(57)【要約】  中心軸に沿って溶射材料を含む材料供給ガスを送入する材料送入管を有する主陽極を備え、前記中心軸に沿って主プラズマガスを導入する主トーチと、中心軸が前記主陽極の前記中心軸と交差する副陰極を備える副トーチと、を有し、前記主陽極と前記副陰極との間に形成されるプラズマアークと、前記主陽極の前記中心軸に沿うように導入される前記主プラズマガスと、前記副陰極の前記中心軸に沿い前記主陽極の前記中心軸に向かうように導入される前記副プラズマガスと、により前記主陽極の前記中心軸に沿うように形成されるプラズマ炎に、前記材料送入管から前記材料供給ガスが送入されて前記溶射材料が溶融され基材に吹き付けられて前記溶射材料の皮膜を形成するプラズマ溶射装置において、前記材料供給ガスの供給量を制御する供給量制御部を備える。
2015147127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に沿って溶射材料を、当該溶射材料を送給するための材料供給ガスと共に送入する材料送入管を有する主陽極を備え、前記中心軸に沿って主プラズマガスを導入する主トーチと、
中心軸が前記主陽極の前記中心軸と交差する副陰極を備える副トーチと、
を有し、
前記主陽極と前記副陰極との間に形成されるプラズマアークと、
前記主陽極の前記中心軸に沿うように導入される前記主プラズマガスと、
前記副陰極の前記中心軸に沿い前記主陽極の前記中心軸に向かうように導入される前記副プラズマガスと、により前記主陽極の前記中心軸に沿うように形成されるプラズマ炎に、前記材料送入管から前記材料供給ガスと共に前記溶射材料が送入されて前記溶射材料が溶融され基材に吹き付けられて前記溶射材料の皮膜を形成するプラズマ溶射装置において、
前記材料供給ガスの供給量を制御する供給量制御部を備えることを特徴とするプラズマ溶射装置。
【請求項２】
前記供給量制御部は、前記材料供給ガスの供給量を前記溶射材料の供給量とは独立に制御することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項３】
前記供給量制御部は、形成される前記皮膜の特性を変えるべく前記材料供給ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
前記皮膜の前記特性は、形成される前記皮膜の厚みであることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項５】
前記皮膜の前記厚みが厚いほど、前記供給量制御部の制御により前記材料供給ガスの供給量を少なくすることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項６】
前記皮膜の前記特性は、形成される前記皮膜の硬度であることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項７】
前記皮膜の前記硬度が高いほど、前記供給量制御部の制御により前記材料供給ガスの供給量を少なくすることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項８】
前記皮膜の前記特性と前記材料供給ガスの供給量とを対応付けた特性データベースを生成し、
前記供給量制御部は、形成すべき前記皮膜の前記特性と前記特性データベースとに基づいて前記材料供給ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項９】
前記供給量制御部は、前記基材に吹き付けられる前記溶射材料の粒子速度と粒子温度との少なくともいずれか一方を観測し、観測結果と形成すべき前記皮膜の前記特性とに基づいて前記材料供給ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項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、主陽極を備える主トーチ及び副陰極を備える副トーチを有し、主陽極と副陰極との間に形成されるプラズマアークにより溶融された溶射材料を基材に吹き付けて皮膜を形成するプラズマ溶射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主陽極を備える主トーチ及び副陰極を備える副トーチを有するプラズマ溶射装置において、主トーチの主陽極の中心軸の先端中央に材料吐出孔を設け、材料吐出孔から主電極の中心軸に沿うように溶射材料を供給し、溶射材料を効率よく溶融させて基材に吹き付け、気孔が少ない緻密な溶射材料の膜を形成することができるプラズマ溶射装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７３３４６１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１０６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなプラズマ溶射装置は、主トーチの電極を陽極とすることにより、高温になるプラズマアークの始点をなす陰極が副トーチ側となるので、主電極側への溶射材料の付着が抑えられるため、主電極に材料吐出孔を設けることが可能である。