1等离子体 喷涂基础
实验1-等离子喷涂
➢ （3）多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致 密涂层。有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。由于喷涂涂层 具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点，如涂层有微孔，不利于散 热；涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬 的质点，对刀具的磨损很快等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料 的难于加工的特点。所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数 才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。
（3）等离子喷涂时，劳动保护要求高，因为在等 离子喷涂过程会产生剧烈噪声、强光辐射、有害 气体（臭氧、氮氧化物等）、金属蒸汽粉尘等。
➢喷涂前期工作
准备工件
工件表面净化
粗化表面
工件的喷涂
工件预热
喷砂处理
喷涂底层
喷涂工作层
涂层后处理
作业名称 脱脂去污 除锈
清洗主要方法
溶剂清洗
碱洗 酒精或油洗 机械方法 酸洗
安全使用。②对生物体和细胞有良好的适应性和亲和性，不会产生副作用
。③耐人体体液腐蚀。④耐长期使用过程中的磨损。⑤具有人体运动所必
须的强度、韧性等力学性能。⑥喷涂层的多孔，性和粗糙表面，有利于生
物体组织向人工骨骼表而的生长和亲和。
化纤纺织滚筒等离子 喷涂Al2O3+TiO2 陶瓷
滚轴等离子喷涂Cr2O3陶瓷
基本参数 3相AC380V、50Hz 80KW 60V 0～800A 30-85V 恒流源 <1% 80%
➢ 喷枪
➢ 送粉器
项目内容 送粉方式 单筒容积
影响等离子喷涂的因素分析
影响等离子喷涂的因素分析作者：张益强范文超闫新亮来源：《中国军转民》 2013年第2期张益强范文超闫新亮引入高新技术是高新工程实现实际效果所不可或缺的途径，热喷涂技术便是这样一种高新技术，它利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，形成一个特殊的工作表面，使其达到：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能。
根据热源的不同，热喷涂可以分为等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂等。
本文详细介绍了等离子喷涂的概念、特点、影响因素。
一、等离子喷涂的概念等离子体是物质的第四种形态，自然界的物质除了固、液、气三种形态外，还存在第四种形态，既等离子体。
在物理学中把电离度大于0.1% 的气体称为等离子体。
等离子焰流的最大特点就是具有非常高的温度和能量密度。
等离子焰流的中心温度最高达32000K，喷嘴出口处中心温度仍达20000K。
等离子喷涂是以等离子体作为热源将涂层材料熔化制备涂层的工艺。
等离子喷涂过程主要是将熔融态或是经加热软化的材料喷射到零件表面以形成涂层的过程。
喷涂材料以粉末的形式被注入高温等离子体焰流中，并被迅速加热提速。
等离子喷涂过程中，粒子的速度可为亚音速，甚至超音速。
喷涂材料被加热熔融并不断高速喷射到基体表面堆叠，迅速冷却后形成涂层。
由于等离子喷涂中的高速等离子气体及喷涂粒子，整个加热，熔化及凝固过程在几千分之一秒就可以完成。
在喷涂过程中基体受热温度低，不会超过150oC，从而不会使基体性能发生变化，并且工件变形小，因此等离子喷涂也被称为“冷工艺”。
二、等离子喷涂的特点1. 基体受热小、零件不变形，不改变热处理状态。
由于喷涂时零件不带电，基体金属不熔化，所以尽管等离子焰流的温度较高，但能量非常集中，等离子弧的轴向温度梯度很大，一般零件温升不超过200oC，零件不会发生变形，这对于修复薄壁件、细长杆以及一些精密零件十分有利。
等离子喷涂
等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。
等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。
②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。
③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。
