等离子弧粉末堆焊过程中粉末材料在熔池中的热行为研究
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2020-01-20
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等离子弧粉末堆焊过程中粉末材料在熔池中的热行为
研究
王惜宝
1
，刘华
2
1
天津大学材料学院，天津（300072）
2
天津大学附属中学，天津（300072）
E-mail：w.xibao@126.com
摘 要：对于金属－陶瓷复合材料的等离子弧粉末堆焊来说，高温陶瓷粉末在等离子弧
中的加热和熔化程度将直接影响堆焊材料的熔池化学冶金行为和物理冶金行为，从而影
响堆焊合金的各种性能，本文通过对陶瓷粉末材料在熔池表面的传热分析，研究了高温
陶瓷材料在熔池表面的热行为，为进一步研究金属－陶瓷复合粉末在等离子弧粉末堆焊
过程中的冶金行为提供依据。
0. 引言
随着电弧或等离子弧在材料制备和表面改性领域应用的不断扩展，越来越多的科研
人员对材料与电弧或等离子弧之间的交互作用过程产生兴趣
[1-3]
。采用金属-陶瓷复合粉末
材料进行材料表面的等离子弧堆焊或者是等离子粉末堆焊成形制造，已成为目前材料表
面改性的一个热点，堆焊过程中粉末材料的热行为，包括粉末材料在等离子弧中的加热
和熔化程度将直接影响堆焊材料的熔池化学冶金行为和物理冶金行为，从而影响堆焊合
金的各种性能
[4-5]
。所以开展等离子弧中粉末颗粒的热行为的研究对于等离子弧粉末堆焊
材料及技术的发展及堆焊粉末材料的开发来说都具有重要的学术价值和工程意义。
在等离子弧粉末堆焊过程中，等离子弧对堆焊粉末材料的加热包括两个阶段：一是
粉末颗粒经过弧柱时被等离子弧柱直接加热，二是粉末材料落入熔池后要经受等离子弧
对熔池阶段的再次加热。关于粉末堆焊过程中粉末颗粒材料在转移型等离子弧柱中的热
行为研究已有报导[6-7]。那么，等离子弧粉末堆焊过程中粉末堆焊材料在熔池中的加热
过程及其加热程度又是怎样的呢？本文则就等离子弧粉末堆焊过程中粉末材料在熔池阶
段的热行为过程进行了研究和分析，希望本研究工作对正在进行等离子粉末堆焊研究或
者是利用等离子弧粉末堆焊工艺进行堆焊成型制造的研究人员能有所帮助。
1. 等离子弧与熔池表面斑点区的传热
等离子弧粉末堆焊一般都采用正极性接法, 即钨极接阴极、工件接阳极。粉末堆焊时
熔池表面及向上约几微米的区域为阳极区, 根据电弧物理的理论，由等离子弧柱传给阳极
区的热量主要由以下几部分组成:
(1)电子进入阳极区释放的逸出功 IW
S
此处 I 为等离子弧堆焊电流, W
S
为阳极材料的逸出功,对低碳钢或铁基合金来说约为
4.2V±0.3V
[30]
。
(2)电子热能
nkT⋅
3
2
∆
电子从高温弧柱进入温度较低的阳极时,会从弧柱带来一部分与弧柱温度相对应的热
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