JP2001200354A - 溶射方法及び溶射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、溶射装置及び溶射方法に関し、溶
射粒子の酸化を防止するとともに、ヒュームの発生を極
力抑制して緻密な皮膜を形成できるようにする。 【解決手段】溶射トーチ９に、冷却機構１２を有する空
気遮断用のチャンバ５を取り付けて溶射トーチ９先端か
ら基材１近傍までをチャンバ５で覆い、チャンバ５の径
をプラズマアーク３の径に対し１：３以上１：１０以下
に設定し、補助ガス６をチャンバ５内に供給して、プラ
ズマアーク３を補助ガス６で保護するとともに、補助ガ
ス６の噴出口７を溶射トーチ９の先端より１０ｍｍ以上
５０ｍｍ以下の距離に設定し、補助ガス６をプラズマア
ーク３の中心軸に対し５〜３０°の角度でプラズマ気流
に対し１〜３倍の流速で噴出させて溶射を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶射粒子の酸化を
防止し緻密な皮膜を形成する、溶射方法及び溶射装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、産業機械及び海洋構造物など
の大型構造物の機械部品や部材には耐食性を付与するた
め、金属溶射及びサーメット溶射が広く用いられてい
る。ここで、図８は従来の溶射方法による溶射皮膜を示
す模式的な断面図であるが、図示するように、一般にこ
れらの溶射皮膜２内の溶射粒子４間の未結合部には気孔
２４が存在している。このような気孔２４は、溶射時の
空気巻き込みにより溶射粒子４が酸化されて、溶射粒子
４の周りに酸化膜２３が形成され、酸化膜２３がそのま
ま皮膜２中に取り込まれて各溶射粒子４間の隙間が大き
くなって発生する。また、上記以外にも、粒子４の溶融
によって発生するヒュームが溶射粒子４に付着し皮膜２
中に取り込まれたり、皮膜２の表面に付着したヒューム
が積層する場合に皮膜２に取り込まれたりすることによ
り気孔２４が生成される。

【０００３】そして、このような気孔２４が金属素材
（基材）１の表面に達すると開口気孔が形成され貫通欠
陥となる。そして、このような貫通欠陥が生じると、使
用環境中の腐食液等が浸透し、基材１が腐食して、皮膜
２の割れや皮膜２の剥離等の問題が生じる。なお、気孔
２４が多いほど欠陥生成頻度も高くなる。ところで、例
えばプラズマ溶射はセラミックなどの高融点材料(他に
は例えばチタンカーバイド，タングステンカーバイド，
モリブデン及びタングステン)の溶射に適している。こ
れらの高融点材料を用いて、気孔２４が少なく緻密で密
着力の高い溶射皮膜２を得るためには、溶射電流を増大
させアーク温度を上昇させることが必要不可欠となる。

【０００４】しかしながら、電流を増加させるとアーク
温度は増加するが、逆に溶射粒子４は酸化されやすくな
る。また、電極保護のため作動ガス量を増加させる必要
があるが、この場合ガス膨張が起こり粒子４の飛行速度
が増加して、アーク中に粒子４の滞留する時間が短くな
り溶融が困難となる。このような溶射時の粒子４の酸化
防止方法として、例えば特開平１−２５９６５号公報
（特願昭６２−１７８９８２号）には、プラズマアーク
３をシールドガスカバー１６で覆う技術が開示されてい
る（図６参照）。また、特開昭６３−２０６４５９号公
報（特願昭６２−３９８７７号）には、図７に示すよう
な溶射装置が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術のう
ち、特開平１−２５９６５号公報の技術は、溶射方法を
アーク溶射方法に限定した技術であるが、図６からもわ
かるように、この技術では、シールドガスカバー１６が
基材１と密着しているため、シールドガスカバー１６内
にヒュームが充満し、ヒュームが溶射粒子４に付着し皮
膜中２に取り込まれ、気孔の生成原因となるという課題
がある。なお、図６において、２は溶射皮膜、３′，１
７はアーク（溶射炎）、４は溶射粒子、９は溶射トー
チ、１８はワイヤである。

【０００６】また、特開昭６３−２０６４５９号公報の
技術は、プラズマ溶射方法に関し、溶射粒子４の高速化
を図るものである。この技術は、図７に示すように、プ
ラズマアーク３をシールドガスカバー１６で覆うことで
減圧状態を模擬し、空気抵抗を小さくするとともに、温
度低下を防止しようとするものであるが、溶射粒子４の
溶融によって発生するヒュームを抑制するものではなか
った。なお、図７において、１０は溶射粉末供給ポー
ト、１１は溶射粉末である。

【０００７】上述したように、耐食性を必要とする部材
では、皮膜中に気孔が存在するため金属溶射は困難であ
る。これに変わる方法として、溶射皮膜２の下地にメッ
キ処理を施して耐食性を確保する施工法があるが、メッ
キをすることにより施工コストが増大するという課題が
ある。これらの課題を解決するためには、メッキ層をな
くし金属溶射層のみにより耐食性を確保することが重要
であり、このため、溶射技術的には飛行中の溶射粒子が
大気中の酸素と結合するのを防止し、溶射粒子を十分溶
融させること、また、溶射粒子の溶融によって発生する
ヒュームを抑制することがポイントとなる。

