·1632 工程科学学报，第38卷，第11期 化，但峰值均有明显相对提升，尤其是在9000~17000 示轴向距离.等离子体最高温度均出现在阴极尖端附 K温度区间内.图4给出8kPa气压、不同氩氢摩尔比 近，从温度分布特点可以看出等离子体在阴极和阳极 条件下等离子体输运性质参数（黏度、热导率和电导 之间均形成明显的“L型”分布，与电弧实际形状基本 率)随温度的变化情况.如图4(a)所示，在等离子体 一致.模型中等离子温度变化趋势均为：在阴极尖端 体系中的氩氢原子电离前，不同氩氢摩尔比下黏度的 附近等离子体温度急剧升高，然后下降，最后在阳极附 数值差别不大.随着温度升高，气体发生电离后，黏度 近又有较大幅度上升，等离子体温度在阴极尖端附近 随氢气比例增多而明显相对降低，待温度高于15000K 达到最大.随着氢气比例增多，上游区域的高温等离 后无明显差异.图4()中热导率的第一个峰值区域 子体半径有逐渐减小的趋势，等离子体最高温度逐渐 对应氢分子解离的区间，第二个峰值是由于氢原子和 降低，但对基体的加热能力却逐渐增强，使基体上表面 氩原子发生一次电离引起.通过比较可以发现，氩氢 温度逐渐升高 摩尔比对热导率的影响同样较为显著，特别是在两个 2.3.2不同氩氢摩尔比下轴线上等离子体温度、电流 峰值温度区间，较大的氢气含量可以使等离子体的热 密度和速度分布 导率明显增大.从图4()中可以看出，当温度高于 图6(a)为不同氩氢摩尔比下直流电弧等离子体 18000K后，氢气所占比例增多使电导率明显相对 轴线位置温度分布.氩氢摩尔比对三个不同区域（上 升高. 游、中游和下游)的等离子体影响程度不同：靠近阴极 2.5人(a 位置的等离子温度随氢气比例增多明显相对降低，氩 ---ArH,=3:1 Ar:H,=2:1 氢摩尔比由3：1降至1：3过程中，等离子体最高温度由 m2.0 --Ar:H,=1:1 20600K逐渐降低至16800K,而且当氩氢摩尔比由2：1 1.5 -··ArH=2 -ArH,=13 降至1：2过程中温度降幅最为明显.其主要原因是随 1.0 着氩氢摩尔比降低，等离子体热导率逐渐升高，且氩氢 0.5 摩尔比在2：1与1：2之间变化时等离子体热导率增幅 最为明显。随着与阴极距离逐渐增大，不同氩氢摩尔 b --ArH,=3:1 比条件下等离子体温度差异逐渐减小.当靠近基体表 10 ArH,-2:1 --ArH,=11 面位置，因基体材料表面温度随氩氢摩尔比降低明显 -··ArH,=1:2 -AH,=1:3 升高，其热导率随表面温度升高而明显降低，等离子体 6 受到基体表面的冷却作用随氩氢摩尔比降低而明显减 弱，当氩氢摩尔比小于1：1后，等离子体温度随氩氢摩 尔比改变无明显相对变化 ArH,=3:1 由于受到壁面压缩作用，在阴极尖端附近中心电 A8日.=2：1 ArH=1:1 流密度最大，欧姆加热能力最强，因此如图6(b)所示， ”Al,=12 6 ·-ArH,=13 电流密度均在阴极尖端附近达到峰值，且随着逐渐靠 近基体表面而不断降低.这也正是不同氩氢摩尔比条 3 件下，等离子体最高温度均出现在阴极尖端位置的原 因.氢气比例增多使等离子体的热导率明显相对升 0 5000 1000015000 2000025000 30000 高，在周围冷气流作用下等离子放电通道会相应减小， 温度K 电弧电压也会相应提升.因此，氢气比例较高时电弧 图4气压为8kPa,不同氩氢摩尔比下等离子体体系的输运性质 主体部分电流密度相对较大.但在靠近基体表面的位 随温度变化.(a)黏度：(b)热导率：(c)电导率 置，氢气比例较高时等离子体电流密度的下降趋势明 Fig.4 Temperature dependence of the transport coefficients of the 显加快，其主要是由于电弧整体上移趋势的影响. argon-hydrogen mixture at different argon-o-hydrogen mole ratios and a pressure of 8 kPa:(a)viscosity:(b)thermal conductivity:(c) 等离子体在阴极尖端位置附近发生明显膨胀，使 electrical conductivity 等离子体内能向动能转化.图6()显示了轴线上等 离子体最快流速仍在阴极尖端附近.当氢气比例较大 2.3氩氢摩尔比对氩一氢等离子体放电特征的影响 时，等离子体在阴极尖端附近具有最高的电流密度，而 2.3.1不同氩氢摩尔比下氩一氢等离子体放电区域 且氢气比例增多会使等离子体黏度大幅度相对降低 温度分布 因此，当氩氢摩尔比为1：3时，等离子体流速最大，其 图5展示了不同氩氢摩尔比条件下直流电弧等离 值接近1180ms,但仅出现在阴极尖端附近极小区 子体放电区域温度分布.图中「仍表示径向距离，z表 域.