JP2005539144A - 溶射装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、火炎を生成する手段（１，２）とその火炎の中に粉末を噴射する手段（３）とを含み、前記火炎生成手段（１，２）が、溶射を受ける基材に向かって火炎がそこから案内されるエンドピース（１）を含む溶射装置に関する。また、該粉末噴射手段（３）は、エンドピース（１）から火炎噴出方向に突出するフレーム部材（６）を含み、前記フレーム部材がエンドピース（１）から延在する火炎帯域を少なくとも部分的には取り囲むことを特徴とする溶射装置に関する。

Description

本発明は、火炎を生成する手段とその火炎の中に粉末を噴射する手段とを含み、前記火炎生成手段が、溶射を受ける基材に向かって火炎がそこから案内されるエンドピースを含む、溶射装置に関する。

「溶射装置」は、金属またはセラミックの皮膜を基材に被着させるために使用され得る火炎生成装置と呼ばれるものであり、種々のプラズマ溶射ガン、火炎ジェット装置、ＨＶＯＦなどを包含しても良い。

本発明の技術分野は、特には金属またはセラミックの熱遮蔽皮膜のような皮膜を、特には航空宇宙構造物における構造部材のような基材であり、更に詳細にはそのモータ部品である基材に対して被着させるものに関する。しかしながら、本発明は、上記用途に限定されるものではなく、この比較的狭い分野以外にも多数の用途を見出し得ることであろう。

基材に粉末をプラズマ溶射する先行技術の装置は、プラズマジェット生成手段と、粉末がそれを介してプラズマジェットに対して噴射される１つ以上の粉末噴射ポートとを含む。

例えば広く使用されているＦ４・Ｓｕｌｚｅｒ・Ｍｅｔｃｏガンのような従来のプラズマジェットガンは、プラズマジェットが、それを介して、被着されるべき基材に向かってガンから案内されるエンドピースを含む。そのエンドピースには、プラズマジェットに向かってかつその中に粉末を噴射するためのノズルを装備したショルダすなわちノブが取付けられる。

粉末がプラズマジェットの中に噴射され、溶融されて基材に被着される作業の間には、粉末がジェットに到達する際に特徴的な流れパターンが生成される。しばしば、標準の作業状態においても、粉末の逆流が、ノズルに戻って来る可能性があり、その目詰まりを発生させる。ノズルすなわちエンドピースの中に目詰まりする粉末の大きな凝集粒子は、遅かれ早かれ、遊離してジェットの中に噴出されることになり、それによって、溶射プロセスに混乱を引き起こし、皮膜の中に膨れおよび塊を生成するのである。

本発明の１つの目的は、粉末の歩留まりを改善した溶射装置、すなわち先行技術による同等の装置に比べて効率を改善した溶射装置を提供することである。言い換えれば、本発明による装置は、粉末の消費量を少なくして、先行技術の装置と等しいかまたはそれ以上の成果を保証するはずなのである。

本発明のもう１つの目的は、ノズルの目詰まりを発生させる粉末の不都合な逆流を有する傾向が削減され或いは排除もされる溶射装置を提供することである。

本発明の更なる１つの目的は、改善された溶射速度、すなわち被着される皮膜の十分な品質を維持しつつ使用される所定量の粉末のための溶射時間の削減を獲得することである。

本発明の目的は、粉末噴射手段がエンドピースから火炎噴出方向に突出するフレーム部材を含み、そのフレーム部材がエンドピースから延在する火炎帯域を少なくとも部分的には取り囲むことを特徴とする、冒頭で定義した溶射装置によって達成される。火炎帯域の円周の少なくとも４分の１すなわち９０°が、フレーム部分によって取り囲まれるのである。

