用的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院。圖3為在Ar30L/min，250A，功率為6kW時(shí)條件下，所采集的使用PlasusSpecLine軟件標(biāo)定后的等離子體光譜信息，光譜圖譜中顯示了氬原子輻射光譜譜線的輻射強(qiáng)度。
圖2 光譜測(cè)量系統(tǒng)
圖3 大氣壓力下的發(fā)射光譜檢測(cè)
4、結(jié)論
本文利用發(fā)射光譜，測(cè)量了距離噴嘴出口軸向10mm處得大氣等離子炬的輻射譜線，通過(guò)相對(duì)強(qiáng)度法和Stark展寬法對(duì)純氬氣和氬-氫氣的條件下等離子體電子的溫度和電子密度進(jìn)行了計(jì)算和分析。
(1)在純氬氣條件下，保持電流不變時(shí)，隨著氬氣流量的增加，等離子體的電子溫度逐漸減小，在保持氬氣流量不變時(shí)，等離子體的電子溫度會(huì)隨電流的增加而顯著增加；
(2)在氬-氫混合氣體時(shí)，保持氬氣流量和電流強(qiáng)度不變，隨著氫氣流量的增加，等離子體的電子溫度會(huì)逐漸增加，這與氬氣流量增加的影響是不相同；
(3)氬原子在706.68nm處發(fā)射光譜強(qiáng)度隨氬氣流量的增加而增加，隨電流強(qiáng)度的增加而增大；
(4)在氬-氫混合氣體條件下，保持電流不變時(shí)，通過(guò)HB譜線的半寬高計(jì)算得電子密度隨氫氣流量的增加而增多。
在本文研究的基礎(chǔ)上，未來(lái)可以對(duì)熱噴涂等離子炬的電離程度以及偏離熱力學(xué)局域平衡態(tài)的程度進(jìn)行研究。
