JP2683134B2 - レーザプラズマ溶射装置および方法 - Google Patents

レーザプラズマ溶射装置および方法

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明の材料の溶解、蒸着および噴射（溶射）に関
し、特にレーザ加熱による材料の溶射に関する。
発明の背景 現代の多くの材料系で、存在する基体に材料の層を付
加することが必要である。ある状況では、硬質な耐摩耗
材料の被膜を強い延性の材料の上に重ねる。こうして得
られる複合材料は、良好な機械的特性、たとえば強度、
延性および破壊靭性を有する構造部材となり、その表面
は侵食性および／または腐食性環境で迅速に摩耗しな
い。別の用途では、基体に基体と同じ組成の新しい材料
を付加し、付加材料の厚さを徐々に累積して使用中に失
われてしまった分に置き換えることによって、部品を修
理することができる。材料系を設計する上で融通性が得
られるので、このような被覆はほかに多方面にわたって
色々に用いられている。
材料の層を基体に付加する方法は、基体、付加材料及
び必要な性能に応じて多種多様である。付加材料をまと
まった塊状形態で設けてもよいし、基体に積層、結合あ
るいは固着してもよい。あるいは、付加すべき材料をそ
の最終形状とは異なる形態で用意し、基体に原子的に、
大抵は溶解または蒸気状態で適用することができる。多
くの場合に、後者の方法が付加材料を基体に非常に強固
に結合し、極めて制御しやすい最終製品を製造するのに
好適である。
広く実施されている１方法では、電気アークでプラズ
マを形成する。ガス流中の金属粉末をプラズマに通し、
金属を少なくとも一部溶解させる。つぎに溶解した金属
を基体に対して噴射し、被膜または堆積層として固化さ
せる。プラズマ溶射および他の類似の技術は或る金属に
よっては実用的ではなく、たとえばチタン合金を大気環
境で溶射するのは実用的でない。真空中で行なうと、こ
の方法の経費が高くなる。
エネルギー源としてレーザを用いる別の技術が提案さ
れている。たとえば、米国特許第4,200,669号および第
4,724,299号に、粉末材料を溶解し、それを基体の上に
堆積するのに有効な方法と装置が開示されている。しか
し、経験によれば、これらの方法は供給材料を高速で基
体に堆積するには効率が悪い。しかし、レーザ加熱源が
基本的に使用可能である点は確認された。
したがって、微粉砕の供給材料をプラズマ堆積するの
にレーザ加熱源を使用し、高い堆積速度および効率を達
成する装置が求められている。このような装置は制御可
能でかつ汎用性がなければならない。この発明はこれら
の要求を満たし、それに伴なういくつかの利点を実現す
る。
発明の要旨 この発明は、広範囲の供給材料の微粉砕粒子を高速か
つ高効率で堆積できるレーザプラズマ溶射装置および方
法を提供する。この装置は、堆積速度、基本加熱程度お
よび供給材料（原料）に関して広い範囲で制御可能であ
る。堆積層の寸法（幅および厚さ）は、ノズル高さ、粉
末供給速度、部品移動速度、ガス流量およびノズル形状
のようなレーザおよび操作因子を調節することにより制
御できる。
この発明のレーザプラズマ溶射（スプレー）装置は、
レーザと、レーザビームを相互作用領域に収束する構成
の光学装置であって、レーザビームの焦点を基体の表面
より上方に置いてレーザビームが基体に衝突するときに
はレーザビームが発散しているように構成した光学装置
と、供給材料およびガス流を上記相互作用流域に供給す
る手段とを備え、作動時にはプラズマを生成し、供給材
料の少なくとも一部を溶融し、さらにプラズマおよび溶
解供給材料を部分的に閉じ込め、そのプラズマおよび溶
解供給材料を基体の方へ差し向ける手段を備える。
堆積速度および効率を高くするために、レーザビーム
の焦点に生成するプラズマを閉じ込めることが必要なこ
とを確かめた。プラズマを閉じ込めないと、プラズマは