【０００８】本発明は、このような知見に基づいて創案
されたもので、溶射粒子の酸化を防止するとともに、ヒ
ュームの発生を極力抑制して緻密な皮膜を形成できるよ
うにした、溶射方法及びその装置を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１記載
の本発明の溶射方法は、プラズマアークにより溶射を行
なう溶射方法であって、溶射トーチに、冷却機構を有す
る空気遮断用のチャンバを取り付けて該溶射トーチ先端
から基材近傍までを該チャンバで覆い、該プラズマアー
クの径と該チャンバの径との比を１：３〜１：１０に設
定し、酸化膜を形成しない補助ガスを該チャンバ内に供
給して、該プラズマアークを該補助ガスで保護するとと
もに、該補助ガスの噴出口を該溶射トーチ先端より１０
ｍｍ以上５０ｍｍ以下の距離に設定し、該補助ガスを該
プラズマアークの中心軸に対し５〜３０°の角度でプラ
ズマ気流に対し１〜３倍の流速で噴出させることを特徴
としている。そして、チャンバ内を補助ガスで充満させ
てプラズマアークを補助ガスで保護することにより、溶
射中の雰囲気酸素濃度は１％以下に抑制でき溶射粒子の
酸化が抑制される。

【００１０】また、請求項２記載の本発明の溶射方法
は、上記請求項１記載のものにおいて、該チャンバと該
基材との間の距離を２〜２０ｍｍに設定することを特徴
としている。これにより、チャンバ内に滞留したヒュー
ムを安定して放出させることができ、また、チャンバ内
のヒューム濃度を低減することで溶射皮膜の気孔率を低
減することができる。

【００１１】また、請求項３記載の本発明の溶射方法
は、上記請求項１又は２記載のものにおいて、溶射時の
作動ガスとしてＡｒ＋Ｈ₂ を用いるとともに、該作動ガ
スの水素添加量を１０〜５０％に設定することを特徴と
している。そして、このように設定することにより、水
素ガスの還元作用を利用して溶射粒子の酸化防止を図る
ことができるとともに、解離熱による入熱増加で溶射粒
子の溶融効率の向上を図ることができる。

【００１２】また、請求項４記載の本発明の溶射方法
は、上記請求項１又は２記載のものにおいて、溶射時に
用いられる溶射粒径を３０〜１５０μｍとすることを特
徴としている。そして、このように溶射粒径を規定する
ことにより、ヒュームの発生が抑制される。また、請求
項５記載の本発明の溶射方法は、上記請求項１又は２記
載のものにおいて、該プラズマアーク近傍に、該基材に
付着したヒュームを除去するためのブラシ及びエアジェ
ットを設け、該ヒュームの強制除去を行なうことを特徴
としている。そして、このようなヒュームの強制除去に
より、やはりチャンバ内のヒューム濃度を低減すること
ができ、溶射皮膜の気孔率を低減することができる。

【００１３】また、請求項６記載の本発明の溶射方法
は、任意の溶射方法において、溶射時の作動ガスとして
Ａｒ＋Ｈ₂ を用いるとともに、該作動ガスの水素添加量
を１０〜５０％に設定することを特徴としている。そし
て、この場合にも水素ガスの還元作用を利用して溶射粒
子の酸化防止と、解離熱による入熱増加で溶射粒子の溶
融効率の向上とを図ることができる。

【００１４】また、請求項７記載の本発明の溶射方法
は、任意の溶射方法において、溶射時に用いられる溶射
粒子の径を３０〜１５０μｍとし、溶射炎近傍に、基材
に付着したヒュームを除去するためのブラシ及びエアジ
ェットを設け、該ヒュームの発生抑制と該基材に付着し
たヒュームの強制除去とを行なうことを特徴としてい
る。そして、このようなヒュームの強制除去により、や
はりチャンバ内のヒューム濃度を低減することができ、
溶射皮膜の気孔率を低減することができる。

【００１５】また、請求項８記載の本発明の溶射装置
は、プラズマアークにより溶射を行なう溶射装置であっ
て、溶射トーチに、冷却機構を有するとともに該溶射ト
ーチ先端から基材近傍までを覆う空気遮断用のチャンバ
が取り付けられ、該プラズマアークの径と該チャンバの
径との比が１：３〜１：１０に設定され、該チャンバ内
に供給される補助ガスの噴出口が該溶射トーチ先端より
１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の距離に設定されるととも
に、該補助ガスが該プラズマアークの中心軸に対し５〜
３０°の角度でプラズマ気流に対し１〜３倍の流速で噴
出するように構成され、且つ、該チャンバと該基材との
間の距離が、２〜２０ｍｍに設定されていることを特徴
としている。

【００１６】また、請求項９記載の本発明の溶射装置
は、上記請求項８記載のものにおいて、溶射時の作動ガ
スとしてＡｒ＋Ｈ₂ が用いられ、該作動ガスの水素添加
量が１０〜５０％に設定されていることを特徴としてい
る。また、請求項１０記載の本発明の溶射装置は、上記
請求項８記載のものにおいて、溶射時に用いられる溶射
粒子の径が３０〜１５０μｍであることを特徴としてい
る。

