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高电压低电流等离子喷涂的特性研究

作　者: 安连彤
导　师: 高阳
学　校: 大连海事大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 等离子喷涂阳极弧根电弧电压分流量热探针伏安特性轴向送粉沉积效率碳化钨脱碳数值模拟
分类号: TG174.44
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在过去的几十年中,等离子喷涂技术取得了飞速的发展,被广泛的应用到现代工业的各个领域。然而大气等离子喷涂仍存在许多不足之处,主要表现在射流中的氧气含量高,喷涂过程的高温会使一些材料发生相变,从而使一些重要涂层的喷涂受到限制;其次,焰流的速度相对较低,对粉末粒子的加速能力差,因此涂层与基体间的结合强度低,涂层的致密度差。此外,如何更加充分的熔化粉末,提高粉末的沉积效率也是人们普遍关心的问题。基于以上原因,在现有的基础上,开发新型的等离子喷枪以适应不同的喷涂要求是等离子喷涂发展的重要方向。当前国际上先进等离子喷涂设备主要向高能、高速、真空和内送粉方向发展。大连海事大学高阳教授最新开发了双阳极等离子喷枪,通过第一阳极引燃电弧,然后通过第二阳极拉伸电弧长度,能够有效的提高电弧电压和电弧功率,并且能够降低阳极弧根的分流效应,获得更加稳定的等离子射流。本文通过实验方法对双阳极等离子喷枪进行研究,其重点是对比阳极弧根在第一阳极或者第二阳极上时喷枪电特性和热特性的异同,其主要研究内容包括,等离子射流温度和速度的分布,喷枪的热效率电弧的伏安特性以及气体流量对电弧电压的影响。实验还对双阳极等离子喷枪和传统等离子喷枪的涂层性能进行了对比,并编制程序计算了喷涂氧化铝粉末时应采用的最优送粉速度。此外,本文的研究中还实验对比了送粉方式对于喷涂特性的影响。本文研究的主要成果及结论如下;1.在相同电弧功率的条件下,第二阳极模式下的等离子射流的温度和速度要大大高于第一阳极模式下的等离子射流,其原因是前者具有更高的热效率。第二阳极模式下喷枪的热效率要高于第一阳极模式,其原因在于第二阳极模式下,电弧在喷嘴内部始终受到有效的自磁压缩作用,有效的防止了能量向喷嘴的扩散。2.在第一阳极的模式下,纯氩,氩-氮以及氩-氢等离子电弧都呈现出下降的伏安特性,这与传统等离子喷枪的伏安特性相同;然而,在第二阳极模式下,纯氩等离子电弧呈现出明显的上升的伏安特性,氩-氮等离子电弧呈现出水平的伏安特性,氩-氢等离子电弧依然保持下降的伏安特性。这种情况产生的原因和氩气、氮气以及氢气三种不同气体在等离子状态下热导率的巨大差异引起的。3.在第一阳极模式下,电弧电压首先随着气体流量的增加而升高,达到最大值后,继续增加气体流量,电弧电压反而出现下降,这是由于等离子流动从层流向湍流转捩过程中,电弧长度的缩短而引起的;在第二阳极模式下,电弧电压始终随着气体流量的增加而升高。4.送粉方式对粉末的熔化以及涂层的质量有着很重要的影响,在相同输入功率的条件下,采用轴向送粉方式喷涂可以更好的熔化粉末粒子,获得均匀致密的涂层,粉末的沉积效率高,这要优于径向内送粉和径向外送粉条件下的等离子喷涂。5.采用普通喷枪喷涂的碳化钨涂层,碳化钨的脱碳比较严重,涂层中存在着大量的W₂C相,涂层的致密度差,气孔率高;采用双阳极喷枪喷涂的碳化钨涂层,碳化钨的脱碳程度大大的降低,涂层中W₂C项的含量比较少,涂层的致密度好,气孔率低。其原因主要在于普通喷枪的电弧波动比较剧烈,射流湍流度高,导致混入射流的氧气含量比较高,氧和粉末中的碳元素发生反应,导致了碳化钨粉末的剧烈脱碳;而双阳极喷枪的电弧相对要稳定得多,射流中的氧气混入量也大大的减少,对碳化钨粉末的氧化脱碳起到了很好的保护作用。6.编制程序对于粉末颗粒在等离子焰流中的加速与加热历程进行了数值模拟,探讨了颗粒材料,颗粒尺寸以及送粉速度对于颗粒速度与温度的影响。对不同直径的氧化铝颗粒给出了最优的送粉速度。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
第1章绪论  12-30
  1.1 热等离子喷涂原理及应用  12-20