<1>等离子的形成（以N2为例）：0°k时，N2分子的两个原子程哑铃形，仅在x,y,z方向上平动；大于10°k时，开始旋转运动；大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子：N2＋Ud——>N＋N 其中Ud为离解能温度再升高，原子会发生电离: N＋Ui——>N＋＋e 其中Ui为电离能气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离子体。
等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体，电离度100％，温度可达几亿度，用于核聚变的研究；②低温低压等离子体，电离度不足1％，温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约有1％以上的气体被电离，具有几万度的温度。
离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。
热喷涂所利用的正是这类等离子体。
<2>喷涂原理：等粒子喷涂原理如图5－9所示。
等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。
按接电方法不同，等离子弧有三种形式：①非转移弧：指在阴极和喷嘴之间所产生的等离子弧。
这种情况正极接在喷嘴上，工件不带电，在阴极和喷嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出形成等离子火焰(或叫等离子射流)。
等粒子喷涂采用的就是这类等离子弧。
②转移弧：电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。
这种情况喷嘴不接电源，工件接正极，电弧飞越喷枪的阴极和阳极（工件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。
等离子喷涂 参数
等离子喷涂参数等离子喷涂是一种先进的表面涂层技术，适用于金属、陶瓷等材料的表面处理和改性。
该技术通过将细粉末通过等离子处理，将其加热熔化后喷涂在工件表面，形成坚固而耐磨的涂层，提高了工件的耐腐蚀、耐磨和高温性能，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、能源等领域。
一、等离子喷涂的工艺原理等离子喷涂的工艺原理主要分为等离子产生、粉末输送和喷涂成形三个步骤。
1. 等离子产生等离子喷涂技术是利用等离子体的高能量来使粉末加热融化，并将其喷涂在工件表面。
在喷涂过程中，通过电弧或等离子火花产生高温等离子体，通过等离子体将粉末熔化并喷涂到工件表面。
2. 粉末输送将预先制备好的涂料粉末输送至等离子火花中，利用等离子产生的高温将粉末加热融化，并喷涂到工件表面。
粉末的输送方式对喷涂质量和效率有重要影响。
3. 喷涂成形在粉末融化后，通过气体喷射将粉末喷涂到工件表面形成涂层。
喷涂成形过程需要控制喷涂距离、喷涂速度和喷涂角度等参数，以保证涂层质量和均匀性。
二、等离子喷涂的参数及优化等离子喷涂的参数设置对于涂层的形成和性能起着至关重要的作用。
以下是等离子喷涂中常见的参数及其优化方法。
1. 气体流量气体流量是指喷涂时喷枪喷出的惰性气体（通常是氮气或氩气）的流量，气体流量的大小会影响涂层的密实度和均匀性。
要保证气体流量的稳定，并根据工件材料和形状进行调整，以获得最佳的喷涂效果。
2. 电弧电流和电压电弧电流和电压是产生等离子体的重要参数，它们会影响等离子体的能量和温度，进而影响粉末的熔化和喷涂效果。
合理设置电弧电流和电压能够得到均匀、致密的涂层。
3. 粉末流量粉末流量是指粉末喷涂速度和均匀性，粉末流量的大小会影响涂层的厚度和均匀性。
需要根据工件的具体要求和形状进行合理的调整，以获得符合要求的涂层。
4. 喷涂距离和喷涂速度喷涂距离和喷涂速度是影响喷涂均匀性和涂层成形的重要参数。
合理设定喷涂距离和喷涂速度，能够保证涂层厚度的均匀性和致密性。
等离子喷涂原理与应用详解 共40页
1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻 尼。朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究 领域。
等离子喷涂的发发展史
19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放 电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。
1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。
美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。
2）条件不同 等离子喷涂可以直接在大气环境下 气相沉积必须在高真空下进行
等离子喷涂与其它表面改性技术的区别
3）涂层组织结构与厚度不同 等离子喷涂涂层的组织为层状堆积，涂层存在大量粒子间界面和气孔等