すなわち、以前は主電極への溶射材料の付着を避けるために、プラズマアークが形成される主電極の中心軸に対して傾斜する方向から溶射材料を供給していたが、主電極の中心軸に沿うように溶射材料を供給することができる。これにより、溶射材料がプラズマ炎の中心に供給されやすくなり、プラズマ炎の高温部に溶射材料をより確実に至らせるとともに周辺への飛散を抑えることが可能となった。すなわち、溶射材料をプラズマ炎の高温部に安定して供給することができるのである。そして、発明者はプラズマ炎の高温部に安定して溶射材料を供給できることにより、これまでパラメータとして扱うことができなかった溶射材料の供給条件をパラメータとして皮膜の特性を制御できると考えた。
そこで本発明は、溶射材料の供給条件を異ならせて皮膜を形成することが可能な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】
【０００５】
前記目的を達成するために本発明のプラズマ溶射装置は、中心軸に沿って溶射材料を、当該溶射材料を送給するための材料供給ガスと共に送入する材料送入管を有する主陽極を備え、前記中心軸に沿って主プラズマガスを導入する主トーチと、中心軸が前記主陽極の前記中心軸と交差する副陰極を備える副トーチと、を有し、前記主陽極と前記副陰極との間に形成されるプラズマアークと、前記主陽極の前記中心軸に沿うように導入される前記主プラズマガスと、前記副陰極の前記中心軸に沿い前記主陽極の前記中心軸に向かうように導入される前記副プラズマガスと、により前記主陽極の前記中心軸に沿うように形成されるプラズマ炎に、前記材料送入管から前記材料供給ガスと共に前記溶射材料が送入されて前記溶射材料が溶融され基材に吹き付けられて前記溶射材料の皮膜を形成するプラズマ溶射装置において、前記材料供給ガスの供給量を制御する供給量制御部を備えることを特徴とするプラズマ溶射装置である。【０００６】
このようなプラズマ溶射装置によれば、溶射材料を主陽極の中心軸に沿うように吹き付けて基材に皮膜を形成する材料供給ガスの供給量を制御する供給量制御部を備えているので、材料供給ガスの供給量を制御することにより基材上に到達する際の溶射材料の供給条件としての材料供給ガスの供給量を異ならせて皮膜を形成することが可能である。【０００７】
かかるプラズマ溶射装置であって、前記供給量制御部は、形成される前記皮膜の特性を変えるべく前記材料供給ガスの供給量を制御することが望ましい。
このようなプラズマ溶射装置によれば、供給量制御部により材料供給ガスの供給量を制御して互いに特性の異なる皮膜を形成することが可能である。
かかるプラズマ溶射装置であって、前記供給量制御部は、前記材料供給ガスの供給量を前記溶射材料の供給量とは独立に制御することが望ましい。【０００８】
また、前記皮膜の前記特性は、形成される前記皮膜の厚みであることが望ましい。
このようなプラズマ溶射装置によれば、供給量制御部により材料供給ガスの供給量を制御して互いに異なる厚みの皮膜を形成することが可能である。【０００９】
かかるプラズマ溶射装置であって、前記皮膜の前記厚みを厚くするときほど、前記供給量制御部の制御により前記材料供給ガスの供給量を少なくすることが望ましい。
このようなプラズマ溶射装置によれば、供給量制御部により材料供給ガスの供給量を少なくすることにより、より厚い皮膜を形成することが可能であり、材料供給ガスの供給量を大きくすることにより、より薄い皮膜を形成することが可能である。【００１０】
かかるプラズマ溶射装置であって、前記皮膜の前記特性は、形成される前記皮膜の硬度としてもよい。
このようなプラズマ溶射装置によれば、供給量制御部により材料供給ガスの供給量を制御して互いに異なる硬度の皮膜を形成することが可能である。【００１１】
かかるプラズマ溶射装置であって、前記皮膜の前記硬度を高くするときほど、前記供給量制御部の制御により前記材料供給ガスの供給量を少なくすることが望ましい。
このようなプラズマ溶射装置によれば、供給量制御部により材料供給ガスの供給量を少なくすることにより、より硬度が高い皮膜を形成することが可能であり、材料供給ガスの供給量を多くすることにより、より硬度が低い皮膜を形成することが可能である。【００１２】
かかるプラズマ溶射装置であって、前記皮膜の前記特性と前記材料供給ガスの供給量とを対応付けた特性データベースを生成し、前記供給量制御部は、形成すべき前記皮膜の前記特性と前記特性データベースとに基づいて前記材料供給ガスの供給量を制御することが望ましい。
