(57)【要約】【課題】従来のプラズマ溶射装置が具備するシールドを廃しながら、高品質な溶射皮膜を形成することのできるプラズマ溶射装置を提供する。【解決手段】ワークＷに対してプラズマジェットＰＪを噴射するプラズマガン１と、プラズマガン１よりもプラズマジェット噴射方向（Ｘ方向）の前方位置に配設され、材料粉末ＰＷを収容するとともにプラズマジェットＰＪに材料粉末ＰＷを供給する粉末供給部２と、プラズマガン１の外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部２よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方に配設され、スリット３ａを備え、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスＧをプラズマジェットＰＪに向かってスリット３ａから噴射するガス供給部３と、を備え、粉末供給部２よりもプラズマジェット噴射方向の前方空間には構成部材を備えていないプラズマ溶射装置１０である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークに対してプラズマジェットを噴射するプラズマガンと、
前記プラズマガンよりもプラズマジェット噴射方向の前方位置に配設され、材料粉末を収容するとともにプラズマジェットに材料粉末を供給する粉末供給部と、
プラズマガンの外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方に配設され、スリットを備え、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かって該スリットから噴射するガス供給部と、を備え、
粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向の前方空間には構成部材を備えていないプラズマ溶射装置。
【請求項２】
プラズマジェット噴射方向に直交する方向から測った前記傾斜した角度θが、57度〜70度の範囲である請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項３】
前記スリットの幅が0.5〜2.5mmの範囲である請求項２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
ガスの供給量が60リットル/分以上である請求項２または３に記載のプラズマ溶射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ溶射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精緻な耐摩耗性の皮膜をワークの表面に形成する方法として、高温で高速のプラズマジェットに材料粉末（溶射材料）を供給し、ワークに高速で照射させて皮膜を形成する、プラズマ溶射法が一般に適用されている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、材料粉末の飛行速度をより加速させることによって、空隙の少ないより精緻な皮膜を形成できるように、材料粉末の飛行速度をより一層加速させる加速ノズル付きのプラズマ溶射装置が開示されている。
【０００４】
ところで、従来のプラズマ溶射装置においては、噴射されるプラズマジェットに対して材料粉末を横方向から供給するため（たとえばプラズマジェットの噴射方向に対して直交する方向から供給）、供給された材料粉末がプラズマジェットで弾かれたり、あるいは材料粉末がプラズマジェットを突き抜けてしまう場合が往々にしてあり、材料歩留りの悪化に繋がるといった課題があった。
【０００５】
また、従来のプラズマ溶射装置においては、溶射皮膜の酸化を抑制するために、プラズマジェットを噴射するプラズマガンとワークの間の空間にプラズマジェットを包囲する物理的なシールドを設けておき、シールド内を不活性ガス雰囲気とした上で溶射を実行する方法が一般的である。この方法では、プラズマ溶射を長時間実行した際にシールドの内周面に不純物が付着してしまい、この不純物が溶射皮膜中に取り込まれる、いわゆるスピッティングが生じて溶射皮膜の品質が低下するといった課題もある。
【０００６】