フレーム部材の少なくとも部分的には環状の形状であるその包囲物のお陰で、改善された流れパターンが獲得され、逆流の傾向が顕著に削減される。標準的には、火炎方向に突出するフレーム部材の部分の内周の形状および／または寸法は、火炎生成手段のエンドピースのものに対応する。ノズル（各ノズル）すなわち粉末ポート（各粉末ポート）は、フレーム部材の突出部分の中に配置され、それによって、粉末ジェットが、フレーム部材の内周から半径方向における中央火炎に向かって、火炎の長手方向に対して垂直に、或いは火炎の長手方向に対して部分的に斜めに案内される。

１つの好適な実施例によれば、フレーム部材は、エンドピースから延在する火炎帯域の円周の少なくとも１８０°、好ましくは少なくとも２７０°、或いは最も好ましくは３６０°をカバーする。

好ましくは、フレーム部材は、リング形状の部材を規定するものであり、全体にわたって延在して３６０°をカバーする連続的な内周を備えた連続的なリングとして設計される。しかしながら、１つの代替例として、それは、それぞれにフレーム部材の分弧を規定する２つ以上の個別リング部分によっても構成され得るものであると理解されるべきである。それらの個別リング部分は、連続的な内周を有するフレーム部材を形成する必要がなく、不連続な断続的リングを規定することもまた同様に可能であり、結果として、その周方向において、全体にわたって延在して少なくとも１８０°をカバーし、好ましくは少なくとも２７０°をカバーするのである。１つ以上のノズルすなわち粉末ポートが、個々の上記リング部分すなわちリングセグメントの間に配列されても良い。

好ましくは、フレーム部材は、その横断面がエンドピースの内周の横断面の幾何学的形状に対応する内周を有する。その横断面は、回転対称を呈するべきである。

本発明の１つの好適な実施例によれば、火炎噴出方向においてエンドピースを越えて突出する少なくともフレーム部材の部分は、少なくとも１つの半径方向貫通孔を含む。上記孔は、火炎の空気冷却を提供して、粉末噴射領域内におけるその流れを安定させる。フレーム部材の内周における孔によって規定される開口部および存在し得る粉末噴射ノズルは別として、その突出部分の内周面は、概ね平坦であり、火炎および噴射された粉末の流れパターンを否定して混乱させる突起などは何も提示しない。

好ましくは、フレーム部材は、標準的には少なくとも６個である複数の半径方向貫通孔を含むものであり、更に好ましくは１０個を越える半径方向貫通孔を含む。それらの孔は、フレーム部材の周囲に一様に配分されるべきである。その結果として、均一な流れ条件が、中央火炎すなわちジェットの周りの全体において達成され得るのである。

１つの実施例によれば、エンドピースは、内側幅すなわち内径ｄを有し、フレーム部材は、間隔ｐだけ突出する。ｄとｐの間の関係は、０．５ｄ＜ｐ＜２ｄである。これは、少なくとも６または８ｍｍの内径を備えたエンドピースに関しては好適な関係であると判明しており、実際に使用される殆どのその他の直径に関しても好適である見込みである。

エンドピースが内側幅すなわち内径ｄを有して、フレーム部材の突出部分が内側の対応する幅すなわち直径Ｄを有するとき、Ｄは、ｄと等しいかまたはそれより大きいものであり、好ましくは、Ｄ＜１．２ｄである。この関係は、少なくとも６または８ｍｍの内径ｄを備えたエンドピースに関しては適当であると判明している。

本発明の更なる１つの好適な実施例によれば、火炎に向かって粉末を案内する２つ以上の粉末噴射ポートが、フレーム部材の内周に配分される。それによって、プラズマジェット内における改善されかつ更に一様である粉末配給が達成される。噴射される粉末が多数のノズルを介して配給されるので、単位時間当りの多量の粉末が、ただ１つだけのノズルすなわちポートが使用される場合に生じるであろう不安定性に関する同じ問題を回避してプラズマの中に噴射され得るのである。

