JP2016043287A - プラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマをプラズマジェットに分流させた分流部分が、プラズマ生成室からのプラズマにより溶損することを抑えることができる、プラズマ溶射装置を提供する。【解決手段】プラズマ溶射装置１０の陽極ノズル１２の先端部２０には、陽極ノズル１２から噴出するプラズマジェットＰＧの噴出方向における陽極ノズル１２の軸心ＣＬ周りに、プラズマＰを複数のプラズマジェットＰＧに分流し、分流した前記プラズマジェットが噴出する複数のプラズマジェット噴出孔と、軸心ＣＬに沿った位置から溶射用粉末Ｍを放出する粉末放出孔２２と、が形成されている。陽極ノズル１４の先端部２０には、各プラズマジェット噴出孔２１内を流れるプラズマジェットＰＧに第２の供給ガスＧ２を供給する供給孔２３が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、溶射用粉末と共にプラズマジェットを溶射ノズルの前方方向に放出するいわゆるアキシャルフィード型のプラズマ装置およびプラズマ溶射方法に関する。

従来から、プラズマ溶射装置では、陽極ノズルと陰極との間に電圧を印加することで、これらの間にプラズマアークを発生させ、このプラズマアークに供給ガスを接触することにより、プラズマを生成している。生成されたプラズマの流れを絞りプラズマジェットとし、これに溶射用粉末を供給することにより溶融させ、ワークにプラズマジェットと共に溶融した溶射用粉末を吹き付けている。

ここで、プラズマジェットに溶射用粉末を供給する際に、プラズマジェットに対して直角方向から溶射用粉末を投入すると、溶射用粉末が、プラズマジェットの中心に到達する前に弾き飛ばされたり、プラズマジェットを突き抜けたりすることがあった。これにより、溶射用粉末の歩留りが低下するということがあった。

このような点を鑑みて、例えば、特許文献１には、陽極ノズルの先端に、プラズマ生成室で生成されたプラズマの流れを複数のプラズマジェットに分流するように、形成された複数のプラズマジェット噴出孔と、複数のプラズマジェット噴出孔で囲まれた軸心に沿った位置から溶射用粉末を放出する粉末放出孔と、が設けられたアキシャルフィード型のプラズマ溶射装置が開示されている。このプラズマ溶射装置によれば、プラズマジェットと、溶射用粉末とが、ノズルの軸心方向に沿ってノズルから放出されるので、溶射用粉末の歩留りを向上させることができる。

特許５３９６５６５公報

しかしながら、特許文献１に示すプラズマ溶射装置の場合、陽極ノズル内において、プラズマ生成室からのプラズマを各プラズマジェット噴出孔に分流する分流部分にプラズマが衝突するため、この分流部分が溶損することがあった。特に、プラズマ溶射により緻密な膜を成膜すべく、プラズマのエネルギー密度を高めようとした場合、このような現象はより顕著なものとなった。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、陽極ノズルでプラズマ生成室からのプラズマをプラズマジェットに分流させた場合であっても、その分流部分がプラズマ生成室からのプラズマにより溶損することを抑えることができるプラズマ溶射装置を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係るプラズマ溶射装置は、陰極電極と、該陰極電極に対向する位置に配置されたプラズマジェットを噴出する陽極ノズルとを備え、前記陰極電極と前記陽極ノズルとの間で発生したプラズマアークに第１の供給ガスを供給することで、前記陰極電極と前記陽極ノズルとの間に前記プラズマジェットとなるプラズマを生成するプラズマ生成室が形成されたプラズマ溶射装置であって、前記陽極ノズルの先端部には、前記陽極ノズルから噴出するプラズマジェットの噴出方向における前記陽極ノズルの軸心の周りに、前記プラズマ生成室で生成されたプラズマを複数のプラズマジェットに分流し、分流された前記プラズマジェットが噴出する複数のプラズマジェット噴出孔と、該複数のプラズマジェット噴出孔で囲まれた前記軸心に沿った位置から溶射用粉末を放出する粉末放出孔と、が設けられており、前記陽極ノズルの前記先端部には、前記各プラズマジェット噴出孔内を流れる前記プラズマジェットに第２の供給ガスを供給する供給孔がさらに形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、陰極電極と陽極ノズルとの間に電圧を印加することにより、プラズマアークが発生し、このプラズマアークに第１の供給ガスを供給することにより、プラズマ生成室にプラズマを生成することができる。