【００１７】また、請求項１１記載の本発明の溶射装置
は、上記請求項８記載の該プラズマアーク近傍に、該基
材に付着したヒュームを除去するためのブラシ及びエア
ジェットが設けられていることを特徴とする、請求項８
記載の溶射装置。また、請求項１２記載の本発明の溶射
装置は、任意の溶射装置において、作動ガスとしてＡｒ
＋Ｈ₂ が用いられ、該作動ガスの水素添加量が１０〜５
０％に設定されていることを特徴としている。

【００１８】また、請求項１３記載の本発明の溶射装置
は、任意の溶射装置において、溶射粒子の径が３０〜１
５０μｍに設定され、溶射炎近傍にブラシ及びエアジェ
ットが配設されていることを特徴としている。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の第１実
施形態にかかる溶射方法について説明すると、図１は本
溶射方法に用いるプラズマ溶射装置の要部構成を示す模
式的な断面図、図２は本溶射方法に用いるプラズマ溶射
装置の全体構成を示す模式図、図３は本溶射方法により
形成された溶射皮膜の模式的な断面図である。

【００２０】本第１実施形態にかかる溶射方法は、プラ
ズマアークにより溶射を行なうプラズマ溶射方法であっ
て、その溶射装置は、図２に示すように、主に、大気圧
プラズマ溶射電源１９，溶射制御装置２０，溶射用ロボ
ット２１，溶射トーチ９，小型チャンバ５及び溶射粉末
供給装置２２等をそなえて構成されている。そして、溶
射トーチ９に取り付けられた小型チャンバ５により溶射
時に発生した溶射炎（プラズマアーク又は単にアークと
いう）３を空気から遮断するとともに、溶射粉末供給装
置２２から溶射粉末１１（図１参照）を供給し、溶射を
行なうようになっている。また、各種の溶射条件は制御
装置２０で調整され、ロボット２１で施工されるように
なっている。

【００２１】また、図１に示すように、小型チャンバ５
には、冷却機構として機能する冷却通路１２が形成され
ている。この冷却通路１２は溶射時の高温度の熱による
加熱を防止するものであって、要求される冷却能力によ
り所定の形状に形成されている。また、小型チャンバ５
内には、補助ガスだまり８及び補助ガス噴出口７が形成
され、この補助ガスだまり８及び補助ガス噴出口７を介
して補助ガス６が小型チャンバ５内に噴出するようにな
っている。また、粉末供給ポート１０は、溶射粉末供給
装置２２を構成するものであって、この粉末供給ポート
１０から溶射粉末１１（溶射粒子４の集合）が供給され
るようになっている。

【００２２】次に、上記溶射装置の細部について説明す
ると、小型チャンバ５のチャンバ径は、プラズマアーク
３の径に対し１：３以上１：１０以下となるように設定
されている。また、補助ガス噴出口７は溶射トーチ９の
先端よりも後方（図１中、左側）に設けられるととも
に、補助ガス噴出口７と溶射トーチ９の先端との間の距
離は、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。

【００２３】また、補助ガス噴出口７は、溶射トーチ９
の中心軸線（図示省略）に対して傾いて形成され、補助
ガス（Ａｒ又は窒素ガス）６が上記中心軸線（すなわ
ち、プラズマ中心軸）に対して５〜３０゜の角度で噴出
口７から噴出するように設定されている。さらに、この
補助ガス噴出口７からは、プラズマ気流に対して１〜３
倍の流速で補助ガス６が噴流（噴出）するようになって
いる。

【００２４】そして、このような構成により、溶射時に
は、チャンバ内５を酸化膜を形成しない補助ガス６で充
満させ，プラズマアーク３を補助ガス６で保護するよう
になっているのである。次に、上記溶射装置の緒元や溶
射条件等を種々に変更して行なった実験例について説明
する。

【００２５】本実験例では、銅製の小型チャンバ５を用
い、小型チャンバ５の内径を１００〜２００ｍｍとし
た。また、基本的な溶射条件は、溶射電流５００〜８０
０Ａ、トラバース速度１０〜３０ｍ／ｍｉｎ、溶射距離
５０〜１００ｍｍとし、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金粉末１
１を膜厚２００〜４００μｍで溶射した。また、基材１
は、１００×１５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのＳＳ-４００
材をアルミナ＃２４グリットを用いてブラスト処理した
ものを使用した。溶射後は断面ミクロ組織観察で皮膜２
の気孔率及び粒子の酸化度を調査した。

【００２６】小型チャンバ５内に充満させる補助ガス６
として窒素ガスを用い、補助ガス６を２００〜５００ｌ
／ｍｉｎ供給しながら、プラズマアーク３の中心軸に対
し噴流角度（噴出角度）０〜４５゜で噴出させた。ま
た、チャンバ径は４０，６０，１００，１４０及び１６
０ｍｍのものを用いた。また、補助ガス６の噴出口７
は、溶射トーチ９の先端よりも後側（図１中左側）であ
って、補助ガス噴出口７と溶射トーチ９先端との距離を
５ｍｍ以上７０ｍｍ以下に設定した。また、小型チャン
バ５と基材１との間の距離を１〜３０ｍｍ、補助ガス６
の吹出し流速（噴出速度）を５〜４０ｍ／sに設定して
実験を行なった。

