(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射すべき方向に延びる軸線に沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノズルと、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段とを備え、該プラズマ形成手段は、陰極を備えたカソードトーチと、陽極を備えたアノードトーチとのプラズマトーチ対を２以上備え、これらカソードトーチ及びアノードトーチは、これらの陰極及び陽極間に前記軸線に沿うプラズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の位置関係が前記原料投入方向の上流側及び下流側となるように配置されていることを特徴とするプラズマ溶射装置。
【請求項２】
前記カソードトーチが、前記陰極との間にアークを発生させるための点火用の補助陽極を該陰極の付近に備え、前記アノードトーチが、前記陽極との間にアークを発生させるための点火用の補助陰極を該陽極の付近に備えてい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】
前記プラズマトーチ対の内、上流側に位置するプラズマトーチが、前記軸線の周りから該軸線に向く斜め方向にプラズマを噴出させるように配置されてい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】
前記プラズマトーチ対の内、下流側に位置するプラズマトーチが、前記溶射軸線の周りから該軸線に向かってプラズマを噴出させるように配置されてい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】
前記カソードトーチの陰極及びアノードトーチの陽極が錐体状とされ、前記カソードトーチの補助陽極及びアノードトーチの補助陰極が各々前記陰極及び陽極を囲むようにノズル状に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
【請求項６】
前記プラズマトーチの陰極及び陽極の少なくとも一方の電極の周りに、該電極を保護する不活性ガスを流すためのガス噴出路を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
【請求項７】
前記原料投入ノズルが、内管と外管とを備えた２重管であり、前記内管から搬送ガスと共に粉末原料を噴出し、前記内管と外管との間からプラズマ形成用のガスを噴出するように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
【請求項８】
前記軸線上における前記プラズマトーチ対より下流側にプラズマの形状及び噴出速度を制御し得るようにプラズマ放出用の噴射ノズルが配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
【請求項９】
プラズマの形成位置を制御し得るように、複数の前記プラズマトーチ対への電力配分を可変とされていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンタルピーの高いプラズマ発生技術を特徴とし比較的少ない電カ消費及びプラズマガス消費で高品質の金属やセラミックスのコーティングを行うためのプラズマ溶射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属やセラミックスの粉末原料を用いて高速にコーティングを行う方法としてプラズマ溶射法が広範な用途に用いられている。従来プラズマ溶射に用いられている溶射装置のプラズマ発生部（溶射トーチ）は、通常、図２に示すように、ノズル状の陽極Ａとその中心に配置された陰極Ｂの１対から構成されている。プラズマは、ガス導入部Ｃから陽極・陰極間のドーナツ状の間隙に不活性ガスを流し、直流アーク放電によりガスを電離することにより発生させられ、ノズル状の陽極から溶射トーチ外部にプラズマジェットＰとなって噴出する。水管Ｗ１からＷ２へ流れる冷却水により水冷された陽極近傍ではプラズマが冷却され電離度が低下するため電流が流れにくくなり電流がプラズマの中心部に集中するという熱ピンチ効果によりプラズマジェットは絞られている。すなわち、電極間の温度分布に従って、プラズマ噴出速度は、中心部が高く周辺では急激に低下するという急峻な分布をもっている。また、直流アーク放電は陽極・陰極間のドーナツ状の間隙の一ケ所で生じるが、その位置については積極的な制御を行われていないため、アーク発生位置は絶えず移勤しがちであり、これに伴ってプラズマジェットも揺らいでいる。
【０００３】
粉末原料は、ノズル出口直後に設けられた粉末投入パイプＤもしくはノズルの出口近傍に開けられた孔を通して、搬送ガスに載せられ、一般的には、プラズマジェットにほぼ垂直に投入される。これにより、粉末原料はプラズマ中で溶融され液滴Ｒとなって噴射ノズルから噴出する。この際、粉末投入の速度は粉末の粒子径に大きく影響されるため、溶射原料粉末には分級により粒子径を揃えたものが使用されるが、ある程度のばらつきは不可避であるため投入される粉末の速度は分布を持ったものにならざるをえない。
