JP4164610B2

JP4164610B2 - Plasma spraying equipment

Info

Publication number: JP4164610B2
Application number: JP17300899A
Authority: JP
Inventors: 賢袖岡; 雅人鈴木; 貴博井上; 明文屋
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2019-06-18
Also published as: JP2001003151A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンタルピーの高いプラズマ発生技術を特徴とし比較的少ない電カ消費及びプラズマガス消費で高品質の金属やセラミックスのコーティングを行うためのプラズマ溶射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属やセラミックスの粉末原料を用いて高速にコーティングを行う方法としてプラズマ溶射法が広範な用途に用いられている。従来プラズマ溶射に用いられている溶射装置のプラズマ発生部（溶射トーチ）は、通常、図２に示すように、ノズル状の陽極Ａとその中心に配置された陰極Ｂの１対から構成されている。プラズマは、ガス導入部Ｃから陽極・陰極間のドーナツ状の間隙に不活性ガスを流し、直流アーク放電によりガスを電離することにより発生させられ、ノズル状の陽極から溶射トーチ外部にプラズマジェットＰとなって噴出する。水管Ｗ１からＷ２へ流れる冷却水により水冷された陽極近傍ではプラズマが冷却され電離度が低下するため電流が流れにくくなり電流がプラズマの中心部に集中するという熱ピンチ効果によりプラズマジェットは絞られている。すなわち、電極間の温度分布に従って、プラズマ噴出速度は、中心部が高く周辺では急激に低下するという急峻な分布をもっている。また、直流アーク放電は陽極・陰極間のドーナツ状の間隙の一ケ所で生じるが、その位置については積極的な制御を行われていないため、アーク発生位置は絶えず移勤しがちであり、これに伴ってプラズマジェットも揺らいでいる。
【０００３】
粉末原料は、ノズル出口直後に設けられた粉末投入パイプＤもしくはノズルの出口近傍に開けられた孔を通して、搬送ガスに載せられ、一般的には、プラズマジェットにほぼ垂直に投入される。これにより、粉末原料はプラズマ中で溶融され液滴Ｒとなって噴射ノズルから噴出する。この際、粉末投入の速度は粉末の粒子径に大きく影響されるため、溶射原料粉末には分級により粒子径を揃えたものが使用されるが、ある程度のばらつきは不可避であるため投入される粉末の速度は分布を持ったものにならざるをえない。
【０００４】
このように、従来の技術では、温度分布と速度分布を持ったプラズマに、粒径分布を持った粉末を速度分布を持った形で、プラズマジェットに垂直に投入するため、全ての粉末をプラズマ中心部の最も温度の高い領域に集中して正確に投入することは非常に困難であった。このため、未溶融粒子Ｒ’の発生とその巻さ込みによる生成皮膜の性能の低下、投入した全ての原料粉末が皮膜になるわけではないことによる歩留まりの低下などが大きな問題となっていた。このような課題を解決するために、陰極をパイプ状にして、陰極の中を通して粉末を投入する溶射ガンが開発されているが、陰極の寿命が著しく短くなるとともに、アークの集中する陰極出口で粉末が溶けて詰まり易いなど決定的な解決策とはなっていない。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
本発朋は、上記従来技術の問題点を解決し、未溶融粒子の発生を抑えることにより、原料粉末の利用効率（歩留まり）の向上と高性能の皮膜の生成を可能とするプラズマ溶射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、種々研究を重ねた結果、次の２点が重要であり、これらを同時に満足するプラズマ溶射ガンを開発することができれば、上記課題の達成が可能であると考えた。i)揺らぎのない安定したプラズマを発生させること、ii)粒子径に分布を持った粉末を原料に用いてもプラズマジェット中心の最も温度と速度の高い領域を粉末が飛行するようプラズマジェット上流からプラズマジェット中心軸に沿って粉末を投入すること。