プラズマ生成室で生成されたプラズマは、陽極ノズルの先端部に形成された複数のプラズマジェット噴出孔に分流される。プラズマジェット噴出孔を通過する際に、プラズマはプラズマジェットとなって加速され、高温高速の集中性の良い流れとなって、プラズマジェット噴出孔から噴出する。本発明では、プラズマ生成室で生成されたものを「プラズマ」と称し、陽極ノズルの先端部で、プラズマジェット噴出孔から噴出するものを「プラズマジェット」と称する。さらに、陽極ノズルの各プラズマジェット噴出孔によりプラズマが分流されたもの（各プラズマジェット噴出孔内を流れるプラズマ）も、プラズマ生成室で生成されたプラズマが加速されることから、「プラズマジェット」と称する。

ここで、本発明では、プラズマジェット噴出孔内に、第２の供給ガスを供給する供給孔が形成されているため、第１の供給ガスから生成されたプラズマのエネルギー密度を高め過ぎることなく、プラズマジェット噴出孔を通過した際に各プラズマジェットのエネルギー密度を第２の供給ガスで高めることができる。

これにより、第１の供給ガスから生成されたプラズマを、陽極ノズルの先端部で複数のプラズマジェット分流させた場合であっても、その分流部分がプラズマ生成室からのプラズマにより溶損することを抑えることができる。

さらに、第２の供給ガスが供給されたプラズマジェットが噴出する際に、これらのプラズマジェットで囲まれた軸心に沿った位置から、溶射用粉末が放出されるので、効率良く（歩留り良く）溶射用粉末をプラズマで溶融し、これをワークに吹き付けることができる。

特に第１の供給ガスにアルゴンガスを用い、第２の供給ガスに水素ガス、窒素ガス、またはヘリウムガスを含むガスを用いれば、第１の供給ガスであるアルゴンガスで生成されたプラズマ室内のプラズマジェットのエネルギー密度を高め過ぎることなく、プラズマジェット噴出孔を通過した際に各プラズマジェットのエネルギー密度を第２の供給ガスで高めることができる。

これにより、陽極ノズルでプラズマ生成室から各プラズマジェット噴出孔に分流させた場合であっても、その分流部分がプラズマ生成室からのプラズマジェットにより溶損することを抑えることができる。さらに、エネルギー密度が高まったプラズマジェットに溶射用粉末を溶融するので、これまで成膜することができなかった高融点の粉末に対しても成膜することができる。

より好ましい態様としては、前記第２の供給ガスを供給する供給孔は、前記プラズマジェット噴出孔の壁面に沿って前記第２の供給ガスが流れるように、形成されている。この態様によれば、プラズマジェット噴出孔の壁面に沿って第２の供給ガスが流れるので、陽極ノズルの先端部に逃げる熱量を低減することができる。特に、第２の供給ガスの水素ガス、窒素ガスなどの２原子分子からなるガスを用いることで、熱的ピンチ効果をさらに期待することができる。これにより、プラズマジェットが収縮し（エネルギー密度が上昇し）、陽極ノズルの先端部に逃げる熱量を低減することができる。

より好ましい態様としては、前記陽極ノズルには、前記第１の供給ガスを供給する第１供給孔と、前記第２の供給ガスを供給する供給孔である第２供給孔と、が形成されており、前記第１供給孔は、前記プラズマ生成室内で生成されたプラズマに、前記陽極ノズルの前記軸心の周りに旋回流が発生するように、形成されており、前記第２供給孔は、前記プラズマジェット噴出孔内で前記旋回流と同じ方向に前記各プラズマジェットに旋回流が発生するように、形成されている。

