(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーティングをプラズマトーチから堆積させるための方法であって、
カソード電極と、
アノード軸、入口ゾーンおよび直径Ｄａを有する円筒ゾーンを有するアノード電極を有するアノードモジュールであって、前記プラズマトーチが、前記アノードモジュールの内部にアノードアーク根付着部を有するプラズマアークを発生させる、アノードモジュールと、
前記アノードアーク根付着部の下流に位置するプラズマジェット成形モジュールであって、前記プラズマジェット成形モジュールでのプラズマジェットの１つまたは複数のパラメータを制御する、プラズマジェット成形モジュールと、
前記カソード電極と前記アノード電極との間のプラズマアーク流路を制御する電極間モジュールであって、カソードモジュールに隣接する１つの端部および前記アノードモジュールに隣接する第２の端部を有しかつ前記カソードモジュールに隣接するパイロットインサートを有する、電極間モジュールと、
少なくとも１つの電位的に中性な電極間インサートと、
を備える、１００Ｖを上回る電圧（Ｕ）および５００Ａを下回る電流（Ｉ）を発生させるプラズマトーチを供給するステップであって、
前記プラズマトーチはさらに、全量Ｇのプラズマガスを供給するために２つの通路を備え、前記プラズマガスは、５０ｖｏｌ．％よりも多い分子ガスを含む、ステップと、
原料を前記プラズマジェットに供給してコーティングを基板に堆積させるステップと、を含み、
プラズマガスを供給するための前記通路の１つは、量Ｇ１のプラズマガスを供給するために前記カソードモジュールとパイロットインサートとの間に位置する第１のプラズマガス流路を備え、前記プラズマガスは、総断面積Ｓ１を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Ｖｏｒｔ１＝Ｇ１／Ｓ１を有して形成され、
プラズマガスを供給するための前記通路の１つは、量Ｇ２のプラズマガスを供給するために前記電極間モジュールとアノードの前記円筒ゾーンとの間に位置する第２のプラズマガス流路を備え、前記プラズマガスは、総断面積Ｓ２を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Ｖｏｒｔ２＝Ｇ２／Ｓ２を有して形成され、
Ｇ１は、０．６Ｇよりも大きく、Ｖｏｒｔ１＝Ｇ１／Ｓ１は、０．１ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））よりも大きく、
（Ｕ）（Ｉ）／（Ｇ）は、４３ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇの範囲であり、
前記Ｖｏｒｔ２は、０．１ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））よりも大きくかつ０．４ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））よりも小さく、前記複数のオリフィスは、前記直径Ｄａよりも少なくとも２ｍｍ大きい直径上に位置する方法。
【請求項２】
前記アノードの前記入口ゾーンの長さは、前記直径Ｄａの（０．５〜１．５）倍である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電極間モジュールは、複数の前記電位的に中性な電極間インサートを有し、それぞれが、前記プラズマアーク流路を規定する直径を有する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の電位的に中性な電極間インサートは、増加する直径のプラズマアーク流路を提供する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の電位的に中性な電極間インサートは、一定直径のプラズマアーク流路を規定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記アノードに隣接して位置決めされる電位的に中性な電極間インサートを含み、そのようなインサートは、（０．８〜１．２５）Ｄａの直径値を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記プラズマジェット成形モジュールは、前記直径Ｄａから直径Ｄｓへのプラズマジェット流路の階段状拡張部を提供する成形ノズルを有し、（Ｄｓ−Ｄａ）／２は、（０．２〜０．６）Ｄａ内であり、（０．２〜０．６）Ｄａ＝δであり、ただしδは、拡張比である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記階段状拡張部は、拡張比δおよび拡張角αによって規定され、αは、８°から２５°の値を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
αは、１０°から１８°の値を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記階段状拡張部は、前記アノード軸の４５°から８０°内に位置決めされる、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記原料は、粉末の形である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記原料は、少なくとも部分的に液体を含有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
圧縮ガス偏向ジェットは、前記原料を含有する前記プラズマジェットを横切って適用される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記コーティングは、電力発生構成要素上に堆積される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記分子ガスは、窒素である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
（Ｕ）（Ｉ）／（Ｇ）は、５０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇの範囲である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
１００Ｖを上回る電圧（Ｕ）および５００Ａを下回る電流（Ｉ）でコーティングを堆積させるためのプラズマトーチであって、
カソード電極と、
アノード軸、入口ゾーンおよび直径Ｄａを有する円筒ゾーンを有するアノード電極を有するアノードモジュールであって、前記プラズマトーチが、前記アノードモジュールの内部にアノードアーク根付着部を有するプラズマアークを発生させる、アノードモジュールと、
前記アノードアーク根付着部の下流に位置するプラズマジェット成形モジュールであって、前記プラズマジェット成形モジュールでのプラズマジェットの１つまたは複数のパラメータを制御する、プラズマジェット成形モジュールと、
前記カソード電極と前記アノード電極との間のプラズマアーク流路を制御する電極間モジュールであって、カソードモジュールに隣接する１つの端部および前記アノードモジュールに隣接する第２の端部を有しかつ前記カソードモジュールに隣接するパイロットインサートを有する、電極間モジュールと、
少なくとも１つの電位的に中性な電極間インサートと、
を備え、
前記プラズマトーチはさらに、全量Ｇのプラズマガスを供給するために２つの通路を備え、前記プラズマガスは、５０ｖｏｌ．％よりも多い分子ガスを含み、
プラズマガスを供給するための前記通路の１つは、量Ｇ１のプラズマガスを供給するために前記カソードモジュールとパイロットインサートとの間に位置する第１のプラズマガス流路を備え、前記プラズマガスは、総断面積Ｓ１を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Ｖｏｒｔ１＝Ｇ１／Ｓ１を有して形成され、
プラズマガスを供給するための前記通路の１つは、量Ｇ２のプラズマガスを供給するために前記電極間モジュールとアノードの前記円筒ゾーンとの間に位置する第２のプラズマガス流路を備え、前記プラズマガスは、総断面積Ｓ２を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Ｖｏｒｔ２＝Ｇ２／Ｓ２を有して形成され、
Ｇ１は、０．６Ｇよりも大きく、Ｖｏｒｔ１＝Ｇ１／Ｓ１は、０．１ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））よりも大きく、
前記Ｖｏｒｔ２は、０．１ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））よりも大きくかつ０．４ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））よりも小さく、前記複数のオリフィスは、前記直径Ｄａよりも少なくとも２ｍｍ大きい直径上に位置する、プラズマトーチ。
【請求項１８】
（Ｕ）（Ｉ）／（Ｇ）は、４３ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇの範囲である、請求項１７に記載のプラズマトーチ。