缺陷。 气相沉积涂层是致密的几微米厚的薄膜材料
4）性能上的不同 等离子喷涂在某种程度上提高了涂层的性能， 气相沉积大大提高了材料的性能
等离子喷涂时，喷涂后基体组织不发生变化，工件几乎不产生变形。 4）效率高
等离子喷涂时，生产效率高，采用高能等离子喷涂时，粉末的沉积速率 达8Kg/h。
等离子喷涂与其它表面改性技术的区别
1. 与火焰喷涂的区别 等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种精密喷涂方法。
它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高， 涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料 不易氧化。
从20世纪30年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函 数服从福克－普朗克方程。
钛合金材料的等离子喷涂工艺研究
钛合金材料的等离子喷涂工艺研究钛合金是一种优良的材料，因其具有低密度、高强度、耐腐蚀、良好的高温性能和生物相容性等优点而被广泛应用于航空航天、生物医学、化工和汽车等领域。
然而，钛合金表面的耐磨损、耐腐蚀和抗氧化性能等方面仍存在问题，为了解决这些问题，使用等离子喷涂工艺对钛合金进行表面处理，已成为一种有效的方法。
一、等离子喷涂工艺的基础原理等离子喷涂工艺是一种非常有效的表面处理方法，它的基础原理是利用高温、高压气体，将金属或金属化合物材料，通过等离子体反应喷涂到基体表面上，形成一层有机化合物。
等离子喷涂工艺主要有两种方法，一种是直接喷涂法，另一种是离子束喷涂法。
直接喷涂法主要是使用高温、高压气体将金属粉末喷涂到基体表面上，然后用火焰热源进行热处理，使其形成一层金属涂层。
离子束喷涂法则是利用离子束高能量作用在金属或合金纳米粒子表面，在离子束轰击下形成的等离子体反应，将金属和非金属元素以一定的比例合成成一层硬质涂层。
二、钛合金等离子喷涂工艺的应用钛合金是一种重要的结构材料，在高温和腐蚀条件下，其材料表面往往会出现一些问题，比如磨损、腐蚀等。
为了增加钛合金的抗磨损、抗腐蚀和抗氧化性能，利用等离子喷涂工艺进行表面处理是一种非常有效的方法。
例如，在飞机发动机的涡轮叶片表面进行等离子喷涂处理，可提高其表面抗氧化性能和耐高温性能。
钛合金的生物相容性也被广泛应用于医疗领域，等离子喷涂工艺可以改善其生物相容性，提高其生体组织接受程度。
除此之外，钛合金的应用也涉及到汽车、航空、化工等领域。
等离子喷涂工艺可在汽车发动机缸体上形成一层热障涂层，可提高其表面抗氧化性能和耐高温性能。
在航空领域，等离子喷涂工艺也可使用在涡轮叶片、涡轮盘和整流器表面等部位，以提高其抗腐蚀性能和降低磨损程度，延长使用寿命。
三、等离子喷涂工艺存在的问题及发展方向虽然等离子喷涂工艺已被广泛应用于钛合金材料的表面处理，但在使用过程中，还存在一些问题需要解决。
(完整版)等离子喷涂解析
2、等离子喷涂的应用
❖ 等离子喷涂具有喷涂材料范围广、调节方便、 适应性强、喷涂气氛易控、涂层结合力强、气 孔率可调等优点。
❖ 可喷涂的材料范围不断扩大，从传统的金属粉 末到各种功能陶瓷粉末，从微米粉末到纳米粉 末都可以进行喷涂。等离子喷涂技术在国防、 航空、工业、医学等领域发挥着重要的作用。
❖ 热障是等离子喷涂材料应用最早、最广泛的功能。 使用等离子喷涂制备的热障涂层已经广泛的应用 于航天飞机发动机引擎部件、燃烧室器壁、高效 燃气轮机涡轮叶片、大型钢铁厂轧辊、核反应容 器等方面。据估算，厚度为0.4 mm的氧化锆陶瓷 涂层可使基体温度降低100-300K，从而极大地延 长了材料的使用寿命。
❖ 在提高耐磨性方面，等离子喷涂技术发挥了巨大的作用， 制备的钼基合金、Al2O3-TiO2、CrC-NiCr 等耐磨涂层已 经在汽车、造纸、纺织等领域得到广泛的应用。汽车速 度的不断提高对汽车发动机运动部件的耐磨性提出了更 高的要求，使用等离子喷涂制备的复合涂层可以大大降 低材料的摩擦系数，Fukumasa等人使用特殊的喷枪制备 出银-石墨复合涂层，涂层的摩擦系数仅为青铜的 1/5， 银的 1/2。另外，WC-Co 具有优异的耐磨性能，但在等 离子喷涂过程中容易脱碳，降低了涂层的性能。Li等人 对涂层进行放电等离子体烧结（SPS），成功的恢复了涂 层中的 WC 相，使涂层近表面的硬度提高约 40%。
• Plasma jet can reach very high temperature > 20,000 K • Plasma disassociation 离解effect (ionization) is important to enhance heat transfer • Almost applicable to any materials: ceramics, metal, plastics, etc.
