电弧等离子体束、激光束、电子束是三大高能高温束源，具有广泛的工业应用领域。等离子体在纳米材料生产、新材料合成、材料表面处理、热加工制造、冶炼、煤化工、新能源、航空航天等领域获得广泛应用。等离子体射流与一般流体在流动特征上有相似性，具有两种流动状态：层流与湍流。对某一指定流体，当其流速小于一特定值时，流体作有规则的层状或流束状运动，流体质点没有横向运动，质点间互不干扰地前进，这种流动形式叫层流；当流体流速大于该值时，流体有规则的运动遭到破坏，质点除了主要的纵向运动外还有附加的横向运动，流体质点交错混乱地前进，称之为湍流。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄡󠄨󠄩󠄞󠄡󠄩󠄤󠄞󠄣󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
在等离子体高温热源方面，目前应用十分广泛的电弧等离子体射流绝大部分采用湍流形态工作，这是由现有湍流电弧等离子体射流发生器技术和工作原理决定的。由于传统的湍流电弧等离子体射流短（图1），并不成长束，不能算一种理想的高温束状热源。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄡󠄨󠄩󠄞󠄡󠄩󠄤󠄞󠄣󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
四川金虹等离子技术有限公司研发的层流电弧等离子体束（其中大功率纯氮高焓长束射流为国际上独创）在大气压下射流长达一米以上，是一种稳定的优质超高温长束热源（图2）。层流电弧等离子体射流技术能很好解决湍流电弧等离子射流弧根宽、弧焰短、噪声大、弧焰不稳定、温度梯度大、空气卷入多等缺点，可将电弧等离子体射流技术运用提升到一个全新高度和广度。另外，与激光、电子束等高能束相比，层流电弧等离子体束设备单位成本低，热效率高（转移弧 90%以上，非转移弧 65%以上），单体功率最高可达 1000 kW 以上，可在大气压环境中稳定工作，非常适合厚板焊接和切割，表面热处理强化深度最高可达 3mm，质量与激光相当，但可加工范围和处理深度及生产成本显著优于激光。
层流等离子体表面强化技术原理是通过高能等离子体将钢轨表面快速加入至奥氏体温度以上，然后利用钢轨自身良好的导热性实现快速冷却，获得淬火马氏体等硬化组织，以提高钢轨表面硬度和耐磨性。俄罗斯在某段线路上使用等离子体技术对钢轨表面进行了强化处理，钢轨的使用寿命较处理前大幅提高，效果良好。目前，国内还没有将该技术运用于铁路钢轨的强化处理中。层流等离子体强化技术作为一种高新技术，是一种高效、高能、长寿命，可数控的束状超高温热源（温度在 500~15000℃内可自由选择并精确重复），且具有可扩展、智能控制、模块化等特点，可革命性的替代现有湍流等离子热源，是一种优质超高温长束热源。由于层流等离子体强化加工应用便捷、设备成本低、生产自动化程度高，生产效率高，将此技术运用于铁路尖轨的表面强化处理中，具有显著的经济及社会效益。
采用层流等离子技术对钢轨表面进行强化，为避免表面淬硬层剥离掉块，选用了离散圆斑状花纹方案（图3），圆斑直径、占空比、排布形状等技术参数需满足尖轨表面经过等离子强化处理后无灼烧现象。这种离散处理的方法能够在提升钢轨表面淬火区耐磨性的基础上，保证钢轨整体的韧性。根据尖轨表面磨耗范围确定强化范围，并结合尖轨廓形沿纵向的变化，确定了不同顶宽端面处的具体强化范围，强化后的尖轨顶面及侧面如图4所示。
文章来源：
摘自：西南交通大学研究生学位论文《铁路道岔尖轨层流等离子表面强化方案优化研究》张荣鹤 2019年5月󠄐󠄹󠅀󠄪󠄡󠄨󠄞󠄡󠄨󠄩󠄞󠄡󠄩󠄤󠄞󠄣󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