【００２７】そして、この実験により、補助ガス６とし
ての窒素ガスを２００〜５００ｌ／ｍｉｎ供給すること
で、溶射粒子４の酸化が防止でき、図３に示すように、
粒子密着性の高い皮膜２が得られることを確認した。な
お、チャンバ径とアーク径との間には相関関係があり、
アーク径とチャンバ径との比が１：３（この場合はアー
ク径約２０ｍｍ、チャンバ径６０ｍｍ）以上、すなわ
ち、アーク径／チャンバ径が１／３以上では、チャンバ
５内面に溶射粒子４が付着し、この粒子４が再溶融され
て基材１に飛行するスピッティング現象が生じ、気孔生
成の大きな問題点となることが判明した。また、アーク
径とチャンバ径との比が１：１０以下、すなわち、アー
ク径／チャンバ径が１／１０以下では、窒素ガス（補助
ガス）６を５００ｌ／ｍｉｎ供給しても、チャンバ内５
の容積が大きいため酸素濃度は低減できず良好な皮膜２
が得られなかった。

【００２８】また、補助ガス噴出口７を溶射トーチ９の
先端より１０ｍｍ以下の距離に設定した場合では、溶射
中に溶射トーチ９の先端に微小な溶射粒子４が堆積し、
これも上述と同様に、粒子４が再溶融され基材１に飛行
するスピッティング現象が生じ気孔生成の大きな問題点
となることが判明した。また、５０ｍｍ以上の距離では
アーク３近傍に到達するまでに補助ガス６の吹出流速が
減速し、小型チャンバ５内に滞留したヒュームを安定し
て小型チャンバ５外に放出させる効果が得られなかっ
た。

【００２９】また、補助ガス６をプラズマアーク３の中
心軸に対し噴流角度５〜３０゜で噴出させると、小型チ
ャンバ５内に滞留したヒュームを安定に小型チャンバ５
外に放出させることができ、図３に示すように、小型チ
ャンバ５内のヒューム濃度が低減でき溶射皮膜２の気孔
率を低減させることができた。なお、補助ガス６の噴出
角度が５゜以下になると、小型チャンバ５内に滞留した
ヒュームを安定して小型チャンバ５外に放出させること
が困難となり、また、補助ガス６の噴出角度が３０゜以
上では、プラズマアーク３が不安定になることが実験で
確認された。

【００３０】本溶射法の場合、プラズマアーク３の発生
によるプラズマ気流の流速は約１０ｍ／ｓであることが
流体力学的に解析済みであるが、補助ガス６の吹出し流
速が１０ｍ／ｓ以下では、プラズマ気流の流速が大きい
ため、チャンバ５内で補助ガス６が乱流状態になり、チ
ャンバ５内に滞留したヒュームが溶射粒子４に付着し皮
膜中２に取り込まれてしまう。また、補助ガス６の吹出
し流速が３０ｍ／ｓ以上では、逆に補助ガス６の吹出し
流速が大き過ぎてチャンバ５内で補助ガス６が乱流状態
になり、上述と同様の問題点が生じる。これに対して、
補助ガス６の吹出し流速をプラズマ気流と同等レベル
（プラズマ気流に対し１〜３倍の流速）に設定すること
により、小型チャンバ５内のヒューム濃度を低減でき、
溶射皮膜２の気孔率を低減することができた。

【００３１】また、小型チャンバ５と基材１との間の距
離を２〜２０ｍｍ離隔することで、上述と同様に小型チ
ャンバ５内に滞留したヒュームを安定して小型チャンバ
５外に放出させる効果があるほか、小型チャンバ５内の
ヒューム濃度を低減でき溶射皮膜２の気孔率を低減する
ことができた。なお、小型チャンバ５と基材１との間の
距離が２ｍｍ以下では、小型チャンバ内５にヒュームが
充満し、ヒュームが溶射粒子４に付着し皮膜中２に取り
込まれ、気孔生成原因となる。また、小型チャンバ５と
基材１との間の距離が２０ｍｍ以上では、チャンバ５内
の酸素濃度を低減できず良好な皮膜２が得られなかっ
た。流体力学的には補助ガス６流量が３００ｌ／ｍｉｎ
の場合、小型チャンバ５と基材１との間の距離が２ｍｍ
では小型チャンバ５と基材１の隙間から吹出すガス流速
は３０ｍ／ｓ、小型チャンバ５と基材間距離が２０ｍｍ
では小型チャンバ５と基材１との隙間から吹出すガス流
速は１０ｍ／sとなる。つまり、上述のプラズマ気流と
同等レベルの流速になるように、小型チャンバ５と基材
１との距離を設定することで、チャンバ５内に滞留した
ヒュームを安定して放出することができ、ヒュームが溶
射粒子４に付着し皮膜中２に取り込まれることなく、良
好な皮膜２が得られた。

