微尺度熔体、放电管壁及热等离子体三者之间的相互作用机制研究

The powder spheroidizing based on the high temperature generated from the high frequency induction coupled thermal plasma (HF-ICTP) torch has attracted great attention in recent years. The adhesion behavior will occur when the viscosity melting formed under the action of high plasma temperature move to the wall of discharge tube, which will be resulted in a low spheroidization rate and limited the further development of this technology. On this project, the thermodynamics and kinetics of melted particles will be first studied and then the interaction mechanism between micro-scale melting and discharge tube wall, adhesion level and characteristics of thermal plasma will be further investigated by experimeal diagnosis. It will be clarified that the interaction mechanism among powder-melting, tube wall and thermal plasma, and the optical operation condition of plasma will be determined to relief the adhesion effectively. Its expected research results will lay a foundation for the further development and application of this technology.

基于高频感应耦合热等离子体的高温反应环境，粉体颗粒球化一直是人们关注的热点和重点。当粉体颗粒经高温熔融后所形成的粘性熔体在等离子体气流的作用下运动到放电管壁处时将发生粘附行为，从而导致球形粉体球化率低，限制了该技术的进一步发展。本项目将通过实验诊断的方式，从研究熔体颗粒的热力学与动力学规律出发，分析微尺度熔体与放电管壁之间的相互作用机制及粘附程度与热等离子体特征参数之间的物理规律，阐明熔体、放电管壁及热等离子体三者之间相互作用的物理机制，确定有效缓解熔体粘附程度的等离子体最佳运行参数，预期研究结果将为热等离子体粉末球化技术的进一步发展和应用奠定基础。

基于高频感应耦合热等离子体高温及纯净的反应环境，被认为是高品质难熔球形粉末制备的理想方法之一，在粉末注射成型及增材制造等领域用球形粉末的制备具有广阔的应用前景。而球化过程中熔体在放电管内粘附导致的粉体性能下降是限制该技术大规模工业化应用的主要因素之一。针对上述问题，本项目采用高速CCD相机及发射光谱仪等诊断手段，详细地研究了高频感应耦合热等离子体放电特性及微尺度熔体在热等离子体中的运动规律，充分认识了热等离子体放电过程及熔体的运动规律，特别是熔体在放电管附近的动力学行为，较好地诠释了微尺度熔体与放电管壁之间的相互作用机制；建立了粉末颗粒注入前后热等离子体参数（温度和密度）的诊断方法，并结合熔体粘附后放电管壁的厚度，明晰了粘附厚度与热等离子体参数之间及随时间的变化规律，阐明了熔体粘附后热等离子体特征参数的变化规律；根据对球化过程中熔体粘附规律的研究结果，通过对等离子体流场优化调控建立了有效缓解熔体粘附的等离子体球化工艺参数和样品制备及分析表征方法。对钛酸钡（BaTiO3）粉末球化研究结果表明，经对热等离子体流场优化调控后的等离子体有助于BaTiO3陶瓷颗粒中的晶粒生长及纯化效果。上述研究成果可为提升球形粉末性能及推动该技术的工业化应用奠定基础。