【請求項１９】
前記アノードの前記入口ゾーンの長さは、前記直径Ｄａの（０．５〜１．５）倍である、請求項１７または１８に記載のプラズマトーチ。
【請求項２０】
前記電極間モジュールは、複数の前記電位的に中性な電極間インサートを有し、それぞれが、前記プラズマアーク流路を規定する直径を有する、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項２１】
前記複数の電位的に中性な電極間インサートは、増加する直径のプラズマアーク流路を提供する、請求項２０に記載のプラズマトーチ。
【請求項２２】
前記複数の電位的に中性な電極間インサートは、一定直径のプラズマアーク流路を規定する、請求項２０に記載のプラズマトーチ。
【請求項２３】
前記アノードに隣接して位置決めされる電位的に中性な電極間インサートを含み、そのようなインサートは、（０．８〜１．２５）Ｄａの直径値を有する、請求項１７から２２のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項２４】
前記プラズマジェット成形モジュールは、前記直径Ｄａから直径Ｄｓへのプラズマジェット流路の階段状拡張部を提供する成形ノズルを有し、（Ｄｓ−Ｄａ）／２は、（０．２−０．６）Ｄａ内であり、（０．２−０．６）Ｄａ＝δであり、ただしδは、拡張比である、請求項１７から２３のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項２５】
前記階段状拡張部は、前記拡張比δおよび拡張角αによって規定され、αは、８°から２５°の値を有する、請求項２４に記載のプラズマトーチ。
【請求項２６】
αは、１０°から１８°の値を有する、請求項２５に記載のプラズマトーチ。
【請求項２７】
前記階段状拡張部は、前記アノード軸の４５°から８０°内に位置決めされる、請求項２４に記載のプラズマトーチ。
【請求項２８】
原料モジュールは、原料を粉末の形で供給するように構成される、請求項１７から２７のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項２９】
原料モジュールは、少なくとも部分的に液体を含有する原料を供給するように構成される、請求項１７から２８のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項３０】
圧縮ガス偏向ジェットは、原料を含有する前記プラズマジェットを横切って適用される、請求項１７から２９のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項３１】
前記分子ガスは、窒素である、請求項１７から３０のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に完全に組み込まれている、２０１２年３月８日に出願された米国仮特許出願第６１／６０８，４２６号および２０１３年２月２０日に出願された米国出願第１３／７７１，９０８号の利益を主張するものである。
【０００２】
本開示は一般に、選択されるプラズマを発生させるために使用されてもよい高い比エネルギーの分子プラズマガスに基づく材料のプラズマ溶射およびプラズマ処理のシステム、装置および方法に関する。本開示はまた、そのような方法を最適化するためのプラズマトーチおよびプラズマシステムの設計にも関する。
【背景技術】
【０００３】
材料のプラズマ溶射およびプラズマ処理の１つの主要な目標は、必要とされる特性を有する堆積物を形成するために、原料への熱および運動量の伝達を相対的に広い範囲内で制御する能力を有し、それ故に原料の望ましいパラメータ（温度、速度、その他）を提供する安定したプラズマの発生であることもある。追加の目標は、基板温度ならびに堆積物形成の他の条件の制御を含むこともある。
【０００４】
プラズマから原料への熱伝達は、粒子および基板を加熱するプラズマ能力を決定する主要なパラメータである熱伝達ポテンシャル（ＨＴＰ）、
【０００５】
【数１】
0006262670.tif 000002
【０００６】
によって特徴付けられることもあり、ただしλは、プラズマ熱伝導率であり、Ｔは、プラズマ温度である。ＨＴＰは、プラズマ比出力（ＳＰ）、プラズマエンタルピーＨおよびプラズマ温度との相関を有することもある。プラズマ比出力ＳＰ、関連するプラズマエンタルピーＨおよび熱効率ηは、次の通りに決定されることもあり、
ＳＰ＝Ｕ＊Ｉ／Ｇｐ、Ｈ＝ＳＰ＊η、η＝１−Ｌｗ／（Ｕ＊Ｉ）、
ただしＬｗは、冷却媒体（水）への電力損失であり、Ｕは、プラズマトーチ電圧であり、Ｉは、プラズマ電流であり、Ｇｐは、プラズマガス全流量である。比出力ＳＰは、プラズマ条件を特徴付けるために、さらにはプラズマのＨＴＰ、Ｈおよび温度の計算のために直接測定されることもある。それで、ＳＰは、プラズマ特性評価のために以下で使用されることになる。時には電力源または制御システムの電圧読み取り値が、計算のためのトーチ電圧として使用されることに留意されてもよい。この場合、計算されるＳＰおよびＨは、電源をトーチと接続する電力ケーブルでの電圧降下に起因して実際の値をわずかに上回ることもある。
【０００７】
図１および図２は、非特許文献１などの文献から取得される入力データを用いてアルゴンおよびＮ２に基づくプラズマについてプラズマのＨＴＰ、Ｈおよび温度の間の相間を例示する。一般に、プラズマの比出力および関連するエンタルピーの増加は、プラズマの温度およびＨＴＰの増加をもたらす。しかしながら、Ｎ２に基づくプラズマについては、特定のＨＴＰおよび関連するエンタルピーに対応するプラズマ温度は、同じ条件下でアルゴンに基づくプラズマに対応するプラズマ温度よりも大幅に低いこともある。このことは、分子解離に必要とされるエネルギーに起因している。例えば、ＨＴＰ≒８０００Ｗ／ｍでは、アルゴンに基づくプラズマは、９０００Ｋを超える温度を有することもあるが、一方窒素に基づくプラズマ温度は、７０００Ｋを下回ることもある（図１および図２を参照）。ＣＯ２および空気のプラズマは、同じプラズマ温度でＮ２プラズマと比較してわずかにより高いＨＴＰを有することさえある。
【０００８】
材料のプラズマ処理の大部分については、プラズマジェットへの原料投入は、一般にアノードアーク根付着部の下流で、非常に多くの場合、プラズマトーチノズル出口の下流でさえ行われる。ＨＴＰは、プラズマ放射ならびにノズル出口の下流での周囲空気とのプラズマ混合／相互作用に起因してアノードアーク根付着プラズマジェットの下流で大幅に減少することもあることに留意されてもよい。ＨＴＰの減少は、ＨＴＰ値がプラズマから原料への効果的な熱伝達にとって十分であるとき、原料活性滞留時間ｔｄの減少をもたらすこともある。周囲空気とのプラズマ相互作用の強さは、速度分布を含むプラズマ速度によってならびにプラズマ速度の動径および接線成分によって制御されることもある。プラズマ放射熱損失Ｑｒは、主にプラズマ温度に依存し、次式、
Ｑｒ≒ε（Ｔ、Ｐ）σＳＢＴ４、
を使用して見積もられることもあり、ただしσＳＢは、ステファン−ボルツマン定数であり、ε（Ｔ、Ｐ）は、「灰色（ｇｒｅｙｎｅｓｓ）の程度」であり、ε＝１は、「絶対黒体」放射に対応する。典型的なプラズマ溶射パラメータについては、εは、１よりもはるかに小さく、温度および圧力とともに急速に大きくなることに留意されてもよい。それ故に、放射フラックスの実際の温度依存性は、Ｔ４よりも大幅に強いこともあり得る。
【０００９】
見積もりは、プラズマジェットが、プラズマ温度Ｔ≒９０００〜１００００℃を非常に激しく上回って放射するので、この温度を上回ってプラズマを加熱するすべての追加のエネルギーが、ノズル出口までの下流２〜３ｃｍ内で失われることもあり、プラズマ温度が、そこでＴ≒９０００〜１００００℃を下回るようになり、それに関連してＨＴＰおよびエンタルピーが減少することを示すこともある。それ故に、図１および図２ならびに以下のＴａｂｌｅ  １（表１）に基づくと、２０ｖｏｌ．％に至るまでのＨ２を有するＡｒに基づくプラズマのＨＴＰは、ノズル出口の下流２〜３ｃｍを上回る距離においてＨＴＰ≒７〜１０ｋＷ／ｍを超えないこともあると結論されてもよい。Ａｒ−５０％Ｈ２については、ＨＴＰは、１４〜１６ｋＷ／ｍを達成することもある。しかしながら、アルゴンに対して２５〜３０ｖｏｌ．％よりも多い水素を有するプラズマは、プラズマパラメータの非常に大きな脈動を有することもあるので、それらの実際的応用は、非常に制限されることもある。
【００１０】
Ｎ２に基づくプラズマは、アルゴンのために利用される温度と同じ温度で大幅により高いＨＴＰを提供することもある。例えば、２０ｖｏｌ．％のＨ２を有するＮ２−Ｈ２プラズマは、プラズマ温度がＴ≒９０００〜１００００℃を達成することができる前に１８ｋＷ／ｍに至るまでのＨＴＰを提供することもあり、放射が、エネルギー収支で優位を占めることもあり、それ故にＨＴＰの極めて速い減少をもたらすこともある。同じことは、空気およびＣＯ２のような他の分子ガスに基づくプラズマに関して述べられることもある。
【００１１】
【表１】
0006262670.tif 000003
【００１２】