横方向外方へ膨張し、堆積効率および堆積密度が著しく
低下する。レーザプラズマ溶射がプラズマ（またはキー
ホール）溶接と相違するのは、レーザプラズマ溶射では
レーザビームの焦点を十分にずらして基体を溶融しない
ようにするのに対して、プラズマ溶接ではレーザビーム
により基体の表面領域を溶融する点である。プラズマ溶
接では、基体を強く加熱し、その結果基体を溶融する一
方、供給材料を一旦溶解してから非溶融表面に堆積する
のではなく、溶解池に供給する。これに対して、レーザ
プラズマ溶射では、レーザビームの焦点およびプラズマ
の中心部分を基体表面から十分離れた位置に維持し、基
体を溶融しないようにする。レーザプラズマ溶射装置で
は、レーザビームの焦点を通常基体から少なくとも１〜
６インチの距離に維持し、基体の加熱を少なくし、基体
の溶融を完全に避ける。
閉じ込め室を有するノズルを用いる実施例では、レー
ザプラズマ溶射装置はノズルを備え、このノズルが円錐
台形外側ハウジングと、外側ハウジングより小さい円錐
寸法の円錐台形内側ハウジングとを含み、内側ハウジン
グが外側ハウジング内に両者の円錐台軸線を一致させて
はまり、外側ハウジングおよび内側ハウジングが両者間
に環状通路を画定し、ノズルがさらに上記外側ハウジン
グの中空な円筒形延長部を含み、この延長部が上記外側
および内側ハウジングの円錐台軸線と一致した円筒軸線
を有し、プラズマ閉じ込め室を形成し、装置はさらにレ
ーザと、レーザビームを上記外側および内側ハウジング
の円錐台軸線に沿って円筒形延長部の内部に位置する焦
点まで差し向ける構成の光学装置と、上記内側ハウジン
グの内部と連通し、内側ハウジングから円筒形延長部へ
プラズマ形成ガスの流れを生成するガス供給装置と、上
記内側ハウジングと外側ハウジングの間の環状通路と連
通し、そこにキャリヤガスと混合した微粉砕供給材料の
流れを導入する供給装置とを備える。
この実施例では、流動化した粉末の流れをノズルにそ
の内側および外側ハウジング間の環状通路にて導入す
る。ハウジング軸線に沿った別のガス流により粉末を、
レーザビームの焦点が位置する円筒形延長部の閉じ込め
室に掃引する。ガス、粉末およびレーザビームのエネル
ギーの相互作用によりプラズマを生成する。一度生成す
れば、プラズマは独立に放射し続ける自己支持性のエネ
ルギー源となる。粉末は、一部は溶解されて直接プラズ
マの維持に貢献し、一部は溶解されて液滴を形成し、そ
してさらに一部は意図的にまたは非意図的に非溶解状態
に留まる。閉じ込め室およびガス流は、プラズマおよび
溶解供給材料が横方向に膨張したり、レーザの方へ戻っ
たりするのを防止するので、唯一の許された方向はノズ
ルから基体への外向き方向である。軸線に沿ってガスを
流し続けることにより、溶解した供給材料を基体に向け
て推進するのを助ける。
前述したように、このレーザプラズマ溶射装置はレー
ザ溶接とははっきり区別して考えるべきである。レーザ
溶接では、レーザビームの焦点を基体に十分近づけかつ
十分大きな出力とし、基体の表面を溶融する。レーザ溶
接では、レーザビームの焦点を装置の外に置き、基体を
直接加熱、溶融するので、供給材料を付加する場合には
それを直接溶融池に添加する。レーザプラズマ溶射で
は、従来の電気アークプラズマ溶射の場合のように、供
給材料を溶解する主加熱源を装置内に閉じ込め、そして
金属溶解物を基体に向けて推し進める。基体はレーザで
直接加熱されることはない。すなわち、一部のレーザエ
ネルギーがプラズマに吸収されずにプラズマを通過し、
したがって基体にビームエネルギー密度の低い著しく焦
点のはずれた状態で到達するという範囲でたまたま加熱
が生じることを除いては、基体がレーザで直接加熱され
ることはない。プラズマは装置の内部から、プラズマ形
成ガスの流れの勢いである距離だけはみ出すが、基体の
表面ではその溶融を起こす程には強くない。レーザプラ
ズマ溶射は、基体の冶金学的微細組織に悪影響を与える
