JP2016044320A - プラズマ溶射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶射ノズルに溶射用粉末を付着させることなく、シールドガスの消費量を抑えつつ、プラズマジェットに歩留りよく溶射用粉末を供給することができるプラズマ溶射装置を提供する。【解決手段】溶射ガン１０が、溶射ガン１０の先端に、プラズマジェットを放出する溶射ノズル４０を備えているプラズマ溶射装置１。溶射ノズル４０には、溶射ガン１０内のプラズマＰを、主流ジェットＭＧと、主流ジェットＭＧの周りを流れる副流ジェットＳＧとからなるプラズマジェットに分流する分流部５０が形成されており、さらに、溶射ノズル４０から噴出する主流ジェットＭＧと副流ジェットＳＧとの間から、溶射用粉末Ｗを主流ジェットＭＧに供給する粉末供給孔３５と、が形成されているプラズマ溶射装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、陰極電極と陽極電極との間で発生したプラズマアークで、プラズマ化したプラズマジェットを、溶射用粉末と共にワークに吹き付ける溶射ガンを備えたプラズマ溶射装置に関するものである。

従来から、プラズマ溶射を行う際には、陽極と陰極との間に電圧を印加することにより、プラズマアークを発生させ、このプラズマアークに不活性ガスなどの供給ガスを接触させ、供給ガスをプラズマ化する（プラズマを生成する）。生成されたプラズマを溶射ガンで加速させて、プラズマジェットとするとともに、このプラズマジェットに溶射用粉末（成膜用粉末）を供給する。供給された溶射用粉末はプラズマジェットで溶融し、プラズマジェットとともにワークに吹き付けられる。このようにして、ワークの表面に、溶射用粉末の材料からなる溶射皮膜を成膜することができる。

このような技術として、たとえば、特許文献１には、プラズマジェットを、溶射用粉末と共にワークに吹き付ける溶射ガンを備えたプラズマ溶射装置が開示されている。この溶射ガンは、その先端に、プラズマジェットを放出する溶射ノズルを備えている。溶射ノズルには、プラズマジェットを流すノズル孔（噴出孔）が形成され、ノズル孔にはプラズマジェットが流れる方向に直交する方向に、溶射用粉末を供給する粉末供給孔が形成されている。さらに、ノズル孔の回りには、溶射ガンの外部から、別途供給されたガスを、プラズマジェットの回りにシールドガスとして流すシールドガス供給孔が形成されている。

特開２０１３−７１０２８号公報

しかしながら、上述した装置では、プラズマジェットが流れる方向に直交する方向に溶射用粉末が供給されるため、供給された溶射用粉末がプラズマジェットで弾かれたり、あるいは溶射用粉末が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、材料歩留りの悪化に繋がることがあった。また、溶射用粉末の供給位置が、ノズル内にあるため、溶融した溶射用粉末がノズル孔（噴出孔）の付着することがあり、安定した吹き付けができないことがあった。

さらに、上述した装置には、別途、ガス供給源から供給された不活性ガスをシールドガスとしてプラズマジェットの回りに流し、溶融し溶射用粉末の酸化を抑制しているが、この際プラズマジェットの回りに流すシールドガスを多量に消費することがあった。

本発明は、前記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶射ノズルのプラズマジェットが通過する噴出孔に、溶射用粉末を付着させることなく、シールドガスの消費量を抑えつつ、プラズマジェットに歩留りよく溶射用粉末を供給す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。

前記課題を解決すべく、本発明に係るプラズマ溶射装置は、陰極電極と陽極電極との間で発生したプラズマアークで、供給ガスをプラズマ化したプラズマジェットを、溶射用粉末と共にワークに吹き付ける溶射ガンを備えたプラズマ溶射装置であって、前記溶射ガンは、該溶射ガンの先端に、前記プラズマジェットを放出する溶射ノズルを備えており、該溶射ノズルには、該溶射ガン内のプラズマを、主流ジェットと、該主流ジェットの周りを流れる副流ジェットとからなる前記プラズマジェットに分流する分流部と、該溶射ノズルから噴出する前記主流ジェットと前記副流ジェットとの間から、前記溶射用粉末を前記主流ジェットに供給する粉末供給孔と、が形成されていることを特徴とする。

