發(fā)射光譜研究是熱噴涂等離子體診斷的一種重要的方法。通過使用發(fā)射光譜測量的氬原子在763.51和772.42nm處譜線輻射強(qiáng)度的信息，采用雙譜線法計(jì)算大氣熱噴涂等離子體射流的電子溫度，研究純氬氣條件下，不同的氬氣流量和不同的弧電流對熱噴涂等離子體射流中電子度的影響。通過使用HB譜線的Stark展寬，來計(jì)算熱噴涂等離子射流的電子密度，研究氫氣流量變化對電子密度的影響。結(jié)果表明，電子溫度隨等離子體功率的增加而增加，氬氣流量增加時(shí)等離子體的電子溫度略有降低；對于氬-氫等離子體，氬-氫混合氣體中氫氣流量增加時(shí)等離子體的電子溫度和電子密度都顯著增加。

　　等離子噴涂中由于等離子炬的高溫、高速以及高傳熱特性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種工程技術(shù)領(lǐng)域，形成各種耐磨涂層，耐高溫涂層和耐腐蝕涂層等。尤其是使用性能優(yōu)越卻極其難熔的陶瓷粉末和硬質(zhì)合金粉末的噴涂問題，在等離子噴涂中得到了很好的解決。盡管等離子噴涂已經(jīng)取得了令人矚目的發(fā)展，許多等離子噴涂的基本機(jī)理仍然需要進(jìn)一步的了解，這包括等離子炬的特性研究，電子溫度和電子密度是表征等離子體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，測量電子溫度和電子密度對于理解等離子炬的特性具有重要意義。

　　熱噴涂等離子炬的溫度在2,000~20,000K之間，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的熱電偶與熱電阻的測量范圍�，F(xiàn)有的等離子體溫度與速度的測量儀器主要分為接觸式測量儀器和非接觸式測量儀器，接觸式測量包括探針法、微波法、阻抗測量法等。非接觸式測量主要有Thomson散射法、光譜法等。其中，發(fā)射光譜法因其所使用的儀器相對簡單，當(dāng)前被廣泛地應(yīng)用于各種不同過程的等離子體診斷及測試。迄今為止，采用光譜法對等離子體的診斷已經(jīng)進(jìn)行了很多研究沈巖和趙文華等分別采用絕對強(qiáng)度法和波爾茲曼圖法得到了射流的波爾茲曼圖和激發(fā)溫度，董麗芳等采用Ar原子的兩條譜線對介質(zhì)阻擋放電中電子的激發(fā)溫度進(jìn)行了測量和計(jì)算，W.L.T.chen等通過Ar原子430和43112nm處絕對發(fā)射系數(shù)計(jì)算了等離子體炬軸向和徑向的電子溫度分布，并與焓探針的測量值進(jìn)行了比較。但是，有關(guān)熱噴涂等離子體射流的光譜診斷的研究少見報(bào)道，因此，本文用發(fā)射光譜法對大氣下熱噴涂等離子體射流中電子溫度的測量原理進(jìn)行了分析，同時(shí)研究了不同電流和不同氣體成分下電子溫度及電子密度的演變情況，為進(jìn)一步了解電弧等離子體的特性提供參考。

1、實(shí)驗(yàn)方法和裝置

　　在本文的實(shí)驗(yàn)中，使用大連海事大學(xué)熱噴涂研究中心的大氣等離子噴涂系統(tǒng)，噴槍是由水冷的涂釷鎢陰極和銅陽極噴嘴構(gòu)成。圖1為等離子焰流，等離子體電弧由氣體的持續(xù)供給來保持，一般來說氬氣是很好的穩(wěn)定等離子體電弧的氣體，同時(shí)引弧的電壓比較低。本文實(shí)驗(yàn)所使用的等離子炬的功率為2.3，3.6，5.2，6.75kW，氬氣的流量為25，30，35，40L/min。研究輸入功率、氣體流量以及氣體成分變化對等離子炬電子溫度的影響，其詳細(xì)噴涂參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)條件(噴涂參數(shù))

圖1 等離子體射流的照片

　　在實(shí)驗(yàn)中，使用AvaSpec-2048-4-USB2光纖光譜儀采集等離子射流的光學(xué)信號，測量分辨率為0.2nm，測量波長范圍為200~1020nm，積分時(shí)間為111ms~10min，采樣速度為111ms/次，帶有CCD探測器，像素為4@2048。為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)

　　驗(yàn)前對光譜診斷設(shè)備進(jìn)行必要的調(diào)試和校正，使用標(biāo)準(zhǔn)光源AvaLigh-tHAL鹵鎢燈對光譜儀進(jìn)行標(biāo)定。400um的光纖探頭放置在距離噴槍軸線50cm，對準(zhǔn)等離子噴槍出口軸向10mm處，光譜測量系統(tǒng)如圖2。測量時(shí)，通過改變CCD探測器的讀出頻率即積分時(shí)間(也稱為曝光時(shí)間)保證四個(gè)通道中獲得的信號強(qiáng)度不出現(xiàn)飽和，為了測量數(shù)據(jù)具有可比性，四個(gè)通道測量的積分時(shí)間都為1105ms，為了降低信噪比的影響，平均掃描次數(shù)選擇100。使用PlasusSpecLine軟件對測量的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和標(biāo)定，確定不同原子的譜線，其軟件中所使用的數(shù)據(jù)庫來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院。圖3為在Ar30L/min，250A，功率為6kW時(shí)條件下，所采集的使用PlasusSpecLine軟件標(biāo)定后的等離子體光譜信息，光譜圖譜中顯示了氬原子輻射光譜譜線的輻射強(qiáng)度。

圖2 光譜測量系統(tǒng)

圖3 大氣壓力下的發(fā)射光譜檢測

4、結(jié)論

　　本文利用發(fā)射光譜，測量了距離噴嘴出口軸向10mm處得大氣等離子炬的輻射譜線，通過相對強(qiáng)度法和Stark展寬法對純氬氣和氬-氫氣的條件下等離子體電子的溫度和電子密度進(jìn)行了計(jì)算和分析。

　　(1)在純氬氣條件下，保持電流不變時(shí)，隨著氬氣流量的增加，等離子體的電子溫度逐漸減小，在保持氬氣流量不變時(shí)，等離子體的電子溫度會(huì)隨電流的增加而顯著增加；

　　(2)在氬-氫混合氣體時(shí)，保持氬氣流量和電流強(qiáng)度不變，隨著氫氣流量的增加，等離子體的電子溫度會(huì)逐漸增加，這與氬氣流量增加的影響是不相同；

　　(3)氬原子在706.68nm處發(fā)射光譜強(qiáng)度隨氬氣流量的增加而增加，隨電流強(qiáng)度的增加而增大；

　　(4)在氬-氫混合氣體條件下，保持電流不變時(shí)，通過HB譜線的半寬高計(jì)算得電子密度隨氫氣流量的增加而增多。

　　在本文研究的基礎(chǔ)上，未來可以對熱噴涂等離子炬的電離程度以及偏離熱力學(xué)局域平衡態(tài)的程度進(jìn)行研究。