JP2018202361A - プラズマ溶射ヘッド、プラズマ溶射装置及びプラズマ溶射方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の溶射銃の間隔を狭く配置することが可能なプラズマ溶射ヘッドを提供すること。【解決手段】一実施形態のプラズマ溶射ヘッドは、溶射材料の粉末をプラズマにより溶融し、溶融した粉末により被対象物に成膜するプラズマ溶射ヘッドであって、前記溶射材料の粉末をプラズマ生成ガスにより運び、先端部の開口から噴射するノズルと、前記ノズルが噴射する前記プラズマ生成ガスを直流電源が出力する電力により分解して前記ノズルと軸芯が共通するプラズマを生成するプラズマ生成部と、を含む溶射銃と、複数の前記溶射銃を一体支持し、内部に冷媒が通流する冷媒流路を含む本体部と、を有する。【選択図】図１
Description
本発明は、プラズマ溶射ヘッド、プラズマ溶射装置及びプラズマ溶射方法に関する。
溶射材料の粒子の粉末を高速のガスから形成されたプラズマジェットの熱により溶融しながら基材の表面に向かって噴き出し、基材の表面に被膜を形成するプラズマ溶射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、例えば長尺物に成膜する場合や、成膜の前後にアニール処理を行う場合には、複数の溶射銃を狭ピッチで配置することが求められる。
しかしながら、上記のプラズマ溶射装置では、粉末のサイズが大きく、溶射材料の粉末を溶射銃の外部から供給するため、溶射銃のサイズが大きく、複数の溶射銃を狭ピッチで配置することが困難である。また、粉末を溶融する際の電力が高いため、発熱の問題から複数の溶射銃を狭ピッチで配置することが困難である。
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、複数の溶射銃の間隔を狭く配置することが可能なプラズマ溶射ヘッドを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るプラズマ溶射ヘッドは、溶射材料の粉末をプラズマにより溶融し、溶融した粉末により被対象物に成膜するプラズマ溶射ヘッドであって、前記溶射材料の粉末をプラズマ生成ガスにより運び、先端部の開口から噴射するノズルと、前記ノズルが噴射する前記プラズマ生成ガスを直流電源が出力する電力により分解して前記ノズルと軸芯が共通するプラズマを生成するプラズマ生成部と、を含む溶射銃と、複数の前記溶射銃を一体支持し、内部に冷媒が通流する冷媒流路を含む本体部と、を有する。
開示のプラズマ溶射ヘッドによれば、複数の溶射銃の間隔を狭く配置することができる。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
〔プラズマ溶射装置〕
本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置の概略図である。図２は、図１のプラズマ溶射装置のプラズマ溶射ヘッドの一例を示す斜視図である。図３は、図２のプラズマ溶射ヘッドの本体部を説明するための図である。図４は、図２のプラズマ溶射ヘッドのノズルの中心軸を通る縦断面図である。図５は、図２のプラズマ溶射ヘッドの横断面図である。
本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置の概略図である。図２は、図１のプラズマ溶射装置のプラズマ溶射ヘッドの一例を示す斜視図である。図３は、図２のプラズマ溶射ヘッドの本体部を説明するための図である。図４は、図２のプラズマ溶射ヘッドのノズルの中心軸を通る縦断面図である。図５は、図２のプラズマ溶射ヘッドの横断面図である。