このようなプラズマ溶射装置によれば、供給量制御部は、形成すべき皮膜の特性と予め生成した特性データベースとに基づいて、材料供給ガスの供給量を制御するので、皮膜の特性の制御が容易である。【００１３】
かかるプラズマ溶射装置であって、前記供給量制御部は、前記基材に吹き付けられる前記溶射材料の粒子速度と粒子温度との少なくともいずれか一方を観測し、観測結果と形成すべき前記皮膜の前記特性とに基づいて前記材料供給ガスの供給量を制御することが望ましい。
このようなプラズマ溶射装置によれば、基材に吹き付けられる溶射材料の粒子速度と粒子温度との少なくともいずれか一方を観測した観測結果に基づいて材料供給ガスの供給量を制御するので、より正確な制御が可能であり所望の特性を備えた皮膜を形成することが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、溶射材料の供給条件を変更して皮膜を形成することが可能なプラズマ溶射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態として説明する、複合トーチ型プラズマ溶射装置１００の概略構成を示す図である。
【図２】図１のおけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の他の一実施形態として説明する、ツインカソード型プラズマ溶射装置１０１の概略構成を示す図である。
【図４】材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを違えて測定した粒子速度の一例を示す画像である。
【図５】材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを変えたときの、溶射材料２０ａの粒子速度を測定した結果を示すグラフである。
【図６】材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを１．０ｌ／ｍｉｎと１０．０ｌ／ｍｉｎとに異ならせて形成した皮膜２４を示す断面図である。
【図７】材料供給ガス２０の供給量Ｑｆと形成される皮膜２４の硬度との関係を示すグラフである。
【図８】一体型プラズマ溶射装置１０２の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に本発明に係るプラズマ溶射装置の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
まず、本発明のプラズマ溶射装置として、主トーチと副トーチとを備える複合トーチ型プラズマ溶射装置について説明する。本実施の形態の、主トーチと副トーチとを備える複合トーチ型プラズマ溶射装置は、主トーチに主陽極（アノード）を備え、副トーチに副陰極（カソード）を備えた複合トーチ型プラズマ溶射装置である。図１に、本発明の一実施形態として説明する複合トーチ型プラズマ溶射装置１００の概略構成を示す。
【００１８】
主トーチ１は、主陽極３と、該主陽極３を囲む主外套４と、主陽極３と主外套４とを絶縁する絶縁体２７などを備え、主外套４と、絶縁体２７によって同心に保持されている。
主陽極３は、電気伝導率に優れた材料、例えば、銅などの金属により形成されている。主陽極３は、中心軸Ｃ１の先端中央に溶射材料吐出孔１９ａを有する材料送入管１９を備えている。材料送入管１９には、溶射材料２０ａを含む材料供給ガス２０を送入する自動材料供給装置３０が接続されており、自動材料供給装置３０は供給量制御部としての制御装置３１により制御可能である。
【００１９】
主外套４は、先端部の開口部（ノズル部）４ａと、該開口部４ａと絶縁体２７との間に設けられたテーパー部４ｂとを備えている。
【００２０】
絶縁体２７は、主プラズマガス６を導入する主プラズマガス導入口５と、導入した主プラズマガス６の旋回流形成部５０を有している。主プラズマガス６は、図２に示すように、ガス環状室５１へ導入され、４個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁体２７の内壁５３（内壁５３と主陽極３との間の空間）を旋回するようにして主外套４の開口部４ａに向かって流れる。なお、上記旋回流形成孔５２は、１個配置されていても、複数個配置されていてもよく、複数個配置されている場合には、中心軸Ｃ１を中心に均等に配置されていることが好ましい。
【００２１】
図１に示すように、主電源７の正端子は主陽極３に接続され、主電源７の負端子はスイッチ８を介して主外套４に接続される。
【００２２】
副トーチ２は、副陰極（副トーチ起動電極）１０と、該副陰極１０を囲む副外套１１と、副陰極１０と副外套１１とを絶縁する絶縁体２８などを備え、副トーチ２の中心軸Ｃ２、すなわち副陰極１０の中心軸Ｃ２は、主トーチ１の中心軸Ｃ１、すなわち主陽極３の中心軸Ｃ１と、主陽極３と副陰極１０との前方でほぼ直角に交差するように配置されている。
副陰極１０は、融点が高い材料、例えば、タングステンなどの材料により形成されている。副陰極１０は、副外套１１と、絶縁体２８によって同心に保持されている。