この態様によれば、プラズマジェット噴出孔を通過するプラズマジェットには、前記第２供給孔からの第２の供給ガスで、前記プラズマ生成室内の分流前のプラズマと同じ方向に、旋回流が発生するので、安定したプラズマジェットを陽極ノズルから放出することができる。

本発明によれば、陽極ノズルでプラズマ生成室からのプラズマを分流させた場合であっても、その分流部分がプラズマ生成室からのプラズマにより溶損することを抑えることができる。

本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置の模式的断面図。 図１に示すＡ−Ａ線矢視端面図。 図１に示すＢ−Ｂ線矢視端面図。

以下に、図１〜３の図面を参照して本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置の模式的断面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線矢視端面図であり、図３は、図１に示すＢ−Ｂ線矢印端面図である。

１．プラズマ溶射装置について
図１に示すように、本実施形態に係るプラズマ溶射装置１０は、陰極電極１１と、陰極電極１１に対向する位置に配置された陽極ノズル１２を備えており、陰極電極１１と陽極ノズル１２との間には、電源１３が接続されている。

陰極電極１１は、銅などの金属製の先端が尖った円柱形状であり、陰極電極１１を覆うように、銅などの金属製の陽極ノズル１２が配置されている。ここで、陽極ノズル１２のプラズマジェットが噴出される方向に沿った軸心ＣＬと、陰極電極１１の軸心は一致している。陽極ノズル１２と陰極電極１１と陽極ノズル１２とが直接的に導通しないように、絶縁板１４を介して陰極電極１１が、陽極ノズル１２内に取付けられている。

陰極電極１１を陽極ノズル１２内に配置した状態で、陰極電極１１と陽極ノズル１２との間には、プラズマ生成室１５（空間）が形成されている。プラズマ生成室１５は、絞り弁１８により、陰極電極１１が収容された上流室１５ａと、陽極ノズル１２の先端側の下流室１５ｂとに区画されている。電源１３により、陰極電極１１と陽極ノズル１２との間に電圧を印加することにより、陰極電極１１と陽極ノズル１２との間の空間、すなわちプラズマ生成室１５にプラズマアークを発生させることができる。

本実施形態では、プラズマ生成室１５の上流室１５ａには、アルゴンガスなどの第１の供給ガスＧ１を供給する一対の上流側の第１供給孔１６Ａ、１６Ａが形成されている。さらに、プラズマ生成室１５の先端側には、絞り弁１８が形成されており、絞り弁１８と陽極ノズル１２の先端部２０との間にも、一対の下流側の第１供給孔１６Ｂ、１６Ｂが形成されている。

ここで、上流側の第１供給孔１６Ａ，１６Ａは、プラズマ生成室１５の上流室１５ａ内で陽極ノズル１２の軸心ＣＬの周りに（図では右回りに）プラズマＰに旋回流が発生するように、形成されている。本実施形態では、図２に示すように、プラズマ生成室１５の上流室１５ａは、陽極ノズル１２の内側に内周面を設けることにより得られる円錐台状空間であり、一対の第１供給孔１６Ａ，１６Ａは、内周面の接線方向に沿ってプラズマ生成室１５内に第１の供給ガスが供給可能に形成されている。

上流側の第１供給孔１６Ａ，１６Ａと同様に、下流側の第１供給孔１６Ｂ，１６Ｂも、プラズマ生成室１５の下流室１５ｂ内で陽極ノズル１２の軸心ＣＬの周りに（上流室１５ａと同じ方向に）プラズマＰに旋回流が発生するように、形成されている。この場合も同様に、一対の下流側の第１供給孔１６Ｂ，１６Ｂは、内周面の接線方向に沿ってプラズマ生成室１５の下流室１５ｂ内に第１の供給ガスＧ１が供給可能に形成されている。