図１に示されるように、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置１は、溶射材料の粉末Ｒ１をノズル２６の先端部２６ｂの開口２６ｃから噴射して、高速のガスにより形成されたプラズマジェットＰの熱により溶融しながら被対象物である基材の表面に向かって噴き出し、基材の表面に溶射材料を含む膜を形成する装置である。基材の一例としては、リチウム（Ｌｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金属化合物（ステンレス等）、絶縁膜（エンジニアリングプラスチック、セラミックス）等が挙げられる。
プラズマ溶射装置１は、フィーダー１０と、プラズマ溶射ヘッド２０と、ガス供給部３０と、チラーユニット４０と、直流電源５０とを有する。
フィーダー１０は、溶射材料の粉末Ｒ１をノズル２６に供給する。溶射材料の粉末Ｒ１は、フィーダー１０内の容器１１に収納されている。溶射材料の粉末Ｒ１は、例えば１μｍ〜５０μｍの粒径の微粉末である。フィーダー１０には、アクチュエータ１２が設けられている。
プラズマ溶射ヘッド２０は、本体部２１と、複数の溶射銃２５とを有する。本実施形態では、プラズマ溶射ヘッド２０は、図１及び図２に示されるように、４つの溶射銃２５が本体部２１に一体支持されている。
本体部２１は、複数の溶射銃２５を一体支持するセラミック等の絶縁部材である。本体部２１には、図３に示されるように、複数の溶射銃２５を挿通可能に構成された複数の貫通孔２１ａが形成されている。本実施形態では、４つの貫通孔２１ａが本体部２１の長手方向に沿って形成されている。本体部２１の長手方向の長さＬ１は１５５ｍｍであり、隣接する貫通孔２１ａの中心間距離Ｌ２は３５ｍｍである。
本体部２１の内部には、図１及び図４に示されるように、冷媒が通流する冷媒流路２１ｂが形成されている。冷媒流路２１ｂは、複数の溶射銃２５の各々の周辺に設けられている。冷媒流路２１ｂには、チラーユニット４０から冷媒が供給される。これにより、本体部２１が冷却されるので、本体部２１がプラズマの熱により高温になることを防止できる。
本体部２１は、例えば３Ｄプリンタに読み込まれる本体部用３Ｄデータに基づき３Ｄプリンタにより成形される。本体部３Ｄデータには、本体部２１の内部に形成される旋回流構造、冷媒流路２１ｂ、並びに溶射銃２５が挿入される複数の貫通孔２１ａの形状、配置、及び寸法データが含まれる。３Ｄプリンタは、本体部用３Ｄデータに基づき、旋回流構造、冷媒流路２１ｂ、溶射銃２５を挿入する複数の貫通孔２１ａを内部に作り込んだ本体部２１を一体形成することで、複数の溶射銃２５を狭ピッチで配置し、装置のコンパクト化とハードウェアの部品点数の低減（Ｏリングを減らす等）を図ることができる。
また、本体部２１は、光造形３Ｄプリンタを使ってセラミックの原料を含んだ成形物を作製し、作製した成形物を焼結させるセラミック３Ｄ焼成等の３Ｄ焼結技術により成形されてもよい。
溶射銃２５は、フィーダー１０から供給される溶射材料の粉末Ｒ１を、ガス供給部３０から供給されるプラズマ生成ガスにより運び、直流電源５０により供給される電力を用いてプラズマ生成ガスを電離（解離）させてプラズマジェットＰを生成する。そして、プラズマジェットＰの熱により溶射材料の粉末Ｒ１を溶融しながら基材の表面に向かって噴き出す。溶射銃２５は、ノズル２６と、回転流ディスク２７と、アノード部２８とを有する。
ノズル２６は、棒状の環状部材であり、その内部に溶射材料の粉末Ｒ１が運ばれる流路２６ａが形成されている。ノズル２６の流路２６ａと容器１１内とは連通する。溶射材料の粉末Ｒ１は、アクチュエータ１２の動力により容器１１を振動させることで、容器１１からノズル２６内の流路２６ａに投入される。ノズル２６には、溶射材料の粉末Ｒ１と共にプラズマ生成ガスが供給される。プラズマ生成ガスは、プラズマを生成するためのガスであり、また、流路２６ａにて溶射材料の粉末Ｒ１を運ぶキャリアガスとしても機能する。
ノズル２６は、本体部２１を貫通し、その先端部２６ｂがプラズマ生成空間Ｕに突出する。本実施形態では、ノズル２６は、固定部材２９ａ及び締結部材２９ｂにより本体部２１に固定されている。溶射材料の粉末Ｒ１は、プラズマ生成ガスによりノズル２６の先端部２６ｂまで運搬され、プラズマ生成ガスと共に先端部２６ｂの開口２６ｃからプラズマ生成空間Ｕに噴射される。ノズル２６は、金属材料により形成されている。ノズル２６は、直流電源５０に接続され、直流電源５０から電流が供給される電極（カソード）としても機能する。
