1等离子体 喷涂基础

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第三节 等离子弧的形式
等离子弧的形式分如下三种，如图1.7所示。
图1.7 等离子弧的形式 非转移型等离子弧；（b）转移型等离子弧；（c）联合型等离子弧
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1 非转移型等离子弧（简称非转移弧） 非转移型等离子弧（简称非转移弧）
在阴极和喷嘴之间形成的等离于弧称为非转 移弧，如图1.7(a)所示。当连续送入的工作 气体穿过电弧后，便成为从喷嘴喷出的高温 等离子焰流。若在等离子焰流中送入喷涂粉 末，则就可进行等离子喷涂。
式中，X——电离度； K(T)——电离过程中平衡常数； P——压力值。 由上式可以明显地看出：当气体压力越低（即气体及其稀薄） 时，电离度越高；即使在不高的温度下，也可以出现很高的电离度， 因此在很宽的温度范围内都可以存在着电离现象。在宇宙空间中， 由于气体极其稀薄，所以电离现象在宇宙中是普遍存在的。
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2) 弧柱区
弧柱区是由电弧长度上均匀分布的导电气体组成 的。在弧拄区内，气体产生强烈的电离现象，正 负离子浓度几乎相等，在它的每一个宏观区域内 的电离气体都呈现中性，所谓等离子体就是指的 弧柱部分。
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3) 阳极和阳极区
阳极基本上仅接受弧柱区流来的电子，电子流 入阳极也集中在阳极表面不大的面积上，这就 称为阳极区，阳极区在水冷喷嘴的内壁上。进 入阳极区的电子带来大量的热量，其中包括电 子从阴极逸出时所得到的能量以及它通过弧柱 区受到电场加速所获得的动能。这些能量转变 成热能，并使阳极温度升高。所以充分冷却喷 嘴是确保喷嘴正常工作的必要条件。
表1.1 几种气体在常温常压下的电离电位
气体种类 电离电位(V) 氢(H2) 15.4 氩(Ar) 15.7 氮(N2) 氧(O2) 15.8 12.5 氦(He) 24.5
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根据表1.1可以算出各种不同气体电离 时所需的电离能W。现以氮气为例： 氮气的电离电位： Ui=15.8伏 =15.8 电子电量： qe=1.6×10-19库
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2) 等离子弧的压缩效应
等离子弧与自由电弧的最大区别就在于等 离子弧在冷却喷嘴内受到如下三个方面的 压缩作用。
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（1） 机械压缩效应
喷嘴孔径越小和孔道越长，对弧柱的压缩愈 强，弧柱直径越细。这种对弧柱的压缩现象 称为机械压缩效应。
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（2） 热压缩效应
在喷嘴处于循环水的冷却条件下，由于喷嘴 孔道内壁的温度温低，通过喷嘴内壁附近的 气体必然受到冷却，形成一股依附在喷嘴孔 道内壁上的冷却气膜。电弧将受到冷却气膜 的压缩。我们把这种现象称为热压缩放应。
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第二节 等离子弧的物理基础
1 自由电弧 1) 自由电孤现象 在通常情况下，气体具有良好的电绝缘性能。但是在某 些情况下，电流却可以从气体中通过，电流通过气体的现象 称为气体放电现象。例如闪电现象和使用电器开关时产生的 电弧现象均为气体放电现象。闪电能够照亮大地，小小的电 弧会烧坏开关电器，这些现象表明电弧能释放出大量的能量。
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如果是一束电流方向相同 的平行导线，则在电磁力 的作用下，每根导线将受 到指向其中心方向的电磁 力，如图1.5所示。对于等 离子弧来说，可以把它看 作是由无数根相互靠近 的．电流方向相同的平行 导线所组成的。在弧拄内， 各部位由于电磁力的作用， 都存在指向其中心部位的 压缩力。这种现象是由于 电弧本身的磁场产生的， 称为自磁压缩效应。
等离子喷涂技术
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第一章 等离子喷涂技术基础
第一节 等离子体基本概念
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1 什么是等离子体？
1）等离子体是由被剥夺部分电子的原子及电子组成 的离子化气体状物质。 在等离子喷涂技术中所叙述的等离子体，不是这 种广义的等离子体，而是指气体经过压缩电弧后 由于出现高温而形成的等离子体，一般称为热等 离子体。
图1.2 自由电弧原理图 S－直流电源；R－电阻；K－开关
自由电弧在不受约束的条件下，弧柱较 粗，热量分散，电离度较低，一般温度在 5000－60000K。因此，自由电弧在应用上就 20 受到了一定的限制。
2 等离子弧（又称压缩电弧） 等离子弧（又称压缩电弧）
1) 产生原理（图1.3） 当自由电弧通过 带小孔的冷却喷嘴和 在喷嘴内通入气体时， 电弧性能有了很大的 变化：弧柱变细，热 量集中，温度升高。 一般把受到压缩作用 图1.3 等离子弧产生的原理 的电弧称为压缩电弧 1－喷嘴；2－冷却水；3－阴极；4－进气孔； 5－等离子弧；6－工件；7－直流电源 或等离子弧。
