JP2002069603A - Method and apparatus for thermally spraying using electro-magnetically accelerated plasma - Google Patents

Method and apparatus for thermally spraying using electro-magnetically accelerated plasma

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JP2002069603A JP2000266351A JP2000266351A JP2002069603A JP 2002069603 A JP2002069603 A JP 2002069603A JP 2000266351 A JP2000266351 A JP 2000266351A JP 2000266351 A JP2000266351 A JP 2000266351A JP 2002069603 A JP2002069603 A JP 2002069603A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus for plasma spraying which uses a high density pulse plasma at ultra-high speed, can be applied to all materials of metals, ceramics, plastics, or the like, and gives a sprayed layer with lowered impurities. SOLUTION: The thermal spraying method using electro-magnetically accelerated plasma comprises four processes characteristically. In the first process, a finely powdered thermally spraying material is intermittently supplied into a cylinder having an opening at a forward end and being sealed up with an electrical insulator at a backward end. In the second process, a pulsed voltage is applied between the inside surface of the cylinder and an anode placed in the center of the cylinder in the long direction immediately after feeding the finely powdered thermal spraying material to generate a high temperature pulse plasma in inside of the cylinder. In the third process, the high temperature pulse plasma is electro-magnetically accelerated toward the opening of the cylinder to melt the powdered thermally sprayed material fed in the cylinder by the high temperature pulse plasma into liquefied fine particles. The fourth process make the liquefied fine particles jet out from the opening of the cylinder together with the electro-magnetically accelerated high temperature pulse plasma.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁加速プラズマ
による溶射方法及び装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for thermal spraying using electromagnetically accelerated plasma.

【0002】[0002]