加えて、Ａｒ−Ｈ２およびＮ２−Ｈ２プラズマジェットの場合には、Ａｒ−Ｈ２プラズマジェットの高温／高ＨＴＰコア部の長さは、強烈な放射に起因してＮ２−Ｈ２プラズマジェットよりも大幅に短いことが見られることもあることが、観察されている。それは、大幅により短い原料活性滞留時間ｔｄおよび原料への熱伝達の関連する欠如をもたらすこともある。それ故に、高いＳＰ、ＨおよびＨＴＰならびに長い活性滞留時間が、堆積物の望ましい特性を達成するために必要とされるときは、分子ガスに基づくプラズマだけが、有益であることもあると結論されてもよい。しかしながら、分子ガスに基づくプラズマは、電極の過剰な摩耗、プラズマの不安定性、脈動およびドリフト（ｄｒｉｆｔｉｎｇ）を引き起こすこともあることに留意されてもよい。プラズマシステムに関しては、異なる手法が、これらの不都合を回避するまたは最小化するために使用されることもある。例えば、異なるプラズマ流路構成が、プラズマ装置のアノードアーク根の軸方向位置を安定させ、それ故にアーク短絡に起因する電圧脈動を最小化するために使用されている。特許文献１及び２ついて言及する。現在Ｐｒａｘａｉｒ−ＴＡＦＡによって製造され、約２００ｋＷの最大電力を有するＰＬＡＺＪＥＴ（登録商標）システムは、安定した高ＳＰの分子ガスに基づくプラズマを発生させ、同時に長寿命の電極を提供することができることに留意されてもよい。Ｎ２−Ｈ２プラズマについては、報告された最大ＳＰレベルは、約４２．５ｋＪ／ｇであることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，８４１，１１４号
【特許文献２】米国特許第６，１１４，６４９号
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｌａｓｍａ：  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌｕｍｅ  １、Ｂｏｕｌｏｓ、Ｆａｃｕｈａｉｓ、Ｐｆｅｎｄｅｒ、Ｐｌｕｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（１９９４）（「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｌａｓｍａ」）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
コーティングをプラズマトーチから堆積させるための方法および装置であって、カソード電極と、アノード軸、入口ゾーンおよび直径Ｄａを有する円筒ゾーンを有するアノード電極を有するアノードモジュールであって、前記プラズマトーチが、前記アノード内部にアノードアーク根付着部を有するプラズマアークを発生させる、アノードモジュールとを備える、１００Ｖを上回る電圧（Ｕ）および５００Ａを下回る電流（Ｉ）を発生させるプラズマトーチを供給することを含む方法および装置。プラズマジェット成形モジュールは、アノードアーク根付着部の下流に置かれ、プラズマジェット成形モジュールは、前記モジュールでのプラズマジェットの１つまたは複数のパラメータを制御する。前記カソードと前記アノードとの間のプラズマアーク流路を制御する電極間モジュールは、カソードモジュールに隣接する１つの端部およびアノードモジュールに隣接する第２の端部を有しかつ前記カソードに隣接するパイロットインサートを有して供給される。少なくとも１つの中性電極間インサートがあり、プラズマトーチはさらに、総量Ｇのプラズマガスを供給するために２つの通路を備え、プラズマガスは、５０ｖｏｌ．％よりも多い分子ガスを含む。次いで、原料をプラズマジェットに供給してコーティングを基板に堆積させてもよく、プラズマガスを供給するための通路の１つは、量Ｇ１のプラズマガスを供給するためにカソードとパイロットインサートとの間に位置する第１のプラズマガス流路を備え、そのガスは、表面積Ｓ１を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Ｖｏｒｔ１＝Ｇ１／Ｓ１を有して形成される。加えて、プラズマガスを供給するための前記通路の１つは、量Ｇ２のプラズマガスを供給するために前記電極間モジュールとアノードの前記円筒部分との間に位置する第２のプラズマガス流路を備え、そのガスは、表面積Ｓ２を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Ｖｏｒｔ２＝Ｇ２／Ｓ２を有して形成される。Ｇ１の値は、０．６Ｇよりも大きく、Ｖｏｒｔ１＝Ｇ１／Ｓ１は、０．１ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））よりも大きく、（Ｕ）（Ｉ）／（Ｇ）は、４３ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇの範囲である。
【００１６】
特許請求される主題の特徴および利点は、それと一致する実施形態の次の説明から明らかであり、その説明は、添付の図面と併せて考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】異なるガスについてプラズマエンタルピー（Ｈ）とのＨＴＰの相関を例示する図である。
【図２】プラズマ温度へのＨＴＰの依存性を例示する図である。
【図３】カスケードプラズマシステムの概略図を例示する図である。
【図４】ＩＥＩモジュール内部に拡張プラズマ流路を有するトーチを例示する図である。
【図５】移行ゾーンの可能な実施形態の１つ（アノード入口ゾーンの上流領域へのＧ２供給）を例示する図である。
【図６】移行ゾーンの可能な実施形態の１つ（アノード入口ゾーンの円錐部分およびスロットへのＧ２供給）を例示する図である。
【図７】プラズマジェット成形モジュールを例示する図である。
【図８】「角度のある」プラズマジェット成形手段を例示する図である。
【図９ａ】プラズマジェット流路の階段状拡張部への追加ガスの軸方向供給を例示する図である。
【図９ｂ】プラズマジェット流路の階段状拡張部への追加ガスの軸方向供給を例示する図である。
【図１０ａ】プラズマジェット流路の階段状拡張部への追加ガスの放射状供給を例示する図である。
【図１０ｂ】プラズマジェット流路の階段状拡張部への追加ガスの放射状供給を例示する図である。
【図１１ａ】本開示と一致するプラズマジェット制御システムの実施形態の様々な態様を概略的に例示する図である。
【図１１ｂ】本開示と一致するプラズマジェット制御システムの実施形態の様々な態様を概略的に例示する図である。
【図１１ｃ】本開示と一致するプラズマジェット制御システムの実施形態の様々な態様を概略的に例示する図である。
【図１２】装置の可能な実施形態を例示する図である。
【図１３ａ】カソード渦分配器を例示する図である。
【図１３ｂ】カソード渦分配器を例示する図である。
【図１４ａ】６つの渦穴を有する下流中性インサート８４の実施形態を例示する図である。
【図１４ｂ】６つの渦穴を有する下流中性インサート８４の実施形態を例示する図である。
【図１５】例１〜７に関連する情報を含む表である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本開示は、述べられるように、高い比エネルギーのプラズマガスに基づく材料のプラズマ溶射およびプラズマ処理のシステムおよび方法に関する。ＳＰ＞４３ｋＪ／ｇを有する比出力分子ガスに基づくプラズマが、今から達成されてもよく、それはまた、原料への熱伝達を改善することもでき、その結果堆積品質および全プロセス効率を改善することもできる。好ましくは、本明細書での比出力分子ガスに基づくプラズマは、１２０〜１４０ｋＪ／ｇに至るまでのＳＰを有するプラズマを含むことができる。窒素−水素プラズマについてさえ１４０ｋＪ／ｇよりも高いレベルが、９，０００〜１０，０００Ｋを上回るプラズマ温度をもたらすこともあり、すべての追加のＳＰは、放射されてもよい。
【００１９】
５００Ａを上回る電流は、分子ガスが使用されるとき、アノードの過剰浸食を引き起こすこともある。それ故に、本開示は、１００Ｖを上回る相対的に高い電圧および５００Ａを下回る相対的に低い電流の使用を可能にする。このことは次に、相対的に高い比エネルギー（＞４３ｋＪ／ｇ）および関連するＨＴＰのプラズマの発生において利点を提供することができる。Ｎ２、空気およびＣＯ２に基づくプラズマは、本明細書では好ましい分子ガスである。しかしながら、Ｎ２に基づくプラズマは、プラズマジェットで遊離酸素を発生させることもなく、溶射中に金属合金の相対的に強力な酸化のようないくつかの望ましくない結果をもたらすこともないので、最も好ましいこともある。
【００２０】