なお、本実施形態では、絞り弁１８を設けることにより、プラズマ生成室１５を上流室１５ａと下流室１５ｂとに区画したが、後述するように、陽極ノズル１２の先端部２０からプラズマジェットＰＧを噴出することができるのであれば、絞り弁１８を設けなくてもよい。

さらに本実施形態では、図１および図３に示すように、陽極ノズル１２の先端部２０には、プラズマジェットＰＧを噴出させる３つ（複数）のプラズマジェット噴出孔２１，２１，２１が形成されている。３つのプラズマジェット噴出孔２１，２１，２１は、陽極ノズル１２から噴出するプラズマジェットＰＧの噴出方向における陽極ノズル１２の軸心周りに（具体的には同心円状に）形成されている。

各プラズマジェット噴出孔２１は、噴出したプラズマジェットＰＧが軸心ＣＬに向かうように、軸心ＣＬに対して傾斜している。これにより、後述する溶射用粉末ＭをプラズマジェットＰＧで溶融し、溶融した溶射用粉末ＭをプラズマジェットＰＧとともにワーク（図示せず）に吹き付けることができる。溶射用粉末Ｍとしては、鉄、銅、ニッケル−クロム合金、アルミニウム等の金属粉末、アルミナ等のセラミックスス粉末などを用いることができる。

陽極ノズル１２の先端部２０において、３つのプラズマジェット噴出孔２１，２１，２１は、プラズマ生成室１５で生成されたプラズマＰを３つのプラズマジェットＰＧに分流し、分流された３つのプラズマジェットＰＧが陽極ノズル１２から噴出する。さらに、各プラズマジェット噴出孔２１内を流れるプラズマジェットＰＧに第２の供給ガスＧ２を供給する第２供給孔２３がさらに形成されている。第２の供給ガスＧ２には、アルゴンガスに、水素ガス、窒素ガス、またはヘリウムガスを含むガス、または、水素ガス、窒素ガス、またはヘリウムガスのみからなるガスを用いる。

第２供給孔２３は、プラズマジェット噴出孔２１の壁面に沿って第２の供給ガスＧ２が流れるように（プラズマジェット噴出孔２１の周壁面の接線方向に第２供給ガスＧ２が供給されるように）、形成されている。より具体的には、第２供給孔２３は、プラズマジェット噴出孔２１内で、図２に示すプラズマの旋回流と同じ方向(具体的には、左回り）に、各プラズマジェットＰＧに旋回流が発生するように、形成されている。

さらに、陽極ノズル１２の先端部２０には、３つのプラズマジェット噴出孔２１，２１，２１で囲まれた軸心ＣＬに沿った位置から溶射用粉末Ｍを放出する粉末放出孔２２が形成されている。

２．プラズマ溶射方法について
まず、陰極電極１１と陽極ノズル１２と間に電圧を印加することにより、これらの間（プラズマ生成室１５）にプラズマアークを発生させる。発生させたプラズマアークに上流側の第１供給孔１６Ａ，１６Ａを介して、プラズマ生成室１５の上流室１５ａにアルゴンガスからなる第１の供給ガスを供給する。これにより、プラズマアークに第１の供給ガスＧ１を接触させることにより、プラズマ生成室１５内にプラズマＰが生成される。生成されたプラズマＰには、図２に示すように、陽極ノズル１２の軸心ＣＬ周りに（左回りに）、旋回流が発生する。これにより、プラズマＰの流れが安定する。

旋回流が発生したプラズマＰは、絞り弁１８で絞られて加速される。下流側の第１供給孔１６Ｂ、１６Ｂを介して、プラズマ生成室１５の下流室１５ｂに第１の供給ガスＧ１がさらに供給されることにより、プラズマＰがさらに加速される。生成されたプラズマＰには、陽極ノズル１２の軸心ＣＬ周りに（左回りに）、さらに安定した旋回流が形成される。