【００２３】
副外套１１は、先端部に孔１１ａを備えている。絶縁体２８は、副プラズマガス１３を導入する副プラズマガス導入口１２と、主トーチ１の絶縁体２７と同様の旋回流形成部５０を有している。
【００２４】
副電源１４の正端子は、副外套１１に接続され、副電源１４の負端子は、スイッチ１５を介して副陰極１０に接続され、また、スイッチ９を介して主電源７の負端子に接続される。
【００２５】
次に、複合トーチ型プラズマ溶射装置１００を用いて、溶射材料２０ａをプラズマ溶射する方法について説明する。ここで、溶射材料２０ａとは、例えば、金属等の導電性材料、セラミックス等の絶縁性材料などを示している。
アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを主プラズマガス６として、主プラズマガス導入口５から主トーチ１内に導入し、主プラズマガス６の旋回流を形成させる。また、スイッチ９を開き、スイッチ８を閉じた状態で、主電源７により主陽極３と主外套４との間に高周波電圧を印加する。その結果、主陽極３の先端から主外套４の開口部４ａの方に向かう主プラズマアーク１６が形成され、これにより主プラズマガス６が加熱され、プラズマとなって主外套４の開口部４ａから放出される。
【００２６】
加えて、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを副プラズマガス１３として、副プラズマガス導入口１２から副トーチ２内に導入し、副プラズマガス１３の旋回流を形成させる。また、スイッチ１５を閉じた状態で、副電源１４により副陰極１０と副外套１１との間に高周波電圧を印加する。その結果、副陰極１０の先端１０ａから副外套１１の孔１１ａの方に向かう副プラズマアーク１７が形成され、これにより副プラズマガス１３が加熱され、プラズマとなって副外套１１の孔１１ａから放出される。
【００２７】
主陽極３の中心軸Ｃ１と副陰極１０の中心軸Ｃ２は、主陽極３と副陰極１０の前方において、主トーチ１及び副トーチ２の外部で交差するため、スイッチ９を閉じ、スイッチ８，１５を開くと、副陰極１０の先端１０ａから主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００２８】
この場合、主トーチ１の構造と導入される主プラズマガス６、及び副トーチ２の構造と副トーチ２に導入される副プラズマガス１３の量を適切に設定することにより、図１に示されたように、主トーチ１のほぼ同軸上にプラズマ炎２３を形成することができる。
【００２９】
材料送入管１９には、溶射材料２０ａが、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスであって当該溶射材料２０ａを送給するための材料供給ガス２０と共に，制御装置３１により制御された自動材料供給装置３０から送入される。材料送入管１９から主外套４の開口部４ａを介して材料供給ガス２０と共に吐出された溶射材料２０ａは、主陽極３と副陰極１０により、主陽極３の中心軸Ｃ１上に形成されるプラズマ１８の軸中心に供給され、プラズマ炎２３によって溶融される。なお、自動材料供給装置３０は、材料供給ガス２０の供給量を溶射材料２０ａの供給量とは独立に制御できることが好ましい。
【００３０】
溶射材料２０ａが溶融された溶融物２１は、プラズマ炎２３とともに基材２５に向かって進行する。このとき、基材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマトリミング部２２から、溶融物を含むプラズマ炎の一部に対して選択的にガスを噴出することで、不適切な状態の溶融物を除去すると同時にプラズマ炎を適切な形状に変化させてもよい。これにより、成膜に適した溶融物をより適切な温度の基材２５に堆積させ、気孔が少ない緻密な溶射材料２０ａの皮膜２４を効率よく形成することができる。
【００３１】
上記実施の形態では、主トーチ１と副トーチ２とが１つずつ設けられたプラズマ溶射装置１００を例に挙げて説明したが、１つの主トーチと複数の副トーチとを備えたプラズマ溶射装置であっても構わない。たとえば、図３に示すような、主トーチと２つの副トーチを備えるプラズマ溶射装置１０１であっても構わない。図３は、本発明の他の一実施形態としてのツインカソード型プラズマ溶射装置１０１の概略構成を示す図である。
プラズマ溶射装置１０１は、主トーチにおける電極が主陽極（アノード）であって、副トーチにおける電極が副陰極（カソード）であるツインカソード型プラズマ溶射装置１０１である。
【００３２】
ツインカソード型プラズマ溶射装置１０１が備える主トーチ１及び副トーチ２の構成は、複合トーチ型プラズマ溶射装置１００における主トーチ１及び副トーチ２と同じであるため、ここでは説明を省略する。