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电离能 气体原子中的外层电子摆脱原子核对它的束 缚，而成为自由电子时所需的能量称为电离能。 可用下式表示：
A +W
← →
A +e
+
一个电子所需的电离能为：
W=qe·Ui
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气体的电离电位可以理解为使电子从原子中摆脱出来所需要 的外加电场的电位差。电离电位的单位为伏特。表1.1中为 几种常用气体在常温常压下的电离电位值。
3) 等离子体焊接 等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、 铜、钛及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工， 没有氧化物杂质，焊接速度快。还用于切割钢、铝 及其合金，切割厚度大。 4) 等离子体刻蚀：在半导体制造技术中，等离子 等离子体刻蚀： 体刻蚀是干法刻蚀中最常见的一种方法，等离子体 产生的高能粒子（轰击的正离子）在强电场下，朝 硅片表面加速，这些粒子通过溅射刻蚀作用去除未 被保护的硅片表面材料，从而完成一部分的硅刻蚀。 5) 等离子体隐身： 在军事应用于飞行器的隐身。 等离子体隐身： 6) 等离子体核聚变：托克马克及ITER装置，都是 等离子体核聚变： 研究核聚变应用发电的实例。
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2) 自由电弧产生的原理
自由电弧产生的原理如图1.2所示。当开关K关闭时， 两极间存在一定的电压。在正负两电极间的间隙里产生 一个较强的电场。两极间隙距离越小，电场越强。当间 隙小到一定程度时，电场力就足以将阴极电子拉出电极 而飞向阳极。随着电场力的增加，电子获得很高的动能， 足以对气体粒子进行撞击而产生电离现象。电离后的气 体又会出现更多的电子，这些电子在电场中又会加速去 撞击新的气体粒子。这样，在两极间的电子浓度不断增 加，气体就就被电流击穿，同时出现了很强的光和热， 即发生了气体燃烧现象。由于热能的作用，气体又进一 步被电离。这种在两极之间的气体介质中出现的持续强 烈的电离现象称为电弧现象。上述电弧现象不受任何约 束，气体发生自由燃烧，故称为自由电弧。 19
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2 等离子体的分类
1) 按等离子体温度分 （1）高温等离子体：温度相当于108~109 K完全 电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。 （2）低温等离子体： 热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温 度103~105K，如电弧、高频和燃烧等离子体。 冷等离子体：电子温度高（103~104K），如稀 薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、 DBD介质阻挡放电等离子体等。 14
图1.5 一束平行导线流过相同 方向电流时受力示意图
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上述三种压缩效应对电弧作用的结果，使电弧 受到强烈压缩而产生等离子弧。这三种压缩效 应是同时存在的。机械压缩效应取决于喷嘴的 结构和尺寸，热压缩效应取决于气体的进气方 式、流量大小和喷嘴内壁的冷却效果，这两种 压缩效应是可以控制的。自磁压缩效应是由于 电弧本身而引起的，它的压缩效果完全取决于 上述两种压缩效果的结果。因此，分析影响各 种压缩效果的主要因素，为设计等离子喷枪提 供了主要的依据。
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3 主要应用
1) 等离子体冶炼 等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材 料，例如高熔点的锆 (Zr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W) 等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl4、MoS2和 TiCl4中分别获得Zr、Mo和Ti；用等离子体技术还可开发高 硬高熔点的合金粉末，如WC-Co、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉 末。等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好， 可免除容器材料的污染。 2) 等离子体喷涂 等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、 抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。 用等离子体技术可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化， 并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近 网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。 16
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影响电离度的因素