図３は、本明細書での変更および最適化のためのプラズマシステムの概略図を例示する。図示されるように、プラズマシステム２は一般に、プラズマトーチ４に基づいてもよい。プラズマシステム２は、様々なモジュールを含んでもよい。図３で概略的に描写されるプラズマシステム２は、ＤＣ電源モジュール（ＰＳ）と、プラズマガス流量、プラズマ電流および電圧、プラズマ始動および停止中の一連の事象、その他を制御することができる制御モジュール（ＣＴ）と、プラズマ点火モジュール（ＩＧ）および点火回路１６とを含んでもよい。プラズマトーチ４それ自体は、少なくとも１つのカソード１２２を有するカソードモジュールＣと、アークを拡張しかつ安定させる電極間インサートモジュール（ＩＥＩ）と、アノードモジュール（Ａ）とを含んでもよい。電極間インサートモジュールは、パイロットインサート（ＰＩ）、および少なくとも１つの中性電極間インサート（ＮＩ）を含んでもよい。プラズマジェット成形モジュール（Ｆ）は、トーチを出るプラズマジェット（ＰＪ）の速度および温度を整形しかつ／または制御するためにアノードアーク根付着部の下流に置かれてもよい。成形手段は、この場合アノードモジュール（Ａ）から電気的に絶縁される分離したモジュールとして配置されてもよい。プラズマジェット成形モジュール（Ｆ）はまた、角度を付けられてもよく、そのことは、部品の内部表面および他の限定空間内部に溶射する可能性を提供することができる。原料供給モジュール（ＦＦ）は、プラズマトーチ４によって発生したプラズマのプラズマジェット（ＰＪ）に材料原料を導入するために提供されてもよい。原料供給モジュールは、アノードアーク根付着部の下流に置かれてもよく、原料を成形手段（位置６）またはプラズマジェット（位置８）に供給してもよい。材料原料は、粉末の形であってもよい。材料原料はまた、液体前駆体またはエタノールもしくは水のような液体での微粉末の懸濁液の形であってもよい。ワイヤ、ロッド、および柔軟なコードのような固体原料が、同様に使用されてもよい。
【００２１】
プラズマガスＧ１は、カソードモジュールＣ内部の流路を通ってカソード領域に、例えばカソード１２２とパイロットインサートＰＩとの間に形成される空間に供給されてもよい。プラズマガスＧ１は、プラズマを発生させるために使用される唯一のガスであってもよい。この場合、Ｇｐ＝Ｇ１である。
【００２２】
第２のプラズマガスＧ２がまた、プラズマを発生させるために使用されてもよい。第２のプラズマガスＧ２は、図３で示されるようにＩＥＩモジュールとアノードモジュールとの間に位置する流路を通って供給されてもよい。さらになお追加のプラズマガスがまた、プラズマを形成するために使用されてもよい。そのような追加のプラズマガスは、電極間インサートの中にかつ／またはそれらの間に形成される流路を通って供給されてもよい。他の実施形態によると、例えば、第３のプラズマガスＧ３がまた、プラズマを発生させるために使用されてもよい。第３のプラズマガスＧ３は、電極間インサートモジュールＩＥＩのパイロットインサートＰＩと隣接する電極間インサートとの間の流路を通って供給されてもよい。この場合、Ｇｐ＝Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３である。Ｇ１、Ｇ２および追加のガスはまた、電極およびインサートの浸食、様々なモジュール、パイロットインサートおよび中性インサートの間での可能性がある望ましくないアーク放電を低減しかつ／または電極の浸食を最小限にし、プラズマ組成、その他を制御することもできる。Ｇ３および他の可能な追加のプラズマガスの実施は、トーチ性能を扱うささいな利点をもたらすこともあるが、しかしながらトーチ設計の複雑さならびに関連する保守および点検の課題をもたらすこともあることに留意されてもよい。
【００２３】
カソード１２２は、ＤＣ電源ＰＳの負端子に接続されてもよい。一実施形態では、ＤＣ電源は、低リップル電流を生成することができ、それは、プラズマパラメータの安定性を高めることができる。非常に低いリップルは、例えばリップル消去技法を使用することによって達成されてもよい。一例は、ＥＳＡＢによって製造されるＤＣ電源ＥＳＰ−６００ＣまたはＥＰＰ−６０１であってもよい。プラズマ点火の間、電源の正端子は、点火回路１６を通じてパイロットインサートＰＩに接続されてもよい。
【００２４】
ここでの実施形態によると、点火回路１６は、点火モジュールＩＧ、抵抗器１８、スイッチ１４、制御要素、キャパシタ、チョーク、およびインダクタ（図示されず）を含んでもよい。点火モジュールＩＧは、高電圧、高周波数の発振器を有してもよい。発振器は、カソード１２２とパイロットインサートＰＩとの間でパイロット電気アーク１０を起こすことができる。ＤＣ電源ＰＳは、パイロットアーク１０を支持するために用いられてもよい。パイロットアーク１０は、プラズマの通過のために異なる直径を有してもよい副流路によって形成される流路２６でガスの少なくとも一部分をイオン化することができる。すなわち、パイロットインサートＰＩは、１つの直径であってもよく、中性インサート（ＮＩ）は、他の直径を有してもよく、アノードは、プラズマ通過のために特定の直径を規定してもよい。イオン化ガスによって形成される低抵抗経路は、カソード１２２とアノードモジュールＡとの間のアーク流路２６での主アーク１２の起動を可能にすることができる。スイッチ１４は、主アーク１２が確立された後に切り離されてもよく、それ故にパイロットアーク１０を遮断する。一実施形態と一致して、いくつかのスイッチ（図示されず）が、カソード１２２とスイッチに接続された電極間インサートとの間でアークを発生させるために電極間インサートに接続されてもよい。パイロットアーク１０と同様に、カソード１２２と電極間インサートとの間のアークは、主アーク１２の長さが、パイロットインサートＰＩだけを利用する点火回路の能力よりも大きい場合には、主アーク１２の起動を容易にするための低抵抗経路を提供することができる。
【００２５】
プラズマアーク流路２６は、異なる配置およびオプションを有してもよい。ＰＩ内部のプラズマ流路は、直径Ｄｐおよび長さＬｐを有してもよい。図４は、直径Ｄｐ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、最大でＤＮまでを示す。中性インサート番号「ｉ」内部のプラズマ流路は従って、直径Ｄ（ｉ）および長さＬｉに指定されてもよい。いくつかの実施形態では、Ｄｐは、隣接（下流）インサートの直径Ｄ（１）以下であってもよい。すべての中性インサート（ＮＩ）の直径は、図３で描写されるように同じであってもよい。中性インサートの直径はまた、図４で例示されるように下流へと増加してＤ（ｉ＋１）≧Ｄ（ｉ）を提供してもよい。
【００２６】
本開示は、今ではプラズマ温度とは別にプラズマ速度を制御するための特に有効なツールであることもある同じプラズマガス流量、ＳＰおよびエンタルピーでのプラズマ流路直径およびプロファイルを今から制御する。例えば、プラズマ流路の直径を拡張してアノードのより大きな直径を提供することは、相対的により小さいアノード直径を有する円筒状プラズマ流路と比較して相対的により低いプラズマ速度をもたらすこともある。プラズマ速度および関連する原料滞留時間の制御は、同じ材料の異なるサイズの粒子が、もし堆積するなら異なる特性を達成するために必要とされるときは、非常に有益なこともある。一例は、異なる気孔率および細孔サイズを達成するために異なるサイズのイットリア安定化ジルコニア粉末によって溶射される多孔質熱障壁コーティング（ＴＢＣ）である。
【００２７】
プラズマトーチ４は、相対的に高電圧、相対的に低電流の手法を使用する能力があってもよく、それは、広範囲のプラズマガス流量、関連するＳＰ、ＨＴＰおよびプラズマ速度で適切に使用されてもよい。そのようなプラズマトーチはまた、層流、遷移流、および乱流のプラズマジェット流を実現する能力があってもよい。一般に、プラズマトーチ４は、広範囲のプラズマ電流（例えば、１５０アンペア〜５００アンペア）で動作することができる。アークの長さ（Ｌａ）および関連する電圧値ならびにそれらの変化は、カソードに隣接する領域およびＩＥＩモジュール内部でのアークの安定性、ＩＥＩモジュールの全長ならびにアノード内部でのアノードアーク根付着部（１５）の位置に依存することもある。図３を参照されたい。ＩＥＩモジュールの長さは、中性インサート（ＮＩ）の量およびそれらの厚さ（５．０ｍｍ〜２５．０ｍｍ）に依存することもある。アノードアーク根付着部の位置は、アーク短絡に起因して軸方向の不安定性および変動を有することもあり、そのことは、望ましくない電圧変動およびプラズマジェットパラメータの関連する不安定性をもたらすこともある。
【００２８】
本開示は従って、今では５０ｖｏｌ．％よりも多い分子ガスを有するガスを使用してＳＰ＞４３ｋＪ／ｇを有するプラズマを発生させる能力がある。そのようなプラズマはその結果、
−  設定値の１％を下回る長期変化（ドリフト）を有する比出力（ＳＰ）および関連するパラメータ安定性と、
−  ５〜１０ボルトを下回るレベルでのプラズマ電圧の最小脈動と、
−  プラズマジェット速度および温度、原料の効果的で均一な処理、高い堆積効率および堆積品質を制御する能力と、を提供することができる。
【００２９】
いくつかの変数が今から、これらの特徴の１つまたは複数を達成するために考察され、最適化されてもよい。
【００３０】
１．  プラズマ電流
最初の考察は、プラズマ電流である。本開示との関連では、プラズマ電流は、好ましくは５００Ａ以下であり、１５０Ａから５００Ａの範囲であってもよい。そのような電流レベルは、相対的に長寿命の電極を提供することができる。電流の最も好ましい範囲は、２００〜４００Ａである。５００Ａを上回る電流では、高効率ガス渦流でさえ、特にアノードへの熱流束を制御するために必要とされるアノードアーク根の十分な回転を提供することができない。それ故に、アークを回転させるための追加の例えば電磁的手段が、５００Ａを上回る電流で長寿命のトーチを提供するために必要とされることもある。