なお、主電源７の正端子は、主陽極３及びスイッチ５５、スイッチ４５を介して副外套１１に接続され、主電源７の負端子はスイッチ８を介して主外套４に接続される。また、副電源４２からの副トーチ２の正端子は、スイッチ４５を介して副外套１１に接続され、副電源４２からの副トーチ２の負端子は、スイッチ４６を介して副陰極１０に接続され、また、スイッチ９を介して主電源７の負端子に接続される。
【００３３】
本実施の形態においては、主トーチ１の中心軸Ｃ１に対して副トーチ２に対向する位置に、別の副トーチ３９を配置させている。副トーチ３９は、副陰極（副トーチ起動電極）４０と、該副陰極４０を囲む副外套４１と、副陰極４０と副外套４１とを絶縁する絶縁体４７などを備え、副トーチ３９の中心軸Ｃ２、すなわち副陰極４０の中心軸Ｃ２は、主トーチ１の中心軸Ｃ１、すなわち主陽極３の中心軸Ｃ１と、主陽極３と副陰極４０との前方で交差するように配置されている。
【００３４】
副陰極４０は、融点が高い材料、例えば、タングステンなどの材料により形成されている。副陰極４０は、副外套４１と、絶縁体４７によって同心に保持されている。
【００３５】
副外套４１は、先端部に孔４１ａを備えている。絶縁体４７は、副プラズマガス４９を導入する副プラズマガス導入口４８と、主トーチ１の絶縁体２７と同様の旋回流形成部５０を有している。
【００３６】
副電源４２からの副トーチ３９の正端子は、スイッチ４４を介して副外套４１に接続され、副電源１４からの副トーチ３９の負端子は、スイッチ４３を介して副陰極４０に接続され、また、スイッチ９，４６を介して主電源７の負端子に接続される。
【００３７】
次に、ツインカソード型プラズマ溶射装置１０１を用いて溶射材料をプラズマ溶射する方法について説明する。
アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを主プラズマガス６として、主プラズマガス導入口５から主トーチ１内に導入し、主プラズマガス６の旋回流を形成させる。また、スイッチ９を開き、スイッチ８を閉じた状態で、主電源７により主陽極３と主外套４との間に高周波電圧を印加する。その結果、主陽極３の先端から主外套４の開口部４ａの方に向かう主プラズマアーク１６が形成され、これにより主プラズマガス６が加熱され、プラズマとなって主外套４の開口部４ａから放出される。
【００３８】
加えて、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを副プラズマガス１３として、副プラズマガス導入口１２から副トーチ２内に導入し、副プラズマガス１３の旋回流を形成させる。また、スイッチ４３，４４を開き、スイッチ４５，４６を閉じた状態で、副電源４２により副陰極１０と副外套１１との間に高周波電圧を印加する。その結果、副陰極１０の先端１０ａから副外套１１の孔１１ａの方に向かう副プラズマアーク１７が形成され、これにより副プラズマガス１３が加熱され、プラズマとなって副外套１１の孔１１ａから放出される。
【００３９】
主陽極３の中心軸Ｃ１と副陰極１０の中心軸Ｃ２は、主陽極３と副陰極１０の前方において、主トーチ１及び副トーチ２の外部で交差するため、スイッチ９を閉じた後に、スイッチ４５，４６を開くと、副陰極１０の先端１０ａから主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
【００４０】
その後、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを副プラズマガス４９として、副プラズマガス導入口４８から副トーチ３９内に導入し、副プラズマガス４９の旋回流を形成させる。また、スイッチ４３、４４を閉じた状態で、副電源４２により副陰極４０と副外套４１との間に高周波電圧を印加する。その結果、副陰極４０の先端４０ａから副外套４１の孔４１ａの方に向かう副プラズマアーク５６が形成され、これにより副プラズマガス４９が加熱され、プラズマとなって副外套４１の孔４１ａから放出される。
【００４１】
主陽極３の中心軸Ｃ１と副陰極４０の中心軸Ｃ２は、主陽極３と副陰極４０の前方において、主トーチ１及び副トーチ３９の外部で交差するため、副外套４１の孔４１ａから放出されたプラズマは、副陰極１０の先端１０ａから主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８と交差する。この状態において、スイッチ５５を閉じた後に、スイッチ４４を開くと、副陰極１０，４０の先端１０ａ，４０ａから主陽極３の陽極点に至るＴ字状のプラズマ１８による導電路が形成され、主トーチ１の同軸上にプラズマ炎２３が形成される。
【００４２】
材料送入管１９には、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスである材料供給ガス２０に溶射材料２０ａが混合されたガスが、制御装置３１により制御された自動材料供給装置３０から送入される。材料送入管１９から主外套４の開口部４ａを介して吐出された溶射材料２０ａは、主陽極３と副陰極１０により、主陽極３の中心軸Ｃ１上に形成されるプラズマ１８の軸中心に供給され、プラズマ炎２３によって溶融される。