ことなく、基体に供給材料を堆積することができるとい
う極めて有利な利点を有する。
この発明の好適な実施例で更に具体的に言えば、レー
ザプラズマ溶射装置は、レーザビームを相互作用領域に
収束する構成のレーザと、内部に相互作用領域が位置す
るプラズマ閉じ込め室であって、横方向閉じ込め壁、レ
ーザおよび閉じ込め壁の間に位置する粉末供給室、およ
び上記閉じ込め壁および粉末供給室の間に位置し、レー
ザビームがそこを通過してレーザの焦点に達する寸法を
絞ったスロートを有するプラズマ閉じ込め室と、粉末供
給材料をキャリヤガス流とともに粉末供給室に与える粉
末供給系と、粉末をプラズマ形成ガス流とともに粉末供
給室からプラズマ閉じ込め室に移動するガス供給装置と
を備える。
この実施例では、閉じ込め室と粉末供給室との間のス
ロートがプラズマの閉じ込めを助けるとともに、粉末を
閉じ込め室に供給する際の粉末の分配を助ける。装置内
部に戻ろうとする流れに抗してプラズマを閉じ込めるこ
とは、ガス流の大きさにはあまり関係なく、流動化ガス
および軸線方向流れガスのガス流の制御の融通性が一層
増す。
この発明はレーザプラズマ溶射方法も提供する。この
観点からは、供給材料の層を基体の上に堆積する方法が
焦点を基体の表面から十分に遠く離して基体が溶融しな
いように、基体表面より上方に焦点を有するレーザを用
意し、レーザ焦点の領域にプラズマを形成し、微粉砕供
給材料を上記プラズマに添加してその供給材料の少なく
とも一部を溶解し、さらに溶解した供給材料を基体に差
し向ける諸工程を含む。好ましくは、この方法におい
て、さらに、レーザの焦点のまわりに閉じ込め室を設
け、この閉じ込め室は両端の開口した側壁を有し、レー
ザビームが閉じ込め室にその一端から入り、他端から出
ることができるようにする。
この発明の軸流プラズマ溶射装置は堆積技術にとって
の重要な進歩をもたらす。堆積装置内でプラズマを生成
して供給材料を溶解するので、溶解した供給材料を固体
の溶融していない基体表面に堆積することができる。プ
ラズマは制御可能であり、基体を溶融しない距離に維持
される。この発明の他の特徴および効果は、以下のこの
発明の原理を具体化した好ましい実施例についての図面
を参照した詳しい説明から明らかになるであろう。
実施例の記載 次にこの発明を図面に示した好ましい実施例について
説明する。第１図はこの発明のプラズマ溶射（スプレ
ー）装置の側面図、第２図は第１図の装置の断面図であ
る。
この発明の具体的な実施例としてレーザプラズマ溶射
装置100を第１図に示す。この装置100はレーザ102を含
み、レーザビームは光学装置104で収束されると、プラ
ズマを形成しかつ微粉砕材料の供給材料を溶解するのに
十分なパワー密度をもつ。レーザ102のビームはビーム
軸線106を有し、光学装置104で収束するよう焦点合わせ
されてから、スプレーノズル108に入る。スプレーノズ
ル108の構造および作動については以下に詳しく説明す
る。ノズル108でプラズマを形成し、供給材料がそこで
溶解される。溶解供給材料をスプレー110として射出し
て基体114の上に堆積層112を形成する。プラズマは大部
分ノズル108内に留まり、基体114の表面は溶融されな
い。ノズル108の先端から基体114までの作動距離は約１
〜６インチとするのが代表的である。スプレー110は狭
く高度に一方向性とするのがよく、そうすればビード11
2の幅がノズル108の先端での射出開口116の幅に大体等
しくなる。
第２図に示すように、ノズル108の外側ハウジング118
は光学装置104の下端にねじで係合（螺合）されてお
り、外側ハウジング118をレーザ102に対して近づけたり
離したり調節自在に移動できる。外側ハウジング118の
外面はほぼ円筒形状である。外側ハウジング118の内面
はその下端が円錐台表面120となっている。
外側ハウジング118内には内側ハウジング122が配置さ