なお、特許文献１で開示されるプラズマ溶射装置においても、プラズマガンの前方位置にあって加速ノズルを備えた筒状の本体部が上記シールドの役割を担うものであり、筒状の本体部の内周面に付着した不純物が溶射皮膜の品質低下の要因になるといった課題を内在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−７１０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、従来のプラズマ溶射装置が具備するシールドを廃しながら、高品質な溶射皮膜を形成することのできるプラズマ溶射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明によるプラズマ溶射装置は、ワークに対してプラズマジェットを噴射するプラズマガンと、前記プラズマガンよりもプラズマジェット噴射方向の前方位置に配設され、材料粉末を収容するとともにプラズマジェットに材料粉末を供給する粉末供給部と、プラズマガンの外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方の位置に配設され、スリットを備え、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かって該スリットから噴射するガス供給部と、を備え、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向の前方空間には構成部材を備えていないものである。
【００１０】
本発明のプラズマ溶射装置は、プラズマガンの外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方の位置において、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かってスリットから噴射するガス供給部を備え、さらに従来の装置が具備するシールドを廃した構成としたことに特徴を有する装置である。
【００１１】
プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かって噴射することにより、噴射したガスはプラズマジェットに引き寄せられ、この引き寄せられたガスがプラズマジェットで跳ね返された材料粉末に対してプラズマジェットに向かう向心力を付与する。この向心力によって跳ね返された材料粉末は再びプラズマジェットに戻されることになる。このことにより、従来の装置に比して材料歩留りを格段に向上させることができる。
【００１２】
また、プラズマジェットに対して材料粉末を供給する材料供給部よりもプラズマジェット噴射方向に物理的なシールドが存在していないことから、シールドに不純物が付着して溶射皮膜中に取り込まれ、溶射皮膜の品質が低下するといった課題も生じ得ない。そのため、プラズマ溶射を長時間実行した場合でも高品質の溶射皮膜を安定的に形成することができる。
【００１３】
ここで、ガス供給部から供給されるガスは、溶射皮膜の酸化抑制の観点より、ArガスやN2ガス等の不活性ガスの適用が好ましいものの、溶射皮膜に要求される品質によっては、酸素やアセチレン等を適用することもできる。
【００１４】
また、プラズマジェットに供給される材料粉末としては、金属材料やセラミックス、サーメット、ポリマー材料などが適用でき、単一の溶射材料を供給してもよいし、異なる溶射材料を混合して供給してもよいし、異なる溶射材料を経時的に変化させながら供給してもよい。
【００１５】
また、ガス供給部に形成されたスリットの線形は、円環状のほかにも、楕円形状、矩形状など、多様な形状が適用できる。
【００１６】
ここで、ガスが噴射される角度は、プラズマジェット噴射方向に直交する方向から測った角度をθとした際に、θが57度〜70度の範囲にあるのが好ましい。
【００１７】
これは本発明者等による構造解析の結果に基づくものであり、θが57度〜70度の範囲にある場合に、プラズマジェットに供給された材料粉末に対するガスによる高いシールド効果が期待できることが実証されている。
【００１８】
また、スリットのスリット幅に関し、0.5〜2.5mmの範囲に調整されているのが好ましい。
【００１９】
これも本発明者等による構造解析の結果に基づくものであり、スリット幅が0.5〜2.5mmの範囲に調整されている場合に、プラズマジェットに供給された材料粉末に対するガスによる高いシールド効果が期待できることが実証されている。
【００２０】
さらに、ガスの供給量が60リットル/分以上に調整されているのが好ましい。
【００２１】
これも本発明者等による構造解析の結果に基づくものであり、ガスの供給量が60リットル/分以上に調整されている場合に、プラズマジェットに供給された材料粉末に対するガスによる高いシールド効果が期待できることが実証されている。
【発明の効果】
【００２２】
以上の説明から理解できるように、本発明のプラズマ溶射装置によれば、プラズマガンの外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部よりもプラズマジェット噴射方向と反対側の位置において、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスをプラズマジェットに向かってスリットから噴射するガス供給部を備え、さらに従来の装置が具備するシールドを廃した構成としたことにより、使用する粉末材料の材料歩留りを向上させることができ、プラズマ溶射を長時間実行した場合でも高品質の溶射皮膜を安定的に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のプラズマ溶射装置の側面図であって、溶射皮膜を形成している状況をともに示した図である。