【００３２】以上の実験結果により、本発明の第１実施
形態にかかる溶射方法では、チャンバ径をアーク径に対
し１：３以上１：１０以下とし、補助ガス噴出口７を溶
射トーチ９の先端より１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下で溶射
トーチ９の後側の位置に設定し、補助ガス６をプラズマ
中心軸に対し５〜３０゜の角度でプラズマ気流に対し１
〜３倍の流速で噴流させ、チャンバ５内を補助ガス６の
酸化膜を形成しないガスで充満するチャンバ構造とし、
プラズマアーク３を補助ガス６で保護することにより、
溶射中の雰囲気酸素濃度を１％以下に抑えることがで
き、粒子酸化度を通常の大気プラズマ溶射の場合の６〜
８％に対し、１〜２％に抑制することができる。また、
気孔率は５〜６％に対し２〜３％に抑制することがで
き、密着力は２００ｋｇ／ｃｍ² に対し３００ｋｇ／ｃ
ｍ² に高めることができるのである。また、小型チャン
バ５と基材１との間の距離を２〜２０ｍｍ離隔すること
で、小型チャンバ５内に滞留したヒュームを確実に小型
チャンバ５外に放出でき、チャンバ５内のヒューム濃度
を低減して溶射皮膜２の気孔率を低減することができ
る。

【００３３】次に、本発明の第２実施形態にかかる溶射
方法について説明すると、この第２実施形態では、上記
第１実施形態の溶射方法に対して、作動ガス１３として
Ａｒ＋Ｈ₂ を用いる点が異なっており、これ以外は上記
第１実施形態と同様である。ここで、一般的な作動ガス
は水素添加量が５〜１０％であるのに対し、本溶射方法
に用いられる作動ガス１３は水素添加量が１０〜５０％
に設定されている。

【００３４】以下、本発明の第２実施形態にかかる溶射
方法を用いた実験例について簡単に説明すると、本実験
では、上記第１実施形態で説明したものと同じ小型チャ
ンバ５を用いるとともに、作動ガス１３としてＡｒ＋４
０％Ｈ₂ （水素添加量４０％のアルゴンガス）を５０ｌ
／ｍｉｎ使用し、小型チャンバ５に充満させる補助ガス
６及びこの補助ガス６の噴出角度は上記第１実施形態と
同一とした。

【００３５】そして、この実験の結果、水素ガスの還元
作用により粒子４の酸化防止を図ることができ、また、
解離熱による入熱増加で粒子４の溶融効率を増加でき粒
子密着性の高い皮膜２を得ることができた（図３参
照）。なお、作動ガス１３を５０ｌ／ｍｉｎ使用した場
合、水素混入濃度１０％以下では上記効果が認められ
ず、水素混入濃度５０％以上ではプラズマアーク３が不
安定になることが実験で確認できた。

【００３６】また、粒子酸化度を通常の大気プラズマの
場合６〜８％に対し、０．５〜１％に半減することがで
きた。また、気孔率は５〜６％に対し１〜２％に半減す
ることができ、密着力は２００kg／cｍ² に対し３５０k
g／cｍ²にできた。なお、第１実施形態で用いた小型チ
ャンバ５を適用しなくても、水素ガスの還元作用利用に
よる粒子４の酸化防止効果と、解離熱による入熱増加で
粒子４の溶融効率が増加する効果とが認められ、粒子密
着性の高い皮膜２を得ることができる。

【００３７】以上のように、本発明の第２実施形態にか
かる溶射方法では、水素添加量の多い作動ガス１３を用
いて水素ガスの還元作用を利用することにより、溶射粒
子４の酸化を防止でき、また、解離熱による入熱増加に
より溶射粒子４の溶融効率を増加させることができる。
また、粒子酸化度を０．５〜１％に低減できるととも
に、気孔率を１〜２％に低減でき、さたには、溶射粒子
４の密着力が大きく向上する利点がある。

【００３８】なお、本発明の第２実施形態にかかる溶射
方法は、プラズマ溶射方法にのみ適用されるものではな
く、例えばアーク溶射方法や高速ガス炎溶射方法にも適
用可能である。次に、本発明の第３実施形態にかかる溶
射方法について説明すると、図４（ａ）, （ｂ）はとも
に基材に付着したヒュームの除去手法を説明するための
図、図５（ａ）, （ｂ）はその変形例を示す図である。

【００３９】さて、この第３実施形態では、溶射粒子４
の径が３０〜１５０μｍに規定されている。また、本溶
射方法が適用される溶射装置には、図４（ａ），（ｂ）
に示すように、プラズマアーク３の近傍（小型チャンバ
５の外周側）に、基材１に付着したヒュームを除去する
ためのブラシ１４及びエアジェット１５が設けられてい
る。これらのヒューム除去用のブラシ１４及びエアジェ
ット１５は、溶射線方向（図中の矢印参照）に対し前後
方向に配設されている。また、エアジェット１５のエア
圧力は４ｋｇｆ／ｍｍ² に設定されている。そして、こ
れ以外は、上記第１実施形態の溶射方法と同様に構成さ
れている。なお、ブラシ１４及びエアジェット１５を、
図５（ａ），（ｂ）に示すように配設してもよい。

【００４０】以下、本発明の第３実施形態にかかる溶射
方法を用いた実験例について説明すると、この実験例で
は、上記第１実施形態で説明したものと同じ小型チャン
バ５を用いるとともに、溶射粒子４は市販のものを用い
３０μｍ以下の粒子を除去して用いた。また、小型チャ
ンバ５に充満させる補助ガス６及びこの補助ガス６の噴
出角度は上記第１実施形態の実験例と同一とした。