【００３１】
電流は、好ましくは５００Ａ未満に制御されてもよいので、電圧Ｕは今では好ましくは、特定のプラズマガスおよび流量についてプラズマ比出力ＳＰ＝Ｕ＊Ｉ／Ｇｐに関する要求に従って制御され、調節されてもよい。この場合もやはり、ＳＰは、好ましくは＞４３ｋＪ／ｇである。電圧制御は最も好ましくは、ＩＥＩモジュールの全長に依存するアーク長を制御することによって行われてもよい。追加のあまり好ましくない電圧制御がまた、使用されてもよい。例えば、パイロットインサートおよび／または中性インサートによって形成されるプラズマ流路の相対的により小さい直径が、相対的により高い電圧をもたらすこともある。
【００３２】
２．  接線成分（渦）を有するカソードガス（Ｇ１）
カソードに隣接する領域およびＩＥＩモジュール内部でのアークの安定性は、速度の接線成分を有し、それ故にカソードとパイロットインサートとの間に位置する領域に渦を生成するＧ１を提供することによって達成されてもよい。渦は、プラズマアーク領域に沿って下流に伝播することができ、それ故にＩＥＩによる壁安定化に加えてアークの安定化をもたらすことができる。
【００３３】
本開示では、Ｇ１流量は今では、好ましくはＩＥＩモジュール内部のプラズマチャンネルに沿って渦伝播を支持するために、全プラズマガス流量の６０％よりも多くてもよく、そのことは、Ｇ１＞０．６Ｇｐを意味する。再度図３を参照されたい。渦強度は、比Ｖｏｒｔ１＝Ｇ１／Ｓ１によって特徴付けられてもよく、ただしＳ１は、Ｇ１渦オリフィスの表面積である。
【００３４】
ＳＰ＞４３ｋＪ／ｇに対応する相対的に小さいＧ１流量では、アークの有用な安定化が、Ｇ１によって発生する渦について、すなわちＶｏｒｔ１＞０．１ｇ／（ｓｅｃ＊ｍｍ２）であるとき、観察されることもある。渦強度を計算するために、プラズマガス流は、ｇ／ｓｅｃ単位で測定され、表面積は、ｍｍ２単位で測定される。測定の他の単位は、渦強度の計算値での関連する変化とともに同様に使用されてもよい。一般に、渦のより高い強度は、アークのより良好な安定化をもたらすこともあり、渦の強度は、プラズマガスの音速によって制限されることもある。渦のより高い強度はまた、より高い利用可能なプラズマ速度制御レート（Δ）をもたらすこともあり、そのことは、以下でより完全に述べられる。
【００３５】
３．  アノードアーク根付着部を回転させるための接線成分（渦）を有するアノードプラズマガス（Ｇ２）
相対的に低いプラズマガス流量が、高ＳＰプラズマ（＞４３ｋＪ／ｇ）を発生させるために必要とされるとき、ある流量のＧ１だけの使用は、アノードアーク根付着部の回転および安定化にとって十分でないこともある。それは、プラズマチャンネル内部の粘性プラズマ流に起因する渦強度の下流への減少によって説明されてもよい。渦強度の減少はまた、利用可能なプラズマ速度制御レートを制限することもある。アノードアーク根付着部の領域での不十分な渦は、不安定なアーク根回転およびアノードの関連する短寿命の両方ならびにプラズマジェットの過剰な脈動をもたらすアーク根位置の過剰な軸方向変動をもたらすこともある。
【００３６】
上記の不都合（不安定な根回転）は今から、Ｇ１と同じ回転方向を提供するガス速度の接線成分を有するＧ２を提供することによって最小化されるまたは完全に回避されてもよく、そのことは、アノードアーク根付着の前に起こる。Ｇ１へのＧ２追加の好ましい効果は、ある最小値Ｇ２，ｍｉｎから観察されることもある。効果的なアノードアーク根回転に必要とされることもある最小流量Ｇ２，ｍｉｎは、アノード直径Ｄａに依存することもあり、Ｇ２，ｍｉｎ＝（０．０１〜０．０２５）Ｄａと規定されてもよく、ただしＤａは、ｍｍ単位で測定され、Ｇ２は、ｇ／ｓｅｃ単位で測定される。
【００３７】
Ｇ２に関連する最小渦強度は、Ｇ１についてと同じレベルであってもよく、すなわちＶｒｏｔ２＞０．１ｇ／（ｓｅｃ＊ｍｍ２）であってもよい。しかしながら、Ｇ２流量は、この場合０．４Ｇｐよりも低くてもよく、そのことは、Ｇ１＞０．６Ｇｐからの結果として起きてもよい。Ｇ２をプラズマチャンネルに供給するための手段は好ましくは、アノードアーク根付着部の相対的に近くに、好ましくはアーク根付着部の上流３〜２５ｍｍに置かれてもよい。それ故に、Ｇ２をアノードアーク根付着部の近くに供給することによって、アーク根付着の領域での渦強度が最小になるまたは減少しないことが、期待されてもよく、そのことは、アノードの相対的に長い寿命をもたらすことができる。
【００３８】
Ｇ２最大渦強度は、Ｖｏｒｔ２（ｍａｘ）＝０．４ｇ／（ｓｅｃ＊ｍｍ２）と見積もられてもよい。このレベルを上回るＶｏｒｔ２の増加は、望ましくないこともあり、プラズマジェット速度の過剰な接線成分およびプラズマジェットの望ましい領域への材料原料の正確な供給を扱う、関連する不都合をもたらすこともある。それ故に、渦強度の範囲は、０．４ｇ／（ｓｅｃ＊ｍｍ２）  ＞  Ｖｏｒｔ２  ＞  ０．１ｇ／（ｓｅｃ＊ｍｍ２）と開示されてもよい。開示される流量および強度を有するＧ１およびＧ２の渦の組み合わせはすでに、ＳＰ＞４３ｋＪ／ｇを有するプラズマの相対的に高い安定性をもたらすことができる。
【００３９】
４．  アノードアーク根位置を安定させるための方法
今から移行ゾーン２４をＩＥＩモジュールとアノードの円筒部分との間のプラズマ流路に配置し、同時にＧ２渦供給手段を移行ゾーン内部に位置決めすることが、好ましい。このことは、比出力ＳＰ＞４３ｋＪ／ｇを提供するパラメータを含む広範囲の動作パラメータ内でアークの不安定性および脈動のさらなる減少をもたらすことができる。
【００４０】
図５は、ＩＥＩモジュール内部のプラズマ流路２６の端部の下流に拡張部３０を含んでもよい移行ゾーン２４の好ましい実施形態の１つを例示する。拡張部３０は従って、不連続部が流路２６で生じ、それによってプラズマ流にゆがみを引き起こすように構成されてもよい。好ましくは、プラズマの流れは、ゾーン２４がプラズマ流路での直径の増加を提供するために拡張表面２４ａを含むという特徴に起因してゆがめられる。
【００４１】
セラミックリング絶縁体２８は、ＩＥＩモジュールとアノードモジュールＡとの間のスロット２４ｂに位置決めされる。アノードは、入口ゾーン２４ｃおよび円筒部分４４ならびに円筒部分４４と関連する直径Ｄａを有する。好ましくは、移行ゾーン２４ではＧ２渦強度は、最小であるまたは損失がない。スロット２４ｂは、約１．５〜３ｍｍの幅であってもよく、述べられたように、ＩＥＩモジュールをアノードモジュールから絶縁するセラミックリング２８を含有してもよい。
【００４２】
アノード入口ゾーン２４ｃの長さＬｅは、Ｄａと同じ程度であってもよく、Ｌｅは好ましくは、Ｌｅ＝（０．５〜１．５）Ｄａと規定されてもよい。Ｇ２渦流プラズマガスは、図５〜図６で例示されるゾーン２４ｂ（Ｇ２−ｂ）および／または２４ｃ（Ｇ２−ｃ）に供給されてもよい。アノード入口ゾーンは、異なる幾何学的形状を有してもよい。例えば、図６は、入口ゾーン２４ｃの円錐部分４６を例示し、一方図５は、丸みを帯びた入口ゾーン２４ｃを例示する。Ｇ２オリフィスは、図５〜図６で例示される直径Ｄ（Ｇ２）上に位置してもよく、その直径は、好ましくはアノード直径Ｄａよりも少なくとも２〜３ｍｍ大きいことに留意すべきである。
【００４３】
ＩＤアノード表面の解析は、アノードアーク根付着部が好ましくは、アノードの円筒部分４４の上流部分にまたはその近くに位置することを明らかにすることができる。アノードアーク根付着の観察される最大下流位置は好ましくは、図５で例示されるＬｃによって特徴付けられてもよい。通例、Ｌｃ＜（１〜１．５）Ｄａである。それ故に、全アノード長Ｌａ＝Ｌｅ＋Ｌｃは、Ｌａ＝（１．５〜３）Ｄａと見積もられてもよく、Ｌａの最大値の下流に位置する領域は、プラズマジェット成形部分Ｆとしての役割を果たす。
【００４４】
意外にも、渦流Ｇ１およびＧ２の上で開示された詳細と一緒に移行ゾーンの導入は、同じプラズマガス流量ならびにプラズマのＳＰ、ＨＴＰ、エンタルピーおよび温度を含むプラズマの熱的条件において相対的に広い範囲内でプラズマ流路直径およびプロファイルを大幅に制御する能力をもたらすことができることが、観察された。それは、プラズマの熱的条件の大幅な変化なしにプラズマ速度を制御するための有効なツールであってもよい。図４は、独立したプラズマ速度制御を実現するために使用されてもよい可能なプラズマ流路プロファイルの１つを例示する。この実施形態では、Ｄｐ＞Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５である。符号ＤＮはまた、アノードに隣接するＩＥＩモジュールの最後の下流のインサート（図４でのインサート＃５）の直径について使用されてもよい。
【００４５】
利用可能な速度制御のレート（Δ）は、プラズマの特定の熱的条件においてプラズマ溶射法によって達成可能な最大プラズマ速度Ｖｍａｘと最小プラズマ速度Ｖｍｉｎとの間の比として決定されてもよい。それ故に、Δ＝Ｖｍａｘ／Ｖｍｉｎである。より高い利用可能なΔは、より広い動作窓および関連する実用的な恩恵とともに、本明細書でのプラズマ溶射法の改善された能力をもたらすことができる。アノードを出るプラズマの速度は、１／（アノード表面積）にほぼ比例してもよく、すなわち、Ｖ≒１／Ｄａ２である。それ故に、Δは、Δ＝（Ｄａ，ｍａｘ／Ｄａ，ｍｉｎ）２と見積もられてもよく、ただしＤａ，ｍａｘおよびＤａ，ｍｉｎは、好ましくはプラズマの熱的条件での変化なしにまたは相対的にわずかな変化でプラズマ流路のプロファイルおよび直径を制御することによって達成されてもよいアノードの円筒部分の最大直径および最少直径である。速度制御のレート（Δ）および関連するパラメータに関する次のデータは、本明細書での方法のために使用されるプラズマトーチに基づいて得られた。