回転流ディスク２７は、本体部２１の貫通孔２１ａに挿通されている。回転流ディスク２７は、絶縁材料により形成されている。回転流ディスク２７の内部には、プラズマ生成空間Ｕにプラズマ生成ガスを供給するガス流路２７ａが形成されている。ガス流路２７ａには、ガス供給部３０からプラズマ生成ガスが供給される。
アノード部２８は、本体部２１の下方から貫通孔２１ａに挿通されている。アノード部２８は、金属材料により形成されている。アノード部２８は、直流電源５０に接続されており、電極（アノード）として機能する。
プラズマ生成空間Ｕは、主に回転流ディスク２７の内周部２７ｂと、アノード部２８の上部２８ａとにより画定された空間である。プラズマ生成空間Ｕには、ノズル２６の先端部２６ｂが突出している。
ガス供給部３０は、ガス供給源３１と、バルブ３２と、マスフローコントローラ３３と、配管３４と、配管３５とを有する。プラズマ生成ガスは、ガス供給源３１から供給され、バルブ３２及びマスフローコントローラ３３を通って開閉及び流量制御され、配管３４を通ってノズル２６内の流路２６ａに供給される。プラズマ生成ガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、水素ガス、これら各種ガスを組み合わせたガス等が利用できる。
また、プラズマ生成ガスは、ガス供給源３１から供給され、バルブ３２及びマスフローコントローラ３３を通って開閉及び流量制御され、配管３５を通って回転流ディスク２７の内部のガス流路２７ａを流れ、横方向からプラズマ生成空間Ｕに供給される。より具体的には、図１及び図５に示されるように、プラズマ生成空間Ｕに導入されるプラズマ生成ガスは、回転流ディスク２７のガス流路２７ａから横方向に旋回流となってプラズマ生成空間Ｕに供給される。これにより、生成されるプラズマの拡散を防ぎ、プラズマジェットＰが直線偏向となる。即ち、ノズル２６と軸芯が共通するプラズマジェットＰが生成される。なお、本実施形態にて「軸芯が共通する」とは、ノズル２６の中心軸ＣとプラズマジェットＰの吹き付け方向の中心軸とが一致する又はほぼ同一方向に一致することをいう。
チラーユニット４０は、冷媒流路２１ｂに冷却水等の冷媒を供給する。チラーユニット４０から供給される冷媒は、冷媒管４１、冷媒流路２１ｂ、及び冷媒管４２を通って循環し、チラーユニット４０に戻る。本実施形態では、溶射銃２５のそれぞれの周囲に形成された冷媒流路２１ｂは、互いに並列に接続されている。なお、溶射銃２５のそれぞれの周囲に形成された冷媒流路２１ｂは、互いに直列に接続されていてもよい。
直流電源５０は、所定電力（例えば、５００Ｗ〜２０ｋＷ）をノズル２６の先端部２６ｂとアノード部２８との間に供給する。これにより、ノズル２６の先端部２６ｂとアノード部２８との間で放電が生じ、プラズマ生成空間Ｕにおいてノズル２６から噴射したプラズマ生成ガスが電離（分解）され、プラズマが生成される。
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置１は、本体部２１が複数の溶射銃２５を一体支持する構造を有するので、複数の溶射銃２５の間隔を狭く配置できる。これにより、プラズマ溶射ヘッド２０の省スペース化を実現できる。
また、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置１では、本体部２１の内部に冷媒が通流する冷媒流路２１ｂが形成されているので、本体部２１がプラズマの熱により高温になることを防止できる。