好ましくは、粉末噴射ポートは、フレーム部材の周囲に一様に配分される。それによって、プラズマ内における粉末の一様な配給が促進されるのである。好ましくは、当該装置は、それらの粉末噴射器の間においても粉末を一様に配給する何らかの手段を含むものであり、或いはそのような手段に対して接続される。

１つの実施例によれば、各々の粉末噴射ポートは、フレーム部材を貫通する半径方向孔すなわち開口部の中に挿入されるノズルを含むものであり、少なくとも１つ以上の貫通孔が、上記ノズルをその中に収容するように適応される。従って、フレーム部材は、フレーム部材の外側から内側まで延在する複数の半径方向貫通孔を装備されるものであり、空気のような何らかの媒体がそれらを介して通ることを許容する。それらの孔の少なくとも幾つかは、その中にノズルなどを収容するように適応される。例えば、幾つかの孔が、ノズルと係合するためのネジ筋を設けられても良く、結果として、更に汎用的な装置になるのである。

フレーム部材は、エンドピースに対して取外し可能に取付けられるべきである。例えば、フレーム部材の一部は、エンドピースの外周に被せて嵌められるように適応されることが可能であり、フレーム部材の当該部分は、その壁を貫通する締付けネジを設けられる。任意の種類のクランプなどが、エンドピースに対してフレーム部材を固定するために使用されることもまた可能である。

本発明によれば、火炎生成手段によって生成される火炎は、陰極と陽極の間における環状通路の中にガス流を流すことによって形成されるプラズマジェットである。典型的には、上記ジェットの温度は、１５０００℃に達し得るものであり、プラズマの中に導入される粉末は、基材に衝突する前にそのプラズマジェットにより溶融されて加速されるので、１秒当り５００ｍに達する速度を獲得することが可能である。

本発明の更なる特徴および利点は、進歩的な装置の好適な実施例に関する後続の詳細な説明において提示されるものとする。

ここで、本発明の好適な実施例が、以下のような添付図面を参照して説明されるものとする。

図１および図２は、より正確にはプラズマ溶射装置である先行技術に従った溶射装置のエンドピース１を示している。当該装置は、ここではプラズマジェットである火炎を生成する手段２を含む。上記手段は、図８で示されたように、本質的に公知である様式で配列され、それらの間に環状通路を規定する、陰極および陽極を包含する。それは、プラズマジェットの中に粉末を噴射する手段３をも更に含んでいる。

エンドピース１は、円形断面を備えた管を含むものであり、陽極を包含しても良い。粉末噴射手段３は、エンドピース１に取付けられるショルダすなわちノブ４を含む。ショルダすなわちノブ４は、火炎に向かって粉末を噴射するポートを規定する粉末噴射ノズル５によって貫通される半径方向孔を含む。

図２は、火炎の僅かな部分だけが単一ノズル５からの噴射の際に実際に利用される様式を示している。ショルダすなわちノブ４によってカバーされる小さな角度分弧の故に、部分的に溶融して戻る粉末の逆流が生成され、ノズル５に対して不都合に付着してしまうのである。

図３および図４は、本発明に従った溶射装置の第１の実施例を示している。火炎すなわちプラズマジェットは、図１および図２で説明されたものと同じ手段によって生成される。２つの個別リング部分７，８によって形成されるフレーム部材６は、火炎の円周のほぼ１８０°をカバーする。言い換えれば、それは、それに対応する連続的なリングがカバーしたであろう円周の５０％をカバーするのである。ここでは、各々のリング部分７，８が、前記円周の少なくとも９０°をカバーする分弧を規定する。

フレーム部材６は、火炎方向と同じであるその長手方向において突出し、エンドピース１を延長している。各々のリング部分７，８は、１つ以上の半径方向孔を設けられ、少なくともそれらの１つは、粉末噴射ノズル５によって貫通される。各々のノズル５は、図１および図２における先行技術のノズルに関して前述されたように配列されて案内されても良い。複式ノズル構成とフレーム部材６の存在とのお陰で、粉末を逆流させる傾向が抑制され、より安定してより有効に使用されるプラズマジェットが達成される。従って、先行技術に比べて高い粉末の歩留まりが達成されるのである。