【００４３】
溶射材料２０ａが溶融された溶融物２１は、プラズマ炎２３とともに基材２５に向かって進行する。このとき、基材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマトリミング部２２から、溶融物を含むプラズマ炎の一部に対して選択的にガスを噴出することで、不適切な状態の溶融物を除去すると同時にプラズマ炎を適切な形状に変化させてもよい。これにより、成膜に適した溶融物をより適切な温度の基材２５に堆積させ、気孔が少ない緻密な溶射材料２０ａの皮膜２４を効率よく形成することができる。
【００４４】
なお、本実施の形態においては、プラズマ溶射装置１０１において副トーチを２つ設けることとしているが、副トーチを３つ以上設けてもよい。副トーチを２つ以上設ける場合には、これらの副トーチは、副トーチが有する電極の中心軸Ｃ２が、主トーチ１の外部において、主陽極３の前方かつ中心軸Ｃ１の一点で交差するように、配置されていることが好ましく、その交差する点を中心とした、中心軸Ｃ１に垂直な円の円周上に均等に配置されていることがより好ましい。また、プラズマ溶射装置１０１において副トーチを２つ以上設ける場合には、各副トーチの中心軸が上記交差する点で主トーチ１の中心軸に垂直に交差するように、各副トーチが配置されていることが好ましい。
【００４５】
上記実施の形態にて説明した、プラズマ溶射装置１００、１０１は、従来、主電極が、プラズマアークの始点となる陰極であったために高温となり、主電極が溶融する、或いは、供給された溶射材料が主電極に付着しまうことを防ぐため、主電極を陽極としている。更に、主電極を備える主トーチ内に供給する主プラズマガスにて旋回流を発生させ、主トーチ内への溶射材料の付着を抑えることにより、溶射材料吐出孔１９ａが溶射材料により塞がれることを防止している。
【００４６】
このように主電極及び主トーチ内への溶射材料の付着を抑えることにより、従来、主電極への溶射材料の付着を避けるために、プラズマアークが形成される主電極の中心軸に対して傾斜する方向から溶射材料を供給していたが、本実施形態のプラズマ溶射装置１００、１０１のように主電極の中心軸に沿うように供給することが可能となった。これにより、溶射材料がプラズマ炎の中心に供給されやすくなり、プラズマ炎の高温部に溶射材料をより確実に至らせるとともに周辺への飛散を抑えることが可能となった。すなわち、溶射材料をプラズマ炎の高温部に安定して供給することが可能となった。
【００４７】
本願の発明者は、プラズマ炎の高温部に安定して溶射材料２０ａを供給することにより、これまでパラメータとして扱うことができなかった溶射材料２０ａの供給条件をパラメータとして、形成される皮膜２４の特性の変化を試験した。そして、溶射材料２０ａの供給条件として、材料供給ガス２０の供給量を変化させることを試みた。図４は、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを違えて測定した粒子速度の一例を示す画像である。図５は、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを変えたときの、溶射材料２０ａの粒子速度を測定した結果を示すグラフである。
【００４８】
図４に示すように、主トーチ１の開口部４ａから１００ｍｍの位置におけるプラズマ炎を高速度カメラ等により撮影して粒子速度を測定すると、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆにより粒子速度が相違している。複数の材料供給ガス２０の供給量Ｑｆにおける粒子速度を測定すると、図５に示すように、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを増やすと粒子速度が高まるという結果が得られた。
【００４９】
図６は、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを１．０ｌ／ｍｉｎと１０．０ｌ／ｍｉｎとに異ならせて形成した皮膜２４を示す断面図である。
図６に示すように、材料供給ガス２０の供給量が１０．０ｌ／ｍｉｎの場合には、材料供給ガス２０の供給量が１．０ｌ／ｍｉｎの場合より皮膜２４が薄くなる。この結果から、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを制御して形成される皮膜２４の特性として厚みを変え得ることがわかる。すなわち、材料供給ガス２０の供給量をより多くして厚さの薄い皮膜２４をより速く形成する、或いは、材料供給ガス２０の供給量をより少なくして厚さの厚い皮膜２４を形成することが可能となる。
【００５０】