【従来の技術】プラズマによる溶射方法は、セラミック
ス、金属、プラスチック等の微粉末状材料を、プラズマ
で加熱し、溶融させて液状微粒子とし、この液状微粒子
をプラズマジェットとともに、固体基材の表面に高速で
衝突させ、基材上にその材料の被膜を形成させる方法で
ある。このようなプラズマ溶射では、その材料微粉末を
基材上に衝突させる速度に限界がある上、プラズマジェ
ットの高密度化にも限界がある。その結果、基材上に形
成される材料の被膜中には空隙が多数存在するため、緻
密な被膜を形成することが非常に難しいという問題があ
る。一方、プラズマジェットを高速化するために、プラ
ズマを電磁加速する方法がレーガン溶射法として知られ
ている。このレールガン溶射法は以下のようにして実施
される。即ち、パルス大電流電源に接続された2本のレ
ール状導体間に導電性を持つ溶射材料を配設し、次いで
スイッチを閉じ、パルス電源からパルス大電流をレール
と導電性溶射材料に投入する。これにより、レールと溶
射材料に囲まれる空間に磁場が発生し、この空間が拡張
される方向にレールと溶射材料がローレンツ力を受け
る。このときレールは強固に固定しておき、溶射材料だ
けを可動状態にしておく。それにより、溶射材料はロー
レンツ力を受けて、加速しながらレール間を移動する。
このパルス大電流投入時に、レールガンは溶射材料を加
熱する効果もあり、それにより溶射材料はプラズマ化さ
れる。この加熱・加速された溶射材料はガン出ロ近傍に
設置した固体基材の表面に衝突し、その固体表面に材料
の皮膜が形成される。このとき、溶射材料を加熱・加速
するプラズマは前述のプラズマ溶射の場合よりも遥かに
高速・高密度であるので、より基材との密着性の高い、
緻密な皮膜を得ることができる。しかしながら、この方
法の場合には、溶射材料にパルス大電流を通電する手法
をとるので、その材料は金属などの導電性材料に制限さ
れるという問題がある。また、その出発溶射材料の形状
は板状のものが一般的であり、そのため、微粉体状のも
のを出発溶射材料とする一般的なプラズマ溶射皮膜と比
較して、溶射皮膜中の粒子サイズがあまり均一にはなら
ない。そのため膜厚に関しても不均一になりやすいとい
う問題がある。さらに、レールガン電極を保持する絶縁
部材が溶射皮膜形成時において、高温のプラズマ流にさ
らされるため、その絶縁部材が溶射皮膜中へ不純物とし
て混入する問題がある。
2. Description of the Related Art In a thermal spraying method using plasma, fine powder materials such as ceramics, metals, and plastics are heated by plasma and melted to form liquid fine particles. This is a method in which high-speed collision is performed to form a film of the material on a base material. In such plasma spraying, there is a limit to the speed at which the material fine powder collides with the substrate, and there is also a limit to the density of the plasma jet. As a result, there is a large number of voids in the coating of the material formed on the base material, so that it is very difficult to form a dense coating. On the other hand, a method of electromagnetically accelerating the plasma to increase the speed of the plasma jet is known as a Reagan spraying method. This rail gun spraying method is performed as follows. That is, a sprayed material having conductivity is disposed between two rail-shaped conductors connected to a pulsed large current power supply, then the switch is closed, and a pulsed large current is supplied from the pulsed power supply to the rail and the conductive sprayed material. . As a result, a magnetic field is generated in a space surrounded by the rail and the sprayed material, and the rail and the sprayed material receive Lorentz force in a direction in which the space is expanded. At this time, the rail is firmly fixed, and only the sprayed material is kept movable. Thus, the sprayed material receives the Lorentz force and moves between the rails while accelerating.
When a large pulse current is applied, the rail gun also has the effect of heating the sprayed material, whereby the sprayed material is turned into plasma. The heated and accelerated thermal spray material collides with the surface of a solid substrate placed near the gun outlet, and a film of the material is formed on the solid surface. At this time, since the plasma for heating and accelerating the thermal spray material has a much higher speed and higher density than in the case of the above-mentioned plasma thermal spraying, the adhesion to the base material is higher,
A dense film can be obtained. However, in the case of this method, since a method of applying a large pulse current to the sprayed material is employed, there is a problem that the material is limited to a conductive material such as a metal. In addition, the shape of the starting sprayed material is generally plate-shaped, so that the particle size of the sprayed coating is smaller than that of a general plasma sprayed coating using a fine powder as a starting spraying material. Not very uniform. Therefore, there is a problem that the film thickness tends to be non-uniform. Furthermore, since the insulating member holding the railgun electrode is exposed to a high-temperature plasma flow during the formation of the thermal spray coating, there is a problem that the insulating member is mixed as an impurity into the thermal spray coating.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、超高速で高
密度のパルスプラズマを用いる溶射方法であって、金
属、セラミックス、プラスチック等のあらゆる材料に適
用することが可能で、かつ不純物量の低減された材料被
膜を与えるプラズマ溶射方法及び装置を提供することを
その課題とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a thermal spraying method using an ultra-high-speed and high-density pulsed plasma, which can be applied to all materials such as metals, ceramics and plastics, and has a low impurity content. It is an object of the present invention to provide a plasma spraying method and apparatus for providing a reduced material coating.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成する
に至った。即ち、本発明によれば、先端が開口し、後端
が電気絶縁体で封止された筒体内に微粉末状溶射材料を
パルス的に供給する工程と、該微粉末状溶射材料の供給
直後に、該筒体の中心部に該筒体の長さ方向に沿って配
設された陽極と該筒体内壁面との間にパルス電圧を印加
するとともに、該筒体内に高温のパルスプラズマを発生
させる工程と、該高温パルスプラズマを該筒体開口に向
けて電磁加速させるとともに、該高温パルスプラズマに
より該筒体内に供給された微粉末状溶射材料を溶融させ
て液状微粒子化させる工程と、該筒体開口から、該溶射
材料の液状微粒子を該電磁加速された高温パルスプラズ
マとともに筒外へ射出させる工程からなることを特徴と
する電磁加速プラズマによる溶射方法が提供される。ま
た、本発明によれば、前記の方法を実施するための装置
であって、先端が開口し、後端が電気絶縁体で封止され
た筒体からなる陰極と、該筒体の中心部に該筒体の長さ
方向に沿って配設された陽極と、該筒体内に微粉末状溶
射材料をパルス的に供給する溶射材料供給装置と、該陽
極と該陰極との間に電圧をパルス的にかつ該微粉末状溶
射材料の該筒体内への供給直後に印加するパルス電源と
を備えていることを特徴とする電磁加速プラズマによる
溶射装置が提供される。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, have completed the present invention. That is, according to the present invention, a step in which the fine powdered spray material is supplied in a pulsed manner into a cylinder whose front end is opened and the rear end is sealed with an electric insulator, and immediately after the supply of the fine powdered sprayed material At the same time, a pulse voltage is applied between an anode disposed in the center of the cylinder along the longitudinal direction of the cylinder and a wall surface of the cylinder, and a high-temperature pulsed plasma is generated in the cylinder. Causing the high-temperature pulsed plasma to be electromagnetically accelerated toward the cylindrical body opening, and melting the fine-powder spray material supplied into the cylindrical body by the high-temperature pulsed plasma to form liquid fine particles. A method for spraying by electromagnetically accelerated plasma is provided, comprising a step of injecting liquid fine particles of the sprayed material out of the cylinder together with the electromagnetically accelerated high-temperature pulsed plasma from a cylindrical body opening. Further, according to the present invention, there is provided an apparatus for carrying out the above-mentioned method, comprising: a cathode comprising a cylindrical body having an open front end and a rear end sealed with an electric insulator; An anode disposed along the length of the cylindrical body, a thermal spray material supply device for supplying a fine powdery thermal spray material into the cylindrical body in a pulsed manner, and applying a voltage between the anode and the negative electrode. And a pulse power supply that is applied in a pulsed manner and immediately after the supply of the fine powdered spray material into the cylinder.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】本発明の電磁加速プラズマを用い
る溶射方法は、その溶射材料が導電体に制限される従来
のレールガン溶射方法とは異なり、その溶射材料が制限
されず、微粉末状のものであれば導電体及び絶縁体を問
わず、どのような材料に対しても適用し得るという有利
な特徴を有する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The spraying method using electromagnetically accelerated plasma of the present invention is different from the conventional railgun spraying method in which the sprayed material is limited to a conductor. It has an advantageous feature that it can be applied to any material regardless of the conductor and the insulator.

【0006】本発明の溶射方法の原理を図面を参照して
説明する。図1は、本発明で用いるプラズマ射出装置
(プラズマガン)の説明断面図を示す。図1(a)は、
筒体の長手方向の断面図、図1(b)は筒体の垂直方向
の断面図を示す。図1において、1は筒体(円筒体)、
2は陽極、3は先端開口、4は電気絶縁体を示す。Pは
パルスプラズマ、Rは磁束を示す。図1は、コンデンサ
バンク(パルス電源)により、陰極を形成する筒体1と
陽極2との間に電圧を印加し、パルスプラズマPが、矢
印Qの方向に流れる電流によって形成される磁束(磁
場)Rによる電磁力により加速されている状態を示す。
筒体1内のプラズマPは、筒体内に形成される磁場Rに
よってローレンツ力を受け、先端開口3の方向に加速的
に移動され、その開口3から高速のプラズマとなって射
出される。この場合、開口3から射出するプラズマの速
度は、通常、2km/秒以上、好ましくは3km/秒以
上である。その上限値は、特に制約されないが、通常、
20km/秒程度である。また、筒体内に形成されるプ
ラズマを加速させる電磁力は1MPa(メガパルス)以
上、好ましくは2MPa以上である。その上限値は、特
に制約されないが、通常、50MPa程度である。
The principle of the thermal spraying method of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory sectional view of a plasma injection device (plasma gun) used in the present invention. FIG. 1 (a)
FIG. 1B is a vertical cross-sectional view of the cylindrical body. In FIG. 1, 1 is a cylinder (cylindrical body),
2 denotes an anode, 3 denotes a tip opening, and 4 denotes an electric insulator. P indicates pulse plasma, and R indicates magnetic flux. FIG. 1 shows that a capacitor bank (pulse power supply) applies a voltage between a cylinder 1 forming a cathode and an anode 2 so that a pulsed plasma P generates a magnetic flux (magnetic field) formed by a current flowing in the direction of arrow Q. 3) shows a state in which the electromagnetic force is accelerated by R.
The plasma P in the cylindrical body 1 receives Lorentz force due to the magnetic field R formed in the cylindrical body, is acceleratedly moved in the direction of the distal end opening 3, and is emitted as high-speed plasma from the opening 3. In this case, the speed of the plasma ejected from the opening 3 is usually 2 km / sec or more, preferably 3 km / sec or more. The upper limit is not particularly limited, but usually,
It is about 20 km / sec. The electromagnetic force for accelerating the plasma formed in the cylinder is 1 MPa (megapulse) or more, preferably 2 MPa or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually about 50 MPa.