−  なお相対的に安定したアークを提供するＤａの利用可能な変化は、Δ＝（１．２５／０．８）２≒２．４を与えるＤａ＝（０．８〜１．２５）ＤＮのレベルで見積もられてもよい。この場合、ＤａとＤＮとの間のより高いレートは、プラズマの不安定性を引き起こすこともある。それ故に、プラズマ速度制御のより高いレートが、必要とされるときは、プラズマ流路の追加のプロファイリングが、必要とされることもある。
−  プラズマチャンネルの追加のプロファイリングは、約６ｍｍのＤａ，ｍｉｎおよび約１１．５ｍｍのＤａ，ｍａｘについてΔ≒３．６５を達成することを可能にすることもある。Ｄａ，ｍａｘ＝１１．５ｍｍは、アノード筐体の寸法が、Ｄａ＞１１．５ｍｍを有するアノードをもたらさないこともあるトーチの特定の設計によって制限されたことにまた留意されてもよい。それで、Δのより高い値は、必要ならば、アノード筐体の設計およびアノードの関連する寸法を拡大することによって達成されてもよいと熟考される。
【００４６】
５．  接線成分を最小化し、プラズマ温度および速度プロファイルを均一にするための手段
上で開示された渦流Ｇ１およびＧ２による効果的なプラズマアーク安定化およびアノードアーク根回転は、アノードアーク根付着部の下流でのプラズマジェットの高い相対強度の渦流をもたらすことができる。この場合、プラズマジェットの速度の相対的に過剰な接線成分はその結果、周囲空気とのプラズマジェットの過剰な混合、プラズマジェットの高いＨＴＰコア部の関連する短縮および活性原料滞留時間ｔｄの減少ならびにプラズマジェットでの原料処理の効率の結果として生じる減少をもたらすこともある。それ故に、プラズマジェット速度の接線成分を最小化することができるアノードアーク根付着部の下流に位置するプラズマジェット成形部分を有することは、様々な応用にとって非常に望ましいこともある。
【００４７】
最小化された接線成分はその結果、周囲の媒体（空気）とのプラズマジェットの相対的に最小化された混合（相互作用）をもたらすことができ、その結果、ジェットの相対的により長い高温維持および相対的により長い活性滞留時間をもたらすことができる。相対的に最小化された接線成分はまた、プラズマジェットの望ましい領域へのより良好な制御可能な原料投入を、それ故に、より良好な堆積品質および堆積効率をもたらすこともできる。プラズマジェットパラメータに対する異なる追加の要件はまた、成形ノズルの追加の異なる構成を要求することもある。
【００４８】
プラズマジェット流路直径がＤａからＤｓに突然階段状に拡張し、それに続いて円筒状プラズマジェット流路が直径Ｄｓ＞Ｄａを有することは、プラズマ接線成分を減少させる効果的な方法であることもある。この拡張部は、図７によって例示されるステップ角β、拡張比δ、および拡張角αによって特徴付けられてもよい。ステップ角βは、約９０°であってもよく、約＋／−１０°の許容変化を有する。一般に、より高いジェット拡張角αおよびより大きな拡張比δは、成形ノズルを出るプラズマジェットの速度のより低い接線成分をもたらすことができると期待されてもよい。しかしながら、意外にも、ジェット拡張角α＞２５°はまた、プラズマジェットの短縮をもたらすこともあることが見いだされており、そのことは、過剰に拡張されたノズル内部に侵入してジェット形成に悪影響を及ぼすこともあるかなりの量の周囲空気によって説明されてもよい。加えて、拡張角の減少α＜８°は、プラズマ速度接線成分の十分な減少をもたらさないこともあることが、見いだされた。しかしながら、それは、ノズル長の増加をもたらすこともあり、従って、それは、ノズル壁とプラズマとの間の熱交換に起因して追加の熱損失をもたらすこともある。それ故に、渦流減少の好ましい効果は、好ましい範囲８°＞α＞２５°内で期待されてもよいと結論されてもよい。最も顕著な効果は、α≒１０〜１８°内で観察されてもよい。
【００４９】
最適拡張比δは、０．２Ｄａ＜δ＜０．６Ｄａと理解されてもよい。δ＜０．２Ｄａでは、接線成分の減少は、相対的にわずかなこともありまたは観察されないことさえもある。δ＞０．６Ｄａでは、接線成分のさらなる減少は、観察されなかった。しかしながら、関連するノズル長のさらなる増加は、すでに上で述べられた熱損失の増加をもたらすこともある。プラズマ流路のそのような階段状拡張部はまた、ジェットプロファイルを横断するプラズマジェット温度および速度の均一化をもたらすこともあり、そのことは、原料粉末または懸濁液、その他の処理の均一性、高い堆積効率および堆積品質のさらなる改善をもたらすことができることに留意されてもよい。
【００５０】
プラズマジェット流路の階段状拡張部は、図８によって例示されるアノード軸に対して角度Ｙの下に置かれてもよい。角度Ｙは、技術要件に基づいて０〜９０°内で変化してもよい。一般に、Ｙは好ましくは、４５°〜８０°内であってもよい。様々な原料供給オプションが、図７および図８で例示される方法（位置６ａ〜６ｃ、８）によって利用されてもよい。アノードアーク根付着部の下流でのプラズマジェット流路の階段状拡張部は、本明細書で具体的に述べられるプラズマジェット構成でなく、他のプラズマ溶射プロセス／トーチのために使用されてもよいことにまた留意されてもよい。この場合、拡張部は、アーク根の好ましい付着領域の下流約（１〜２）Ｄａの距離に配置されてもよい。
【００５１】
階段状拡張部への追加のガスの供給はまた、望ましいプラズマジェットパラメータの形成を支援し、さらにプラズマ速度の接線成分を減少させることもできる。図９は、追加のガスが、プラズマジェットに対して軸方向に位置する多重ガス流路３２を通って供給されてもよいときのオプションを例示する。図１０は、追加のガスを供給するためならびにＧ１およびＧ２によって発生するプラズマジェット渦流と反対の方向を有することもある渦流を追加のガスに提供するための放射状ガス流路３４を例示する。
【００５２】
６：  偏向ジェット
本開示と一致するプラズマ装置は、高い比出力および温度を有するプラズマジェットを発生させることができる。いくつかの場合には、高いプラズマ温度および比出力は、プラズマ装置で溶射被覆されている基板の望ましくない過熱をもたらすこともある。例えば、それは、限定空間に起因して短い溶射距離が溶射のために使用されなければならないときに起こることもある。基板の過熱は、コーティングでの応力および／または例えば約５〜１０マイクロメートルを下回るサイズを有する微粒子の凝集に関連する欠陥、ならびに様々な他の欠陥を生成することもある。一般に、そのような欠陥は、「塊」または「突起」と述べられることもある。金属合金コーティング溶射の場合には、高いプラズマエンタルピーおよび温度はまた、微粒子の望ましくない過剰酸化およびコーティングでの結果として得られる過剰な量の酸化物をもたらすこともあることにまた留意されてもよい。一態様によると、基板の過熱および結果として得られる欠陥の増加、ならびに金属コーティングでの酸化物含有量は、コーティング塗布の領域で偏向ガスジェットを用いることによって最小化されてもよい。
【００５３】
図１１ａ〜図１１ｃを参照すると、圧縮ガス偏向ジェットは、偏向ガスノズル２１４ａによって原料を含有するプラズマジェット２１０を横切って適用されてもよい。ガスノズル２１４ａは、プラズマ装置４によって発生する溶射パターンの外側に配置されてもよく、溶射パターンの領域またはそれの上方で、一般に基板２１２ａに平行にかつ／またはそれに対してわずかの角度で向けられてもよい。一実施形態によると、ノズル２１４ａは、溶射パターンのすぐ外側に位置決めされてもよく、一方他の実施形態では、ノズル２１４ａは、溶射パターンからさらに離れて置かれてもよい。ノズル２１４ａおよび２１４ｃを置くための異なる構成は、図１１ａおよび図１１ｃで例示される。偏向ガスノズル２１４は、図１１ｂで描写されるように、全体的に長方形のプロファイルを有してもよい。ノズル２１４は、プラズマ装置４によって生成される溶射パターンよりも広くてもよい。例えば、ノズル２１４は、２５ｍｍ程度の幅の溶射パターンについて約３０〜５０ｍｍの範囲の幅を有してもよい。一実施形態では、ノズル２１４ｂの高さｈは、約１〜４ｍｍの範囲であってもよい。偏向ジェットの圧縮ガスは、空気、窒素、その他であってもよく、約３〜６バールの一般的な程度の圧力で供給されてもよい。偏向ガスジェットは、任意の微粒子、例えば約５〜１０ミクロン未満のサイズを有する粒子と一緒に、プラズマ装置４によって発生するプラズマジェット２１０を偏向させることができる。より大きな粒子は、実質的に偏向されることなく偏向ジェットを通過するのに十分な質量、従って慣性を有することもある。
【００５４】
プラズマ溶射システムの上記の説明は、本開示および図３〜図１１での上記の説明と完全に一致するより詳細な装置形態で今から提供されてもよい。
【００５５】
