《表3 模拟时采用的等离子喷枪输入参数》

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《空心球羟基磷灰石等离子喷涂粉体的制备》

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为了对团聚HA粉体在等离子焰流中的空心化过程及空心化效果的影响因素进行初步分析，本研究采用Jets&Poudres热喷涂模拟软件[31]，对等离子球化及空心化处理工艺参数下产生的等离子焰流的温度场进行了模拟。模拟时等离子喷枪采用的主要输入参数见表3。等离子焰流的温度场模拟结果如图10所示。团聚HA粉体在等离子焰流温度场中受温度影响及相应的状态改变主要分为以下三个阶段:（1）第一阶段，团聚HA粉体首先从喷嘴出口处通过送粉管被垂直注入等离子焰流，并在焰流的裹挟推进下向远离喷嘴出口的方向飞行。从图10中可见，等离子焰流在喷嘴出口附近的温度超过9 000 K。在如此高的温度作用下，HA粉体表面会迅速熔化形成一层液态膜。由于所用的初始HA粉末为团聚多孔结构，内部孔隙中含有一定量的气体，并且HA材料在等离子焰流的高温作用下会少量分解产生部分水蒸气（如式(4）所示)，因此液态膜能够将未及时溢出的气体及水蒸气封裹在内。（2）第二阶段，HA粉体在焰流高温区域内飞行的同时被进一步熔化，封裹在液态膜内的气体也不断受热膨胀并向粉体中心移动，最后粉体被完全熔化，形成空心HA熔滴。同时，在内部气体持续受热膨胀的作用下，空心熔滴粒径增大，壳壁减薄。另外，从温度场的模拟结果可以发现，由于高温焰流以对流和辐射的方式不断向周围环境散失热量，导致焰流区域的温度沿轴向和径向逐渐降低，模拟焰流的颜色也从代表高温的暖色系向代表低温的冷色系渐变。（3）第三阶段，在温度场中距离喷嘴出口轴向距离约（0.11～0.12） m处，等离子焰流的温度降至HA的熔点（～1 930 K）以下，飞至该处附近的空心HA熔滴由于其周围环境温度降至其熔点以下，因此HA熔滴从表面向内开始逐渐冷却和凝固，最终完全凝固后形成HSHA粉体。通过分析认为，影响团聚结构粉体在等离子焰流中的空心化效果的主要因素为:（1）粉体初始孔隙率。团聚结构粉体的初始孔隙率从侧面反映了粉体内部所包含的气体量。如果粉体的初始孔隙率很小（反映粉体内部包含的气体很少），则粉体在高温等离子焰流中受热熔化后将无法形成内部中空的熔滴，随后熔滴飞出等离子焰流冷却凝固后也无法形成空心结构粉体，只有当团聚结构粉体具有适当的初始孔隙率（即粉体内部含有适量的气体）时，粉体受热熔化时被封裹在熔滴内部的气体才能达到一定量，才能产生大的气泡而形成空心熔滴，进而冷却凝固后形成空心粉体。（2）等离子焰流对粉体的熔化效果。等离子焰流对团聚结构粉体的充分熔化（最佳状态是粉体全部熔融）是保证空心结构粉体能够形成的关键前提。因此，优化调整合适的等离子球化及空心化工艺参数以保证粉体在等离子焰流中理想的熔化状态至关重要。（3）熔滴内部的气密性。在团聚结构粉体被等离子焰流充分熔化为熔滴的前提下，熔滴内部气体被严密封裹是获得理想空心粉体的另一个重要前提。而粉体的球形度和所形成熔滴的液态膜壳黏度则是决定内部气密性的主要因素。粉体的球形度越差，则粉体熔化的不均匀程度越高，会有较大概率形成不连续的表面液态膜壳，从而无法完全封闭粉体内部的气体，最终导致空心粉体无法形成。而熔滴液态膜壳的黏度决定了膜壳的气密性，其黏度越大则气密性越高，对内部气体的封裹效果越好。本研究已通过等离子球化及空心化处理方法制备出空心化效果明显的HSHA粉体，说明自制的团聚HA粉体原料的特性和所采用的处理工艺均能满足粉体空心化的要求。