れ、外側ハウジング118に螺合されている。外側ハウジ
ング118および内側ハウジング122はともに中空で、ビー
ム軸線106と一致する同じ中心軸線を有する。内側ハウ
ジング122の外面はその下端が円錐台表面124となってい
る。２つの円錐台表面120および124は互いにほぼ体面す
る関係にあり、相互間に環状の通路126を画定してい
る。内側ハウジング122と外側ハウジング118とを軸線方
向に相対的に移動することにより、環状通路126の面積
を増減する。
外側ハウジング118の下端に閉じ込め室128が接合され
ている。閉じ込め室128は円筒形状であるのが好まし
く、中空壁構造に形成され、したがってその内部には冷
却水を冷却水配管130を通して循環させることができ
る。閉じ込め室128の下端は射出開口116を画定する。
１実施例では、閉じ込め室128の内側表面132はその全
長にわたって円筒形であり、その円筒の軸線はビーム軸
線106と一致している。更に好ましい例では、閉じ込め
室128の内側表面132は射出開口116に隣接するその長さ
の一部に沿っては円筒形であるが、ビーム軸線106から
外方へ遠ざかるように傾斜した上下壁間に断面の小さい
スロート134が位置する。このスロート134は外側ハウジ
ング118の円錐台表面120の下端に隣接して位置する。
好ましくは粉末形態の微粉砕供給材料を装置100に環
状通路126を通して導入する。最初粉末は粉末供給源
（図示せず）に収容され、キャリヤガス管136を流れな
がらキャリヤガス流中で流動化される。流動化粉末を複
数個の粉末供給管136、代表的には装置100の円周のまわ
りに等間隔で配置された２〜４本の管に流し、そして環
状通路126の上端に対称に配置された注入口142に送る。
別のガス流をノズル108に供給する。プラズマ形成ガ
スの軸線方向ガス流を軸線方向ガス流配管148を通して
供給する。このガス流配管148は、図示に示す様にノズ
ル108の壁または光学装置104の壁を通してノズル108の
内部と連通している。プラズマ形成ガスは配管148から
ノズル108の内部、円錐台表面120および124で画定され
た開口、閉じ込め室128を通り、射出開口116から外に出
る。この軸線方向ガス流は光学装置を損傷から保護し、
プラズマの形成を助け、また溶解材料を基体まで運ぶ。
レーザ102のビーム146を光学装置104により、ビーム
軸線106上にあり且つ閉じ込め室128内にある焦点150に
焦点合わせする。焦点150は基体114の表面から十分に遠
く離れているので、直接加熱とプラズマ加熱の組合せが
基体の表面を溶融する程にならない。スロート134を設
けた図示の実施例では、焦点150をスロート134の下の外
向き傾斜領域内とするのが好ましい。すなわち、スロー
ト134のもっとも狭いくびれが焦点150とレーザ102との
間にくる。
微粉砕供給材料がスロート134から出てくるときに逆
さまの円錐形を形成するのが好ましい。その供給材料が
つくる円錐の焦点は調節可能である。すなわち、供給材
料の焦点をスロート134に対して近づけたり遠ざけたり
することができる。供給材料の焦点のこのような調節
は、内側ハウジング122を外側ハウジング124に対して回
転することによって行なう。このような回転により内側
ハウジング122を軸線方向に移動し、環状通路126の、特
にその下端での寸法を増大または縮小する。環状通路12
6の寸法を小さくすると、供給材料の円錐とその焦点も
変わる。供給材料の焦点とレーザビームの焦点とを一致
するように調節するのがよい。
レーザビーム146のパワー密度は焦点150で最大であ
る。もしもパワー密度がこの位置で十分に大きければ、
軸線方向ガス、キャリヤガス、粉末およびレーザビーム
のエネルギーの相互作用の結果としてプラズマ152が生
成する。プラズマはイオンと電子との高度に電離した集
合体であり、限られた体積内で極めて高い温度に達す
る。この相互作用領域内で粉末状の供給材料の原子の一