図５から図７では、本発明に従った装置の第２の好適な実施例が提示される。当該装置は、好ましくは図１から図４に関連して前述されたような火炎生成手段を含む。それは、単一の連続的なリングによって形成されるフレーム部材６を含むという点で、図３および図４に示された実施例とは異なっている。

リング６は、プラズマジェット方向においてエンドピース１の端部に対して取外し可能に取付けられ、かつそれを越えて間隔ｐだけ突出する。エンドピース１は、０．５ｄ＜ｐ＜２ｄであり、好ましくはｄ≒ｐである、内径ｄを有する。

リング６は、エンドピース１の内径ｄにほぼ等しい直径Ｄを備えた円形の内周を有する。より正確に言えば、この場合、直径Ｄは、エンドピース１の外径ｄにエンドピース１の壁の厚さを加えたものに対応する。

フレーム部材６は、その突出部分の周囲に一様に配分される複数の半径方向貫通孔９をも更に含む。孔９の少なくとも幾つかは、その中に収容され得る粉末噴射ノズル５と係合するためのネジ筋を設けられる。代替的には、孔９と整列し或いは整列しない独立した孔の集合が、ノズル収容孔すなわち粉末ポートとして機能すべく配列されることもまた可能である。

孔９は、リング６の内周の周りにおいて概ね互いに整列している。粉末噴射ノズル５を収容しないそれらの孔は、リングの内側と外側の間における半径方向の連絡に寄与する。標準的には、その外部は、空気の雰囲気を含むものであり、孔９は、ジェットを更に安定させて、ノズル５に向かう粉末の逆流を打ち消すものでもある空気冷却孔として機能する。

好ましくは、ノズル（すなわち粉末ポート）は、フレーム部材６の内周の周りに（互いに同じ角度間隔を置いて）一様に配分される。ノズル５の本数は、変更可能であるが、コンピュータ・シミュレーションでは、３本のノズルが、しばしば好適であり、有益な粉末の歩留まり（粉末の低損失）および安定した流れ状態を生じるということが示されている。

エンドピース１に対して容易に着脱されるために、ここではフレーム部材６である粉末噴射手段３が、エンドピース１の端部に被せて嵌められ、固定ネジ１６によって適所に固定されるように適応される。クランプなどのようなその他の接続手段もまた、代替物として使用されることが可能である。

本発明に従ったプラズマ溶射装置は、図８に概略的に示されている。当該装置は、中央の陰極１１を取り囲み、かつガスのためのノズルすなわち環状通路をも形成する陽極１０を含み、この種の装置は、その現状技術では周知のものであり、更なる詳細な説明は必要とされない。電気アークすなわちプラズマジェット１２は、陽極１０と陰極１１の間の電圧差を制御して、そのノズルにガス流を流すことによって生成される。当該装置は、本発明に従って粉末粒子１３の流れをプラズマジェット１２の中に導入する手段３をも更に含む。ジェット１２は、基材１５に向かって案内され、粉末粒子１３を基材１５に向かって運搬することになり、それと同時に前記粒子１３を少なくとも部分的には溶融させている。

本発明の特殊な利点は、上述のようなフレーム部材６が、広く使用されていて、今日でも市場において入手可能であるＦ４ガンのようなプラズマジェットガンにおける先行技術の単一のショルダ・ノズル構成に代えて、広範な作業を必要とすることなく使用されることが可能であり、結果として、改善された粉末の歩留まりと、プラズマジェットの効率性および安定性と、粉末ポートが目詰まりする危険性の低下とが生じることである。