本発明に係るプラズマ溶射装置によれば、陽極電極と陰極電極との間で発生したプラズマアークに供給ガスを接触させることにより、プラズマを生成し、このプラズマを溶射ノズルの分流部で、主流ジェットと副流ジェットに分流することができる。分流された主流ジェットの周りには、主流ジェットをシールドするように、副流ジェットが流れる。そして、溶射ノズルから噴出する主流ジェットと副流ジェットとの間から、粉末供給孔を通過した溶射用粉末を、主流ジェットに供給することができる。

このような結果、溶射ノズルの前方に噴出した主流ジェットに、溶射用粉末を供給するので、溶射用粉末を溶射ノズル内のプラズマジェットが噴出する噴出孔に付着することがない。また、上述した供給により、溶射用粉末がプラズマジェットで弾かれたり、あるいは溶射用粉末がプラズマジェットを突き抜けたりすることがないので、成膜に対する溶射用粉末の歩留りを向上させることができる。

さらに、従来のシールドガスの役割を、プラズマを分流した副流ジェットが担うので、別途シールドガスの供給を行うことなく、主流ジェットに供給された溶射用粉末の酸化を低減することができる。

前記分流部は、前記主流ジェットが流れる主噴出孔と、前記副流ジェットが流れる副噴出孔と、有しており、前記副噴出孔は、前記プラズマを複数の副流ジェットに分流する複数の第１副流孔と、各第１副流孔を通過した複数の副流ジェットを合流させ、合流させた副流ジェットを放出する第２副流孔と、を備える。

この態様によれば、副流ジェットが流れる副噴出孔は、プラズマを複数の副流ジェットに分流する複数の第１副流孔が形成されているので、各第１副流孔内において、第１副流孔の流れ方向に沿って副流ジェットが整流化される。整流化された副流ジェットは、第２の噴出孔において合流するので、主流ジェットの周りに、安定した副流ジェットを供給することができる。

さらにより好ましい態様としては、前記第２副流孔は、前記主噴出孔から噴出する前記主流ジェットに向かって前記副流ジェットが噴出するように、前記主流ジェットが噴出する方向に対して傾斜している。この態様によれば、第２副流孔から副流ジェットは、主流ジェットに向かって噴出することになるので、溶射用粉末が供給された主流ジェットの周りから、主流ジェットに副流ジェットを合流させることができる。

さらに好ましい態様としては、前記主流ジェットが流れる方向に沿った前記主噴出孔の中心線周りに、前記プラズマに旋回流が形成されるように、前記供給ガスを溶射ガン内に供給するガス供給孔が形成されており、前記各第１噴出孔は、前記副流ジェットの流路断面が円形となるように形成されている。

この態様によれば、主噴出孔に、旋回流が形成されたプラズマを加速して通過させて主流ジェットとすることにより、主流ジェットにも旋回流が形成される。これにより、主流ジェットを安定して溶射ノズルから噴出することができる。一方、副噴出孔の第１副流孔は、副流ジェットの流路断面が円形となるように形成されているので、旋回流が形成されたプラズマ（副流ジェット）を、第１副流孔内において第１副流孔の流れ方向に沿って整流化することができる。

本発明によれば、溶射ノズルのプラズマジェットが通過する噴出孔に、溶射用粉末を付着させることなく、シールドガスの消費量を抑えつつ、プラズマジェットに歩留りよく溶射用粉末を供給することができる。

本発明の第１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線矢視断面図。 図１に示す溶射ノズルの分解斜視図。 図３に示す溶射ノズルの平面図であり、（ａ）は溶射ノズルのノズル基端側から見た平面図、（ｂ）は溶射ノズルのうち第２チップのノズル基端側から見た平面図、（ｃ）は溶射ノズルのノズル先端側から見た平面図。 （ａ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図であり、（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面図。 （ａ）は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ溶射装置の模式的断面図であり、（ｂ）は、溶射ノズルのノズル基端側から見た平面図。

以下の本発明のプラズマ溶射装置の２つの実施形態を図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
１．プラズマ溶射装置について
図１は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ溶射装置１の模式的断面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線矢視断面図であり、図３は、図１に示す溶射ノズル４０の分解斜視図である。