【0007】前記筒体1は、銅やカーボン等の導電体材
料から形成される。その形状は、通常、円筒体である
が、その断面形状が6角形や8角形等の多角形の筒体で
あってもよい。筒体1の内径Dは、1〜10cm、好ま
しくは2〜5cmである。その長さ(絶縁体4の左端面
から開口3の先端面までの長さ)Lは、30〜200c
m、好ましくは40〜80cmである。また、そのL/
D比は、200〜3、好ましくは40〜10である。
The cylinder 1 is formed of a conductive material such as copper or carbon. The shape is usually a cylinder, but it may be a polygonal cylinder such as a hexagon or octagon in cross section. The inner diameter D of the cylinder 1 is 1 to 10 cm, preferably 2 to 5 cm. The length (the length from the left end surface of the insulator 4 to the front end surface of the opening 3) L is 30 to 200 c
m, preferably 40-80 cm. Also, the L /
The D ratio is 200-3, preferably 40-10.

【0008】陽極2は、銅や、カーボン等の導電体から
なり、その断面形状は、円形状や、多角形(四角形、6
角形、8角形等)の棒状体等であることができる。その
直径は、通常、1〜5cm、好ましくは1〜2cmであ
る。
The anode 2 is made of a conductor such as copper or carbon, and has a circular or polygonal (quadrilateral, 6
(Rectangular, octagonal, etc.). Its diameter is usually 1 to 5 cm, preferably 1 to 2 cm.

【0009】陽極2と陰極1との間に印加する電圧はパ
ルス電圧である。このパルス電圧のピーク電圧は、通
常、3kV以上、好ましくは5kV以上である。その上
限値は、特に制約されないが、通常、30kV程度であ
る。また、そのパルス電圧の印加により生じるパルス電
流は、そのピーク電流で、通常、80キロA(アンペ
ア)以上、好ましくは100キロA以上である。その上
限値は、特に制約されないが、通常、300キロA程度
である。パルス電圧を発生させるための電圧印加時間
は、通常、0.01〜10m秒、好ましくは0.1〜
0.5m秒である。
The voltage applied between the anode 2 and the cathode 1 is a pulse voltage. The peak voltage of this pulse voltage is usually 3 kV or more, preferably 5 kV or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually about 30 kV. The pulse current generated by application of the pulse voltage is a peak current, which is usually 80 kA (ampere) or more, preferably 100 kA or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually about 300 kA. The voltage application time for generating the pulse voltage is generally 0.01 to 10 msec, preferably 0.1 to 10 msec.
0.5 ms.

【0010】本発明においては、筒体1内に微粉末状溶
射材料(以下、単に材料とも言う)をパルス的に供給
し、その供給直後にパルス電圧を印加し、その電圧の印
加により発生するパルスプラズマとともに、その材料を
高速で開口3から筒外へ射出させる。この場合、その先
端開口3から射出する材料の速度は、その材料の種類や
大きさ等により変るが、通常、50m/秒以上、好まし
くは100m/秒以上である。その上限値は、通常、3
00m/秒程度である。
In the present invention, a fine powdered sprayed material (hereinafter, also simply referred to as a material) is supplied into the cylindrical body 1 in a pulsed manner, and a pulse voltage is applied immediately after the supply, and generated by the application of the voltage. The material is ejected from the opening 3 to the outside of the cylinder at high speed together with the pulsed plasma. In this case, the speed of the material injected from the tip opening 3 varies depending on the type and size of the material, but is usually 50 m / sec or more, preferably 100 m / sec or more. The upper limit is usually 3
It is about 00 m / sec.

【0011】本発明においては、筒体内への材料の供給
は、パルス的に行われ、その材料の供給開始から供給終
了までの時間は、通常1ミリ〜100ミリ秒、好ましく
は2ミリ〜10ミリ秒である。筒体内への材料供給装置
は、材料を前記短時間において筒体内へ供給し得るもの
であればよく、従来公知の各種のものを用いることがで
きる。このようなものとしては、例えば、電磁バルブを
備えた粉体供給装置や、粉体噴出ノズルを備えた粉体噴
射装置(特開2000−94332号公報等を参照)等
が挙げられる。材料の平均粒径は、通常、1〜200μ
m、好ましくは10〜100μm、より好ましくは30
〜80μmである。材料の供給量は、内径がD(cm)
の筒体の断面積(πD2/4)(cm2)に対する材料の
容積V(cm3)の比[V/(πD2/4)]が、通常、
0.1〜1、好ましくは0.2〜0.6となるような割
合である。
In the present invention, the supply of the material into the cylinder is performed in a pulsed manner, and the time from the start of the supply of the material to the end of the supply is generally 1 to 100 milliseconds, preferably 2 to 10 milliseconds. Milliseconds. The device for supplying the material into the cylinder may be any device that can supply the material into the cylinder in the short time, and various conventionally known devices can be used. Examples of such a device include a powder supply device provided with an electromagnetic valve, a powder ejection device provided with a powder ejection nozzle (see JP-A-2000-94332, and the like). The average particle size of the material is usually 1 to 200 μm.
m, preferably 10 to 100 μm, more preferably 30
8080 μm. The amount of material supplied is D (cm)
Of the cross-sectional area of the cylindrical body (πD 2/4) the ratio of the volume of material to (cm 2) V (cm 3 ) [V / (πD 2/4)] is usually
The ratio is 0.1 to 1, preferably 0.2 to 0.6.