従って、今から図１２に注意を向ける。カソードモジュールＣは、カソードインサート１２２を有するカソードベース１２４と、カソード筐体１２８と、カソードホルダ１４４と、カソードナット１３２と、カソード渦分配器１２６とを有してもよい。カソードベース１２４は、高伝導材料、例えば銅または銅合金でできていてもよい。カソードベース１２４、カソード１２２およびカソードナット１３２は、カソードホルダ１４４と電気接触を有してもよい。カソードホルダ１４４は、図３で示されるＤＣ電源の負端子に接続されてもよい。パイロットインサート８０は、カソード筐体１２８との電気接点８６を有してもよく、それは、点火の間、図３で示される抵抗器１８およびスイッチ１４を通じてＤＣ電源の正端子に接続されてもよい。カソード筐体１２８およびカソードホルダ１４４は、カソード絶縁体１５２によって互いに電気的に絶縁されてもよい。
【００５６】
カソード筐体は、プラズマガスのＧ１部分を供給するためのガス流路１３０を有してもよい。ガス流路１３０は、対応する軸方向流路１３６に次に接続される放射状多重ガス流路１４６と接続される円形ガスレシーバ１３４を有するカソード渦分配器１２６と接続されてもよい。各軸方向流路１３６は、渦穴１３８と接続されてもよい。密封用Ｏリング１４８は、ガス流路を密封するために使用されてもよい。
【００５７】
図１３ａ〜図１３ｂは、６つの穴を有するカソード渦分配器１２６の実施形態の追加の特徴を例示する。穴の量（最小でも３より多い）およびそれらの直径は、渦強度Ｖｏｒｔ１を制御しかつそれを調節して上で開示された要件を満たすために使用されてもよい。例えば、代表的な場合として６つの穴を使用すると、渦の直径は、Ｄｖｏｒ１＝０．８ｍｍであり、表面積Ｓ１は、約３ｍｍ２である。それ故に、この渦分配器は、Ｇ１＞０．３ｇ／ｓｅｃのために使用されてもよい。Ｇ１の上限は、上で述べられたように音速に依存し、各特定のプラズマガスについて見積もられてもよい。例えば、室温では、窒素についての音速および密度は、約３３４ｍ／ｓｅｃおよび１．１６５ｋｇ／ｍ３である。それ故に、本開示によると、表面積３ｍｍ２を通る窒素流量の範囲は、約１５〜６０Ｌ／ｍｉｎと見積もられてもよい。渦ガス流の他の範囲については、カソードでの渦穴の量および／または直径、渦分配器１２６が、それに応じて調節されてもよい。
【００５８】
電極間インサートモジュールは、パイロットインサート８０および１つまたは複数の中性インサートから成ってもよい。４つの中性インサート８１〜８４が、描写される実施形態で使用されてもよい。インサート８１〜８４は、図１２で示されるように同じ直径を有してもよい。中性インサートの直径はまた、図４で示されるように下流へと増加してプラズマ流路プロファイルおよび関連する独立したプラズマ速度制御を提供してもよい。中性インサートは、一組のセラミックリング８８および密封用Ｏリング９０によって互いにかつパイロットインサート８０から電気的に絶縁されてもよい。
【００５９】
一般に、インサートの量は、異なるプラズマ電圧範囲を提供しかつ他の可能性のある要件を満たすように変えられてもよい。例えば、もしトーチ長が、短縮される必要があるならば、インサート８１および８４だけが、本実施形態で使用されてもよい。Ｇ１＝０．５８ｇ／ｓｅｃ≒３０Ｌ／ｍｉｎ、Ｇ２＝０．２９ｇ／ｓｅｃ≒１５Ｌ／ｍｉｎを有し、４００Ａで動作するＮ２プラズマについては、中間のインサート８２および８３の除去は、ＩＥＩモジュール内部のプラズマアーク流路の約５２．５ｍｍから約３２．５ｍｍへの減少、関連する動作電圧の２０１Ｖから１６２．５Ｖへの減少をもたらし、比出力（ＳＰ）の約９２ｋＪ／ｇから７４ｋＪ／ｇへの減少を伴う。ＳＰを増加させるための要件は、例えば６つの中性インサートの使用によって満たされることもあり、それに関連して同じ電流およびＮ２流量で動作電圧が約２４０Ｖに至るまで増加し、比出力が約１１０ｋＪ／ｇに至るまで増加する。
【００６０】
アノードモジュールＡは、アノード筐体４８およびアノード５０から成ってもよい。アノードは、直径Ｄａを有する円筒ゾーン４４と接続する入口集束ゾーン２４ｃを有してもよい。この実施形態でのＩＥＩモジュールとアノードの円筒部分４４との間のプラズマ流路での移行ゾーン２４は、アノード入口ゾーン２４ｃおよびプラズマ流路２６での不連続部として構成される拡張ゾーン３０によって形成される。下流の中性インサート８４は、拡張ゾーン３０に突出し、円形ガス分配器５４と接続されて移行ゾーンにＶｏｒｔ２を形成するＧ２渦オリフィス９４を有する、円形リップ９２を有してもよい。Ｇ２プラズマガスは、アノード筐体４８に位置し、セラミックリング絶縁体２８および追加の絶縁用セラミックリング９６によって形成される円形ガス分配器５４と接続されるガス流路５２に供給される。渦オリフィスの位置は、セラミックリング２８および９６の変更だけによってアノード入口ゾーンに対して変えられてもよいことに留意されてもよい。
【００６１】
図１４ａ〜図１４ｂは、直径Ｄｖｏｒ２を有する６つの渦穴を有する下流中性インサート８４の実施形態のより多くの特徴を例示する。穴の量およびそれらの直径は、渦強度Ｖｏｒｔ２＝Ｇ２／Ｓ２を制御しかつ渦強度を調節して上で開示された要件を満たすために使用されてもよい。例えば、直径Ｄｖｏｒ２＝０．６ｍｍを有する６つの穴について、表面積Ｓ２は、約１．７ｍｍ２である。それ故に、上で開示された要件０．４ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））  ＞  Ｖｏｒｔ２  ＞  ０．１ｇ／（（ｓｅｃ）（ｍｍ２））によると、この渦分配器は、０．６８ｇ／ｓｅｃ  ＞  Ｇ２  ＞  ０．１７ｇ／ｓｅｃ内のガス流Ｇ２のために使用されてもよい。それ故に、この場合の窒素流量は、８．６〜３４．５Ｌ／ｍｉｎ内と見積もられてもよい。Ｇ２渦ガス流の他の範囲については、渦穴の量および／または直径が、それに応じて調節されてもよい。この実施形態では、ＤＧ２は、約１９ｍｍであることに留意されてもよい。それ故に、それは、ＤＮ＝１６〜１７ｍｍに至るまでのかなりの範囲のＤＮのために利用されて広範囲のプラズマ速度制御を提供してもよい。
【００６２】
この実施形態でのプラズマ成形手段（Ｆ）は、アノードから電気的に絶縁されず、直径Ｄｓを有する急激な階段状拡張部１６０を含んでもよく、それは、アノードアーク根付着部１５の下流に置かれてもよい。
【００６３】
原料供給モジュールは、明確にするために図１２で例示されない。しかしながら、様々な第三者によって製造される広く利用可能な粉末投入器および粉末投入器ホルダが、この実施形態のために採用されてもよい。
【００６４】
多数の試験が、本明細書で述べられる方法および装置のために行われた。トーチは、５０ｖｏｌ．％よりも多い分子ガスを有する４３〜１４０ｋＪ／ｇ内の比出力を有する独特の極めて安定したプラズマを発生させることが確認された。しかしながら、本発明との関連で、プラズマは、４３ｋＪ／ｇ、４４ｋＪ／ｇ、４５ｋＪ／ｇ、４６ｋＪ／ｇ、４７ｋＪ／ｇ、４８ｋＪ／ｇ、４９ｋＪ／ｇ、５０ｋＪ／ｇ、５１ｋＪ／ｇ、５２ｋＪ／ｇ、５３ｋＪ／ｇ、５４ｋＪ／ｇ、５５ｋＪ／ｇ、５６ｋＪ／ｇ、５７ｋＪ／ｇ、５８ｋＪ／ｇ、５９ｋＪ／ｇ、６０ｋＪ／ｇ、６１ｋＪ／ｇ、６２ｋＪ／ｇ、６３ｋＪ／ｇ、６４ｋＪ／ｇ、６５ｋＪ／ｇ、６６ｋＪ／ｇ、６７ｋＪ／ｇ、６８ｋＪ／ｇ、６９ｋＪ／ｇ、７０ｋＪ／ｇ、７１ｋＪ／ｇ、７２ｋＪ／ｇ、７３ｋＪ／ｇ、７４ｋＪ／ｇ、７５ｋＪ／ｇ、７６ｋＪ／ｇ、７７ｋＪ／ｇ、７８ｋＪ／ｇ、７９ｋＪ／ｇ、８０ｋＪ／ｇ、８１ｋＪ／ｇ、８２ｋＪ／ｇ、８３ｋＪ／ｇ、８４ｋＪ／ｇ、８５ｋＪ／ｇ、８６ｋＪ／ｇ、８７ｋＪ／ｇ、８８ｋＪ／ｇ、８９ｋＪ／ｇ、９０ｋＪ／ｇ、９１ｋＪ／ｇ、９２ｋＪ／ｇ、９３ｋＪ／ｇ、９４ｋＪ／ｇ、９５ｋＪ／ｇ、９６ｋＪ／ｇ、９７ｋＪ／ｇ、９８ｋＪ／ｇ、９９ｋＪ／ｇ、１００ｋＪ／ｇ、１０１ｋＪ／ｇ、１０２ｋＪ／ｇ、１０３ｋＪ／ｇ、１０４ｋＪ／ｇ、１０５ｋＪ／ｇ、１０６ｋＪ／ｇ、１０７ｋＪ／ｇ、１０８ｋＪ／ｇ、１０９ｋＪ／ｇ、１１０ｋＪ／ｇ、１１１ｋＪ／ｇ、１１２ｋＪ／ｇ、１１３ｋＪ／ｇ、１１４ｋＪ／ｇ、１１５ｋＪ／ｇ、１１６ｋＪ／ｇ、１１７ｋＪ／ｇ、１１８ｋＪ／ｇ、１１９ｋＪ／ｇ、１２０ｋＪ／ｇ、１２１ｋＪ／ｇ、１２２ｋＪ／ｇ、１２３ｋＪ／ｇ、１２４ｋＪ／ｇ、１２５ｋＪ／ｇ、１２６ｋＪ／ｇ、１２７ｋＪ／ｇ、１２８ｋＪ／ｇ、１２９ｋＪ／ｇ、１３０ｋＪ／ｇ、１３１ｋＪ／ｇ、１３２ｋＪ／ｇ、１３３ｋＪ／ｇ、１３４ｋＪ／ｇ、１３５ｋＪ／ｇ、１３６ｋＪ／ｇ、１３７ｋＪ／ｇ、１３８ｋＪ／ｇ、１３９ｋＪ／ｇおよび１４０ｋＪ／ｇなどの、この範囲での個々の数値のいずれか１つまたは複数の比出力を有してもよい。例えば、１つは、５０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇ、または６０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇ、または７０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇ、または８０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇまたは９０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇ、１００ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇ、１１０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇ、１２０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇ、および１３０ｋＪ／ｇ〜１４０ｋＪ／ｇの比出力を有してもよい。