図４は、図３に示す溶射ノズル４０の平面図であり、（ａ）は溶射ノズル４０のノズル基端側から見た平面図、（ｂ）は溶射ノズル４０のうち第２チップ３０のノズル基端側から見た平面図、（ｃ）は溶射ノズル４０のノズル先端側から見た平面図である。図５（ａ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図であり、図５（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面図である。

図１に示すように、プラズマ溶射装置１は、溶射ガン１０を備えており、溶射ガン１０は、ガン本体となるハウジング１６を備えており、ハウジング１６には、陰極電極１２と、陰極電極１２と対向する位置に配置された陽極電極１１とが取付けられている。

陽極電極１１および陰極電極１２は銅などの金属材料からなり、陰極電極１２は、先端が尖った円柱状の部材であり、陽極電極１１は、陰極電極１２の周面を覆うように形成された筒状の部材である。

陽極電極１１と陰極電極１２とは、電源１３に接続されている。これにより、陽極電極１１と陰極電極１２との間に電圧を印加し、これらの間にプラズマアークを発生させることができる。さらに、ハウジング１６には、その内部にプラズマ化されるガスとして、アルゴンガス、水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガスなどの供給ガスＧをハウジング１６内部のプラズマ生成室１７に供給する一対のガス供給孔１６ａ，１６ａが形成されている。

これにより、プラズマ生成室１７内で、陽極電極１１と陰極電極１２との間で発生したプラズマアークに供給ガスＧを接触させ、供給ガスＧをプラズマ化することができる（プラズマＰを生成することができる）。

さらに一対のガス供給孔１６ａ、１６ａは、後述する主流ジェットＭＧが流れる方向に沿った主噴出孔４１の中心線ＣＬ周りに（図面では左回りに）、生成されたプラズマＰに旋回流が形成されるように、形成されている。より具体的には、本実施形態では、図２に示すように、一対のガス供給孔１６ａ、１６ａは、プラズマ生成室１７の円周面の接線方向に沿って供給ガスＧが供給可能に形成されている。

本実施形態では、溶射ガン１０は、溶射ガン１０の先端に、プラズマジェットを放出する溶射ノズル４０を備えている。溶射ノズル４０は、プラズマジェットを放出するための孔（後述する主噴出孔４１等）が形成されており、この孔をプラズマＰが通過する際に、プラズマＰは加速されプラズマジェットとなる。プラズマジェットは、後述する主流ジェットＭＧと、副流ジェットＳＧとからなる。なお、副流ジェットＳＧは溶射ノズル４０から放出される際に、ガス化しているものも含む。

なお、本明細書では、プラズマ生成室１７内で生成されたものを「プラズマ」と称し、溶射ノズル４０内で加速されたプラズマおよび溶射ノズル４０から噴出したプラズマを「プラズマジェット」と称する。

本実施形態では溶射ノズル４０は、溶射ノズル４０の基端側に配置された円板状の第１チップ２０と、第１チップ２０に当接し、溶射ノズル４０の先端側に配置された円板状の第２チップ３０と、で構成されている。

溶射ノズル４０には、溶射ガン１０内のプラズマＰを、主流ジェットＭＧと、主流ジェットＭＧをシールドするようにその周りを流れる副流ジェットＳＧと、からなるプラズマジェットに分流する分流部５０が形成されている。分流部５０は、主流ジェットＭＧが流れる主噴出孔４１と、副流ジェットＳＧが流れる副噴出孔４２と、を有している。

より具体的には、図３に示すように、主噴出孔４１は、主流ジェットＭＧが通過する流路断面が円形であり、第１チップ２０の中央には、主噴出孔４１の一部となる主貫通孔２１が形成されており、第２チップ３０の中央にも、主噴出孔４１の一部となる同じ断面形状の主貫通孔３１が形成されている。このようにして、第１チップ２０と第２チップ３０とを重ね合わせることにより、溶射ノズル４０の中央に、主噴出孔４１が形成される。

副流ジェットＳＧが通過する副噴出孔４２は、４つ（複数）の第１副流孔２２と、これらの第１副流孔２２に連通する１つの第２副流孔３２とを有している。図３および図４（ａ）に示すように、４つの第１副流孔２２は、副流ジェットＳＧの流路断面が円形となるように第１チップ２０に形成された貫通孔であり、主噴出孔４１の周りに等間隔に形成されている。これにより、プラズマ生成室１７で生成されたプラズマＰを複数の副流ジェットＳＧに分流することができる。