【図２】図１のII−II矢視図である。
【図３】解析モデルと解析結果を説明した図である。
【図４】ガス供給部のスリット幅を変化させた際の解析結果を示した図であって、（ａ）はスリット幅1mmのケース、（ｂ）はスリット幅3mmのケース、（ｃ）はスリット幅5mmのケースの結果を示した図である。
【図５】ガス供給部からのガスの噴射角度を変化させた際の解析結果を示した図であって、（ａ）は角度60度のケース、（ｂ）は角度90度のケース、（ｃ）は角度120度のケースの結果を示した図である。
【図６】ガス供給部からのガスの供給量を変化させた際の解析結果を示した図である。
【図７】遺伝的アルゴリズム解析による最適解を特定する結果を示した図である。
【図８】遺伝的アルゴリズム解析による全ての解群を繋いだ解析結果を示した図である。
【図９】遺伝的アルゴリズム解析による全ての解群のうち、最適解に絞り込んだ際のスリット幅、ガスの噴射角度、およびガスの供給量の最適範囲を特定する解析結果を示した図である。
【図１０】溶射皮膜の断面組織写真図であって、（ａ）は本発明の装置によって形成された溶射皮膜の写真図であり、（ｂ）はシールドを備えた従来装置によって形成された溶射皮膜の写真図であり、（ｃ）はシールドがなく、ガスの供給もない装置によって形成された溶射皮膜の写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明のプラズマ溶射装置の実施の形態を説明する。
【００２５】
（プラズマ溶射装置の実施の形態）
図１は本発明のプラズマ溶射装置の側面図であって、溶射皮膜を形成している状況をともに示した図であり、図２は図１のII−II矢視図である。
【００２６】
図１で示すように、プラズマ溶射装置１０は、ワークＷに対してプラズマジェットＰＪを噴射するプラズマガン１と、プラズマガン１よりもプラズマジェット噴射方向（Ｘ方向）の位置に配設され、材料粉末ＰＷを収容するとともにプラズマジェットＰＪに材料粉末ＰＷを供給する粉末供給部２と、プラズマガン１の外径よりも外側の位置で、かつ、粉末供給部２よりもプラズマジェット噴射方向に対して後方位置に配設されたガス供給部３とから大略構成されている。
【００２７】
粉末供給部２に供給された（Ｙ方向）材料粉末ＰＷは、プラズマガン１から噴射されるプラズマジェットＰＪの噴射方向に対してたとえば直交する方向で、供給ノズル２ａよりプラズマジェットＰＪに提供される。
【００２８】
また、ガス供給部３はスリット３ａを備え、プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度θでガスＧをプラズマジェットＰＪに向かってスリット３ａから噴射する。
【００２９】
ここで、角度θは、プラズマジェット噴射方向に直交する方向から測った角度である。
【００３０】
ガス供給部３からプラズマジェットＰＪに向かって噴射されるガスＧは、形成される溶射皮膜ＳＣの酸化抑制の観点からArガスやN2ガス等の不活性ガスが好ましい。
【００３１】
さらに、プラズマ溶射装置１０は、粉末供給部２とワークＷの間の空間ＳＰにおいて、従来の溶射装置が具備するシールド等の構成部材を一切備えていない。なお、大気プラズマ溶射装置の場合には、シールド等の構成部材を備えていない構成のものも存在し得るもが、図示するプラズマ溶射装置１０のように、粉末供給部２の後方位置からプラズマジェットＰＪに向かって傾斜した方向にガスを提供する構成の装置は、従来の溶射装置にはない新規なものである。
【００３２】
プラズマジェット噴射方向に対して傾斜した角度でガスＧをプラズマジェットＰＪに向かって噴射することにより、噴射したガスＧはプラズマジェットＰＪに引き寄せられ、この引き寄せられたガスＧがプラズマジェットで跳ね返された材料粉末ＰＷに対してプラズマジェットＰＪに向かう向心力を付与する。この向心力によって跳ね返された材料粉末ＰＷは再びプラズマジェットＰＪに戻されることになる。このことにより、従来の装置に比して材料歩留りを格段に向上させることができる。
【００３３】
また、プラズマジェットＰＪに対して材料粉末ＰＷを供給する材料供給部２よりもプラズマジェット噴射方向に物理的なシールドが存在していないことから、シールドに不純物が付着して溶射皮膜中に取り込まれ、溶射皮膜の品質が低下するといった課題も生じ得ない。したがって、プラズマ溶射を長時間実行した場合でも高品質の溶射皮膜ＳＣを安定的に形成することができる。
【００３４】
[構造解析とその結果]
本発明者等は、遺伝的アルゴリズム解析に基づき、ガス供給部のスリット幅、ガス供給部からのガスの噴射角度、およびガス供給部からのガスの供給量の最適範囲を特定する解析をおこなった。
【００３５】
ここで、図３は解析モデルと解析結果を説明した図である。同図で示すように、コンピュータ上でガス供給点と粉末供給点の位置を入力し、スリット幅t、ガスの噴射角度θのほか、ガス供給量を種々変化させた。
