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应用守恒法预测等离子喷枪出口温度和速度
福州大学材料科学与工程学院（350108）仇高健郑振环李强
摘要通过混合等离子气热熔和密度计算，基于质量和能量守恒，提出了一种预测直流等离子喷枪出口温度和速度的方法。该方法考虑了等离子气压力、喷嘴直径、等离子形成气体性质以及喷涂功率的影响。计算结果与相关试验符合较好。应用该方法分析了喷涂工艺对喷枪出口最大温度和速度的影响规律，可用于指导等离子喷涂工艺的选择。
关键词：等离子喷涂质量守恒能量守恒中图分类号：TG456.2
0序言
等离子喷涂已广泛用于制备各种表面防护涂层)。喷涂过程中，喷涂材料在等离子射流中熔化、加速直至撞击在基底上形成涂层。喷枪内等离子体的不均匀性会影响到射流流场的均勾性(2)，继而影响到涂层的质量。喷枪出口等离子体具有高温、高速的特点，测试耗时且费用高昂[3]。由质量和能量守恒来计算出口温度和速度成为一种经济、快速的方法[4-7)。Houben 等人4应用能量守恒法，推导了氢气为工作气体的喷枪出口温度和速度计算方法，由于假定喷枪出口温度和速度在喷嘴径向上没有变化，计算的速度较试验值偏小。Zhao[5]和范群波等人[6-7]也采用了类似的能量守恒法，计算了混合气体的喷枪出口温度和速度，他们的方法同样假定了喷枪出口温度为单一值，而且没有考虑喷嘴尺寸的影响。
文中基于喷枪出口处的等离子质量和能量守恒，通过计算混合等离子气体热熔和密度，提出了一种预测喷枪出口温度和速度的方法。应用该方法分析了喷涂功率、等离子形成气流量和气体组成对直流等离子喷枪出口温度和速度的影响规律。
1计算方法 1.1基本假设
等离子喷涂使用的工作气体有Ar，He，H，和N，等。最为常用的是以Ar为主气,H，为辅气的混合气体，因此文中以Ar和H，混合气来推导计算方法。为了简化分析，假设：①喷枪出口的等离子体处于局域热力学平衡，即喷枪出口的局域粒子用一个温度表征3'；②等离子形成气体只存在一级电离反应，不考虑各种粒子之间的反应。即，喷枪出口等离子体由Ar，Ar,H，,H,H+及电子e组成。文中所计算的等离子体温度都没有超过15000K，可以认为其它电离反应比例很小["]；③辐射引起的热量损失忽略不计(5)：④气体理想混合，在喷枪出口不同位置都保
存原始的比例。 1.2计算公式
虽然等离子形成气体在喷枪中发生复杂的物理化学反应，在喷枪出口处仍能满足如下的质量和能量守恒,分别用公式(1)和(2)表示[9)：
G=
p(r)u(r)2rd/
p(r)u(r)[h(r) + u(r)"/2 h3o0 k]2rdr
P = nUI =
式中,G为室温下混合气的流量；D为喷枪直径;p(r)，u(r)和h(r)分别为等离子体在喷嘴径向方向上的密度、速度和热熔分布；haok为室温下混合气体的热焙值；P 为有效电功率n，U,I分别为喷枪的热效率、电压和电流。
收稿日期：2016-03-21 万方数据
(1)(2)
由Ar和H，组成的混合气体，其等离子体热熔和密度可以由如下的混合定律计算：
hmi=Ew,h
(会 P = Vip.
i-%.H
(3)(4)
式中，"，和V,分别为组元气体的质量百分比和体积百分比。P,和h,为组元气体的密度和热熔；Ar和H，的密
2016年第9期
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