【0012】本発明においては、パルス電圧の印加時期
は、材料の供給直後であるが、その具体的時間は、材料
の供給終了時からパルス電圧印加開始時までの時間の長
さで2〜30m秒、好ましくは3〜6m秒である。
In the present invention, the pulse voltage is applied immediately after the supply of the material. The specific time is 2 to 30 m, which is the length of time from the end of the supply of the material to the start of the application of the pulse voltage. Seconds, preferably 3-6 ms.

【0013】筒体内におけるパルスプラズマの発生は、
従来公知の各種の方法により実施することができる。こ
のような方法としては、筒体内に、プラズマ発生に必要
な高温の熱量を与えるような方法であればよく、例え
ば、筒体内に導電体の細線(銅細線、ニクロム線等)を
張設しておき、この細線に大電流を流してその細線を爆
発(焼失)させる方法、筒体内で爆薬を燃焼させる方
法、筒体内にレーザ光を照射する方法、筒体内にプラズ
マを投入する方法等がある。本発明においては、プラズ
マ発生のためにプラズマ用のガスを用いるが、このプラ
ズマ用ガスは、常温において気体状を示すガスであれば
よい。このようなガスとしては、アルゴンガス、ヘリウ
ムガス、窒素ガス、キセノンガス、水素ガス等の無機ガ
スが用いられる他、メタン等の有機ガスを用いることも
できる。プラズマ用ガスを筒体内への供給する方法は、
特に制約されず、材料とは別に連続的又は断絶的(パル
ス的)に供給する方法や、材料とともに供給する方法等
がある。プラズマ用ガスの供給量は、内径がDcmの筒
体の断面積(πD2/4)cm2に対するプラズマ用ガス
のモル数M比[M/(πD2/4)]が、0.01〜1
0、好ましくは0.5〜5となるような割合である。
The generation of pulsed plasma in the cylinder is as follows:
It can be carried out by various conventionally known methods. As such a method, any method may be used as long as a high-temperature heat required for plasma generation is applied to the cylinder. For example, a thin conductive wire (copper fine wire, nichrome wire, or the like) is stretched in the cylinder. In advance, there are methods of flowing a large current through this thin wire to explode (burn out) the fine wire, burning explosives in the cylinder, irradiating the cylinder with laser light, and injecting plasma into the cylinder. is there. In the present invention, a plasma gas is used for plasma generation, and the plasma gas may be any gas that shows a gaseous state at normal temperature. As such a gas, an inorganic gas such as an argon gas, a helium gas, a nitrogen gas, a xenon gas, or a hydrogen gas is used, and an organic gas such as methane can also be used. The method for supplying plasma gas into the cylinder is as follows:
There is no particular limitation, and there are a method of supplying the material continuously or discontinuously (pulsed) separately from the material, a method of supplying the material together with the material, and the like. The supply amount of plasma gas, the cross-sectional area of the cylindrical body of the inner diameter Dcm (πD 2/4) the number of moles of the plasma gas for cm 2 M ratio [M / (πD 2/4 )] is 0.01 1
0, preferably in a ratio of 0.5 to 5.

【0014】次に、本発明の方法について、図面を参照
しながらさらに詳細に説明する。図2〜図6は、本発明
のプラズマ溶射装置を用いて行われる工程図を示す。図
2は、パルス電源(コンデンサバンク)の充電工程図を
示す。図3は、材料の供給(噴射)工程説明図を示す。
図4は、パルスプラズマ発生工程説明図を示す。図5
は、材料を含むプラズマの磁気加速工程図を示す。図6
は、材料を含むプラズマを基材表面へ衝突させる工程図
を示す。図2〜図6において、11は材料噴射装置を示
し、12は材料、13は加圧ガス管、14は開閉バルブ
を示す。Wは導電体細線、Pはプラズマ、Sは基板を示
す。図1に示したのと同じ符号は、同じ意味を有する。
Next, the method of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. 2 to 6 show process diagrams performed using the plasma spraying apparatus of the present invention. FIG. 2 shows a charging process diagram of the pulse power supply (capacitor bank). FIG. 3 is a view for explaining a material supply (spraying) process.
FIG. 4 is a diagram illustrating a pulse plasma generation process. FIG.
Shows a magnetic acceleration process diagram of a plasma containing a material. FIG.
Shows a process diagram in which a plasma containing a material is made to collide with a substrate surface. 2 to 6, 11 denotes a material injection device, 12 denotes a material, 13 denotes a pressurized gas pipe, and 14 denotes an opening / closing valve. W indicates a thin conductive wire, P indicates plasma, and S indicates a substrate. The same reference numerals as shown in FIG. 1 have the same meaning.