【００３６】
また、図中、「収束距離」とは、10,000℃を超える高温のプラズマジェットの長さに相当し、本解析では30mmとしている。これは、収束距離よりも長い範囲ではプラズマジェットの温度が急激に低下し、材料粉末を十分に溶融させることができないことより、この収束距離30mmの範囲において、提供されたガスによる遮蔽効果によって酸素（空気）の流入が遮断され、酸素濃度が低くなることで高品質の溶射皮膜を形成できることによるものである。したがって、図中、第１拡散物質のモル分率がゼロに近いほど酸素濃度が低いことを意味している。
【００３７】
また、この収束距離30mmの範囲において、高品質の溶射皮膜を形成するための酸素濃度は0.5%以下とした。
【００３８】
（解析条件）
解析条件は、目的変数を収束距離（供給したガスの流速ベクトルの変曲点）、および粉末供給点（z、r = 5mm、8mm）の空気濃度とし、説明変数をスリット幅(mm)、ガス供給角度(度)、ガス供給量(リットル/分)とした。さらに、プラズマジェットの噴射孔の径をφ6mm、プラズマジェットの流速を中心点（z、r = 0mm、0mm）で100m/秒とし、収束距離と空気濃度の多目的最適化処理を実行した。
【００３９】
（解析結果）
図４はガス供給部のスリット幅を変化させた際の解析結果を示した図であって、図４ａはスリット幅1mmのケース、図４ｂはスリット幅3mmのケース、図４ｃはスリット幅5mmのケースの結果を示した図である。また、図５はガス供給部からのガスの噴射角度を変化させた際の解析結果を示した図であって、図５ａは角度60度のケース、図５ｂは角度90度のケース、図５ｃは角度120度のケースの結果を示した図である。さらに図６は、ガス供給部からのガスの供給量を変化させた際の解析結果を示した図である。
【００４０】
図４で示すスリット幅を変化させた際の解析では、ガスの供給角度を60度、ガスの供給量を60リットル/分とした。
【００４１】
同図より、スリット幅が1mm、3mmでは収束距離の間の酸素濃度が低い一方で、スリット幅が5mmでは収束距離の間の酸素濃度が若干高くなることが分かった。
【００４２】
一方、図５で示すガス供給部からのガスの噴射角度を変化させた際の解析では、スリット幅を3mm、ガスの供給量を60リットル/分とした。
【００４３】
同図より、噴射角度が60度では収束距離の間の酸素濃度が低い一方で、噴射角度が90度では収束距離の間の酸素濃度が若干高くなり、噴射角度が120度では収束距離の間の酸素濃度が非常に高くなることが分かった。
【００４４】
さらに、図６で示すガス供給部からのガスの供給量を変化させた際の解析では、スリット幅を3mmとし、ガスの供給角度を60度、90度、120度の各ケースについて解析をおこなった。
【００４５】
同図より、角度60度では、ガスの供給量が40リットル/分の場合に収束距離の間の酸素濃度が若干高くなり、60リットル/分、80リットル/分の場合に収束距離の間の酸素濃度が低いことが分かった。
【００４６】
次に、遺伝的アルゴリズム解析による最適解を特定する結果を図７〜９を参照して説明する。
【００４７】
遺伝的アルゴリズム解析の結果、図７で示すように、5826個の解群が得られた。そして、パレート解を示す曲線と、収束距離30mmの直線、空気濃度0.5%の直線で囲まれた範囲にある解群は、設定された目的変数（収束距離30mm以下、空気濃度0.5%以下）を満たす３種の説明変数（スリット幅、ガス供給角度、ガス供給量）の範囲にある解群である。
【００４８】
これら３種の数値範囲を特定するべく、まず、図８で示すように5826個の全ての解群同士を繋ぐチャートを作成する。
【００４９】
次に、空気濃度0.5%以下、収束距離30mm以下の範囲に絞り込みをかけ、その際に特定されるスリット幅(mm)、ガス供給角度(度)、ガス供給量(リットル/分)の各最適範囲を求めた。
【００５０】
同図より、角度θの最適範囲は57度〜70度の範囲、スリット幅の最適範囲は0.5〜2.5mmの範囲、ガス供給量の最適範囲は60リットル/分以上であると特定された。
【００５１】
[効果確認実験とその結果]
本発明者等はさらに、溶射皮膜の酸化抑制効果、材料歩留り向上効果、および溶射皮膜中の不純物低減効果を確認する実験をおこなった。
【００５２】
（溶射皮膜の酸化抑制効果を確認する実験とその結果）
＜実験条件＞
使用した溶射ガンはSulzer metco F4であり、使用した溶射装置は、以下の３種の装置とした。すなわち、ガス供給部を備えて物理的シールドを具備しない本発明の装置（実施例）と、物理的シールドを備えた従来装置（比較例1）と、ガス供給部も物理的シールドも具備しない装置（比較例2）である。そして、供給ガスはArガス（純度99.999％）でガス供給量は80 リットル/分とし、 溶射条件は電流値450A、プラズマガス はArガス（30リットル/分）にH2ガス（8リットル/分）を加えた混合ガス、溶射距離 150 mmとした。ここで、ArガスにH2ガスを混合させる理由はプラズマ温度を調整するためである。また、材料粉末にはNi-50Cr37.5mass% ベントナイト（粒度分布+125-32μm）を使用し、基材には 20×20×2 mmの寸法の SUS304材（表面をショットブラストでRa 1.5μm以上としたもの）を使用し、形成する溶射皮膜の膜厚は酸化抑制効果を確認できる膜厚として500μm以上とした。