【００４１】そして、この実験の結果、ブラシ１４及び
エアジェット１５によりヒューム発生の抑制と付着ヒュ
ームの強制除去を行なうことで、小型チャンバ５内のヒ
ューム濃度を低減することができ、溶射皮膜２の気孔率
を低減することができた。そして、粒子４の溶融によっ
て発生するヒュームの抑制と付着ヒュームの強制除去と
により、気孔率の小さい皮膜２を得ることができた（図
３参照）。

【００４２】なお、粒子径３０μｍ以下の溶融粒子４を
混入すると小型チャンバ５内に発生するヒュームが増大
し、粒子径１５０μｍ以上の粒子４を混入すると溶射皮
膜２中に未溶融粒子が存在し、気孔率が増大することが
実験で確認できた。また、エアジェット１５を小型チャ
ンバ５に密着させた場合、溶射皮膜２に吹き付けられた
エアが小型チャンバ５に混入し、酸素濃度が増大して良
好な皮膜２が得られなかった。また、ブラシ１４のみで
は皮膜２の表面に付着したヒュームは完全に除去できず
に良好な皮膜２が得られなかった。これに対して、ブラ
シ１４をチャンバ５側に配設し、また、このブラシ１４
にエアジェット１５を隣接して設けることにより、チャ
ンバ５内の酸素濃度の上昇を抑制でき、皮膜２の表面上
に付着したヒュームを効率良く除去することができた。

【００４３】そして、この実験では、気孔率を通常の大
気プラズマの場合５〜６％に対し、０.５〜１％に半減
することができた。なお、第１実施形態で用いた小型チ
ャンバ５を適用しなくても、粒子４の溶融によって発生
するヒュームを抑制でき、また付着ヒュームの強制除去
による気孔率の減少が認められ、粒子密着性の高い皮膜
２を得ることができる。

【００４４】以上のように、本発明の第３実施形態にか
かる溶射方法では、ブラシ１４をチャンバ５側に配置
し、その隣にエアジェット１５を配置することで、チャ
ンバ５内の酸素濃度の増加を防止して皮膜２の表面に付
着したヒュームを効率良く除去することができる利点が
ある〔図４（ａ),（ｂ)及び図５（ａ),（ｂ)参照〕。ま
た、粒子径３０〜１５０μｍの溶融粒子４を用いること
により、チャンバ５内でのヒュームの発生を抑制でき、
気孔率を低減することができる利点がある。

【００４５】なお、本発明の第３実施形態にかかる溶射
方法は、プラズマ溶射方法にのみ適用されるものではな
く、例えばアーク溶射方法や高速ガス炎溶射方法に適用
しても良い。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１記載の本
発明の溶射方法によれば、プラズマアークにより溶射を
行なう溶射方法であって、溶射トーチに冷却機構を有す
る空気遮断用のチャンバを取り付けて該溶射トーチ先端
から基材近傍までを該チャンバで覆い、該プラズマアー
クの径と該チャンバの径との比を１：３〜１：１０に設
定し、酸化膜を形成しない補助ガスを該チャンバ内に供
給するとともに、該補助ガスの噴出口を該溶射トーチ先
端より１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の距離に設定し、該補
助ガスを該プラズマアークの中心軸に対し５〜３０゜の
角度でプラズママ気流に対し１〜３倍の流速で噴出させ
ることにより、チャンバ内を補助ガスで充満させてプラ
ズマアークを補助ガスで保護することができ、溶射中の
雰囲気酸素濃度を抑制して、溶射粒子の酸化を抑制する
ことができるという利点がある。また、これにより気孔
率を低減することができるとともに溶射皮膜の密着力を
高めることができる利点がある。

【００４７】また、請求項２記載の本発明の溶射方法に
よれば、上記請求項１記載のものにおいて、該チャンバ
と該基材との間の距離を２〜２０ｍｍに設定することに
より、チャンバ内に滞留したヒュームを安定して放出さ
せることができ、チャンバ内のヒューム濃度を低減する
ことで溶射皮膜の気孔率を大幅に低減することができる
利点がある。

【００４８】また、請求項３記載の本発明の溶射方法に
よれば、上記請求項１又は２記載のものにおいて、溶射
時の作動ガスとしてＡｒ＋Ｈ₂ を用いるとともに、該作
動ガスの水素添加量を１０〜５０％に設定することによ
り、水素ガスの還元作用を利用して溶射粒子の酸化防止
を図ることができるとともに、解離熱による入熱増加に
より溶射粒子の溶融効率の向上を図ることができ、粒子
間の密着性の高い皮膜を形成することができるという利
点がある。

【００４９】また、請求項４記載の本発明の溶射方法に
よれば、上記請求項１又は２記載のものにおいて、溶射
時に用いられる溶射粒径を３０〜１５０μｍとすること
によりにより、ヒュームの発生を抑制することができる
という利点がある。また、請求項５記載の本発明の溶射
方法によれば、上記請求項１又は２記載のものにおい
て、該プラズマアーク近傍に、該基材に付着したヒュー
ムを除去するためのブラシ及びエアジェットを設け、該
ヒュームの強制除去を行なうことにより、チャンバ内の
ヒューム濃度を低減することができ、溶射皮膜の気孔率
を低減することができるという利点がある。