部が蒸発する。レーザビームのエネルギーはプラズマ形
成ガス原子および蒸発した供給材料原子から電子を奪
う。プラズマは一度開始される、すなわち「点火」され
ると、ガス流およびレーザビームが維持される限り自己
保持性になる。微粉砕供給材料の一部はプラズマ中で溶
解され、残りの部分は意図的にまたは非意図的に非溶解
状態に留まる。プラズマ形成ガスがプラズマ形成領域を
通って基体に向かって流れ続けることで、溶解した供給
材料も溶融しない供給材料もノズル108からその開口116
を通って射出され、スプレー110を形成し、これが基体1
14の上に層112として堆積する。したがって、層112は、
プラズマ中で溶解され、基体に衝突したときに再び固化
した供給材料と、そしておそらくはプラズマ中で一度も
溶解されなかった供給材料とを含有する。耐摩耗性被膜
の用途など、或る種の用途によっては、供給材料の一部
が溶解しないままに留まっていることが望ましい。たと
えば、供給材料に微粉砕セラミック粉末を含ませること
ができ、このようなセラミック粉末は基体の表面上に粒
子として堆積すると、基体の耐摩耗性を高める。
レーザプラズマ溶射装置100の重要な特徴はプラズマ1
52を装置内に部分的に閉じ込めることである。閉じ込め
室128によりプラズマ152を横方向に閉じ込める。軸線方
向ガス、キャリヤガスおよび粉末供給材料の流れによ
り、プラズマ152をレーザ102に向かう動き、すなわちハ
ウジング118および122の内部に戻ろうとする動きに対し
て閉じ込める。このような閉じ込めを行なうためには、
ガスの流れが極めて速く、起こり得る作動範囲の変動を
抑えることができなければならないことを確かめた。こ
の発明の好ましい例で、レーザ102の焦点150（したがっ
てプラズマの源）をスロート134内のスロートのもっと
も狭い直径より下方の位置に設定することが、プラズマ
を閉じ込めるとともに、プラズマが膨らんでハウジング
118および122の内部に戻るのを防止する上で有効である
ことを発見した。
このように部分的に閉じ込められているので、プラズ
マ152は一方向に、すなわち閉じ込め室128の下方へ基体
114に向かって膨張するのが許されているだけである。
このような膨張が作動中に観察され、通常射出開口116
を通って外方へ進展する。プラズマの外方へ延びる範囲
は、主として、閉じ込め室128を通るガス流の流量およ
び焦点150でのレーザエネルギー密度に依存する。いず
れにしても、ノズルから外に延びるプラズマが基体を十
分に加熱して基体を溶融することはない。必要なら、プ
ラズマを意図的に小さくして、プラズマのほとんどすべ
てを閉じ込め室128内に留め、プラズマの小さな膨張部
のみを開口116から外に膨出させる。この発明ではプラ
ズマの寸法および広がりを十分な範囲にわたって制御で
きる。
基体の加熱はプラズマにより影響される。装置100内
に完全に閉じ込められたプラズマは基体を射出開口116
を通して得られる比較的少量の放射で加熱するだけであ
る。基体は、堆積（溶射）した原子が固化する際に放出
するエネルギーにより、また基体に焦点のはずれた状態
でプラズマを通過して到達するレーザビームのエネルギ
ーによっても加熱される。これらのエネルギーの加熱へ
の寄与は比較的小さく、融点の比較的高い基体の場合、
基体への堆積が、基体を溶融することなく、あるいは基
体の冶金学的組織を変えることなく完了することを確か
めた。これとは対照的に、レーザの焦点が装置の外にあ
り、プラズマが基体の近くに形成されたり、あるいはレ
ーザ溶接のようにプラズマが基体に衝突するような場
合、基体はほとんど必ず溶融されるか、その組織が大幅
に変化するか、その両方が起こる。
この発明の実施例の構造および作動の細部について以
下に説明するが、これらは具体的な例示であって、この
発明を限定するものではない。１実施例において、閉じ
込め室は内径が0.400インチである。最小スロート直径