本発明に関する以上の提示内容は、例として挙げられたものであり、代替的な実施例が当業者には自明であろうと理解されるべきである。しかしながら、請求される保護の範囲は、当該説明および添付図面によって支持される特許請求項において規定される。

先行技術に従った粉末噴射手段を装備した溶射装置のエンドピースの拡大図である。 図１に示された装置の端面図である。 ２つの個別リング部分によって形成されるフレーム部材上に配列された２本の対向するノズルを含む粉末噴射手段を備えた、図１による装置の第１の実施例を示している。 図３に示された装置の端面図である。 本発明に従った溶射装置の好適な第２の実施例を示している。 図５に示された装置の端面図である。 図５および図６に示されたフレーム部材の断面図である。 本発明に従った典型的なプラズマ溶射装置の断面図である。

Claims (16)

1. 火炎を生成する手段（１，２）とその火炎の中に粉末を噴射する手段（３）とを含む溶射装置であって、前記火炎生成手段（１，２）が、溶射を受ける基材に向かって火炎がそこから案内されるエンドピース（１）を含む当該溶射装置において、前記粉末噴射手段（３）が、エンドピース（１）から火炎噴出方向に突出するフレーム部材（６）を含み、前記フレーム部材がエンドピース（１）から延在する火炎帯域を少なくとも部分的には取り囲むことを特徴とする、溶射装置。
2. フレーム部材（６）は、エンドピース（１）から延在する火炎帯域の円周の少なくとも９０°、好ましくは１８０°をカバーすることを特徴とする、請求項１に記載の溶射装置。
3. フレーム部材（６）は、エンドピース（１）から延在する火炎帯域の円周の少なくとも２７０°をカバーすることを特徴とする、請求項１に記載の溶射装置。
4. フレーム部材（６）は、その横断面がエンドピース（１）の内周の横断面の幾何学的形状に対応する内周を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の溶射装置。
5. フレーム部材（６）は、リング形状の部材を規定することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の溶射装置。
6. 火炎噴出方向においてエンドピース（１）を越えて突出する少なくともフレーム部材（６）の部分は、少なくとも１つの半径方向貫通孔（９）を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の溶射装置。
7. 複数の半径方向貫通孔（９）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の溶射装置。
8. 少なくとも６個であり、更に好ましくは１０個以上の半径方向貫通孔（９）を含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の溶射装置。
9. それらの貫通孔（９）は、フレーム部材（６）の周囲に一様に配分されることを特徴とする、請求項７から８のいずれか１つに記載の溶射装置。
10. エンドピース（１）は、内側幅すなわち内径ｄを有し、フレーム部材（６）は、間隔ｐだけ突出し、０．５ｄ＜ｐ＜６ｄであり、好ましくは０．５ｄ＜ｐ＜２ｄであることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１つに記載の溶射装置。
11. エンドピース（１）は、内側幅すなわち内径ｄを有し、フレーム部材（６）の突出部分は、内側の対応する幅すなわち直径Ｄを有し、Ｄは、ｄと等しいかまたはそれより大きいものであり、好ましくは、Ｄ＜１．２ｄであることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１つに記載の溶射装置。
12. 火炎に向かって粉末を案内する２つ以上の粉末噴射ポート（５）は、フレーム部材（６）の内周に配分されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１つに記載の溶射装置。
13. 粉末噴射ポート（５）は、フレーム部材（６）の周囲に一様に配分されることを特徴とする、請求項１２に記載の溶射装置。
14. 各々の粉末噴射ポート（５）は、フレーム部材を貫通する半径方向孔すなわち開口部の中に挿入されるノズルを含むものであり、少なくとも１つ以上の貫通孔（９）は、上記ノズル（５）をその中に収容するように適応されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の溶射装置。
15. フレーム部材（６）は、エンドピース（１）に対して取外し可能に取付けられることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１つに記載の溶射装置。
16. 火炎生成手段によって生成される火炎は、プラズマジェットであることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１つに記載の溶射装置。

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