本発明者は、これら２点を同時に満足するプラズマ溶射ガンの構造として、アーク発生位置が動き回らないよう、陰極、陽極ともにアーク発生位置を固定できる構造にするとともに、複数の陰極、陽極の対を設け、複数の陰極の間のプラズマジェット軸上から粉末を投入できる構造を案出し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明は、溶射すべき方向に延びる軸線に沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノズルと、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段とを備え、該プラズマ形成手段は、陰極を備えたカソードトーチと、陽極を備えたアノードトーチとのプラズマトーチ対を２以上備え、これらカソードトーチ及びアノードトーチは、これらの陰極及び陽極間に前記軸線に沿うプラズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の位置関係が前記原料投入方向の上流側及び下流側となるように配置されていることを特徴とするプラズマ溶射装置に係るものである。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態においては、前記カソードトーチは、前記陰極との間にアークを発生させるための点火用の補助陽極を該陰極の付近に備え、前記アノードトーチは、前記陽極との間にアークを発生させるための点火用の補助陰極を該陽極の付近に備えている。
【０００９】
前記プラズマトーチ対の内、上流側に位置するプラズマトーチは、前記軸線の周りから該軸線に向く斜め方向にプラズマを噴出させるように配置されているのが望ましい。
【００１０】
前記プラズマトーチ対の内、下流側に位置するプラズマトーチは、前記溶射軸線の周りから該軸線に向かってプラズマを噴出させるように配置されているのが望ましい。
【００１１】
前記カソードトーチの陰極及びアノードトーチの陽極が錐体状とされ、前記カソードトーチの補助陽極及びアノードトーチの補助陰極が各々前記陰極及び陽極を囲むようにノズル状に形成されているのが望ましい。
【００１２】
前記プラズマトーチの陰極及び陽極の少なくとも一方の電極の周りには、該電極を保護する不活性ガスを流すためのガス噴出路を備えることができる。
【００１３】
前記原料投入ノズルは、内管と外管とを備えた２重管であり、前記内管から搬送ガスと共に粉末原料を噴出し、前記内管と外管との間からプラズマ形成用のガスを噴出するように構成されたものとすることができる。
【００１４】
前記軸線上における前記プラズマトーチ対より下流側には、プラズマの形状及び噴出速度を制御し得るようにプラズマ放出用の噴射ノズルを配置することができる。
【００１５】
プラズマの形成位置を制御し得るように、複数の前記プラズマトーチ対への電力配分は可変とすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の１実施形態に係るプラズマ溶射装置の縦断面を概略的に示している。
【００１７】
このプラズマ溶射装置は、溶射すべき方向に延びる軸線Ｃに沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノズル１と、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段２と、これらを一体的に支持するフレーム３と、該フレームに支持され原料及びプラズマをフレーム外へ噴出させる噴射ノズル４とを備えている。
【００１８】
原料投入ノズル１は、内管１１と外管１２とを備えた同軸の２重管であり、内管１１から搬送ガスと共に粉末原料を噴出し、内管１１と外管１２との間からアルゴン、アルゴン−水素混合ガス、空気、酸素、窒素等のプラズマガスを噴出するように構成されている。このプラズマガスは、粉末原料がノズルから噴射された後に、その飛行パターンが広がるのを防止する。
【００１９】
プラズマ形成手段２は、陰極を備えたカソードトーチ２１と、陽極を備えたアノードトーチ２２とのプラズマトーチ対を２以上備え、これらカソードトーチ２１及びアノードトーチ２２は、これらの陰極及び陽極間に軸線Ｃに沿うプラズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の位置関係が原料投入方向の上流側及び下流側となるように配置されている。