【００６５】
それに応じて、本明細書での安定したプラズマへの言及は、（１）電極が比出力のレベルに応じて３０時間、４０時間、５０時間、その他の寿命を有することができるその電極の寿命の間に設定値の１〜２％を上回る平均電圧のドリフトまたは変化がないこと、および（２）±１０Ｖよりも大きいプラズマ電圧の高周波数（ｋＨｚレベルの）脈動がないことと理解されてもよい。
【００６６】
試験の間に、平均トーチ電圧の長期変化は、主に１％を下回るレベルで観察された。１〜２％のレベルでのいくつかの観察された変化は、使用される質量流量コントローラの±１％精度に起因するプラズマガス流の不可避のわずかな変化に帰されてもよい。プラズマ電圧の高周波数脈動は、５〜１０Ｖを下回る無視できるレベルであって、そのことは、原料の均一な処理、高い堆積効率および堆積品質をもたらした。耐久性試験は、電極の長寿命を示した。例えば、約４５〜７５ｋＪ／ｇのＳＰでは、電極の寿命は、８０〜１００時間またはそれを上回るレベルに見積もられることもある。約８０〜９５ｋＪ／ｇのＳＰでは、電極の寿命は、４０〜５０時間またはそれを上回るレベルに見積もられることもある。
【００６７】
開示される実施形態は、ＳＰ＜４３ｋＪ／ｇを有する相対的に低い比出力の安定したプラズマを発生させる同時の能力を示したことにまた留意されてもよい。
【００６８】
本明細書で述べられる方法および装置は、コーティングを様々な基板に適用するために使用されてもよい。これらは、例えば電力の発生のためのデバイスで使用される任意の構成要素と理解されてもよい電力発生構成要素を含んでもよい。これは従って、ブレード、ベーン、燃焼器、ライナー、その他を含んでもよい。蒸着材料の適用のために使用されるチャンバのコーティングのために本明細書での方法および装置を利用することもまた可能である。
【００６９】
図１５は、本明細書で開示される方法および装置に基づいて異なるコーティングを堆積させるために使用されるパラメータの例を含む。高堆積効率ならびにコーティングの優れた品質が、観察された。重要な観察のいくつかは、次の通りであった。
【００７０】
例１は、ＨＣ  Ｓｔａｒｃｋによって製造される粉末によって溶射されたＣｒ２Ｏ３コーティングに関連し、約ＨＶ  １４００〜１５００の高い微小硬さを実証した。
【００７１】
例２は、ＮｉＣｒＡｌＹコーティングに関連し、それは、極めて低い酸化物含有量および浸透性を、従って高い耐食性を実証した。この場合、偏向ジェットの適用は、酸化物含有量および浸透性のさらなる減少をもたらしことに留意されてもよい。偏向ノズルは、４０ｍｍの幅および約２．５ｍｍの高さであって、粉末投入器の下流８０ｍｍに置かれた。約４バールの圧力での圧縮窒素が、偏向ジェットのために使用された。溶射距離は、１１０ｍｍであった。
【００７２】
例３〜例５は、吹付け乾燥および焼結ＺｒＯ２−８％Ｙ２Ｏ３粉末（Ｐｒａｘａｉｒによって製造されるＺＲＯ−１８２）によって溶射された熱障壁多孔質コーティングに関連する。すべてのコーティングは、約４〜８ミクロンの平均細孔サイズを有する顕著な気孔率を実証した。コーティングの全気孔率は、次の通りであって、コーティング＃３  −  ２８〜３０％、コーティング＃４  −  ３３〜３５％、コーティング＃５  −  １６〜１８％。
【００７３】
例６〜例７は、垂直亀裂を有する熱障壁高密度コーティングに関連し、Ｓｔ．  Ｇｏｂａｉｎによって製造される溶融粉砕粉末ＰＣ−ＹＺ８ｔによって溶射される。コーティング＃７は、より高い比出力に起因してより高い密度の垂直亀裂を実証したことに留意されてもよい。
【００７４】
プラズマコーティングは、通例、表面を相対的に溶射するプラズマトーチの多重パスによって溶射されることに留意されてもよい。従って、コーティングは、多層から成ってもよく、それらのそれぞれは、異なる条件でかつ／または異なる原料によって溶射されてもよく、それ故にコーティング構造、組成および性能に対する具体的要件を満たす。例えば、熱障壁コーティング（ＴＢＣ）は、金属結合コート（ＢＣ）およびセラミックトップコート（ＴＣ）から成ってもよく、それらのそれぞれは、プラズマトーチ多重パスによって溶射される多層を有してもよい。各層は一般に、約１０〜５０ミクロンの厚さを有してもよい。それ故に、例えば５００ミクロンの厚さを有する全コーティングは、１０〜５０パスによって溶射されてもよく、その結果１０〜５０層を有する。高ＳＰ分子プラズマは、いくつかの層を溶射するためにだけ必要とされることもあることに留意されてもよい。例えば、ＳＰ＞４３ｋＪ／ｇは、基板との良好な結合および界面を提供するＢＣの第１の層または複数層を溶射するためにだけ必要とされることもある。別の例は、顕著な気孔率を有し、平均サイズ６０〜１００ミクロンを有する大きいセラミック粒子によって溶射されるＴＣコーティングであってもよく、それはまた、ＳＰ＞４３ｋＪ／ｇを必要とすることもある。いくつかの層は、異なる方法によって溶射されてもよいことに留意されてもよい。例えば、いくつかのＢＣ層は、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）または高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）プロセスによって溶射されてもよい。それ故に、開示される方法は、全コーティングの選択された層だけに適用されてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
２  プラズマシステム
４  プラズマトーチ、プラズマ装置
６  成形手段の位置
８  プラズマジェットの位置
１０  パイロットアーク
１２  主アーク
１４  スイッチ
１５  アノードアーク根付着部
１６  点火回路
１８  抵抗器
２４  移行ゾーン
２４ａ  拡張表面
２４ｂ  スロット
２４ｃ  入口ゾーン、入口集束ゾーン
２６  アーク流路、プラズマ流路
２８  セラミックリング
３０  拡張部、拡張ゾーン
３２  多重ガス流路
３４  放射状ガス流路
４４  円筒部分、円筒ゾーン
４６  円錐部分
４８  アノード筐体
５０  アノード
５２  ガス流路
５４  ガス分配器
８０  パイロットインサート
８１  中性インサート
８２  中間のインサート
８３  中間のインサート
８４  中性インサート
８６  電気接点
８８  セラミックリング
９０  密封用Ｏリング
９２  円形リップ
９４  渦オリフィス
９６  セラミックリング
１２２  カソード、カソードインサート
１２４  カソードベース
１２６  カソード渦分配器
１２８  カソード筐体
１３０  ガス流路
１３２  カソードナット
１３４  ガスレシーバ
１３６  軸方向流路
１３８  渦穴
１４４  カソードホルダ
１４６  放射状多重ガス流路
１４８  密封用Ｏリング
１５２  カソード絶縁体
１６０  階段状拡張部
２１０  プラズマジェット
２１２ａ  基板
２１４  偏向ガスノズル
２１４ａ  偏向ガスノズル
２１４ｂ  偏向ガスノズル
２１４ｃ  偏向ガスノズル
Ａ  アノードモジュール
Ｃ  カソードモジュール
ＣＴ  制御モジュール
Ｄ１  中性インサートの直径
Ｄ２  中性インサートの直径
Ｄ３  中性インサートの直径
Ｄ４  中性インサートの直径
Ｄ５  中性インサートの直径
Ｄａ  アノードの直径
Ｄｐ  パイロットインサートの直径
Ｄｓ  階段状拡張部の直径
Ｆ  プラズマジェット成形モジュール
ＦＦ  原料供給モジュール
Ｇ１  プラズマガス
Ｇ２  第２のプラズマガス
Ｇ３  第３のプラズマガス
ＩＥＩ  電極間インサートモジュール
ＩＧ  プラズマ点火モジュール
Ｌａ  全アノード長
Ｌｅ  アノード入口ゾーンの長さ
Ｌｐ  パイロットインサートの長さ
ＮＩ  中性電極間インサート
ＰＩ  パイロットインサート
ＰＪ  プラズマジェット
ＰＳ  ＤＣ電源モジュール
Ｙ  アノード軸に対する角度
α  拡張角
β  ステップ角
δ  拡張比
【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】
0006262670.tif 000010
【図８】
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【図９ａ】
0006262670.tif 000012
【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
0006262670.tif 000020
【図１３Ｂ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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