さらに、図３および図４（ｂ），（ｃ）に示すように、第２副流孔３２は、各第１副流孔２２を通過した副流ジェットＳＧを合流させ、合流した副流ジェットＳＧを噴出するように形成されている。具体的には、第２副流孔３２は、２つの第１副流孔２２に連通するように形成された一対の扇状スリット３２ａ（図４（ｂ）参照）と、一対の扇状スリット３２ａに連通するように形成された環状スリット３２ｂ（図４（ｃ）参照）と、で構成されている。

図５（ａ）に示すように、第２副流孔３２の一部である環状スリット３２ｂは、主噴出孔４１から噴出する主流ジェットＭＧに向かって副流ジェットＳＧが噴出するように、主流ジェットＭＧが噴出する方向（主噴出孔４１の中心線ＣＬ）に対して傾斜している。

さらに、図１および図３に示すように、第２チップ３０には、溶射用粉末Ｗを主流ジェットＭＧに供給する粉末供給孔３５が形成されている。図３および図５（ｂ）に示すように、粉末供給孔３５の入口は、第２チップ３０の側面に形成されており、粉末供給孔３５は、溶射ノズル４０から噴出する主流ジェットＭＧと副流ジェットＳＧとの間から、溶射用粉末Ｗを主流ジェットＭＧに供給するように形成されている。具体的には、粉末供給孔３５は、主噴出孔４１から噴出する主流ジェットＭＧに向かって溶射用粉末Ｗが放出するように、主流ジェットＭＧが噴出する方向（中心線ＣＬ）に対して傾斜している。

２．プラズマ溶射方法について
まず、陰極電極１２と陽極電極１１と間に電源１３で電圧を印加することにより、これらの間（プラズマ生成室１７）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ガス供給孔１６ａ，１６ａを介して、プラズマ生成室１７に供給ガスＧを供給する。これにより、プラズマアークに供給ガスＧを接触させることにより、プラズマ生成室１７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、プラズマ生成室１７内の中心線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。

プラズマ生成室１７で旋回流が形成されたプラズマＰは、溶射ノズル４０の分流部５０で、主流ジェットＭＧと副流ジェットＳＧに分流することができる。主噴出孔４１に、旋回流が形成されたプラズマＰを加速して通過させ、主流ジェットＭＧとすることにより、主流ジェットＭＧにも旋回流が形成される。これにより、主流ジェットＭＧを安定して溶射ノズル４０から噴出させることができる。

一方、プラズマＰを複数の副流ジェットＳＧに分流する複数の第１副流孔２２が形成されているので、各第１副流孔２２内において、第１副流孔２２の流れ方向に沿って副流ジェットＳＧが整流化される。特に、第１副流孔２２は、副流ジェットＳＧの流路断面が円形となるように形成されているので、旋回流が形成されたプラズマＰの流れを、第１副流孔内において第１副流孔２２の流れ方向に沿ってより好適に整流化することができる。

整流化された副流ジェットは、扇状スリット３２ａと、一対の扇状スリット３２ａに連通する環状スリット３２ｂにより、第２副流孔３２内において合流するので、主流ジェットＭＧの周りに、安定した副流ジェットＳＧを供給することができる。

溶射ノズル４０から放出された主流ジェットＭＧの周りには、主流ジェットＭＧをシールドするように、副流ジェットＳＧが流れる。溶射ノズル４０から噴出する主流ジェットＭＧと副流ジェットＳＧとの間から、粉末供給孔３５を通過した溶射用粉末Ｗを、主流ジェットＭＧに供給することができる。これにより、溶融した溶射用粉末Ｗを、主流ジェットＭＧと共にワークに吹き付けることができる。

このような結果、溶射ノズル４０の前方に噴出した主流ジェットＭＧに、溶射用粉末Ｗを供給するので、溶射用粉末Ｗを溶射ノズル内のプラズマジェットが噴出する噴出孔に付着することがない。また、上述した供給により溶射用粉末Ｗがプラズマジェットで弾かれたり、あるいは溶射用粉末Ｗがプラズマジェットを突き抜けたりすることがないので、成膜に対する溶射用粉末の歩留りを向上させることができる。