【0015】図2に示した状態において、パルス電源
(コンデンサーバンク)15を充電する。充電終了後、
材料噴射装置11に連結する加圧ガス管13に付設され
た開閉バルブ14を瞬時(パルス的)に開閉して加圧ガ
スをその装置11内に導入させ、その装置11内の材料
とともに、筒壁5に形成された透孔10から筒内へパル
ス的に噴射させる(図3)。この場合、材料を筒内へ噴
射させる加圧ガスは、プラズマ用ガスとしても作用す
る。
In the state shown in FIG. 2, the pulse power supply (capacitor bank) 15 is charged. After charging,
The on-off valve 14 attached to the pressurized gas pipe 13 connected to the material injection device 11 is opened and closed instantaneously (pulse-wise) to introduce the pressurized gas into the device 11, and the material in the device 11 is mixed with the cylinder. Pulses are injected into the cylinder from the through holes 10 formed in the wall 5 (FIG. 3). In this case, the pressurized gas for injecting the material into the cylinder also acts as a plasma gas.

【0016】次に、その材料の筒内への噴射終了直後に
パルス電源15のスイッチを入れて、筒内に張設されい
る導電体細線Wを焼失させるとともに、その際に発生す
る熱量によってガスはプラズマ化され、高温のパルスプ
ラズマPが発生する(図4)。材料噴出用の透孔10の
位置は、プラズマ発生用の導電体細線付近であればよ
く、導電体細線の前方又は後方、好ましくはやや後方の
位置である。透孔10の位置と導電体細線Wとの距離
は、通常、100mm以内、好ましくは50mm以内で
ある。このようにして発生された高温プラズマPは、筒
体内に形成された電磁力により、筒体の先端開口3の方
向へ加速的に移動するが、その際、筒体内に存在する材
料12を捕集する。この捕集された材料は、その高温プ
ラズマにより溶融されて液状微粒子に変換される(図
5)。材料の液状微粒子を含むパルスプラズマPは、筒
体1の先端開口3から高速度で噴出され、基板Sに衝突
し、その基板表面には、その材料12の被膜が形成され
る(図6)。
Then, immediately after the injection of the material into the cylinder is completed, the pulse power supply 15 is turned on to burn out the conductive wires W stretched in the cylinder and to generate gas by the amount of heat generated at that time. Is turned into plasma, and a high-temperature pulsed plasma P is generated (FIG. 4). The position of the through hole 10 for ejecting the material may be near the conductive thin wire for generating plasma, and may be located in front of or behind the conductive thin wire, preferably slightly behind. The distance between the position of the through hole 10 and the conductor thin wire W is usually within 100 mm, preferably within 50 mm. The high-temperature plasma P thus generated is accelerated by the electromagnetic force generated in the cylinder toward the tip end opening 3 of the cylinder, and captures the material 12 present in the cylinder. Gather. The collected material is melted by the high-temperature plasma and converted into liquid fine particles (FIG. 5). The pulsed plasma P containing the liquid fine particles of the material is ejected at a high speed from the distal end opening 3 of the cylindrical body 1, collides with the substrate S, and a film of the material 12 is formed on the substrate surface (FIG. 6). .

【0017】このようにして基板S上に形成された材料
被膜は、先端開口3から射出される材料を含むパルスの
速度が非常に高い速度であることから、空隙を含まず、
非常に緻密性及び密着性の良いものである。しかも、そ
の被膜には、高温プラズマPが電気絶縁材料4と接触す
ることがないので、その電気絶縁材料4に起因する不純
物の混入を生じない。本発明によれば、1回の溶射操作
により、5〜30μmの厚さの材料被膜を形成させるこ
とができる。
The material film formed on the substrate S in this manner does not include voids because the speed of the pulse including the material injected from the tip opening 3 is very high.
It is very good in denseness and adhesion. In addition, since the high-temperature plasma P does not come into contact with the electric insulating material 4 in the coating, no contamination due to the electric insulating material 4 occurs. According to the present invention, a material coating having a thickness of 5 to 30 μm can be formed by one thermal spraying operation.

【0018】本発明によれば、基材上に対して、導電性
や非導電性の材料の被膜を形成することができる。本発
明の場合、特に、炭化ホウ素(B4C)や、窒素ホウ素
(BN)、炭化タングステン(WC)、モリブデン、タ
ングステン等の高融点材料の緻密でかつ密着性の良い被
膜を基板上に有利に形成させることができる。なお、基
板としては、セラミック基板(シリコン、ガラス、アル
ミナや、金属基板(SUSや、タングステン、モリブデ
ン等)の他、プラスチック基板等が用いられる。
According to the present invention, a coating of a conductive or non-conductive material can be formed on a substrate. In the case of the present invention, in particular, a dense and good-adhesion film of a high melting point material such as boron carbide (B 4 C), boron nitride (BN), tungsten carbide (WC), molybdenum, and tungsten is advantageously formed on a substrate. Can be formed. As the substrate, a plastic substrate or the like is used in addition to a ceramic substrate (silicon, glass, alumina, a metal substrate (SUS, tungsten, molybdenum, or the like)).

