[發明專利]等離子體射流對空氣引射量的測量系統

無效

• 申請號: 200910082582.1
• 申請日: 2009-04-27
• 公開（公告）號: CN101539443A
• 公開（公告）日: 2009-09-23
• 發明（設計）人: 王海興;魏福智;張亞民;湯海濱;賈少霞
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01F1/34
• 分類號: G01F1/34
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明涉及熱等離子體材料加工領域，具體地說，是指一種等離子體射流對空氣引射量的測量系統。

背景技術

在熱等離子體材料加工的各種實際應用中，熱等離子體通常以射流形式出現，并且等離子體射流對環境氣體的引射在其中有重要影響。以等離子體噴涂為例，其過程是將金屬或非金屬原料顆粒噴射入由等離子體發生器產生的高溫部分電離氣體射流中，原料顆粒在高溫高速射流中加速、加熱、熔化、撞擊工件并變形鋪展，一片接一片、一層覆蓋一層地形成涂層。與低氣壓等離子體噴涂相比，在大氣壓空氣環境中進行的等離子體噴涂具有一個明顯的優點，即不需要復雜的真空系統，從而可大大降低生產成本。但是這一技術應用也遇到一個難題，就是等離子體射流會引射入大量冷環境空氣，這往往對涂層質量有不利的影響。一方面引射進等離子體射流的大量冷環境空氣，導致等離子體溫度與速度在射流軸線方向上迅速降低，從而不利于原料顆粒在射流中的加速與加熱，不利于顆粒在撞擊基板前獲得較高的速度和合適的加熱狀態，影響涂層的質量；另一方面，引射進等離子體射流的環境空氣使射流中的氧含量在射流軸向方向上迅速增加，在湍流等離子體射流的下游氣體成分已絕大部分由空氣組成，這會引起原料顆粒和基板材料氧化，成為涂層質量惡化乃至涂層斷裂與剝落失效的重要原因。

為了解決在大氣壓空氣環境中進行等離子體噴涂的上述難題，常采用增添與射流同軸噴射的惰性屏蔽氣體(氬)的方法來減輕射流對環境空氣的引射，研究表明采用這種方案有一定效果，能使涂層質量有所改善；但根據數值模擬結果，若要使距離等離子體發生器出口10cm界面出湍流射流軸線上的空氣含量控制在10％以內則增添的屏蔽氬氣流量需高達發生器自身工作氣體力量的3.75倍以上，而在距離發生器出口10.5cm處，要是氬等離子體湍流射流中的空氣含量從82％降低到46％，屏蔽氣體的速度必須高達100m/s；可見惰性屏蔽氣保護只能用于對材料氧化要求不高的材料加工場合，而且需付出的代價相當大。

發明內容

本發明的目的在于設計一套可以精確測量等離子體射流對標準大氣壓下環境空氣引射量的測量系統，從而幫助進行對等離子體射流的特性研究及應用。

采用射流引射保護罩的方法測量等離子射流對環境空氣的引射量的原理是：用保護罩將等離子體射流與外界環境空氣隔離，然后人工引入被引射氣到引射罩內，通過多層金屬絲網將被引射氣速度降低至接近零，以模擬真實大氣中靜止的環境空氣，當金屬絲網外被引射氣的靜壓等于外界環境大氣的靜壓時，即表示輸入的被引射氣流量正好等于等離子體射流引射走的氣體流量，這樣就可以通過測量被引射氣體的流量得到等離子體射流引射的氣體流量。

本發明的等離子體射流對空氣引射量的測量系統包括等離子體發生器、供電系統、冷卻系統、供氣系統、射流引射保護罩、微壓傳感器和數據采集系統，所述的供電系統與等離子體發生器的陰極和陽極連接，為等離子體發生器供電。冷卻系統與等離子體發生器的冷卻水管連接，為等離子體發生器提供冷卻。供氣系統為等離子體發生器提供工作氣體氬氣，并為射流引射保護罩提供引射氣體氮氣或者空氣。所述的射流引射保護罩中的引射氣體流量是當微壓傳感器測量引射罩內外壓差為零時浮子流量計的顯示值。數據采集系統采集微壓傳感器的電壓信號，轉換為壓差信號，并進行顯示。

所述的等離子體發生器采用中科院力學所研制的等離子體發生器，采用氬氣作為工作氣體，能夠分別產生層流和湍流兩種流動狀態下的等離子體射流，從而可以進行層流引射和湍流引射的實驗。

所述的供電系統能夠為等離子體發生器1提供0～100V、0～250A的直流電，并且能產生1MHz的高頻電流為等離子體發生器1提供引弧電流。

所述的冷卻系統采用LX-13000冷卻循環水機，能夠為等離子體發生器提供最大2000L/h的冷卻水。

所述的供氣系統包括為等離子體發生器1提供氬氣和為射流引射保護罩提供引射氣氮氣或空氣。采用北京七星華創D08-2C/ZM型流量顯示儀控制D07型質量流量計對等離子體發生器提供工作氣體氬氣，采用浮子流量計控制對射流引射保護罩提供被引射氣體氮氣或空氣。