【００５０】また、請求項６記載の本発明の溶射方法に
よれば、任意の溶射方法において、溶射時の作動ガスと
してＡｒ＋Ｈ₂ を用いるとともに、該作動ガスの水素添
加量を１０〜５０％に設定することにより、水素ガスの
還元作用を利用して溶射粒子の酸化防止を図ることがで
きる利点があるほか、解離熱による入熱増加により溶射
粒子の溶融効率の向上を図ることができる利点がある。

【００５１】また、請求項７記載の本発明の溶射方法に
よれば、任意の溶射方法において、溶射時に用いられる
溶射粒子の径を３０〜１５０μｍとし、溶射炎近傍に、
基材に付着したヒュームを除去するためのブラシ及びエ
アジェットを設け、該ヒュームの発生抑制と該基材に付
着したヒュームの強制除去とを行なうことにより、チャ
ンバ内のヒューム濃度を低減するこができ、溶射皮膜の
気孔率を低減することができる。

【００５２】また、請求項８記載の本発明の溶射装置に
よれば、プラズマアークにより溶射を行なう溶射装置で
あって、溶射トーチに冷却機構を有する空気遮断用のチ
ャンバが取り付けられるとともに、該溶射トーチ先端か
ら基材近傍までが該チャンバで覆われ、該プラズマアー
クの径と該チャンバの径との比が１：３〜１：１０に設
定され、該チャンバ内に供給される補助ガスの噴出口が
該溶射トーチ先端より１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の距離
に設定され、該補助ガスが該プラズマアークの中心軸に
対し５〜３０゜の角度でプラズマ気流に対し１〜３倍の
流速で噴出するように構成され、且つ、該チャンバと基
材との間の距離が、２〜２０ｍｍに設定されるという構
成により、チャンバ内を補助ガスで充満させてプラズマ
アークを補助ガスで保護することができ、溶射中の雰囲
気酸素濃度を抑制して、溶射粒子の酸化を抑制すること
ができるという利点がある。また、チャンバと基材との
間の距離が２〜２０ｍｍに設定されることにより、チャ
ンバ内に滞留したヒュームを安定して放出させて、チャ
ンバ内のヒューム濃度を低減することができ、これによ
り溶射皮膜の気孔率を大幅に低減して、溶射皮膜の密着
力を高めることができる利点がある。

【００５３】また、請求項９記載の本発明の溶射装置に
よれば、上記請求項８記載のものにおいて、溶射時の作
動ガスとしてＡｒ＋Ｈ₂ が用いられ、該作動ガスの水素
添加量が１０〜５０％に設定されるという構成により、
水素ガスの還元作用を利用して溶射粒子の酸化防止を図
ることができるとともに、解離熱による入熱増加により
溶射粒子の溶融効率の向上を図ることができ、これによ
り粒子間の密着性の高い皮膜を形成することができると
いう利点がある。

【００５４】また、請求項１０記載の本発明の溶射装置
によれば、上記請求項８記載のものにおいて、溶射時に
用いられる溶射粒子の径が３０〜１５０μｍであるとい
う構成により、ヒュームの発生を抑制することができる
という利点がある。また、請求項１１記載の本発明の溶
射装置によれば、上記請求項８記載の該プラズマアーク
近傍に、該基材に付着したヒュームを除去するためのブ
ラシ及びエアジェットが設けられるという構成により、
ヒュームを強制的に除去することができ、チャンバ内の
ヒューム濃度を低減することができる利点がある。ま
た、これにより溶射皮膜の気孔率を低減することができ
るという利点がある。

【００５５】また、請求項１２記載の本発明の溶射装置
によれば、任意の溶射装置において、作動ガスとしてＡ
ｒ＋Ｈ₂ が用いられ、該作動ガスの水素添加量が１０〜
５０％に設定されるという構成により、水素ガスの還元
作用を利用して溶射粒子の酸化防止を図ることができる
利点があるほか、解離熱による入熱増加により溶射粒子
の溶融効率の向上を図ることができる利点がある。

【００５６】また、請求項１３記載の本発明の溶射装置
によれば、任意の溶射装置において、溶射粒子の径が３
０〜１５０μｍに設定され、溶射炎近傍にブラシ及びエ
アジェットが配設されるという構成により、ヒュームの
発生を抑制しながら基材に付着したヒュームの強制除去
を行なうことができ、チャンバ内のヒューム濃度を低減
して、溶射皮膜の気孔率を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる溶射方法に用い
るプラズマ溶射装置の要部構成を示す模式的な断面図で
ある。

【図２】本発明の第１実施形態にかかる溶射方法に用い
るプラズマ溶射装置の全体構成を示す模式図である。

【図３】本発明の各実施形態にかかる溶射方法により形
成された溶射皮膜を示す模式的な断面図である。

【図４】（ａ）, （ｂ）はともに本発明の第３実施形態
にかかる溶射方法について説明するための図であって、
基材に付着したヒュームの除去手法を説明するための図
である。