【0019】本発明においては、材料の筒体内への供給
(噴射)はできる限り短時間でかつ安価に行うことが好
ましいが、このための材料供給(噴射)装置の例を図7
及び図8に示す。図7は材料供給装置の分解説明図を示
す。図7において、101は透孔104を有する第1筒
体を示し、102は透孔105を有する第2筒体を示
し、103はその中心部に透孔106を有する蓋体を示
す。第1筒体101は、上部にリード線107、108
が埋設され、それらのリード線107、108の一方の
各端部間には導電体細線109が接続されている。リー
ド線107、108の他方の各端部には、被覆電線11
0、111が接続されている。第1筒体101及び第2
筒体102は、いずれも電気絶縁体(プラスチック等)
で形成されている。また、第1筒体と第2筒体とは、一
体に連結し得るように、その筒壁にはネジ孔が形成され
ている。前記導電体細線は、銅線やニクロム線、タング
ステン線等であることができ、その細線の太さは、直径
で50〜200μm、好ましくは80〜120μmであ
る。また、リード線間に張設される導電体細線1本の数
は1つ又は複数(2〜10本)であることができる。蓋
体103は、板体(円板)部112と、その中心部に立
設された筒体(円筒)部113とからなる。板体部11
2は、大寸法のもので、本発明の装置の固定化手段とし
て用いられる。その大きさは、本発明の装置を適用する
プラズマガン(筒体)の直径よりも大きなものであれば
よい。この板体部112の外周縁部には、ネジ止め用の
透孔114が透設されている。筒体部113の透孔10
6の上端部には、連結間118を介して加圧ガス管11
9が連結される。蓋体103の材質は特に制約されない
が、鉄、しんちゅう等の金属の他、プラスチック、セラ
ミックス等であることができる。
In the present invention, it is preferable that the supply (injection) of the material into the cylinder is performed in the shortest possible time and at a low cost. An example of the material supply (injection) device for this purpose is shown in FIG.
And FIG. FIG. 7 is an exploded explanatory view of the material supply device. In FIG. 7, reference numeral 101 denotes a first cylindrical body having a through hole 104, 102 denotes a second cylindrical body having a through hole 105, and 103 denotes a lid having a through hole 106 at the center thereof. The first cylindrical body 101 has lead wires 107 and 108 at the top.
Are embedded, and a conductive thin wire 109 is connected between each one end of the lead wires 107 and 108. The other end of each of the lead wires 107 and 108 is provided with a covered electric wire 11.
0 and 111 are connected. First cylindrical body 101 and second cylindrical body
Each of the cylinders 102 is an electric insulator (such as plastic)
It is formed with. In addition, a screw hole is formed in the cylinder wall so that the first cylinder and the second cylinder can be integrally connected. The conductor thin wire can be a copper wire, a nichrome wire, a tungsten wire, or the like, and the thickness of the thin wire is 50 to 200 μm, preferably 80 to 120 μm in diameter. Further, the number of one conductive thin wire stretched between the lead wires may be one or more (two to ten). The lid 103 includes a plate (disk) portion 112 and a tubular (cylinder) portion 113 erected at the center thereof. Plate part 11
2 has a large size and is used as a fixing means of the apparatus of the present invention. The size may be larger than the diameter of the plasma gun (cylinder) to which the device of the present invention is applied. At the outer peripheral edge of the plate portion 112, a through hole 114 for screwing is provided. Through-hole 10 of cylindrical body 113
6 is connected to the pressurized gas pipe 11 via a connection 118.
9 are connected. The material of the lid 103 is not particularly limited, but may be a metal such as iron or brass, a plastic, a ceramic, or the like.

【0020】図7において、115及び117は0−リ
ングを示し、116は機械的エネルギーや熱的エネルギ
ーの印加により破壊可能な透孔封止用材料を示す。
In FIG. 7, reference numerals 115 and 117 denote O-rings, and reference numeral 116 denotes a material for sealing a hole that can be broken by application of mechanical energy or thermal energy.

【0021】図8に材料供給装置をプラズマ溶射装置に
対して適用した場合の状態図を示す。図8において、1
21は筒体101と102とを連結させる止めネジを示
し、122は固定用金具を示し、123は蓋体103を
固定用金具122に固定化するための止めネジを示す。
Lは透孔105に充填された粉体を示す。図8におい
て、1は筒体を示し、2は陽極を示し、10はその筒体
1の壁部5に形成した透孔を示す。Aは筒体内に形成さ
れた粉体を噴射出するプラズマ形成用空間を示す。蓋体
103を固定用金具122にネジ止めするには、止めネ
ジの先端を板体部112の周縁部に透設された透孔11
4内に挿通させ、固定用金具122のネジ孔124にネ
ジ止めする。筒体1の下部壁部は、図8に示すように、
平面状に切削されて固定金具122に固定化しやすくな
っている。また、その筒体1の上部壁部は、第1筒体1
01の固定化を容易にするように、平面形状に切削され
ている。
FIG. 8 shows a state diagram when the material supply device is applied to a plasma spraying device. In FIG. 8, 1
Reference numeral 21 denotes a set screw connecting the cylinders 101 and 102, 122 denotes a fixing bracket, and 123 denotes a set screw for fixing the lid 103 to the fixing bracket 122.
L indicates a powder filled in the through hole 105. In FIG. 8, 1 indicates a cylinder, 2 indicates an anode, and 10 indicates a through hole formed in a wall 5 of the cylinder 1. A indicates a plasma forming space for ejecting powder formed in the cylinder. In order to screw the lid 103 to the fixing metal fitting 122, the tip of the set screw is inserted into the through hole 11 formed through the peripheral edge of the plate body 112.
4 and screwed into the screw hole 124 of the fixing bracket 122. As shown in FIG. 8, the lower wall of the cylindrical body 1
It is cut into a flat shape and is easily fixed to the fixing bracket 122. The upper wall of the cylindrical body 1 is the first cylindrical body 1.
01 is cut into a planar shape to facilitate fixing.