また、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置１では、複数の溶射銃２５に対し、１つのフィーダー１０から溶射材料の粉末Ｒ１が供給され、１つのガス供給部３０からプラズマ生成ガスが供給される。また、１つのチラーユニット４０から冷媒が供給され、１つの直流電源５０から電力が供給される。これにより、プラズマ溶射装置１を構成する部品点数を削減できる。そのため、プラズマ溶射装置１の省スペース化を実現できる。なお、複数の溶射銃２５のそれぞれに対応させて、複数のフィーダー１０、複数のガス供給部３０、複数のチラーユニット４０、及び複数の直流電源５０を設けてもよい。この場合、それぞれの溶射銃２５を異なる条件で動作させることができる。
次に、図１のプラズマ溶射装置１のプラズマ溶射ヘッドの別の例について説明する。図６は、図１のプラズマ溶射装置１のプラズマ溶射ヘッドの別の例を示す断面図である。
図６に示されるように、プラズマ溶射ヘッド１２０は、プラズマ生成ガスの旋回流（以下「旋回ガス」という。）をプラズマ生成空間Ｕに供給するガス流路２７ａが本体部２１の内部に形成されている点で、図２のプラズマ溶射ヘッド２０と異なる。
図６に示されるプラズマ溶射ヘッド１２０では、プラズマ生成空間Ｕに旋回ガスを供給するガス流路２７ａが本体部２１の内部に形成されているので、プラズマ溶射ヘッド１２０を構成する部品点数を削減できる。また、プラズマ溶射ヘッド１２０の組立工数を削減できる。
〔効果〕
本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置１が奏する効果について説明する。
本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置１が奏する効果について説明する。
最初に、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置１を用いることによる生産性の向上への寄与について説明する。図７は、長尺物に成膜処理を行う場合のプラズマ溶射ヘッドの動作の説明図である。
図７に示されるように、基材Ｗが長尺物である場合、本体部２１に４つの溶射銃２５が一体支持されたプラズマ溶射ヘッド２０の短手方向（図中の矢印で示す方向）に基材Ｗを移動させながら、溶射材料の粉末Ｒ１をプラズマジェットＰの熱により溶融しながら基材Ｗの表面に向かって噴き出し、基材Ｗの表面に溶射材料を含む膜を形成する。
この方法により、長尺物に溶射材料を含む膜を形成する際、基材Ｗを１方向（又は１軸の往復）に移動させることにより所望の膜を形成できる。そのため、生産性を高めることができる。また、基材Ｗを移動させる機構を簡素化できる。
なお、図７の例では、基材Ｗを移動させながらプラズマ溶射を行う場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、基材Ｗの移動に代えて、又は基材Ｗの移動と共に、プラズマ溶射ヘッド２０を移動させながらプラズマ溶射を行ってもよい。
次に、アニール処理が膜の密着性に与える影響について説明する。図８は、アニール処理が膜の密着性に与える影響を評価するための評価系の説明図である。
図８に示されるように、４つの溶射銃２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄのうち、溶射銃２５Ｂから水素（Ｈ２）を５％添加したＡｒプラズマ（以下「Ｈ２添加プラズマ」という。）を噴射し、溶射銃２５ＣからＣｕを溶射した状態で、プラズマ溶射ヘッド２０の長手方向に沿って、溶射銃２５Ａの下方、溶射銃２５Ｂの下方、溶射銃２５Ｃの下方、溶射銃２５Ｄの下方の順に基材Ｗを移動させて、基材Ｗの表面にＨ２添加プラズマを噴射してアニール処理を行った後、Ｃｕを溶射してＣｕ溶射膜を形成した。なお、図８において、基材Ｗの移動方向を矢印で示している。
このとき、隣接する溶射銃２５の中心間距離Ｌ２を３５ｍｍ、基材Ｗの表面と溶射銃２５の下面との距離Ｌ３を５０ｍｍ程度、基材Ｗの移動速度を数百ｍｍ／秒とした。また、基材Ｗとしては、Ａｌ、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、鉄（Ｆｅ）系金属を使用した。
