模块化级联等离子体炬的优化配置及其对氧化铝颗粒喷涂特性的影响研究

本研究针对传统等离子体喷涂中电压不稳定性导致颗粒特性波动的问题，通过对比Larmor级联等离子体炬四种构型（不同喷嘴长度/直径），系统分析了电弧电流、Ar/H2流量等参数对Al2O3颗粒温度/速度的影响。发现增加喷嘴长度可提升颗粒速度，而增大直径会降低两者；电弧电流对颗粒特性影响最显著。该研究为优化APS工艺提供了重要实验依据。

　　

等离子体喷涂技术作为工业涂层制备的重要手段，长期面临着一个棘手的难题——传统双电极等离子体炬产生的电弧根部会在阳极表面自由移动，导致电压剧烈波动，进而影响喷涂颗粒的温度和速度等关键特性。这种不稳定性就像一匹脱缰的野马，使得涂层质量难以控制。更糟糕的是，为了获得足够的能量，传统炬需要采用高电弧电流（可达650A）和大流量氢气（12L/min），这不仅加速了电极损耗，还增加了能耗。

针对这一行业痛点，Gulfhi AG（瑞士）研发的Larmor模块化级联等离子体炬带来了新的解决方案。这种创新设计通过在阳极区域设置多个绝缘铜环（称为中性电极neutrodes），就像给电弧装上了"轨道"，将电弧根部锁定在最末端的阳极环上。这种结构不仅稳定了电压，还允许使用更低的电流（450A以下）和氢气流量（仅为传统炬的1/7），显著延长了电极寿命。

研究人员采用四种不同构型的Larmor炬（中性电极数量不同导致39.1-65.1mm的阴极-阳极距离，喷嘴直径8/10mm），系统研究了其对Al₂O₃颗粒（22-45μm）喷涂特性的影响。通过测量等离子体长度、电压波动、颗粒温度/速度等参数，结合沉积效率和涂层性能分析，揭示了构型参数与工艺参数的协同作用规律。

关键技术方法包括：使用Oerlikon Metco的Al₂O₃ Amdry 6062粉末（30g/min）；对比Larmor 9（9个中性电极）和Larmor 15（15个中性电极）两种炬构型；调控电弧电流（300-450A）、Ar流量（45L/min）、H₂流量（4L/min）；采用诊断仪器测量颗粒温度/速度等特性参数。

【研究结果】
• 喷嘴长度影响：增加中性电极数量（即延长喷嘴长度）显著提高颗粒速度，但对温度影响较小。例如在8mm直径构型中，速度提升幅度可达15%。
• 喷嘴直径影响：增大直径（8→10mm）导致颗粒速度和温度同步下降，这与等离子体射流膨胀导致的能量密度降低有关。
• 电弧电流影响：在所有参数中最关键，电流每增加50A，颗粒速度提升50-100m/s，温度升高100-200K。
• 能量效率优势：级联构型在21kW净功率下即可实现传统炬37kW的涂层效果，氢气流速仅为传统工艺的1/3。

研究证实级联等离子体炬通过固定电弧根部位置，实现了电压稳定性（100-150V）和能量效率的双重提升。特别是采用小直径（8mm）长喷嘴（15个中性电极）构型时，可获得最高颗粒速度（约600m/s）和适宜温度（约2500K），这对制备低孔隙率高硬度的Al₂O₃涂层至关重要。该成果为工业等离子体喷涂提供了明确的参数优化方向，其模块化设计理念也为其他热喷涂技术的改进提供了新思路。