※ 温度 随着温度的升高，气体离子运动的动能也 就增加。具有高动能的粒子在热运动中互相碰 撞，就可以有更多机会发生电离。所以温度对 电离度的影响是比较大的。温度越高，电离度 越大。
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※ 压力
根据热力学中的沙哈方程，推导得出电离度与压力的关系式如下：
X = K (T ) K (T ) + P
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2 转移型等离子弧（简称转移弧） 转移型等离子弧（简称转移弧）
在阴极和工件之间形成的等离子弧称为转移 弧，如图1.7（b）所示。其温度比非转移弧 高，能量集中，可用于金属的切割、焊接和 熔炼等方面。
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3 联合型等离子弧（简称联合弧） 联合型等离子弧（简称联合弧）
当采用非转移弧和转移弧联合使用时称为联 合型等离子弧，如图1.7(c)所示。它应用在 等离子喷焊时，非转移弧起着引燃转移弧及 加热金属粉末的作用；转移弧主要用来加热 工件，使喷出的粉末迅速进入熔池与工件熔
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第四节 等离子弧特性
1 高温特性 2 高速特性 3 电特性 4 稳定性 5 可控性
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1 高温特性
等离子弧最大特点是具有非常高的温度。图1.8为等离子弧 温度分布情况，在等离子弧中心最高温度达32000K。这样高 的温度是其它热源无法达到的。例如氧乙炔温度最高只有 3200K左右，电焊电弧温度一般在5000－6000K之间，氩弧 焊的最高温度也只 有9000－10000K。 由于等离子孤具有 极高的温度，被加 热的材料一般不受 其熔点高低的限制。 因此，它可作为一 种特殊的热源应用 37 到各个方面。
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（3）自磁压缩效应
由电磁原理可知：当一 根导线中通过电流时， 在导线周围垂直于导线 的平面上便形成了磁场， 磁场的方向可按右手定 则来确定。若两根电流 方向相同的平行导线， 在磁场的作用下，根据 左手定则可知，两根导 线将产生相互吸引的电 磁力，如图1.4所示。
图1.4 两根平行导线流过相同方 向电流时受力示意图
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2）等离子体是物质第四态
固体 冰
液体 水
气体
水汽
等离子体
电离气体
0 0C
1000C
100000C 温度
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（1） 电离现象 正离子 电子 原子核 +7 电子 +7 -
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图1.1 氮原子电离过程
（2）电离度和电离能
气体电离程度的强弱可用电离度来表示。 通常把已电离气体的粒子数与未电离前的 粒子总数之比称为电离度。其表示公式如 下： N A+ X = N A0
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3 等离子弧的组成
等离子弧的组成和自 由电弧一样，都是由 阴极和阴极区、弧柱、 阳极和阳极区等三部 分组成。下面以等离 子喷涂所采用的非转 移型等离子弧（图 1.6）为例来说明。
图1.6 等离子弧组成部分 1－阴极；2－阴极区；3－弧柱； 4－阳极区；5阳极；6－焰流
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1) 阴极和来自百度文库极区
等离子弧放电的绝大多数电子是由阴极发出的。 阴极表面放电部分的总和称为阴极斑点，它的电 流密度高达103-106安/厘米2。阴极区是指靠阴极 ( 10 ) 附近(距阴极约10-4厘米)电场强度很强的区域。由 于大量电子从阴极逸出，造成阴极区内正离子大 于负离子数，使它具有空间正电荷，形成了阴极 电位降，阴极区的电位梯度（单位长度上的电位 降）很大，具有105-106伏/厘米的量级。
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氮气的电离能为： W=qe·Ui =1.6×10-19库×15.8伏 =2.528×10-18焦
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供给气体的电离能可以通过各种不同的方法来 获得，若电离能是通过热能来获得而产生的电离现 象称为热电离；电离能是由光获得而产生的电离现 象称为光电离；此外还有碰撞电离和微波电离。在 工业中经常遇到的是热电离和碰撞电离。例如，闪 电、焊接电弧、等离子电弧均属于热电离。普通的 日光灯和霓虹灯都属于碰撞电离。
2) 按等离子体所处的状态： （1）平衡等离子体：气体压力较高，电子温 度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的 电弧放电等离子体和高频感应等离子体。 （2）非平衡等离子体：低气压下或常压下， 电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气 压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下 DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。