在等离子体中下游区域，等离子体流速明显降低.工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 化，但峰值均有明显相对提升，尤其是在 9000 ～ 17000 K 温度区间内． 图 4 给出 8 kPa 气压、不同氩氢摩尔比 条件下等离子体输运性质参数( 黏度、热导率和电导 率) 随温度的变化情况． 如图 4( a) 所示，在等离子体 体系中的氩氢原子电离前，不同氩氢摩尔比下黏度的 数值差别不大． 随着温度升高，气体发生电离后，黏度 随氢气比例增多而明显相对降低，待温度高于 15000 K 后无明显差异． 图 4( b) 中热导率的第一个峰值区域 对应氢分子解离的区间，第二个峰值是由于氢原子和 氩原子发生一次电离引起． 通过比较可以发现，氩氢 摩尔比对热导率的影响同样较为显著，特别是在两个 峰值温度区间，较大的氢气含量可以使等离子体的热 导率明显增大． 从图 4 ( c) 中可以看出，当温度高于 18000 K 后，氢气所占比例增多使电导率明显相对 升高． 图 4 气压为 8 kPa，不同氩氢摩尔比下等离子体体系的输运性质 随温度变化． ( a) 黏度; ( b) 热导率; ( c) 电导率 Fig． 4 Temperature dependence of the transport coefficients of the argon--hydrogen mixture at different argon-to-hydrogen mole ratios and a pressure of 8 kPa: ( a) viscosity; ( b) thermal conductivity; ( c) electrical conductivity 2. 3 氩氢摩尔比对氩--氢等离子体放电特征的影响 2. 3. 1 不同氩氢摩尔比下氩--氢等离子体放电区域 温度分布 图 5 展示了不同氩氢摩尔比条件下直流电弧等离 子体放电区域温度分布． 图中 r 仍表示径向距离，z 表 示轴向距离． 等离子体最高温度均出现在阴极尖端附 近，从温度分布特点可以看出等离子体在阴极和阳极 之间均形成明显的“L 型”分布，与电弧实际形状基本 一致． 模型中等离子温度变化趋势均为: 在阴极尖端 附近等离子体温度急剧升高，然后下降，最后在阳极附 近又有较大幅度上升，等离子体温度在阴极尖端附近 达到最大． 随着氢气比例增多，上游区域的高温等离 子体半径有逐渐减小的趋势，等离子体最高温度逐渐 降低，但对基体的加热能力却逐渐增强，使基体上表面 温度逐渐升高． 2. 3. 2 不同氩氢摩尔比下轴线上等离子体温度、电流 密度和速度分布 图 6( a) 为不同氩氢摩尔比下直流电弧等离子体 轴线位置温度分布． 氩氢摩尔比对三个不同区域( 上 游、中游和下游) 的等离子体影响程度不同: 靠近阴极 位置的等离子温度随氢气比例增多明显相对降低，氩 氢摩尔比由 3∶ 1降至 1∶ 3过程中，等离子体最高温度由 20600 K 逐渐降低至 16800 K，而且当氩氢摩尔比由2∶ 1 降至 1∶ 2过程中温度降幅最为明显． 其主要原因是随 着氩氢摩尔比降低，等离子体热导率逐渐升高，且氩氢 摩尔比在 2∶ 1与 1∶ 2之间变化时等离子体热导率增幅 最为明显． 随着与阴极距离逐渐增大，不同氩氢摩尔 比条件下等离子体温度差异逐渐减小． 当靠近基体表 面位置，因基体材料表面温度随氩氢摩尔比降低明显 升高，其热导率随表面温度升高而明显降低，等离子体 受到基体表面的冷却作用随氩氢摩尔比降低而明显减 弱，当氩氢摩尔比小于 1∶ 1后，等离子体温度随氩氢摩 尔比改变无明显相对变化． 由于受到壁面压缩作用，在阴极尖端附近中心电 流密度最大，欧姆加热能力最强，因此如图 6( b) 所示， 电流密度均在阴极尖端附近达到峰值，且随着逐渐靠 近基体表面而不断降低． 这也正是不同氩氢摩尔比条 件下，等离子体最高温度均出现在阴极尖端位置的原 因． 氢气比例增多使等离子体的热导率明显相对升 高，在周围冷气流作用下等离子放电通道会相应减小， 电弧电压也会相应提升． 因此，氢气比例较高时电弧 主体部分电流密度相对较大． 但在靠近基体表面的位 置，氢气比例较高时等离子体电流密度的下降趋势明 显加快，其主要是由于电弧整体上移趋势的影响． 等离子体在阴极尖端位置附近发生明显膨胀，使 等离子体内能向动能转化． 图 6( c) 显示了轴线上等 离子体最快流速仍在阴极尖端附近． 当氢气比例较大 时，等离子体在阴极尖端附近具有最高的电流密度，而 且氢气比例增多会使等离子体黏度大幅度相对降低． 因此，当氩氢摩尔比为 1∶ 3时，等离子体流速最大，其 值接近 1180 m·s － 1 ，但仅出现在阴极尖端附近极小区 域． 在等离子体中下游区域，等离子体流速明显降低． ·1632·