プラズマ生成室１５で旋回流が形成されたプラズマＰは、陽極ノズル１２の先端部２０に形成された３つのプラズマジェット噴出孔２１，２１，２１に分流される。プラズマジェット噴出孔２１を通過する際に、プラズマＰはプラズマジェットＰＧとなって加速され、このプラズマジェットＰＧがプラズマジェット噴出孔２１から噴出する。

プラズマジェット噴出孔２１内に、第２の供給ガスＧ２を供給する第２供給孔２３が形成されているため、第１の供給ガスから生成されたプラズマＰのエネルギー密度を高め過ぎることなく、プラズマジェット噴出孔２１を通過した際に各プラズマジェットＰＧのエネルギー密度を第２の供給ガスＧ２で高めることができる。

これにより、第１の供給ガスＧ１から生成されたプラズマＰを、陽極ノズル１２の先端部２０で３つのプラズマジェットＰＧに分流させた場合であっても、その分流部分２５がプラズマ生成室１５からのプラズマＰにより溶損することを抑えることができる。さらに、エネルギー密度が高まったプラズマジェットに溶射用粉末を溶融するので、これまで成膜することができなかった高融点の溶射用粉末に対しても成膜することができる。

特に第１の供給ガスＧ１にアルゴンガスを用いたので、第１の供給ガスＧ１であるアルゴンガスで生成されたプラズマ室内のプラズマのエネルギー密度を高め過ぎることなく、より迅速にプラズマを生成することができる。

また、第２の供給ガスＧ２に水素ガス、窒素ガス、またはヘリウムガスが含まれているので、プラズマジェット噴出孔２１を通過した際に各プラズマジェットのエネルギー密度を第２の供給ガスＧ２で高めることができる。また、プラズマジェット噴出孔２１の壁面に沿って第２の供給ガス２Ｇが流れるので、熱的ピンチ効果により、プラズマジェットが収縮し（エネルギー密度が上昇し）、先端部２０に逃げる熱量を低減することができる。

特に、プラズマジェット噴出孔２１内で、第２の供給ガスＧ２により、プラズマジェットＰＧに、旋回流を発生させたので、プラズマジェット噴出孔２１とプラズマジェットＰＧとの間に第２の供給ガスＧ２が入り込み易くなる。これにより、上述した熱的ピンチ効果をより一層高めることができる。

本発明を以下の実施例に基づいて説明する。
＜実施例１＞
図１に示すプラズマ溶射装置を用いて、Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる溶射用粉末のプラズマ溶射を行った。具体的には、表１に示すように、陰極電極と陽極ノズルとの間に電圧を印加するための電源の出力を３０ｋｗとし、上流側の第１の供給ガスにアルゴンガスを１０Ｌ／分でプラズマ生成室の上流室に供給し、下流側の第１の供給ガスに、アルゴンガスを２０Ｌ／分でプラズマ生成室の下流室に供給した。次に、第２の供給ガスとして、アルゴン（４Ｌ／分）、水素ガス（９Ｌ／分）の混合ガスをプラズマジェット噴出孔に供給した。この時の水素濃度は、２１体積％である。

このような条件で、プラズマ溶射を行っている際の、ノズル先端の冷却水の出口温度を測定した。また、ノズル先端の溶損状態の確認を行った。さらに、溶射用粉末の付着効率を測定した。これらの結果を表１に示す。

＜実施例２＞
実施例１と同じように、プラズマ溶射を行った。実施例１と相違する点は、表１に示すように、第２の供給ガスとして、アルゴン（１０Ｌ／分）、水素ガス（３Ｌ／分）の混合ガスをプラズマジェット噴出孔に供給した点である。実施例１と同様に、ノズル先端の冷却水の出口温度の測定、ノズル先端の溶損状態、溶射用粉末の付着効率の測定を行った。