【０００４】
このように、従来の技術では、温度分布と速度分布を持ったプラズマに、粒径分布を持った粉末を速度分布を持った形で、プラズマジェットに垂直に投入するため、全ての粉末をプラズマ中心部の最も温度の高い領域に集中して正確に投入することは非常に困難であった。このため、未溶融粒子Ｒ’の発生とその巻さ込みによる生成皮膜の性能の低下、投入した全ての原料粉末が皮膜になるわけではないことによる歩留まりの低下などが大きな問題となっていた。このような課題を解決するために、陰極をパイプ状にして、陰極の中を通して粉末を投入する溶射ガンが開発されているが、陰極の寿命が著しく短くなるとともに、アークの集中する陰極出口で粉末が溶けて詰まり易いなど決定的な解決策とはなっていない。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
本発朋は、上記従来技術の問題点を解決し、未溶融粒子の発生を抑えることにより、原料粉末の利用効率（歩留まり）の向上と高性能の皮膜の生成を可能とするプラズマ溶射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、種々研究を重ねた結果、次の２点が重要であり、これらを同時に満足するプラズマ溶射ガンを開発することができれば、上記課題の達成が可能であると考えた。i)揺らぎのない安定したプラズマを発生させること、ii)粒子径に分布を持った粉末を原料に用いてもプラズマジェット中心の最も温度と速度の高い領域を粉末が飛行するようプラズマジェット上流からプラズマジェット中心軸に沿って粉末を投入すること。本発明者は、これら２点を同時に満足するプラズマ溶射ガンの構造として、アーク発生位置が動き回らないよう、陰極、陽極ともにアーク発生位置を固定できる構造にするとともに、複数の陰極、陽極の対を設け、複数の陰極の間のプラズマジェット軸上から粉末を投入できる構造を案出し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明は、溶射すべき方向に延びる軸線に沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノズルと、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段とを備え、該プラズマ形成手段は、陰極を備えたカソードトーチと、陽極を備えたアノードトーチとのプラズマトーチ対を２以上備え、これらカソードトーチ及びアノードトーチは、これらの陰極及び陽極間に前記軸線に沿うプラズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の位置関係が前記原料投入方向の上流側及び下流側となるように配置されていることを特徴とするプラズマ溶射装置に係るものである。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態においては、前記カソードトーチは、前記陰極との間にアークを発生させるための点火用の補助陽極を該陰極の付近に備え、前記アノードトーチは、前記陽極との間にアークを発生させるための点火用の補助陰極を該陽極の付近に備えている。
【０００９】
前記プラズマトーチ対の内、上流側に位置するプラズマトーチは、前記軸線の周りから該軸線に向く斜め方向にプラズマを噴出させるように配置されているのが望ましい。
【００１０】
前記プラズマトーチ対の内、下流側に位置するプラズマトーチは、前記溶射軸線の周りから該軸線に向かってプラズマを噴出させるように配置されているのが望ましい。
【００１１】
前記カソードトーチの陰極及びアノードトーチの陽極が錐体状とされ、前記カソードトーチの補助陽極及びアノードトーチの補助陰極が各々前記陰極及び陽極を囲むようにノズル状に形成されているのが望ましい。
【００１２】
前記プラズマトーチの陰極及び陽極の少なくとも一方の電極の周りには、該電極を保護する不活性ガスを流すためのガス噴出路を備えることができる。
【００１３】
前記原料投入ノズルは、内管と外管とを備えた２重管であり、前記内管から搬送ガスと共に粉末原料を噴出し、前記内管と外管との間からプラズマ形成用のガスを噴出するように構成されたものとすることができる。
【００１４】
前記軸線上における前記プラズマトーチ対より下流側には、プラズマの形状及び噴出速度を制御し得るようにプラズマ放出用の噴射ノズルを配置することができる。
【００１５】
プラズマの形成位置を制御し得るように、複数の前記プラズマトーチ対への電力配分は可変とすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の１実施形態に係るプラズマ溶射装置の縦断面を概略的に示している。
【００１７】
このプラズマ溶射装置は、溶射すべき方向に延びる軸線Ｃに沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノズル１と、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段２と、これらを一体的に支持するフレーム３と、該フレームに支持され原料及びプラズマをフレーム外へ噴出させる噴射ノズル４とを備えている。
【００１８】