等离子喷涂工艺参数
等离子喷涂工艺参数1. 简介等离子喷涂是一种常用的表面喷涂技术，通过将等离子体产生的高温高能量等离子体束喷射到工件表面，形成一层坚固的涂层。
在等离子喷涂过程中，工艺参数的选择对于涂层质量和性能具有重要影响。
本文将详细介绍等离子喷涂工艺参数的选择和优化。
2. 工艺参数的选择2.1 等离子喷涂设备选择合适的等离子喷涂设备是工艺参数选择的基础。
设备的功率、喷涂枪的类型和喷嘴的尺寸等因素会直接影响到工艺参数的选择。
一般来说，较高功率的设备能够提供更高的喷涂速度和更好的涂层质量，但也会增加设备成本和能源消耗。
2.2 等离子体气体等离子喷涂过程中使用的等离子体气体对于涂层的形成和性能具有重要影响。
常用的等离子体气体包括氮气、氩气和氢气等。
不同的气体对涂层的成分、结构和性能都会产生不同的影响。
选择合适的等离子体气体需要考虑涂层的要求、工艺的成本和设备的可用性等因素。
2.3 喷涂距离喷涂距离是指喷嘴与工件表面之间的距离。
喷涂距离的选择直接影响到喷涂速度和涂层质量。
一般来说，较短的喷涂距离能够提供更高的喷涂速度，但也会增加涂层的热输入和气流的扰动，影响涂层的致密性和附着力。
因此，在选择喷涂距离时需要综合考虑涂层要求和设备能力。
2.4 喷涂速度喷涂速度是指喷涂设备在单位时间内喷涂的面积。
喷涂速度的选择需要综合考虑涂层的厚度要求、喷涂距离和设备能力等因素。
过高的喷涂速度会导致涂层质量下降，而过低的喷涂速度则会增加喷涂时间和成本。
2.5 喷涂角度喷涂角度是指喷嘴与工件表面的夹角。
喷涂角度的选择会影响到涂层的均匀性和附着力。
一般来说，较小的喷涂角度能够提供更好的涂层均匀性和附着力，但也会增加涂层的厚度和喷涂时间。
3. 工艺参数的优化3.1 涂层质量的评估在优化工艺参数之前，需要对涂层质量进行评估。
常用的评估指标包括涂层的致密性、附着力、硬度和粗糙度等。
通过对涂层质量的评估，可以确定需要优化的工艺参数和优化的方向。
3.2 工艺参数的优化方法工艺参数的优化可以通过实验和模拟两种方法进行。
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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
6
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Leabharlann 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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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) 阴极和阴极区
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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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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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。
8
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
9
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
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
4
（1） 电离现象 正离子 电子 原子核 +7 电子 +7 -
5
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
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。
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。
18
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
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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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
36
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。
21
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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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。
13
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。
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。
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。