また、発明者は、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを違えて皮膜２４の硬度を測定した。
図７は、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆと形成される皮膜２４の硬度との関係を示すグラフである。図７に示すように、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆが多い場合には、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆが少ない場合より皮膜２４の硬度が低くなる。このため、発明者は、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆを制御して形成される皮膜２４の特性として硬度を変えることを可能とした。すなわち、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆをより多くして硬度が低い皮膜２４をより速く形成する、或いは、材料供給ガス２０の供給量Ｑｆをより少なくして硬度が高い皮膜２４を形成することを可能とした。
【００５１】
本実施形態のプラズマ溶射装置１００、１０１によれば、溶射材料２０ａ含む材料供給ガス２０を主陽極３の中心軸に沿うように吹き付けて基材２５に皮膜２４を形成する材料供給ガス２０の供給量を制御する制御装置３１を備えているので、材料供給ガス２０の供給量を制御することにより基材２５上に到達する際の溶射材料２０ａの供給条件としての材料供給ガス２０の供給量を異ならせて皮膜２４を形成することが可能である。そして、制御装置３１により材料供給ガス２０の供給量を制御して互いに特性、すなわち、皮膜２４の厚み及び硬度の異なる皮膜２４を形成することが可能である。
【００５２】
制御装置３１による自動材料供給装置３０の制御は、例えば、図５，図７のグラフに示すようなデータに基づくデータベース、すなわち、形成される皮膜２４の厚みまたは硬度と材料供給ガス２０の供給量とを対応付けた特性データベースを予め生成しておき、形成すべき皮膜２４の厚みまたは硬度と特性データベースとに基づいて材料供給ガス２０の供給量を制御することにより、容易に制御することが可能である。
このとき、基材２５に吹き付けられる溶射材料２０ａの粒子速度と粒子温度との少なくともいずれか一方をＣＣＤカメラ等により観測し、観測結果と形成すべき皮膜２４の厚みまたは硬度とに基づいて制御装置３１により材料供給ガス２０の供給量を制御すると、より正確な制御が可能であり所望の厚みまたは硬度を備えた皮膜２４を形成することが可能である。
【００５３】
図８は、主トーチ１と副トーチ２とが一体となったプラズマ溶射装置１０２の概略構成を示す図である。
上記実施の形態においては、主トーチ１と副トーチ２とが別個に分離しているプラズマ溶射装置１００、１０１について説明したが、図８に示すように、主トーチ１の外套における開口部４ａの出口側に副トーチ２、３９が絶縁体６０を介して一体に設けられた、主トーチ１と副トーチ２、３９の一体型プラズマ溶射装置１０２であっても構わない。
【００５４】
また、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５５】
１  主トーチ、２  副トーチ、３  主陽極、４  主外套、４ａ  開口部、
４ｂ  テーパー部、５  主プラズマガス導入口、６  主プラズマガス、７  主電源、
８，９  スイッチ、１０  副陰極、１０ａ  副陰極の先端、１１  副外套、
１１ａ  孔、１２  副プラズマガス導入口、１３  副プラズマガス、１４  副電源、
１５  スイッチ、１６  主プラズマアーク、１７  副プラズマアーク、１８  プラズマ、
１９  材料送入管、１９a  溶射材料吐出孔、２０  材料供給ガス、２０ａ  溶射材料、
２１  溶融物、２２  プラズマトリミング部、２３  プラズマ炎、２４  皮膜、２５  基材、
２６  連結管、２７，２８  絶縁体、３０  自動材料供給装置、３１  制御装置、
３９  副トーチ、４０  副陰極、４０ａ  副陰極の先端、４１  副外套、４１ａ  孔、
４２  副電源、４３，４４，４５，４６  スイッチ、４７  絶縁体、
４８  副プラズマガス導入口、４９  副プラズマガス、５０  旋回流形成部、
５１  ガス環状室、５２  旋回流形成孔、５３  内壁、５５  スイッチ、
５６  副プラズマアーク、６０  絶縁体、１００  複合トーチ型プラズマ溶射装置、
１０１  ツインカソード型プラズマ溶射装置、１０２  一体型プラズマ溶射装置、
Ｃ１  主陽極の中心軸、Ｃ２  副陰極の中心軸
【図１】
2015147127.tif 000003
【図２】
2015147127.tif 000004
【図３】
2015147127.tif 000005
【図５】
2015147127.tif 000006