また、比較のために、溶射銃２５ＢからＨ２添加プラズマを噴射することなく、溶射銃２５ＣからＣｕを溶射した状態で、プラズマ溶射ヘッド２０の長手方向に沿って、溶射銃２５Ａの下方、溶射銃２５Ｂの下方、溶射銃２５Ｃの下方、溶射銃２５Ｄの下方の順に基材Ｗを移動させて、基材Ｗの表面にＨ２添加プラズマを噴射することなく（アニール処理を行うことなく）、Ｃｕを溶射してＣｕ溶射膜を形成した。
図９は、アニール処理が膜の密着性に与える影響を評価した結果を示す図である。図９では、８種類の試料に対して膜の密着性を評価した試験結果を示している。膜の密着性評価試験は、ＪＩＳＫ５４００−８．５（ＪＩＳＤ０２０２）に準拠して実施した。図９では、左側の列から順に、基材材質、基材の表面粗さ、Ｃｕ溶射膜の厚さ（Ｃｕ溶射厚）、Ｈ２添加プラズマの有無、膜カット時の膜状態、及びテープ剥離時の膜状態を示している。
図９に示されるように、Ｈ２添加プラズマ処理後にＣｕ溶射膜を形成した試料（Ｈ２添加プラズマ：有）では、基材の種類に関わらず、膜カット時に「膜剥がれ」は観測されなかった。また、Ｈ２添加プラズマ処理後にＣｕ溶射膜を形成した試料では、基材としてＡｌ又はＦｅ系金属を用いた場合、テープ剥離時に「膜剥がれ」は観測されず、基材としてＡｌ２Ｏ３を用いた場合、１００マス中のほとんどのマスにおいて膜が残存していることが観測された。
これに対して、Ｈ２添加プラズマ処理を行うことなくＣｕ溶射膜を形成した試料（Ｈ２添加プラズマ：無）では、基材の種類に関わらず、テープ剥離時に多くのマスにおいて「膜剥がれ」が観測された。具体的には、基材としてＡｌを用いた場合、１００マス中のほとんどのマスにおいて「膜剥がれ」が観測された。また、基材としてＡｌ２Ｏ３を用いた場合、１００マス全てにおいて「膜剥がれ」が観測された。また、基材としてＦｅ系金属を用いた場合、８８つのマスにおいて「膜剥がれ」及び「膜めくれ」は観測されなかった（図中「○」で示す。）が、８つのマスにおいて「膜めくれ」が観測され（図中「△」で示す。）、４つのマスにおいて「膜剥がれ」が観測された（図中「×」で示す。）。
このようにＣｕ溶射膜を形成する前にＨ２添加プラズマ処理を行うことで、基材Ｗの表面の酸化膜等を除去（還元）することができ、基材ＷとＣｕ溶射膜との間の密着性が向上したと考えられる。
次に、アニール処理後の経過時間が膜の密着性に与える影響について説明する。図１０は、アニール処理後の経過時間が膜の密着性に与える影響を評価するための評価系の説明図である。
図１０（ａ）に示されるように、４つの溶射銃２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄのうち、溶射銃２５ＢからＨ２添加プラズマを噴射し、溶射銃２５ＣからＣｕを溶射した状態で、プラズマ溶射ヘッド２０の長手方向に沿って、溶射銃２５Ａの下方、溶射銃２５Ｂの下方、溶射銃２５Ｃの下方、溶射銃２５Ｄの下方の順に基材Ｗを移動させて、基材Ｗの表面にＨ２添加プラズマを噴射してアニール処理を行った後、Ｃｕを溶射してＣｕ溶射膜を形成した。なお、図１０（ａ）において、基材Ｗの移動方向を矢印で示している。
溶射条件は、以下の通りである。
＜溶射銃２５Ｂ＞
・電力：６ｋＷ程度
・流路２６ａに供給されるガス：水素５％を添加したＡｒガス
・旋回ガス：水素５％を添加したＡｒガス
・溶射材料の粉末Ｒ１：なし
＜溶射銃２５Ｃ＞
・電力：６ｋＷ程度
・流路２６ａに供給されるガス：水素５％を添加したＡｒガス
・旋回ガス：水素５％を添加したＡｒガス
・溶射材料の粉末Ｒ１：Ｃｕ
・粉末Ｒ１の吐出量：数ｇ／分
＜基材Ｗ＞
・材質：Ａｌ
・移動速度：数百ｍｍ／秒
・基材Ｗと溶射銃２５の下面との距離Ｌ３：５０ｍｍ程度
・電力：６ｋＷ程度
・流路２６ａに供給されるガス：水素５％を添加したＡｒガス
・旋回ガス：水素５％を添加したＡｒガス
・溶射材料の粉末Ｒ１：なし
＜溶射銃２５Ｃ＞
・電力：６ｋＷ程度
・流路２６ａに供給されるガス：水素５％を添加したＡｒガス
