氢含量对氩直流等离子体弧根行为的影响的研究

氢含量对氩直流等离子体弧根行为影响的研究

黄河激潘文霞孟显吴承康

中国科学院力学研究所

北京北四环西路15号，邮编 100080

直流非转移式电弧等离子体射流应用于材料制备与加工、高焓风洞等领域，在国民经济和国防建设中起着其他热源或高温介质难以取代的独特作用。例如，直流等离子体喷涂用于材料表面隔热、耐磨损、耐腐蚀、生体相容等功能涂层的形成，被广泛应用于航空航天、机械、化工及生物工程等领域。在直流等离子体喷涂工艺中，由于氢气具有高的热导率和活性，通常被用作辅助气体以提高等离子体射流对原料的加热效率。然而阳极烧蚀带来的电极寿命短、射流状况不稳等问题一直是制约直流等离子体喷涂工艺可控性、可重复性以及产品性价比的关键因素。阳极烧蚀与电弧弧根在阳极表面的贴附状态、运动模式和移动范围等因素紧密相关。因此，了解电弧弧根在阳极表面的贴附形式和移动机理，探索通过控制弧根行为来调整射流状态的方法，是延长电极寿命、抑制射流的强脉动性和提高过程稳定性的有效途径。

本研究利用特殊设计的铜镜反射等离子体炬内阳极附近的实时影像，采用高敏度ICCD 照相系统观测弧根在阳极表面的贴附形式和强度变化，采用可每秒拍摄2400-120000帧的高速摄像机拍摄弧根在阳极表面的运动方式。实验研究了不同氢含量、不同供气方式下氩直流等离子体的弧根行为。结果表明，氢气的添加会显著改变弧根的贴附形式，当氢的体积含量仅为1.5%时，原本扩散型的氩等离子体弧根即会转变为聚集型。当氢含量进一步增加时，弧根聚集度相应增加。总气体流量较小时，弧根聚集度随氢含量增加的趋势更为明显。高速摄像的结果表明，加氢后等离子体弧根在阳极表面不规则跳动。

致谢：本研究得到国家自然科学基金项目（编号：10575127、10645004）资助。