[发明专利]等离子体射流对空气引射量的测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及热等离子体材料加工领域，具体地说，是指一种等离子体射流对空气引射量的测量系统。

背景技术

在热等离子体材料加工的各种实际应用中，热等离子体通常以射流形式出现，并且等离子体射流对环境气体的引射在其中有重要影响。以等离子体喷涂为例，其过程是将金属或非金属原料颗粒喷射入由等离子体发生器产生的高温部分电离气体射流中，原料颗粒在高温高速射流中加速、加热、熔化、撞击工件并变形铺展，一片接一片、一层覆盖一层地形成涂层。与低气压等离子体喷涂相比，在大气压空气环境中进行的等离子体喷涂具有一个明显的优点，即不需要复杂的真空系统，从而可大大降低生产成本。但是这一技术应用也遇到一个难题，就是等离子体射流会引射入大量冷环境空气，这往往对涂层质量有不利的影响。一方面引射进等离子体射流的大量冷环境空气，导致等离子体温度与速度在射流轴线方向上迅速降低，从而不利于原料颗粒在射流中的加速与加热，不利于颗粒在撞击基板前获得较高的速度和合适的加热状态，影响涂层的质量；另一方面，引射进等离子体射流的环境空气使射流中的氧含量在射流轴向方向上迅速增加，在湍流等离子体射流的下游气体成分已绝大部分由空气组成，这会引起原料颗粒和基板材料氧化，成为涂层质量恶化乃至涂层断裂与剥落失效的重要原因。

为了解决在大气压空气环境中进行等离子体喷涂的上述难题，常采用增添与射流同轴喷射的惰性屏蔽气体(氩)的方法来减轻射流对环境空气的引射，研究表明采用这种方案有一定效果，能使涂层质量有所改善；但根据数值模拟结果，若要使距离等离子体发生器出口10cm界面出湍流射流轴线上的空气含量控制在10％以内则增添的屏蔽氩气流量需高达发生器自身工作气体力量的3.75倍以上，而在距离发生器出口10.5cm处，要是氩等离子体湍流射流中的空气含量从82％降低到46％，屏蔽气体的速度必须高达100m/s；可见惰性屏蔽气保护只能用于对材料氧化要求不高的材料加工场合，而且需付出的代价相当大。

发明内容

本发明的目的在于设计一套可以精确测量等离子体射流对标准大气压下环境空气引射量的测量系统，从而帮助进行对等离子体射流的特性研究及应用。

采用射流引射保护罩的方法测量等离子射流对环境空气的引射量的原理是：用保护罩将等离子体射流与外界环境空气隔离，然后人工引入被引射气到引射罩内，通过多层金属丝网将被引射气速度降低至接近零，以模拟真实大气中静止的环境空气，当金属丝网外被引射气的静压等于外界环境大气的静压时，即表示输入的被引射气流量正好等于等离子体射流引射走的气体流量，这样就可以通过测量被引射气体的流量得到等离子体射流引射的气体流量。

本发明的等离子体射流对空气引射量的测量系统包括等离子体发生器、供电系统、冷却系统、供气系统、射流引射保护罩、微压传感器和数据采集系统，所述的供电系统与等离子体发生器的阴极和阳极连接，为等离子体发生器供电。冷却系统与等离子体发生器的冷却水管连接，为等离子体发生器提供冷却。供气系统为等离子体发生器提供工作气体氩气，并为射流引射保护罩提供引射气体氮气或者空气。所述的射流引射保护罩中的引射气体流量是当微压传感器测量引射罩内外压差为零时浮子流量计的显示值。数据采集系统采集微压传感器的电压信号，转换为压差信号，并进行显示。

所述的等离子体发生器采用中科院力学所研制的等离子体发生器，采用氩气作为工作气体，能够分别产生层流和湍流两种流动状态下的等离子体射流，从而可以进行层流引射和湍流引射的实验。

所述的供电系统能够为等离子体发生器1提供0～100V、0～250A的直流电，并且能产生1MHz的高频电流为等离子体发生器1提供引弧电流。

所述的冷却系统采用LX-13000冷却循环水机，能够为等离子体发生器提供最大2000L/h的冷却水。

所述的供气系统包括为等离子体发生器1提供氩气和为射流引射保护罩提供引射气氮气或空气。采用北京七星华创D08-2C/ZM型流量显示仪控制D07型质量流量计对等离子体发生器提供工作气体氩气，采用浮子流量计控制对射流引射保护罩提供被引射气体氮气或空气。