    1.1.1 等离子体的基本概念  12-13
    1.1.2 等离子喷涂简介  13-15
    1.1.3 等离子喷涂的系统组成  15-16
    1.1.4 等离子喷涂的特性  16-17
    1.1.5 等离子喷涂的优点及存在的问题  17-18
    1.1.6 等离子喷涂技术的应用  18-20
  1.2 热等离子喷涂研究的新进展  20-25
    1.2.1 等离子喷涂过程的测量技术  21-23
    1.2.2 等离子喷涂过程的模拟研究  23-25
  1.3 等离子喷涂设备的新进展  25-28
  1.4 本文研究的目标和研究内容  28-30
第2章双阳极等离子喷枪的原理及开发  30-42
  2.1 电弧电压及其影响因素  30-38
    2.1.1 电弧电压的组成  30-31
    2.1.2 Steenbeck最小值原理  31-32
    2.1.3 阳极弧根的受力和电弧的分流过程  32-35
    2.1.4 电弧电压的影响因素  35-38
  2.2 双阳极喷枪的原理及系统组成  38-41
    2.2.1 双阳极喷枪的结构及原理  39-40
    2.2.2 双阳极喷枪的基本特性  40-41
  小结  41-42
第3章双阳极等离子喷枪的特性研究  42-67
  3.1 量热探针测量系统的开发  42-49
    3.1.1 概述  42-43
    3.1.2 量热探针测量原理  43-46
    3.1.3 量热探针测温系统的研制  46-48
    3.1.4 量热探针测量的误差分析  48-49
  3.2 实验方法  49-50
  3.3 测量结果及讨论  50-65
    3.3.1 量热探针对等离子射流的测量结果  50-53
    3.3.2 喷枪热效率的研究  53-57
    3.3.3 电弧伏安特性的研究  57-62
    3.3.4 气体流量对电弧电压的影响  62-65
  小结  65-67
第4章送粉位置对涂层质量的影响  67-82
  4.1 概述  67-69
  4.2 实验条件  69-72
    4.2.1 实验用的喷枪结构  69-71
    4.2.2 测量手段及喷涂参数  71-72
  4.3 实验结果及讨论  72-81
    4.3.1 粉末的熔化率  72-75
    4.3.2 涂层的微观结构  75-77
    4.3.3 粉末的沉积效率  77-78
    4.3.4 气体成分对涂层特性的影响  78-81
  小结  81-82
第5章双阳极等离子喷枪涂层特性的研究  82-94
  5.1 概述  82-83
  5.2 实验条件  83-85
    5.2.1 粉末粒子  83-84
    5.2.2 喷涂参数  84-85
  5.3 实验结果及讨论  85-92
    5.3.1 氧化铝涂层  85-86
    5.3.2 碳化钨涂层  86-87
    5.3.3 碳化钨涂层脱碳机理的研究  87-92
  小结  92-94
第6章粉末粒子在等离子体焰流中行为的数值模拟  94-115
  6.1 概述  94
  6.2 计算模型  94-104
    6.2.1 粉末粒子的运动模型  95-97
    6.2.2 粉末粒子的加热模型  97-100
    6.2.3 等离子流场的计算  100-104
  6.3 计算结果及讨论  104-114
    6.3.1 Biot数对颗粒熔化过程的影响  104-106
    6.3.2 不同材料的颗粒在等离子体焰流中的特性比较  106-109
    6.3.3 不同直径的颗粒在等离子体焰流中的特性比较  109-110
    6.3.4 双阳极喷枪送粉参数的优化  110-114
  小结  114-115
结论  115-117
参考文献  117-123
攻读学位期间公开发表论文  123-124
致谢  124-125
研究生履历  125

高电压低电流等离子喷涂的特性研究

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