【００２０】
カソードトーチ２１は、軸線Ｃからの距離及び隣り合うトーチとの距離を等間隔にして２〜７台配置されている。各カソードトーチ２１からのプラズマ噴出方向は、前記原料投入方向に向く斜め方向とされている。その傾斜角度は、軸線Ｃに対し、５度以上、４５度以下とするのが望ましい。傾斜角が５度より小さいと、プラズマの合流点が遠くなりすぎ温度低下を招き、４５度より大きいと、噴射ノズル４でのプラズマジェットの速度が大きく低下するからである。この観点から傾斜角は、１０度以上、３０度以下とするのがより望ましい。カソードトーチ２１は、中心が円錐状の陰極２１ａ、その周りに延びるノズルが該陰極との間にアークを発生させるための点火用の補助陽極２１ｂとなっており、その間隙からアルゴンおよび２次ガス（水素、ヘリウム等）が投入可能となっている。
【００２１】
また、アノードトーチ２２は、カソードトーチより前記原料投入方向の下流側において、軸線Ｃからの距離及び隣り合うトーチとの距離を等間隔にしてカソードトーチ２１と同じ台数配置されており、１台のカソードトーチ及びアノードトーチがプラズマトーチ対をなして主電源Ｍに接続され、各々のアーク用電極間に電圧が印加されるようになっている。アノードトーチ２２は、各々プラズマ流を軸線Ｃに向かって噴出し該軸線上でカソードトーチ２１からのプラズマ流と連続させるように配設されている。各アノードトーチ２２からのプラズマ噴出方向は、軸線Ｃ（前記原料投入方向）に対し、ほぼ垂直とされている。アノードトーチ２２は、中心が円錐状の陽極２２ａ、その周りに延びるノズルが該陽極との間にアークを発生させるための点火用の補助陰極２２ｂとなっており、その間隙からアルゴンガスが投入可能となっている。
【００２２】
各カソードトーチ２１の陰極２１ａと補助陽極２１ｂとの間、及びアノードトーチ２２の陽極２２ａと補助陰極２２ｂとの間には、点火用の補助電源Ｓが接続されている。
【００２３】
この実施形態では、このようにカソードトーチ及びアノードトーチのプラズマトーチ対を１グループを備えているが、より多くのプラズマトーチ対のグループを備えることができる。但し、最も原料投入ノズル１に近いプラズマトーチは、プラズマ噴出方向が、原料投入方向に向く斜め方向とされるのが、原料搬送上望ましい。また、これ以外のプラズマトーチのプラズマ噴出方向を原料投入方向に向く斜め方向とすることもできる。
【００２４】
１台のカソードトーチ及びアノードトーチからなるプラズマトーチ対は、少なくとも２対設けられる。これは、軸線Ｃ上で合流したプラズマ流を軸線Ｃに沿う流れとするためである。
【００２５】
このプラズマ溶射装置の各所の寸法は以下の通りである。
原料投入ノズル１
内管１１の内径：１〜５ｍｍ
外管１２の内径：２〜７ｍｍ
カソードトーチ２１：
軸線Ｃに対する傾斜角：１５度
円錐状の陰極の最大径：５ｍｍ
ノズル状陽極の最大径及び先端孔径：３０ｍｍ及び５ｍｍ
アノードトーチ２２：
軸線Ｃに対する傾斜角：６０〜９０度
円錐状の陰極の最大径：５ｍｍ
ノズル状陽極の最大径及び先端孔径：３０ｍｍ及び５ｍｍ
噴射ノズル４：
ノズル最小径：７ｍｍ
このプラズマ溶射装置は、以下のようにして使用される。カソードトーチの陰極と補助陽極との間隙、及びアノードトーチの陽極と補助陰極との間隙をガス噴出路としてアルゴンガスを流量数リットル毎分で流しながら、各プラズマトーチの陽極及び陰極間に接続された補助電源により両極間に数十ポルトの直流電圧をかけておき、陽極−陰極間に高周波を瞬問的に印加してアルゴンガスを電離させ、直流アークプラズマを発生させる。この状態で上記アルゴンガス流量を調整して、カソードトーチからのプラズマとアノードトーチからのプラズマをトーチ前方へ延ばして接触させるようにする。この接触状態で、カソードトーチの陰極とアノードトーチの陽極の間に主電源により百数十ボルト、数十から数百アンペアの直流電流を流すと、カソードトーチの陰極とアノードトーチの陽極の間のアーク放電によりメインプラズマＰが発生する。補助電源を切り、必要に応じてカソードトーチの電極間の間隙又は原料投入ノズル内管及び外管の間隙、或いはその両方から、アルゴンガス、水素ガス、へリウムガス、室素ガス、圧縮空気、酸素ガス又はこれらの混合ガス等によりプラズマのエンタルピーを増大させる作動ガスを投入し、さらに各カソードトーチの陰極とアノードトーチの陽極との間の電流・電圧を調整して、所定の出力のプラズマＰを安定させる。なお、図では、プラズマＰの形成状態をその中心部により概略的に示している。
