不同气体混合物（Ar、He、N2）对低压等离子喷涂射流特性的建模研究与优化

《Vacuum》：Modelling Flowing Characteristics of A Low-Pressure Plasma Spraying Jet Under Different Mixture of Gases (Ar, He, N 2)

本研究针对低压等离子喷涂技术中氦气稀缺且成本高昂的问题，通过计算流体动力学（CFD）模拟，系统研究了氩气（Ar）、氦气（He）和氮气（N2）不同混合比例对等离子射流热力学、动力学及湍流特性的影响。研究采用Transition SST湍流模型，揭示了氮气通过电离和解离过程提升等离子体温度，而氦气则增强射流速度但导致冷却效应，氩气起到稳定电离的作用。该研究为优化等离子体性能、减少对氦气的依赖提供了重要策略，对航空航天、能源等领域的涂层技术发展具有重要意义。

　　

在航空航天、能源和生物医学等高科技领域，高性能涂层对于关键部件的耐久性和可靠性至关重要。低压等离子喷涂（Low-pressure plasma spraying）作为一种先进的表面工程技术，能够利用高温等离子射流制备出致密且结合强度高的涂层。然而，这项技术的核心驱动力——等离子射流的性能，在很大程度上依赖于所使用的气体混合物。其中，氦气（He）因其能产生高焓值和高速度的等离子体而被广泛使用，但全球氦气资源的稀缺和价格波动，成为了制约该技术可持续发展的“卡脖子”问题。如何在保证甚至提升等离子射流性能的同时，大幅降低对氦气的依赖，成为了学术界和工业界亟待破解的难题。

为了回答这一挑战，来自西安交通大学材料科学与工程学院焊接与涂层研究所及材料力学行为国家重点实验室的Muneezah Saeed、Yu-Sheng Zhang、Sen-Hui Liu、Cheng-Xin Li、Chang-Jiu Li和Qing He研究团队，在《Vacuum》上发表了他们的最新研究成果。他们独辟蹊径，将目光投向了气体配方的优化，系统性地研究了氩气（Ar）、氦气（He）和氮气（N₂）这三种气体以不同比例混合时，对低压等离子射流特性的深刻影响。这项研究不仅旨在“节流”，减少氦气用量，更力求“开源”，通过引入氮气等气体来激活等离子体的新潜能。

研究人员巧妙地运用了计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）这一强大的数值模拟工具，并特别选用了能够精确捕捉层流向湍流转捩过程的Transition SST（Shear Stress Transport）湍流模型。他们设定了三种典型的气体混合方案进行对比分析：Case 1（30 SLPM Ar + 60 SLPM He）代表传统的富氦方案；Case 2（60 SLPM Ar + 30 SLPM He + 10 SLPM N₂）提高了氩气比例并引入了少量氮气；Case 3（30 SLPM Ar + 60 SLPM He + 18 SLPM N₂）则在富氦基础上加入了更多氮气。通过模拟，团队细致地描绘了不同配方下等离子体的温度场、速度场、压力场以及湍流特性的三维图谱。

主要技术方法概述

本研究主要基于计算流体动力学（CFD）平台ANSYS Fluent进行数值模拟。核心采用Transition SST（γ–Re_θt）湍流模型，以准确预测等离子射流从层流到湍流的转捩及充分发展的湍流行为。研究设定了轴对称几何模型以简化计算，并将工作气体视为理想气体。等离子体的热力学和传输属性作为仿真的初始条件输入。此外，研究还结合了光学发射光谱（OES）对等离子体特性进行实验表征，并通过扫描电子显微镜（SEM）分析喷涂涂层的表面形貌，用以验证模拟结果的可靠性。

计算观测Case 1, Case 2 和 Case 3

模拟结果清晰地展示了气体成分的微妙变化如何像指挥家一样，引导着等离子射流演绎出截然不同的“性能交响曲”。

在Case 1（高氦气比例）的情境下，等离子射流展现出了极高的速度，这得益于氦气极低的分子质量，使得气体粒子能被加速到很高的速率。然而，物极必反，快速的膨胀也导致了显著的冷却效应，使得等离子体的核心温度相对较低。这对于需要高温来熔化涂层材料的应用场景来说，可能意味着热效率不足。

当研究视角转向Case 2（高氩气比例并加入氮气）时，情况发生了有趣的变化。氩气比例的提升增强了对电弧的稳定作用，有利于维持电离过程。而少量氮气（N₂）的加入，则扮演了“能量放大器”的角色。氮分子在高温等离子体中会发生分解和电离，这些过程需要吸收巨大的能量，但随后在等离子体射流的发展过程中，这部分能量又会以热量的形式释放出来，从而显著提升了等离子体的整体温度。不过，由于氦气比例的降低，射流的峰值速度相较于Case 1有所下降。

最令人瞩目的或许是Case 3（高氦气比例并加入较多氮气）的表现。它似乎尝试在Case 1和Case 2之间寻找一个最佳的平衡点。一方面，它保留了Case 1中高氦气比例所带来的高速度优势，确保了涂层颗粒能获得足够的动能撞击基体形成致密涂层；另一方面，通过引入更大量的氮气，它成功地弥补了富氦等离子体温度偏低的短板，实现了温度与速度的“双高”目标。模拟结果显示，Case 3的等离子射流同时具备了较高的温度和速度，并且其湍流特性也得到了优化，预示着更稳定的射流和更均匀的热量、动量传递。

结论

本研究通过严谨的数值模拟和实验验证，得出了一系列具有重要指导意义的结论。首先，气体混合物的组成是调控低压等离子射流性能的关键阀门，尤其是氦气与氮气的比例，直接决定了射流的温度和速度的博弈结果。氦气是提升射流速度的“功臣”，但其引发的快速冷却效应会限制温度提升，且成本高昂。氮气则是提升等离子体热效率的“利器”，其电离和解离过程能有效增强射流温度，但需要审慎控制其含量以避免过度影响湍流结构。氩气则主要起到稳定电离过程的“基石”作用。

其次，本研究证实了通过精心设计气体混合物配方，完全可以在减少氦气用量的同时，获得综合性能更优甚至更佳的等离子射流。Case 3的方案展示了一种可行的优化路径，即在保持较高氦气水平的基础上，引入适量氮气，可以实现温度、速度和湍流特性的协同优化。

最重要的是，这项研究为工业界提供了一套基于科学认知的等离子喷涂工艺优化策略。它表明，简单地依赖高比例氦气并非最优解，通过“气体调配”可以更有针对性地满足不同应用场景对等离子体特性的特定需求（例如，侧重于高温熔融还是高速冲击），从而在保证涂层质量的前提下，显著降低生产成本和对稀缺资源的依赖。这不仅对推动低压等离子喷涂技术本身的进步具有重要意义，也为整个表面工程领域向着更高效、更经济、更可持续的方向发展提供了宝贵的理论依据和实践指南。