従来のシールドガスの役割を、プラズマを分流した副流ジェットＳＧが担うので、別途シールドガスの供給を行うことなく、主流ジェットＭＧに供給された溶射用粉末の酸化を低減することができる。本実施形態では、副噴出孔４２の第２副流孔３２の環状スリット３２ｂから副流ジェットＳＧが、主流ジェットＭＧに向かって噴出することになるので、溶射用粉末Ｗが供給された主流ジェットＭＧの周りから、主流ジェットＭＧに副流ジェットＳＧを合流させ、これをワークに吹き付けることができる。

〔第２実施形態〕
図６（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ溶射装置の模式的断面図であり、（ｂ）は、溶射ノズルのノズル基端側から見た平面図である。第２実施形態に係るプラズマ溶射装置が、第１実施形態のものと相違する点は、ガス供給孔の位置と、溶射ノズルの第１チップの第１副流孔の形状である。したがって、第１実施形態と同じ機能を有するものには、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

第１実施形態では、プラズマ生成室１７で生成させたプラズマＰに旋回流が発生するように、ガス供給孔１６ａを形成したが、例えば、図６（ａ）に示すように、中心線ＣＬに沿った方向に供給ガスＧが供給されるように、ガス供給孔１６ａ’を形成してもよい。この場合には、第１チップ２０の第１副流孔２２’を扇型状のスリットにしたとしても、プラズマＰに旋回流が形成されていないので、第１副流孔２２’内で、副流ジェットＳＧを容易に整流化することができる。

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。

１、１’：プラズマ溶射装置、１０，１０’：溶射ガン、１１：陽極電極、１２：陰極電極、１３：電源、１７：プラズマ生成室、１５ａ：上流室、１５ｂ：下流室、１６：ハウジング、１６ａ，１６ａ’：ガス供給孔、２０，２０’：第１チップ、２１：主貫通孔、２２，２２’：第１副流孔、３０：第２チップ、３１：主貫通孔、３２：第２副流孔、３２ａ：扇状スリット、３２ｂ：環状スリット、３５：粉末供給孔、４０，４０’：溶射ノズル、４１：主噴出孔、４２：副噴出孔、５０：分流部、ＣＬ：中心線、ＭＧ：主流ジェット、Ｐ：プラズマ、ＳＧ：副流ジェット、Ｗ：溶射用粉末

Claims (4)

1. 陰極電極と陽極電極との間で発生したプラズマアークで、供給ガスをプラズマ化したプラズマジェットを、溶射用粉末と共にワークに吹き付ける溶射ガンを備えたプラズマ溶射装置であって、
   前記溶射ガンは、該溶射ガンの先端に、前記プラズマジェットを放出する溶射ノズルを備えており、
   該溶射ノズルには、該溶射ガン内のプラズマを、主流ジェットと、該主流ジェットの周りを流れる副流ジェットとからなる前記プラズマジェットに分流する分流部と、
   前記溶射ノズルから噴出する前記主流ジェットと前記副流ジェットとの間から、前記溶射用粉末を前記主流ジェットに供給する粉末供給孔と、が形成されていることを特徴とするプラズマ溶射装置。
2. 前記分流部は、前記主流ジェットが流れる主噴出孔と、前記副流ジェットが流れる副噴出孔と、有しており、
   前記副噴出孔は、前記プラズマを複数の副流ジェットに分流する複数の第１副流孔と、各第１副流孔を通過した複数の副流ジェットを合流させ、合流させた副流ジェットを噴出する第２副流孔と、を備え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. 前記第２副流孔は、前記主噴出孔から噴出する前記主流ジェットに向かって前記副流ジェットが噴出するように、前記主流ジェットが噴出する方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ溶射装置。
4. 前記主流ジェットが流れる方向に沿った前記主噴出孔の中心線周りに、前記プラズマに旋回流が形成されるように、前記供給ガスを前記溶射ガン内に供給するガス供給孔が形成されており、
   前記各第１副流孔は、前記副流ジェットの流路断面が円形となるように形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のプラズマ溶射装置。

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