【図５】（ａ）, （ｂ）はともに本発明の第３実施形態
にかかる溶射方法の変形例を示す図である。

【図６】従来の溶射装置により形成された溶射皮膜を示
す模式的な断面図である。

【図７】従来の溶射装置を示す模式図である。

【図８】従来の溶射装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 基材 ２ 溶射皮膜 ３ プラズマアーク（溶射炎） ４ 溶射粒子 ５ 小型チャンバ ６ 補助ガス ７ 補助ガス噴出口 ８ 補助ガス溜り ９ 溶射トーチ １０ 粉末供給ポート １１ 溶射粉末 １２ 冷却機構（冷却通路） １３ 作動ガス １４ ブラシ １５ エアジェット １６ シールドガスカバー １７ アーク １８ ワイヤ １９ 溶射電源 ２０ 溶射制御装置 ２１ 溶射用ロボット ２２ 粉末供給装置 ２３ 酸化膜 ２４ 気孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真鍋 幸男 広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱 重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 則松 康文 広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱 重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 榊原 紀幸 長崎市深堀町五丁目717番１号 三菱重工 業株式会社長崎研究所内 Ｆターム(参考） 4K031 BA04 CB16 CB38 DA04 EA01 EA02 EA07

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマアークにより溶射を行なう溶射
   方法であって、溶射トーチに、冷却機構を有する空気遮
   断用のチャンバを取り付けて該溶射トーチ先端から基材
   近傍までを該チャンバで覆い、該プラズマアークの径と
   該チャンバの径との比を１：３〜１：１０に設定し、酸
   化膜を形成しない補助ガスを該チャンバ内に供給して、
   該プラズマアークを該補助ガスで保護するとともに、該
   補助ガスの噴出口を該溶射トーチ先端より１０ｍｍ以上
   ５０ｍｍ以下の距離に設定し、該補助ガスを該プラズマ
   アークの中心軸に対し５〜３０°の角度でプラズマ気流
   に対し１〜３倍の流速で噴出させることを特徴とする、
   溶射方法。
2. 【請求項２】 該チャンバと該基材との間の距離を２〜
   ２０ｍｍに設定することを特徴とする、請求項１記載の
   溶射方法。
3. 【請求項３】 溶射時の作動ガスとしてＡｒ＋Ｈ₂ を用
   いるとともに、該作動ガスの水素添加量を１０〜５０％
   に設定することを特徴とする、請求項１又は２記載の溶
   射方法。
4. 【請求項４】 溶射時に用いられる溶射粒子の径を３０
   〜１５０μｍとすることを特徴とする、請求項１又は２
   記載の溶射方法。
5. 【請求項５】 該プラズマアーク近傍に、該基材に付着
   したヒュームを除去するためのブラシ及びエアジェット
   を設け、該ヒュームの強制除去を行なうことを特徴とす
   る、請求項１又は２記載の溶射方法。
6. 【請求項６】 任意の溶射方法において、溶射時の作動
   ガスとしてＡｒ＋Ｈ ₂ を用いるとともに、該作動ガスの
   水素添加量を１０〜５０％に設定することを特徴とす
   る、溶射方法。
7. 【請求項７】 任意の溶射方法において、溶射時に用い
   られる溶射粒子の径を３０〜１５０μｍとし、溶射炎近
   傍に、基材に付着したヒュームを除去するためのブラシ
   及びエアジェットを設け、該ヒュームの発生抑制と該基
   材に付着したヒュームの強制除去とを行なうことを特徴
   とする、溶射方法。
8. 【請求項８】 プラズマアークにより溶射を行なう溶射
   装置であって、溶射トーチに、冷却機構を有するととも
   に該溶射トーチ先端から基材近傍までを覆う空気遮断用
   のチャンバが取り付けられ、 該プラズマアークの径と該チャンバの径との比が１：３
   〜１：１０に設定され、該チャンバ内に供給される補助
   ガスの噴出口が該溶射トーチ先端より１０ｍｍ以上５０
   ｍｍ以下の距離に設定されるとともに、該補助ガスが該
   プラズマアークの中心軸に対し５〜３０°の角度でプラ
   ズマ気流に対し１〜３倍の流速で噴出するように構成さ
   れ、且つ、該チャンバと該基材との間の距離が、２〜２
   ０ｍｍに設定されていることを特徴とする、溶射装置。
9. 【請求項９】 溶射時の作動ガスとしてＡｒ＋Ｈ₂ が用
   いられ、該作動ガスの水素添加量が１０〜５０％に設定
   されていることを特徴とする、請求項８記載の溶射装
   置。
10. 【請求項１０】 溶射時に用いられる溶射粒子の径が３
    ０〜１５０μｍであることを特徴とする、請求項８記載
    の溶射装置。
11. 【請求項１１】 該プラズマアーク近傍に、該基材に付
    着したヒュームを除去するためのブラシ及びエアジェッ
    トが設けられていることを特徴とする、請求項８記載の
    溶射装置。
12. 【請求項１２】 任意の溶射装置において、作動ガスと
    してＡｒ＋Ｈ₂ が用いられ、該作動ガスの水素添加量が
    １０〜５０％に設定されていることを特徴とする、溶射
    装置。
13. 【請求項１３】 任意の溶射装置において、溶射粒子の
    径が３０〜１５０μｍに設定され、溶射炎近傍にブラシ
    及びエアジェットが配設されていることを特徴とする、
    溶射装置。