＜比較例＞
実施例１と同じように、プラズマ溶射を行った。実施例１と相違する点は、表１に示すように、下流側の第１の供給ガスにアルゴンガス（３０Ｌ／分）、水素ガス（３Ｌ／分）の混合ガスをプラズマ生成室の下流室に供給し、第２の供給ガスは供給していない点である。実施例１と同様に、ノズル先端の冷却水の出口温度の測定、ノズル先端の溶損状態、溶射用粉末の付着効率の測定を行った。

（結果）
表１に示すように、実施例１および２の冷却水の出口温度は、比較例のものよりも低かった。これは、実施例１および２の場合には、第２の供給ガスに水素ガスを含有させたことで、熱的ピンチ効果により、プラズマジェットからプラズマジェット噴出孔の壁面への熱伝達が低減されたことによると考えられる。

また、実施例１および２の場合には、分流部分の溶損はなかったが、比較例の場合には、分流部分が溶損していた。これは、比較例１の場合には、下流側の第１の供給ガス（Ｌ／分）に水素ガスを含有させたことにより、水素ガスが解離し、プラズマのエネルギー密度が高まったからであると考えられる。

さらに、実施例１および２の場合には、プラズマ溶射により成膜できたが、比較例の場合には成膜できなかった。これは、プラズマジェット噴出孔に第２の供給ガスとして水素ガスを供給することにより、プラズマジェットのエネルギー密度（熱量）を高めることができたからであると考えられる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０：プラズマ溶射装置、１１：陰極電極、１２：陽極ノズル、１３：電源、１４：絶縁板、１５：プラズマ生成室、１５ａ：上流室、１５ｂ：下流室、１６Ａ，１６Ｂ：第１供給孔、１８：絞り弁、２０：先端部、２１：プラズマジェット噴出孔、２３：第２供給孔、２２：粉末放出孔、２５：分流部分、ＣＬ：軸心、Ｇ１：第１の供給ガス、Ｇ２：第２の供給ガス、Ｐ：プラズマ、ＰＧ：プラズマジェット

Claims (4)

1. 陰極電極と、該陰極電極に対向する位置に配置されたプラズマジェットを噴出する陽極ノズルとを備え、前記陰極電極と前記陽極ノズルとの間で発生したプラズマアークに第１の供給ガスを供給することで、前記陰極電極と前記陽極ノズルとの間に前記プラズマジェットとなるプラズマを生成するプラズマ生成室が形成されたプラズマ溶射装置であって、
   前記陽極ノズルの先端部には、前記陽極ノズルから噴出するプラズマジェットの噴出方向における前記陽極ノズルの軸心の周りに、前記プラズマ生成室で生成されたプラズマを複数のプラズマジェットに分流し、分流された前記プラズマジェットが噴出する複数のプラズマジェット噴出孔と、該複数のプラズマジェット噴出孔で囲まれた前記軸心に沿った位置から溶射用粉末を放出する粉末放出孔と、が形成されており、
   前記陽極ノズルの前記先端部には、前記各プラズマジェット噴出孔内を流れる前記プラズマジェットに第２の供給ガスを供給する供給孔がさらに形成されていることを特徴とするプラズマ溶射装置。
2. 前記第２の供給ガスを供給する供給孔は、前記プラズマジェット噴出孔の壁面に沿って前記第２の供給ガスが流れるように、形成され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。
3. 前記陽極ノズルには、前記第１の供給ガスを供給する第１供給孔と、前記第２の供給ガスを供給する供給孔である第２供給孔と、が形成されており、
   前記第１供給孔は、前記プラズマ生成室内で生成されたプラズマに、前記陽極ノズルの前記軸心の周りに旋回流が発生するように、形成されており、
   前記第２供給孔は、前記プラズマジェット噴出孔内で前記旋回流と同じ方向に前記各プラズマジェットに旋回流が発生するように、形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ溶射装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ溶射装置を用いたプラズマ溶射方法であって、
   前記第１の供給ガスに、アルゴンガスを用い、
   前記第２の供給ガスに、水素ガス、窒素ガス、またはヘリウムガスを含むガスを用いることを特徴とするプラズマ溶射方法。

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