电弧等离子体具有高温、高焓值和高化学活性特点，在材料制备、机械加工和热喷涂等工业领域具有广泛的应用。但由于自收缩效应导致的体积小、能量高度集中和参数梯度大等特点，制约了电弧等离子体在材料制备和表面处理等方面的发展。产生大面积、均匀扩散的电弧等离子体对于拓展电弧等离子体应用具有重要意义。通过环形布置的多阴极结构电弧发生器可实现较均匀的扩散电弧等离子体，然而目前对其形成机制尚不明确。本文采用理论结合实验和数值模拟方法对多阴极电弧装置产生扩散电弧等离子体的机制进行了研究，开展该多阴极电弧装置初步应用研究。主要的研究内容和结果如下:
　　1.基于Elenbaas-Heller能量平衡方程分析扩散电弧的特性:①得到给定电流与电弧特性参数的简单定标关系;②得到了电弧的位形结构特征以及电弧特性的特征与等离子体物性参数关系，以及电弧收缩程度与等离子体物性参数之间的关系，证明了电导率随温度变化的上升率与热导率的比值越大，越容易产生热收缩;③证明“Steenbeck最小弧压原理”不存在;④比较了面电弧与圆柱电弧结构特征和电弧特性的差异，圆柱电弧较面电弧表现出更明显的收缩特征，圆柱电弧更容易受电弧自磁压力的影响产生收缩不稳定性，证明了类似于面电弧结构位形更容易产生扩散均匀的电弧等离子体。
　　2.采用三维、定常、双温模型对多阴极电弧等离子体发生器进行了数值模拟，并与实验结果进行了比较，结果表明:①在电流180～300A，气体流量16slm工况下，多阴极电弧等离子体发生器中等离子体位形显示为位于电极围城的环形区域内倒立的蛋球形，球形项部高于阴极平面，球心位于阳极喷嘴对应圆形区域内，电流在“蛋核”区域汇聚，形成电流高密度区域;温度高于周边区域和喷嘴内;电流在阴极围城的环形内都有分布，阳极弧根位于喷嘴入口边缘，表明电弧为扩散状态，热扩散对电弧角向均匀起到较大的作用，因此称为扩散电弧等离子体。②阳极喷嘴直径增大时，在180A较小电流下，各阴极有明显独立收缩弧柱，发生器中心区域等离子体位形结趋向于椭球状，核心区近似球状;随着电流从180A增加300A时，电弧角向扩散均匀，阳极喷嘴对应的轴向区域电流的密度值快速增加。③单温模拟的等离子体位形结构与双温模型模拟结果类似，体积较有所减小，中心区域温度相近，单温模型可用于颗粒加热计算。
　　3.对多阴极电弧装置放电弧过程中波动现象进行了研究:(1)随着气体流速度的降低，阳极喷嘴中的等离子体直径逐渐增加，电弧波动模式从“再击穿”转变成“往复模式”，最后变成“稳定模式”。其中，再击穿模式对应于阳极弧根在喷嘴内部大尺度的轴向运动;对于往复模式，阳极弧根在阳极喷嘴内部呈现小尺度的周向运动;对于稳定模式，稳定的多阳极弧根形成，并分布在阳极喷嘴入口处。(2)观测了阳极喷嘴中弧柱的收缩-扩张现象，测量了不同气体流量下多阴极电弧装置的电弧电压、弧室压力、热效率和比焓等参数;通过测得的放电功率和效率等参数，计算了多阴极装置的亥姆霍兹振荡频率，并与实验中观测到的波动频率进行对比，验证装置中弧柱的收缩-扩张现象与电弧炬的亥姆霍兹波动相关。
　　4.对直流多阴极等离子体炬中氦等离子体射流的特性进行了实验研究，测量了射流的长度、电压波动、热效率、比焓、温度等参数，并开展了等离子体喷涂测试。研究结果显示:①随着气体流量的增加，等离子体射流从层流态转变为过渡态，再转变为湍流态。与过渡/湍流射流相比，层流射流具有较好的稳定性和较长的高温区。增大电弧电流不仅有利于提高射流的长度，而且有利于提高层流射流产生的临界流量。②随着气体流量的增加，喷嘴出口的核心温度降低、核心速度增加;随着射流状态由层流向湍流的变化，射流的温度和速度衰减速率沿射流轴向迅速增大。③采用中心轴向送粉，在等离子体射流不同流动状态下制备了氧化锆涂层，结果表明，长层流射流有利于喷涂过程中高质量涂层的合成。分析认为，粉体颗粒在层流长射流中等离子体中加热路径规则，保证粉体颗粒的有效熔融。
　　5.利用多阴极电弧装置等离子体大体积和可实现轴向送粉的特点，探索了钨粉颗粒的球化应用。研究结果显示:①随着电弧电流的增加、氦气比例的提高、送粉量的降低，钨粉的球化率升高;②数值模拟结果显示多阴极电弧装置等离子体的流速较低，颗粒在等离子体通道中径向扩散较小，不会与阳极喷嘴壁面发生粘结，实验未发现阳极喷嘴堵塞;⑧多阴极装置在纯氩条件下球化钨粉效率为2.2～2.7kW·h/100g，具有一定应用前景。