【００５３】
酸化抑制効果に関しては、膜の断面組織をレーザー顕微鏡にて定量化した結果から酸化度を定義した。すなわち、顕微鏡写真図において、白色層：Ni-50Crであり、灰色層：Cr-O （Ni-50Crが酸化して出来たもの）であり、黒色層：ベントナイトである。各層の色の違いからレーザー顕微鏡にて3値化を行い、各層の面積率を測定した。ここで、酸化度は以下の式で算定した。
酸化度（%）＝ (Cr-O面積率 / Ni-50Cr面積率）× 100
【００５４】
＜実験結果＞
実験結果のうち、顕微鏡写真図を図１０に示す。詳細には、図１０ａは実施例、図１０ｂは比較例1、図１０ｃは比較例2の断面組織写真図である。
【００５５】
各写真図より、比較例2に比して実施例、比較例1の酸化抑制効果が高いことが確認できる。
【００５６】
そして、酸化度の算定結果は、実施例が17.5%、比較例1が18.2%、比較例2が32.8%であった。この実験結果より、実施例の酸化度は物理的シールドのある比較例1よりも低くなることが実証されている。
【００５７】
（材料歩留り向上効果を確認する実験とその結果）
＜実験条件＞
使用した溶射ガンはSulzer metco F4であり、使用した溶射装置は、以下の２種の装置とした。すなわち、ガス供給部を備えて物理的シールドを具備しない本発明の装置（実施例）と、ガス供給部も物理的シールドも具備しない装置（比較例2）である。そして、供給ガスはArガス（純度99.999％）でガス供給量は80 リットル/分とし、 溶射条件は電流値450A、プラズマガス はArガス（30リットル/分）にH2ガス（8リットル/分）を加えた混合ガス、溶射距離 150 mmとした。また、材料粉末にはNi-50Cr37.5mass% ベントナイト（粒度分布+125-32μm）を使用し、基材には 100×100×2 mmの寸法の SUS304材（表面をショットブラストでRa 1.5μm以上としたもの）を使用し、粉末供給量を23g/分とした。
【００５８】
材料歩留りに関しては、基材上に1分間溶射し、以下の算定式にて材料歩留りを定義した。
材料歩留り=粉末供給量（23g）/膜重量（溶射前後の重量変化より算出）×100
【００５９】
＜実験結果＞
実験の結果、実施例の材料歩留りは82.3%、比較例2の材料歩留りは56.4%であり、比較例2に対して実施例は50%程度も材料歩留りが向上することが実証されている。
【００６０】
（溶射皮膜中の不純物低減効果を確認する実験とその結果）
＜実験条件＞
使用した溶射ガンはSulzer metco F4であり、使用した溶射装置は、以下の２種の装置とした。すなわち、ガス供給部を備えて物理的シールドを具備しない本発明の装置（実施例）と、物理的シールドを備えた従来装置（比較例1）である。そして、供給ガスはArガス（純度99.999％）でガス供給量は80 リットル/分とし、 溶射条件は電流値450A、プラズマガス はArガス（30リットル/分）にH2ガス（8リットル/分）を加えた混合ガス、溶射距離 150 mmとした。また、材料粉末にはNi-50Cr37.5mass% ベントナイト（粒度分布+125-32μm）を使用し、基材には 80×80×5 mmの寸法の SUS304材（表面をショットブラストでRa 1.5μm以上としたもの）を使用し、粉末供給量を23g/分とした。
【００６１】
溶射タイミングは、15分の連続運転後に成膜を実施した。
【００６２】
不純物の定義は、膜表面に現れる200μｍ以上（粉末の最大径から通常では考えられない大きさ）の凸部を不純物とし、不純物の測定方法は膜表面の目視検査によりカウントした。
【００６３】
＜実験結果＞
実験の結果、実施例では不純物は無かったのに対して、比較例1では17箇所の不純物が確認された。この実験結果より、本発明の溶射装置を適用した場合に、長時間運転時の膜に含まれる不純物低減効果が期待できることが実証されている。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６５】
１…プラズマガン、２…粉末供給部、２ａ…供給ノズル（供給点）、３…ガス供給部、３ａ…スリット、１０…プラズマ溶射装置、ＰＪ…プラズマジェット、Ｇ…ガス、ＳＰ…空間（粉末供給部とワークの間の空間）、Ｗ…ワーク、ＳＣ…溶射皮膜、ＰＷ…材料粉末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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