は0.250インチである。環状通路の隙間または寸法は代
表的には約0.060インチであるが、簡単に調節可能であ
る。ノズルの長さは約４インチであるが、この寸法は特
に限定されない。レーザは二酸化炭素レーザを2.5kW以
上の出力レベルで連続モードで作動させる。軸線方向プ
ラズマ形成ガス流としては、アルゴン、窒素、ヘリウ
ム、水素、酸素、二酸化炭素およびこれらの混合ガスを
含めて多数の異なるガスおよびガス混合物を使用した。
粉末キャリヤガス用のガスとしては、アルゴン、窒素、
ヘリウム、水素、酸素、二酸化炭素およびこれらの混合
ガスがある。セラミック材料、セラミック混合物、金属
／セラミック混合物を含めて種々の金属および非金属供
給材料および混合物を堆積（溶射）できる。このような
材料には、チタン合金、たとえばTi−6Al−4V、タング
ステン、コバルト合金、ニッケル合金、たとえばインコ
ネル（Inconel）類およびハステロイ（Hastelloy）Ｘ、
セラミック類、たとえばアルミニウム、クロムおよびジ
ルコニウムの酸化物およびプラスチック材料がある。
基体またはノズルまたはその両方を移動し、基体とノ
ズルとを相対移動する。ノズルを固定し、基体をＸおよ
びＹ移動軸を有する電気機械式テーブルに載せ、基体を
自動的に進行させるのが好ましい。この移動は移動の速
度および方向に関してプログラムされたコンピュータ制
御の下で行なう。
以下の実施例はこの発明を具体的に例示するためのも
ので、いかなる意味でもこの発明を限定するものととる
べきではない。
実施例１ 図示の装置を用いて、粉末寸法−200/＋400メッシュ
のハステロイＸをアルゴンバーガスで保護したハステロ
イＸ基体にレーザプラズマ溶射した。レーザの出力を3.
4kWとし、焦点長さを7.5インチとした。流動化および軸
線方向ガス流の合計は50ft3/時のアルゴンガス、粉末の
流量は7g/分とした。ノズルを基体の上方1.5インチに配
置した。基体をノズルに対して640インチ／分の速度で
横断移動させた。溶射（堆積）層は幅約0.10インチ、高
さ約0.001インチであった。ビードの基体への結合は良
好であった。金属顕微鏡で調べたところ、溶射層に若干
の気孔と表面粗さが認められた。
実施例２ プラズマガスを等量のアルゴンと窒素の混合物とした
以外は実施例１と同じ手順を繰り返した。結果は、実施
例２の溶射層の方が表面品位が良好であったこと以外は
実質的に同じであった。
実施例３ プラズマガスをアルゴンと５容量％の水素の混合物と
し、粉末の供給量を10.5g/分とした以外は実施例２と同
じ手順を繰り返した。結果は実施例２と同様であった。
実施例４ 図示の装置を用いて、粉末寸法−100/＋230メッシュ
のTi−6Al−4Vをアルゴンカバーガスで保護したTi−6Al
−4V基体にレーザプラズマ溶射した。レーザの出力を5k
Wとし、焦点長さを5.0インチとした。流動化および軸線
方向ガス流の合計は40ft3/時のアルゴンガス、粉末の流
量は10g/分とした。ノズルを基体の上２インチに配置し
た。基体をノズルに対して100インチ／分の速度で横断
移動させた。層が基体上に適切に溶射された。
実施例５ 実施例４の手順を繰り返した。ただし、カバーガスを
アルゴンとヘリウムの混合物とし、アルゴンの流れをft
3/時とし、ヘリウムの流れを5ft3/時とした。ノズルの
高さを基体表面の上１インチとした。これ以外の作動条
件は同様であり、結果も同様である。
実施例６ 図示の装置を用いて、粉末寸法−200/＋400メッシュ
のタングステンをアルゴンカバーガスで保護した銅基体
にレーザプラズマ溶射した。レーザの出力を5kWとし、
焦点長さを5.0インチとした。流動化および軸線方向ガ
ス流はアルゴンと窒素ガスの混合物で、アルゴン流量を
30ft3/時、窒素流量を10ft3/時とした。粉末の流量を22
g/分とした。ノズルを基体の上１インチに配置した。基