【図７】
2015147127.tif 000007
【図８】
2015147127.tif 000008
【図４】
2015147127.tif 000009
【図６】
2015147127.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月6日(2017.1.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に沿って溶射材料を、当該溶射材料を送給するための材料供給ガスと共に送入する材料送入管を有する主陽極を備え、前記中心軸に沿って主プラズマガスを導入する主トーチと、
中心軸が前記主陽極の前記中心軸と交差する副陰極を備える副トーチと、
を有し、
前記主陽極と前記副陰極との間に形成されるプラズマアークと、
前記主陽極の前記中心軸に沿うように導入される前記主プラズマガスと、
前記副陰極の前記中心軸に沿い前記主陽極の前記中心軸に向かうように導入される前記副プラズマガスと、により前記主陽極の前記中心軸に沿うように形成されるプラズマ炎に、前記材料送入管から前記材料供給ガスと共に前記溶射材料が送入されて前記溶射材料が溶融され基材に吹き付けられて前記溶射材料の皮膜を形成するプラズマ溶射装置において、
前記材料供給ガスの供給量を制御する供給量制御部を備え、
前記供給量制御部は、形成される前記皮膜の硬度を変えるべく前記材料供給ガスの供給量を制御し、
前記皮膜の前記硬度が高いほど、前記供給量制御部の制御により前記材料供給ガスの供給量を少なくすることを特徴とするプラズマ溶射装置。
【請求項２】
前記供給量制御部は、前記材料供給ガスの供給量を前記溶射材料の供給量とは独立に制御することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項３】
前記皮膜の前記硬度と前記材料供給ガスの供給量とを対応付けた特性データベースを生成し、
前記供給量制御部は、形成すべき前記皮膜の前記硬度と前記特性データベースとに基づいて前記材料供給ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ溶射装置。
【請求項４】
前記供給量制御部は、前記基材に吹き付けられる前記溶射材料の粒子速度と粒子温度との少なくともいずれか一方を観測し、観測結果と形成すべき前記皮膜の前記硬度とに基づいて前記材料供給ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ溶射装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
前記目的を達成するために本発明のプラズマ溶射装置は、中心軸に沿って溶射材料を含む材料供給ガスを送入する材料送入管を有する主陽極を備え、前記中心軸に沿って主プラズマガスを導入する主トーチと、中心軸が前記主陽極の前記中心軸と交差し、当該主陽極の前記中心軸を中心とする円周上に、当該円周方向に互いに間隔を隔てて配置される副陰極を備える複数の副トーチと、を有し、前記主陽極と前記副陰極との間に形成されるプラズマアークと、前記主陽極の前記中心軸に沿うように導入される前記主プラズマガスと、前記副陰極の前記中心軸に沿い前記主陽極の前記中心軸に向かうように導入される前記副プラズマガスと、により前記主陽極の前記中心軸に沿うように形成されるプラズマ炎に、前記材料送入管から前記材料供給ガスが送入されて前記溶射材料が溶融され基材に吹き付けられて前記溶射材料の皮膜を形成するプラズマ溶射装置において、前記副プラズマガスの供給量を制御する供給量制御部を備え、前記供給量制御部は、形成される前記皮膜の硬度を変えるべく前記材料供給ガスの供給量を制御し、前記皮膜の前記硬度が高いほど、前記供給量制御部の制御により前記材料供給ガスの供給量を少なくすることを特徴とするプラズマ溶射装置である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
このようなプラズマ溶射装置によれば、溶射材料を主陽極の中心軸に沿うように吹き付けて基材に皮膜を形成する材料供給ガスの供給量を制御する供給量制御部を備えているので、材料供給ガスの供給量を制御することにより基材上に到達する際の溶射材料の供給条件としての材料供給ガスの供給量を異ならせて皮膜を形成することが可能である。
また、供給量制御部により材料供給ガスの供給量を少なくすることにより、より硬度が高い皮膜の形成することが可能であり、材料供給ガスの供給量を多くすることにより、より硬度が低い皮膜を形成することが可能である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2015147127.tif 000011
2015147127.tif 000012
2015147127.tif 000013
2015147127.tif 000014