極度の熱力学的非平衡状態にある超音速反応性プラズマ流を用いた溶射法の研究

极端热力学非平衡态超音速反应等离子体流热喷涂研究

基本信息

批准号：
14655273
负责人：
田原弘一
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

非平衡状態の電磁加速プラズマジェット発生装置は通常の熱プラズマジェット装置と同様の同軸電極構造をもち、キロアンペアオーダーの放電電流とそれに伴う自己誘起磁場の相互作用によって作動ガスが電磁力学的に加速されるので、他のプラズマ熱源に比べて高速で高温・高密度の大面積プラズマを生成することができる。そのため、各種のプラズマ材料プロセシングへの応用が期待される。本研究では、セラミックス溶射用に2種類の電磁加速プラズマジェット装置を開発した。一つは陰極周りにムライトもしくはジルコニア製のカバーを備えた装置であり、もう一つはチタニウム製の陰極を備えたものである。前者ではアルゴンガスを用いた大電流アーク放電による陰極周りのセラミックスカバーの溶融によりムライトもしくはジルコニアの溶射が行われる。後者では窒素ガスを用いて、溶融された陰極のチタン粒子と窒素プラズマの化学反応により窒化チタンが生成される。2種類の装置を用いたセラミックス成膜実験の結果、緻密で、一様な硬い皮膜の製作に成功した。窒化チタンの反応性溶射では、そのプラズマ特性を明らかにするためにプラズマ診断測定と流れ場の数値計算が行われた。プラズマ発生装置から大量の窒素原子と窒素イオンが高速で噴出していることが推定された。電子温度と電子数密度は減圧プラズマ溶射のそれらに比べて基板の位置で高く維持されていた。窒素イオン、チタン原子、チタン一価イオン、チタン二価イオンを含む化学的に活性なプラズマが高品質の窒化チタン皮膜の生成に寄与していると推測された。こうして、電磁加速プラズマ発生装置がセラミックス溶射のために高い性能をもっていることがわかった。

非平衡电磁加速等离子体射流发生器具有与普通热等离子体射流装置类似的同轴电极结构，通过千安量级的放电电流与伴随的自感磁场之间的相互作用对工作气体进行电动加速。因此，与其他等离子体热源相比，可以以更高的速度产生高温、高密度、大面积的等离子体。因此，有望应用于各种等离子体材料加工。在这项研究中，我们开发了两种用于陶瓷喷涂的电磁加速等离子射流设备。一种是在阴极周围覆盖莫来石或氧化锆，另一种是钛阴极。在前一种情况下，通过使用氩气的高电流电弧放电熔化阴极周围的陶瓷盖来热喷涂莫来石或氧化锆。在后者中，氮化钛是通过阴极中的熔融钛颗粒与使用氮气的氮等离子体之间的化学反应而产生的。通过使用两种设备进行陶瓷膜沉积实验，我们成功地制备了致密、均匀、坚硬的膜。对于氮化钛的反应热喷涂，进行等离子体诊断测量和流场数值计算以阐明等离子体特性。据推测，大量的氮原子和氮离子从等离子体发生器中高速喷出。与减压等离子喷涂相比，基板位置的电子温度和电子数密度保持较高。据推测，含有氮离子、钛原子、一价钛离子和二价钛离子的化学活性等离子体有助于生成高质量的氮化钛薄膜。由此可见，电磁加速等离子体发生器对于陶瓷喷涂具有高性能。