原料投入ノズル１は、内管１１と外管１２とを備えた同軸の２重管であり、内管１１から搬送ガスと共に粉末原料を噴出し、内管１１と外管１２との間からアルゴン、アルゴン−水素混合ガス、空気、酸素、窒素等のプラズマガスを噴出するように構成されている。このプラズマガスは、粉末原料がノズルから噴射された後に、その飛行パターンが広がるのを防止する。
【００１９】
プラズマ形成手段２は、陰極を備えたカソードトーチ２１と、陽極を備えたアノードトーチ２２とのプラズマトーチ対を２以上備え、これらカソードトーチ２１及びアノードトーチ２２は、これらの陰極及び陽極間に軸線Ｃに沿うプラズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の位置関係が原料投入方向の上流側及び下流側となるように配置されている。
【００２０】
カソードトーチ２１は、軸線Ｃからの距離及び隣り合うトーチとの距離を等間隔にして２〜７台配置されている。各カソードトーチ２１からのプラズマ噴出方向は、前記原料投入方向に向く斜め方向とされている。その傾斜角度は、軸線Ｃに対し、５度以上、４５度以下とするのが望ましい。傾斜角が５度より小さいと、プラズマの合流点が遠くなりすぎ温度低下を招き、４５度より大きいと、噴射ノズル４でのプラズマジェットの速度が大きく低下するからである。この観点から傾斜角は、１０度以上、３０度以下とするのがより望ましい。カソードトーチ２１は、中心が円錐状の陰極２１ａ、その周りに延びるノズルが該陰極との間にアークを発生させるための点火用の補助陽極２１ｂとなっており、その間隙からアルゴンおよび２次ガス（水素、ヘリウム等）が投入可能となっている。
【００２１】
また、アノードトーチ２２は、カソードトーチより前記原料投入方向の下流側において、軸線Ｃからの距離及び隣り合うトーチとの距離を等間隔にしてカソードトーチ２１と同じ台数配置されており、１台のカソードトーチ及びアノードトーチがプラズマトーチ対をなして主電源Ｍに接続され、各々のアーク用電極間に電圧が印加されるようになっている。アノードトーチ２２は、各々プラズマ流を軸線Ｃに向かって噴出し該軸線上でカソードトーチ２１からのプラズマ流と連続させるように配設されている。各アノードトーチ２２からのプラズマ噴出方向は、軸線Ｃ（前記原料投入方向）に対し、ほぼ垂直とされている。アノードトーチ２２は、中心が円錐状の陽極２２ａ、その周りに延びるノズルが該陽極との間にアークを発生させるための点火用の補助陰極２２ｂとなっており、その間隙からアルゴンガスが投入可能となっている。
【００２２】
各カソードトーチ２１の陰極２１ａと補助陽極２１ｂとの間、及びアノードトーチ２２の陽極２２ａと補助陰極２２ｂとの間には、点火用の補助電源Ｓが接続されている。
【００２３】
この実施形態では、このようにカソードトーチ及びアノードトーチのプラズマトーチ対を１グループを備えているが、より多くのプラズマトーチ対のグループを備えることができる。但し、最も原料投入ノズル１に近いプラズマトーチは、プラズマ噴出方向が、原料投入方向に向く斜め方向とされるのが、原料搬送上望ましい。また、これ以外のプラズマトーチのプラズマ噴出方向を原料投入方向に向く斜め方向とすることもできる。
【００２４】
１台のカソードトーチ及びアノードトーチからなるプラズマトーチ対は、少なくとも２対設けられる。これは、軸線Ｃ上で合流したプラズマ流を軸線Ｃに沿う流れとするためである。
【００２５】
このプラズマ溶射装置の各所の寸法は以下の通りである。
原料投入ノズル１
内管１１の内径：１〜５ｍｍ
外管１２の内径：２〜７ｍｍ
カソードトーチ２１：
軸線Ｃに対する傾斜角：１５度
円錐状の陰極の最大径：５ｍｍ
ノズル状陽極の最大径及び先端孔径：３０ｍｍ及び５ｍｍ
アノードトーチ２２：
軸線Ｃに対する傾斜角：６０〜９０度
円錐状の陰極の最大径：５ｍｍ
ノズル状陽極の最大径及び先端孔径：３０ｍｍ及び５ｍｍ
噴射ノズル４：
ノズル最小径：７ｍｍ
このプラズマ溶射装置は、以下のようにして使用される。カソードトーチの陰極と補助陽極との間隙、及びアノードトーチの陽極と補助陰極との間隙をガス噴出路としてアルゴンガスを流量数リットル毎分で流しながら、各プラズマトーチの陽極及び陰極間に接続された補助電源により両極間に数十ポルトの直流電圧をかけておき、陽極−陰極間に高周波を瞬問的に印加してアルゴンガスを電離させ、直流アークプラズマを発生させる。この状態で上記アルゴンガス流量を調整して、カソードトーチからのプラズマとアノードトーチからのプラズマをトーチ前方へ延ばして接触させるようにする。この接触状態で、カソードトーチの陰極とアノードトーチの陽極の間に主電源により百数十ボルト、数十から数百アンペアの直流電流を流すと、カソードトーチの陰極とアノードトーチの陽極の間のアーク放電によりメインプラズマＰが発生する。補助電源を切り、必要に応じてカソードトーチの電極間の間隙又は原料投入ノズル内管及び外管の間隙、或いはその両方から、アルゴンガス、水素ガス、へリウムガス、室素ガス、圧縮空気、酸素ガス又はこれらの混合ガス等によりプラズマのエンタルピーを増大させる作動ガスを投入し、さらに各カソードトーチの陰極とアノードトーチの陽極との間の電流・電圧を調整して、所定の出力のプラズマＰを安定させる。なお、図では、プラズマＰの形成状態をその中心部により概略的に示している。