・旋回ガス：水素５％を添加したＡｒガス
・溶射材料の粉末Ｒ１：Ｃｕ
・粉末Ｒ１の吐出量：数ｇ／分
＜基材Ｗ＞
・材質：Ａｌ
・移動速度：数百ｍｍ／秒
・基材Ｗと溶射銃２５の下面との距離Ｌ３：５０ｍｍ程度
また、図１０（ｂ）に示されるように、４つの溶射銃２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄのうち、溶射銃２５ＢからＨ２添加プラズマを噴射し、溶射銃２５ＤからＣｕを溶射した状態で、プラズマ溶射ヘッド２０の長手方向に沿って、溶射銃２５Ａの下方、溶射銃２５Ｂの下方、溶射銃２５Ｃの下方、溶射銃２５Ｄの下方の順に基材Ｗを移動させて、基材Ｗの表面にＨ２添加プラズマを噴射してアニール処理を行った後、Ｃｕを溶射してＣｕ溶射膜を形成した。なお、図１０（ｂ）において、基材Ｗの移動方向を矢印で示している。また、溶射銃２５Ｃに代えて溶射銃２５ＤからＣｕを溶射する点以外は前述と同様の溶射条件である。即ち、溶射銃２５ＤからＣｕを溶射する条件は、前述の溶射銃２５ＣからＣｕを溶射する条件と同一である。
また、隣接する溶射銃２５の中心間距離Ｌ２は、３５ｍｍとした。即ち、溶射銃２５ＢからＨ２添加プラズマを噴射し、溶射銃２５ＣからＣｕを溶射した場合、基材ＷにＨ２添加プラズマを噴射した後、０．１秒後にＣｕが溶射される。また、溶射銃２５ＢからＨ２添加プラズマを噴射し、溶射銃２５ＤからＣｕを溶射した場合、基材ＷにＨ２添加プラズマを噴射した後、０．２秒後にＣｕが溶射される。
図１１は、アニール処理後の時間が膜の密着性に与える影響を評価した結果を示す図である。図１１では、３種類の試料に対して膜の密着性を評価した試験結果を示している。膜の密着性評価試験は、２５ｇ荷重のピンセットでＣｕ溶射膜を引っ掻いたときの膜の剥離状態を観測する試験（スクラッチ試験）により実施した。図１１では、左側の列から順に、Ｈ２添加プラズマを噴射してから１５秒後、０．２秒後、０．１秒後にＣｕ溶射膜を形成した試料における膜状態（上段）及びスクラッチ試験結果（下段）を示している。
図１１の上段に示されるように、Ｈ２添加プラズマを噴射してから０．２秒後にＣｕ溶射膜を形成した試料、及びＨ２添加プラズマを噴射してから０．１秒後にＣｕ溶射膜を形成した試料では、基材Ｗの表面にＣｕ溶射膜が成膜されていることが観測された。一方、Ｈ２添加プラズマを噴射してから１５秒後にＣｕ溶射膜を形成した試料では、基材Ｗの表面にＣｕ溶射膜が形成されていない部分が多いことが観測された。即ち、基材Ｗの表面にＣｕ溶射膜を形成しやすいという観点から、Ｈ２添加プラズマを噴射してから０．２秒以下でＣｕを溶射することが好ましく、Ｈ２添加プラズマを噴射してから０．１秒以下でＣｕを溶射することが特に好ましい。
図１１の下段に示されるように、Ｈ２添加プラズマを噴射してから０．１秒後にＣｕを溶射した試料では、スクラッチ試験によりＣｕ溶射膜が剥離しにくいことが観測された。また、Ｈ２添加プラズマを噴射してから０．２秒後にＣｕを溶射した試料では、スクラッチ試験の結果、Ｃｕ溶射膜の一部が剥離することが観測された。一方、Ｈ２添加プラズマを噴射してから１５秒後にＣｕを溶射した試料では、スクラッチ試験の結果、Ｃｕ溶射膜が剥離しやすいことが観測された。即ち、基材Ｗに対するＣｕの密着性を高めるという観点から、Ｈ２添加プラズマを噴射してから０．２秒以下でＣｕを溶射することが好ましく、Ｈ２添加プラズマを噴射してから０．１秒以下でＣｕを溶射することが特に好ましい。
前述したように、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置１では、複数の溶射銃２５の間隔を狭く配置することができるので、Ｈ２添加プラズマを噴射してから短時間で溶射材料の粉末Ｒ１をプラズマジェットＰの熱により溶融しながら基材Ｗの表面に噴射できる。そのため、基材Ｗに対する密着性の高いＣｕ溶射膜を形成できる。