【0022】図7及び図8の装置を用いて筒体1の空間
Aに粉体Lを噴射させるには、加圧ガス管118を介し
て加圧ガスを透孔106内に導入する。次に被覆電線1
10と111との間にパルス電源により高電圧をパルス
的に印加し、導電体細線109に大量の電流を流す。す
ると、導電体細線は、この大量の電流により瞬時に爆発
(焼失)し、その細線の上方近傍に配設されている封止
用材料116は、その際に発生する高温の熱量により瞬
時に焼失して、透孔105は開口する。透孔105が開
口すると、透孔105内に充填されていた粉体Lは、加
圧ガス管119に連絡する加圧ガスの圧力により、その
下方の筒体1の空間A内にパルス的に噴射される。前記
の材料噴射装置によれば、プラズマが発生する以前の空
間又はプラズマが発生している空間に対して、その溶射
材料としての粉末を所定時期にパルス的にかつ効率的に
噴射することができる。また、その1回の噴射量面大量
にすることができる。
In order to inject the powder L into the space A of the cylinder 1 using the apparatus shown in FIGS. 7 and 8, a pressurized gas is introduced into the through-hole 106 through the pressurized gas pipe 118. Next, covered wire 1
A high voltage is applied between 10 and 111 by a pulse power supply in a pulsed manner, and a large amount of current flows through the conductive thin wire 109. Then, the thin conductive wire explodes (burns out) instantly due to this large amount of current, and the sealing material 116 disposed near and above the fine wire is instantaneously burnt down due to the high-temperature heat generated at that time. Then, the through hole 105 is opened. When the through hole 105 is opened, the powder L filled in the through hole 105 is pulsed into the space A of the cylindrical body 1 below the powder L by the pressure of the pressurized gas connected to the pressurized gas pipe 119. It is injected. According to the above-described material injection device, it is possible to efficiently and pulsatively inject powder as a thermal spray material into a space before plasma is generated or into a space where plasma is generated at a predetermined time. . In addition, the amount of one injection can be increased.

【0023】[0023]

【実施例】次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説
明する。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

【0024】実施例1 図2に示す装置を用いて、基板に対する材料の被膜を形
成した。この場合の主要操作条件を以下に示す。なお、
材料12としては、平均粒径が約60μmの微粉末状炭
化ホウ素B4Cを用いた。また、その材料の供給装置1
1としては、図7及び図8に示した構造のものを用い
た。
Example 1 A film of a material was formed on a substrate using the apparatus shown in FIG. The main operating conditions in this case are shown below. In addition,
As the material 12, fine powdered boron carbide B 4 C having an average particle size of about 60 μm was used. In addition, the material supply device 1
As 1, one having the structure shown in FIGS. 7 and 8 was used.

【0025】(1)筒体1 (i)材質:銅 (ii)内径D:4cm (iii)長さL:40cm (iv)L/D:10 (2)陽極2 (i)材質:銅 (ii)直径:1.5cm (iii)長さ:50cm(1) Cylindrical body 1 (i) Material: copper (ii) Inner diameter D: 4 cm (iii) Length L: 40 cm (iv) L / D: 10 (2) Anode 2 (i) Material: copper ( ii) Diameter: 1.5cm (iii) Length: 50cm

【0026】(3)材料供給装置11(図7、図8) (i)封止用材料116:厚さ40μmのポリ塩化ビニ
リデンフィルム (ii)加圧ガスの圧力:8気圧、筒体1内の圧力:0気
圧 (iii)加圧用ガス(プラズマ用ガス):アルゴンガス (iv)銅細線109の太さ:直径100μm (v)銅細線焼失用パルス電源の電圧:1.0kV (vi)電圧の印加時間:200マイクロ秒 (vii)材料Lの供給量:1.0g
(3) Material supply device 11 (FIGS. 7 and 8) (i) Sealing material 116: polyvinylidene chloride film having a thickness of 40 μm (ii) Pressure of pressurized gas: 8 atm, inside cylinder 1 (Iii) Gas for pressurization (gas for plasma): Argon gas (iv) Thickness of copper fine wire 109: 100 μm in diameter (v) Voltage of pulse power supply for burning and burning copper fine wire: 1.0 kV (vi) Voltage (Vii) Supply amount of material L: 1.0 g

【0027】(4)パルス電源15 (i)印加電圧(ピーク電圧):5.9kV (ii)電圧印加時間:300マイクロ秒 (iii)電圧印加開始時期:材料Lの筒内への供給終了
後:4ミリ秒 (5)導電体細線W (i)材質:銅線 (ii)太さ:直径100μm (6)筒体1内の状態 (i)温度(プラズマのピーク温度):約1万℃ (ii)筒体1と陽極2との間のパルス電流(ピーク電
流):100キロA (iii)電磁力:約10MPa
(4) Pulse power supply 15 (i) Applied voltage (peak voltage): 5.9 kV (ii) Voltage application time: 300 microseconds (iii) Voltage application start time: After supply of material L into the cylinder is completed : 4 milliseconds (5) Conductor fine wire W (i) Material: copper wire (ii) Thickness: diameter 100 μm (6) State in cylinder 1 (i) Temperature (peak temperature of plasma): about 10,000 ° C (Ii) Pulse current (peak current) between the cylinder 1 and the anode 2: 100 kA (iii) Electromagnetic force: about 10 MPa

【0028】(7)筒体1の先端開口3 (i)開口からのパルスプラズマの流出速度:2.5m
/秒 (ii)開口からの材料Lの射出速度:2.5km/秒 (8)基板S (i)材質:SUS304(ステンレス) (ii)基板表面上の材料被膜の厚さ:10μm (iii)該被膜の均一性及び緻密性:良好
(7) Tip opening 3 of cylinder 1 (i) Outflow velocity of pulsed plasma from opening: 2.5 m
(Ii) Injection speed of material L from opening: 2.5 km / sec (8) Substrate S (i) Material: SUS304 (stainless steel) (ii) Thickness of material coating on substrate surface: 10 μm (iii) Uniformity and denseness of the coating: good

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明によれば、基材上に、各種の微粉
末状材料からなる高品質の被膜を容易かつ効率よく形成
することができる。従って、本発明は、電気・電子分野
における各種材料の被膜を形成する方法として有利に適
用される。
According to the present invention, it is possible to easily and efficiently form a high-quality coating made of various kinds of fine powder materials on a substrate. Therefore, the present invention is advantageously applied as a method for forming films of various materials in the electric and electronic fields.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明で用いる溶射装置(プラズマガン)の説
明断面図を示す。
FIG. 1 is an explanatory sectional view of a thermal spraying apparatus (plasma gun) used in the present invention.