【００２６】
このプラズマ後方から軸線Ｃに沿って、搬送ガスにより運ばれてきた原料粉末を、原料投入ノズルを通して投入し、溶融・加速して噴射ノズル４から噴出させ、溶融した液滴Ｒを被覆対象物に吹き付ける。液滴は被覆対象物表面で急速に凝固し、皮膜を形成する。
【００２７】
【実施例】
以下に、本発明に係るプラズマ溶射装置によるプラズマ溶射の実施例を示す。上記実施形態に係るプラズマ溶射装置を使用し溶射原料粉末として市販の溶射用イットリア安定化ジルコニア粉末を使用して、種々のプラズマ出力で溶射を行い、粉末の溶融状態を評価した。また、従来型の市販のプラズマ溶射装置を用い、上記実施例と同様の原料粉末及びプラズマ出力で溶射を行い、粉末の溶融状態を評価した。これらの結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
0004164610.tif 000002
【００２９】
表１における記号は以下の評価結果を示している。
×：ほとんど溶融しなかった。
△：一部溶融しているが大部分は溶融せず簡単に拭き取ることができた。
○：ほぽ溶融しているがエアーブロウで飛散する粉も僅かに付着していた。
◎：非常によく溶融し強固な膜ができた。
−：より低出力で高品位の皮膜が得られたので、実施しなかった。
【００３０】
以上の結果から、本発明装置による実施例においては、プラズマ溶射時の粉末の溶融状態が著しく向上し、低出力でも高性能の溶射皮膜が形成されることが明らかである。
【００３１】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明に係るプラズマ溶射装置においては、溶射すべき方向に延びる軸線に沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノズルと、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段とを備え、該プラズマ形成手段は、陰極を備えたカソードトーチと、陽極を備えたアノードトーチとのプラズマトーチ対を２以上備え、これらカソードトーチ及びアノードトーチは、これらの陰極及び陽極間に前記軸線に沿うプラズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の位置関係が前記原料投入方向の上流側及び下流側となるように配置されている。したがって、カソードトーチ及びアノードトーチの間に揺らぎのない安定したプラズマを発生させることができる。このようにプラズマが安定するので、その中心に原料粉末を投入しやすく、そのように投入することにより、プラズマジェット中心の最も温度と速度の高い領域に粉末を飛行させることができる。その結果、粒子径に分布を持った粉末を原料に用いてもプラズマ内で確実に溶解され、高品位の溶射皮膜が得られる。
【００３２】
また、原料粉末は、合流後のプラズマ流中を飛行するので、原料粉末のプラズマ中の滞留時間が長くなり、加熱される時間が十分に得られる。これらの作用により、原料粉末は、高融点材料の場合でも十分かつ均一に効率よく溶融されることになり、緻密で均一な皮膜が形成され得る。
【００３３】
また、プラズマ流中での原料の加熱効率が向上するため比較的低出カでも緻密な皮膜が得られる。さらに、原料粉末をプラズマ流中の中心部の高温部に容易に安定して投入できるので、粉末の粒子径が不揃いな安価な粉末を原料として使用することもできる。また、低出力で十分に原料粉末を溶融できるので、電気使用量を節約できる。
【００３４】
さらに、前記プラズマトーチの陰極及び陽極の少なくとも一方の電極の周りに、該電極を保護する不活性ガスを流すためのガス噴出路を形成し、該ガス噴出路からアルゴン等の不活性ガスを噴出させれば、電極はその不活性ガスにより保護されるので、主プラズマガスとして空気、水素と混合したアルゴン、窒素等の活性なガスを使用することができ、高エンタルピーのプラズマを得る上で有利である。また、原料投入ノズルから噴出する原料搬送ガスとして、不活性ガスに限らず種々のガス、例えば低廉な圧縮空気を使用することもできる。
【００３５】
前記原料投入ノズルが、内管と外管とを備えた２重管であり、前記内管から搬送ガスと共に粉末原料を噴出し、前記内管と外管との間からプラズマ形成用のガスを噴出するように構成すれば、噴出した粉末原料の拡散を防止することができ、溶射効率を上げることができる。
【００３６】
これらにより、本発明に係るプラズマ溶射装置によれば、プラズマ溶射プロセスの著しいコスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係るプラズマ溶射装置を概略的に示す縦断面図である。
【図２】従来のプラズマ溶射装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  原料投入ノズル
２  プラズマ形成手段
２１  カソードトーチ
２２  アノードトーチ
２１ａ  カソードトーチの陰極
２１ｂ  カソードトーチの補助陽極
２２ａ  アノードトーチの陽極
２２ｂ  アノードトーチの補助陰極
【図１】
0004164610.tif 000003
【図２】
0004164610.tif 000004