以上、溶射銃２５の間隔を狭く配置した場合の効果について説明した。なお、溶射材料や溶射条件によっては、使用する溶射銃２５の間隔を広げた方がよい場合がある。例えば、隣接する溶射銃２５のプラズマ溶射により熱干渉が生じ、溶射膜の特性が低下する場合がある。この場合には、隣接しない溶射銃２５を使用してもよい。
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
１ プラズマ溶射装置
１０ フィーダー
２０ プラズマ溶射ヘッド
２１ 本体部
２１ａ 貫通孔
２１ｂ 冷媒流路
２５ 溶射銃
２６ ノズル
２７ 回転流ディスク
２７ａ ガス流路
２８ アノード部
３０ ガス供給部
４０ チラーユニット
５０ 直流電源
Ｐ プラズマジェット
Ｒ１ 溶射材料の粉末
１０ フィーダー
２０ プラズマ溶射ヘッド
２１ 本体部
２１ａ 貫通孔
２１ｂ 冷媒流路
２５ 溶射銃
２６ ノズル
２７ 回転流ディスク
２７ａ ガス流路
２８ アノード部
３０ ガス供給部
４０ チラーユニット
５０ 直流電源
Ｐ プラズマジェット
Ｒ１ 溶射材料の粉末
Claims (10)
- 溶射材料の粉末をプラズマにより溶融し、溶融した粉末により被対象物に成膜するプラズマ溶射ヘッドであって、
前記溶射材料の粉末をプラズマ生成ガスにより運び、先端部の開口から噴射するノズルと、前記ノズルが噴射する前記プラズマ生成ガスを直流電源が出力する電力により分解して前記ノズルと軸芯が共通するプラズマを生成するプラズマ生成部と、をそれぞれに含む複数の溶射銃と、
前記複数の溶射銃を一体支持し、内部に冷媒が通流する冷媒流路を含む本体部と、
を有する、
プラズマ溶射ヘッド。 - 前記本体部は、前記複数の溶射銃を挿通可能に構成された複数の貫通孔を有する、
請求項１に記載のプラズマ溶射ヘッド。 - 隣接する前記貫通孔の中心間距離は、７０ｍｍ以下である、
請求項２に記載のプラズマ溶射ヘッド。 - 前記プラズマ生成ガスが噴射されるプラズマ生成空間に旋回流を形成するガスを供給するガス流路を有する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ溶射ヘッド。 - 前記ガス流路は、前記本体部の内部に形成されている、
請求項４に記載のプラズマ溶射ヘッド。 - 前記本体部は、３Ｄプリンタに読み込まれる本体部用３Ｄデータに基づき、３Ｄプリンタまたは３Ｄ焼結技術により成形される、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマ溶射ヘッド。 - 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプラズマ溶射ヘッドと、
前記プラズマ溶射ヘッドに前記溶射材料の粉末を供給するフィーダーと、
を備えるプラズマ溶射装置。 - 溶射材料の粉末をプラズマ生成ガスにより運び、先端部の開口から噴射するノズルと、前記ノズルが噴射する前記プラズマ生成ガスを直流電源が出力する電力により分解して前記ノズルと軸芯が共通するプラズマを生成するプラズマ生成部と、をそれぞれに含む複数の溶射銃と、
前記複数の溶射銃を一体支持し、内部に冷媒が通流する冷媒流路を含む本体部と、
を有するプラズマ溶射ヘッドを用いて被対象物に成膜するプラズマ溶射方法であって、
前記複数の溶射銃のうち１の溶射銃から前記被対象物に前記溶射材料の粉末を噴射することなく、前記プラズマを噴射するステップと、
前記複数の溶射銃のうち前記１の溶射銃と異なる溶射銃から前記溶射材料の粉末及び前記プラズマを噴射するステップと、
を有する、
プラズマ溶射方法。 - 前記プラズマを噴射するステップの後、前記溶射材料の粉末及び前記プラズマを噴射するステップを行う、
請求項８に記載のプラズマ溶射方法。 - 前記プラズマを噴射するステップで使用する溶射銃は、前記溶射材料の粉末及び前記プラズマを噴射するステップで使用する溶射銃に隣接して配置される溶射銃である、
請求項８又は９に記載のプラズマ溶射方法。
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