用于先进材料加工的高功率锥形射频电感耦合等离子体炬的研制与实验验证
射频感应耦合等离子体（RF-ICP）炬管广泛应用于高温粉末加工；然而，传统的圆柱形设计会将射频能量分散在较大的体积内，导致功率密度低、氩气消耗量高以及颗粒加热不均匀。本研究设计、制造并实验验证了一种高功率锥形RF-ICP炬管，旨在克服上述局限性。利用ANSYS Fluent软件建立了一个二维轴对称磁流体动力学模型，用于优化炬管的几何形状和运行参数。模型预测结果在一个13.56 MHz、20 kW的实验平台上进行了验证，实验采用DPV-2000粒子诊断仪和冷却水能量平衡测量。
与基准圆柱形炬管相比，锥形炬管的体积功率密度提高了13%，轴向高温区扩大了27%，表明其等离子体约束性能得到了增强。在功率为 10 kW、外部气体流量为 50 L·min⁻¹ 的条件下，测得的颗粒温度和速度（2300–3000 K；29–65 m·s⁻¹）与模拟结果吻合良好。锥形炬产生的轴向射流速度约为 77 m·s⁻¹，并将颗粒停留时间延长了约 70%，从而实现了高效的球化。该炬的气体消耗量降低了 25–50%，证实了锥形射频电感耦合等离子体（RF-ICP）炬适用于工业规模的材料加工应用。
原文发表于《应用热工程》（Applied Thermal Engineering）（第 289 卷，第 2 期，2026 年 3 月）
作者：Ali Ebrahimi、Sina Alavi 和 Javad Mostaghimi