【図2】本発明のプラズマ溶射装置におけるパルス電源
の充電工程を示す。
FIG. 2 shows a charging step of a pulse power supply in the plasma spraying apparatus of the present invention.

【図3】溶射装置内への溶射用材料を供給する工程説明
図を示す。
FIG. 3 is an explanatory view showing a process of supplying a material for thermal spraying into a thermal spraying apparatus.

【図4】溶射装置内でパルスプラズマを発生させる工程
説明図を示す。
FIG. 4 is a diagram illustrating a process of generating pulsed plasma in the thermal spraying apparatus.

【図5】溶射装置内でパルスプラズマを電磁加速する工
程説明図を示す。
FIG. 5 is a diagram illustrating a process of electromagnetically accelerating pulsed plasma in a thermal spraying apparatus.

【図6】溶射用材料を含むパルスプラズマを基板に衝突
させる工程説明図を示す。
FIG. 6 is an explanatory view of a process in which pulsed plasma containing a material for thermal spraying collides with a substrate.

【図7】粉体噴射装置の分解説明図を示す。FIG. 7 is an exploded view of the powder injection device.

【図8】粉体噴射装置をプラズマ溶射装置に適用した場
合の状態図を示す。
FIG. 8 shows a state diagram when the powder injection device is applied to a plasma spraying device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 筒体(陰極) 2 陽極 3 開口 4 電気絶縁体 5 筒壁 11 材料噴射装置 12 材料 13 加圧ガス管 15 パルス電源 101 第1筒体 102 第2筒体 103 蓋体 109 導電体細線 116 封止用材料 119 加圧ガス管 122 固定用金具 L 材料(粉体) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical body (cathode) 2 Anode 3 Opening 4 Electrical insulator 5 Cylindrical wall 11 Material injection device 12 Material 13 Pressurized gas pipe 15 Pulse power supply 101 First cylindrical body 102 Second cylindrical body 103 Cover 109 Conductor thin wire 116 Sealed Stopping material 119 Pressurized gas pipe 122 Fixing metal L Material (powder)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤原 修三 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 北村 順也 大阪府枚方市津田山手2−8−1 株式会 社イオン工学研究所内 Fターム(参考) 4D075 AA18 AA87 CA13 CA18 CA22 CA23 DA06 DB01 DB04 DB13 DB14 DB31 EA02 EA15 EA17 EB01 EB05 4F033 AA01 BA05 CA04 DA01 EA01 HA01 4K031 DA04 EA01 EA07  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Shuzo Fujiwara 1-1-1, Higashi, Tsukuba, Ibaraki Pref., National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (72) Inventor Junya Kitamura 2-8-1, Tsuda Yamate, Hirakata-shi, Osaka 4D075 AA18 AA87 CA13 CA18 CA22 CA23 DA06 DB01 DB04 DB13 DB14 DB31 EA02 EA15 EA17 EB01 EB05 4F033 AA01 BA05 CA04 DA01 EA01 HA01 4K031 DA04 EA01 EA07

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 先端が開口し、後端が電気絶縁体で封止
された筒体内に微粉末状溶射材料をパルス的に供給する
工程と、該微粉末状溶射材料の供給直後に、該筒体の中
心部に該筒体の長さ方向に沿って配設された陽極と該筒
体内壁面との間にパルス電圧を印加するとともに、該筒
体内に高温のパルスプラズマを発生させる工程と、該高
温パルスプラズマを該筒体開口に向けて電磁加速させる
とともに、該高温パルスプラズマにより該筒体内に供給
された微粉末状溶射材料を溶融させて液状微粒子化させ
る工程と、該筒体開口から、該溶射材料の液状微粒子を
該電磁加速された高温パルスプラズマとともに筒外へ射
出させる工程からなることを特徴とする電磁加速プラズ
マによる溶射方法。
A step of supplying a fine powdery spray material in a pulsed manner into a cylindrical body having a front end opened and a rear end sealed with an electrical insulator; and immediately after supplying the fine powdery spray material, Applying a pulse voltage between an anode disposed in the center of the cylinder along the length direction of the cylinder and a wall surface of the cylinder, and generating high-temperature pulsed plasma in the cylinder; Electromagnetically accelerating the high-temperature pulsed plasma toward the cylindrical body opening, and melting the fine-powder spray material supplied into the cylindrical body by the high-temperature pulsed plasma to form liquid fine particles; And a step of injecting liquid fine particles of the thermal spray material together with the electromagnetically accelerated high-temperature pulsed plasma out of the cylinder.
【請求項2】 該パルスプラズマを加速させるための電
磁力が1MPa以上である請求項1の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the electromagnetic force for accelerating the pulsed plasma is 1 MPa or more.
【請求項3】 請求項1の方法を実施するための装置で
あって、先端が開口し、後端が電気絶縁体で封止された
筒体からなる陰極と、該筒体の中心部に該筒体の長さ方
向に沿って配設された陽極と、該筒体内に微粉末状溶射
材料をパルス的に供給する溶射材料供給装置と、該陽極
と該陰極との間に電圧をパルス的にかつ該微粉末状溶射
材料の該筒体内への供給直後に印加するパルス電源とを
備えていることを特徴とする電磁加速プラズマによる溶
射装置。
3. An apparatus for carrying out the method according to claim 1, wherein the cathode comprises a cylindrical body having an open front end and a rear end sealed with an electrical insulator; An anode disposed along the longitudinal direction of the cylindrical body, a thermal spraying material supply device for supplying a fine powdered thermal spraying material into the cylindrical body in a pulsed manner, and a voltage pulse between the anode and the cathode. And a pulse power source for applying the fine powdered spray material immediately after the fine powdered spray material is supplied into the cylindrical body.
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