体をノズルに対して40インチ／分の速度で横断移動させ
た。層が基体上に適切に溶射された。
実施例７ 図示の装置を用いて、粉末寸法−200/＋325メッシュ
のインコネル718ニッケル基合金をアルゴンカバーガス
で保護したインコネル718合金基体にレーザプラズマ溶
射した。レーザの出力を3.5kWとし、焦点長さを5.0イン
チとした。流動化および軸線方向ガス流の合計は40ft3/
時のアルゴンガス、粉末の流量を6g/分とした。ノズル
を基体の上１インチに配置した。基体をノズルに対して
40インチ／分の速度で横断移動させた。層が基体上に適
切に溶射された。
実施例８ 図示の装置を用いて、60重量％の銀および40重量％の
炭化タングステンの粉末寸法−200/＋400メッシュの混
合粉末をアルゴンカバーガスで保護した銅基体にレーザ
プラズマ溶射した。レーザの出力を4kWとし、焦点長さ
を5.0インチとした。流動化および軸線方向ガス流はア
ルゴンと水素ガスの混合物で、アルゴン流量を30ft3/
時、窒素流量を10ft3/時とした。粉末の流量を20g/分と
した。ノズルを基体の上１インチに配置した。基体をノ
ズルに対して40インチ／分の速度で横断移動させた。層
が基体上に適切に溶射された。
実施例９ 図示の装置を用いて、70重量％のニッケル合金および
30重量％の酸化アルミニウムの粉末寸法−200/＋400メ
ッシュの混合粉末をアルゴンカバーガスで保護したイン
コネル718基体にレーザプラズマ溶射した。レーザの出
力を4kWとし、焦点長さを5.0インチとした。流動化およ
び軸線方向ガス流はアルゴンと窒素ガスの混合物で、ア
ルゴン流量を30ft3/時、窒素流量を10ft3/時とした。粉
末の流量を10g/分とした。ノズルを基体の上１インチに
配置した。基体をノズルに対して100インチ／分の速度
で横断移動させた。層が基体上に適切に溶射された。
実施例10 図示の装置を用いて、92重量％の酸化ジルコニウムお
よび８重量％の酸化イットリウムの粉末寸法−200/＋32
5メッシュの混合粉末をアルゴンカバーガスで保護した
インコネル718基体にレーザプラズマ溶射した。レーザ
の出力を5kWとし、焦点長さを5.0インチとした。流動化
および軸線方向ガス流はアルゴンと２容量％の酸素ガス
の混合物で、合計流量を40ft3/時とした。粉末の流量を
10g/分とした。ノズルを基体の上２インチに配置した。
基体をノズルに対して100インチ／分の速度で横断移動
させた。層が基体上に適切に溶射された。
これらの実施例から明らかなように、この発明のレー
ザ粉末溶射技術を種々の条件下で実施して、広範な種々
の材料および混合物を適切に溶射することができる。こ
の発明は材料を基体に堆積する汎用性の高い装置を提供
する。この発明を特定の実施例および好適な実施態様に
ついて説明したが、発明の要旨を逸脱しない範囲内でこ
の発明を種々に変更できることが当業者に明らかであ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明のレーザプラズマ溶射装置の側面図、 第２図は第１図の装置の断面図である。 100:プラズマ溶射装置、102:レーザ、 104:光学系、106:ビーム軸線、 108:スプレーノズル、110:スプレー、 112:溶射層（ビード）、114:基体、 116:射出開口、118:外側ハウジング、 120:円錐台面、122:内側ハウジング、 124:円錐台面、126:環状通路、 128:閉じ込め室、130:冷却水配管、 132:内側表面、134:スロート、 136:粉末供給管、142:注入口、 148:ガス配管、150:焦点、 152:プラズマ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バノン・デビッド・プラット アメリカ合衆国、オハイオ州、ハミルト ン、ミルビル・アベニュー、719番 (72)発明者 ウィルバー・ダグラス・シェイド アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナ ティ、テラルタ・ノース・サークル、 2088番 (72)発明者 ウィリアム・ロリン・ヤング アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナ ティ、フィールズ・エルテル・ロード、 4628番 (56)参考文献 特開 昭61−264168（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−13562（ＪＰ，Ａ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザビームを相互作用領域に収束する構
    成のレーザと、 内部に上記相互作用領域が位置するプラズマ閉じ込め室
    であって、横方向閉じ込め壁、上記レーザおよび上記閉
    じ込め壁間に位置する粉末供給室、および上記閉じ込め
    壁および粉末供給室間に位置し、レーザビームがそこを
    通過してレーザの焦点に達する寸法を絞ったスロートを
    有するプラズマ閉じ込め室と、 粉末供給材料をキャリヤガス流とともに上記粉末供給室
    に与える粉末供給装置と、 上記粉末をプラズマ形成ガス流とともに上記粉末供給室
    から上記プラズマ閉じ込め室に移動するガス供給装置と
    を含むレーザプラズマ溶射装置。
  2. 【請求項２】上記相互作用領域が上記スロート内にある
    請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】上記キャリヤガスがアルゴン、窒素、ヘリ
    ウム、水素、酸素、二酸化炭素およびこれらの混合物よ
    りなる群から選ばれる請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】上記プラズマ形成ガスがアルゴン、窒素、
    ヘリウム、水素、酸素、二酸化炭素およびこれらの混合
    物よりなる群から選ばれる請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】上記供給材料がチタン合金、ニッケル合
    金、コバルト合金および鉄合金よりなる群から選ばれる
    請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】供給材料が金属、非金属および金属と非金
    属との混合物よりなる群から選ばれる請求項１に記載の
    装置。
  7. 【請求項７】供給材料の層を基体の上に堆積する方法
    が、 焦点を基体の表面から十分に遠く離して基体が溶融しな
    いようにした、基体の表面より上方に焦点を有するレー
    ザを用意し、 レーザ焦点の領域にプラズマを形成し、 微粉砕供給材料を上記プラズマに添加してその供給材料
    の少なくとも一部を溶解し、 溶解した供給材料を基体に差し向ける諸工程を含む方
    法。
  8. 【請求項８】微粉砕供給材料をプラズマの円周のまわり
    に与えることにより添加を行なう請求項７に記載の方
    法。
  9. 【請求項９】さらに、レーザの焦点のまわりに閉じ込め
    室を設け、この閉じ込め室は両端の開口した側壁を有
    し、レーザビームが閉じ込め室にその一端から入り、他
    端から出ることができる請求項７に記載の方法。
  10. 【請求項１０】上記溶解供給材料を基体に差し向ける工
    程が、プラズマ形成ガスの流れをレーザの焦点の領域を
    通して基体に向けて、レーザビームの方向に平行な方向
    に案内し、これにより溶融供給材料を基体に向けて流す
    ことにより行なわれる請求項７に記載の方法。
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