【００２６】
このプラズマ後方から軸線Ｃに沿って、搬送ガスにより運ばれてきた原料粉末を、原料投入ノズルを通して投入し、溶融・加速して噴射ノズル４から噴出させ、溶融した液滴Ｒを被覆対象物に吹き付ける。液滴は被覆対象物表面で急速に凝固し、皮膜を形成する。
【００２７】
【実施例】
以下に、本発明に係るプラズマ溶射装置によるプラズマ溶射の実施例を示す。上記実施形態に係るプラズマ溶射装置を使用し溶射原料粉末として市販の溶射用イットリア安定化ジルコニア粉末を使用して、種々のプラズマ出力で溶射を行い、粉末の溶融状態を評価した。また、従来型の市販のプラズマ溶射装置を用い、上記実施例と同様の原料粉末及びプラズマ出力で溶射を行い、粉末の溶融状態を評価した。これらの結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１における記号は以下の評価結果を示している。
×：ほとんど溶融しなかった。
△：一部溶融しているが大部分は溶融せず簡単に拭き取ることができた。
○：ほぽ溶融しているがエアーブロウで飛散する粉も僅かに付着していた。
◎：非常によく溶融し強固な膜ができた。
−：より低出力で高品位の皮膜が得られたので、実施しなかった。
【００３０】
以上の結果から、本発明装置による実施例においては、プラズマ溶射時の粉末の溶融状態が著しく向上し、低出力でも高性能の溶射皮膜が形成されることが明らかである。
【００３１】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明に係るプラズマ溶射装置においては、溶射すべき方向に延びる軸線に沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノズルと、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段とを備え、該プラズマ形成手段は、陰極を備えたカソードトーチと、陽極を備えたアノードトーチとのプラズマトーチ対を２以上備え、これらカソードトーチ及びアノードトーチは、これらの陰極及び陽極間に前記軸線に沿うプラズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の位置関係が前記原料投入方向の上流側及び下流側となるように配置されている。したがって、カソードトーチ及びアノードトーチの間に揺らぎのない安定したプラズマを発生させることができる。このようにプラズマが安定するので、その中心に原料粉末を投入しやすく、そのように投入することにより、プラズマジェット中心の最も温度と速度の高い領域に粉末を飛行させることができる。その結果、粒子径に分布を持った粉末を原料に用いてもプラズマ内で確実に溶解され、高品位の溶射皮膜が得られる。
【００３２】
また、原料粉末は、合流後のプラズマ流中を飛行するので、原料粉末のプラズマ中の滞留時間が長くなり、加熱される時間が十分に得られる。これらの作用により、原料粉末は、高融点材料の場合でも十分かつ均一に効率よく溶融されることになり、緻密で均一な皮膜が形成され得る。
【００３３】
また、プラズマ流中での原料の加熱効率が向上するため比較的低出カでも緻密な皮膜が得られる。さらに、原料粉末をプラズマ流中の中心部の高温部に容易に安定して投入できるので、粉末の粒子径が不揃いな安価な粉末を原料として使用することもできる。また、低出力で十分に原料粉末を溶融できるので、電気使用量を節約できる。
【００３４】
さらに、前記プラズマトーチの陰極及び陽極の少なくとも一方の電極の周りに、該電極を保護する不活性ガスを流すためのガス噴出路を形成し、該ガス噴出路からアルゴン等の不活性ガスを噴出させれば、電極はその不活性ガスにより保護されるので、主プラズマガスとして空気、水素と混合したアルゴン、窒素等の活性なガスを使用することができ、高エンタルピーのプラズマを得る上で有利である。また、原料投入ノズルから噴出する原料搬送ガスとして、不活性ガスに限らず種々のガス、例えば低廉な圧縮空気を使用することもできる。
【００３５】
前記原料投入ノズルが、内管と外管とを備えた２重管であり、前記内管から搬送ガスと共に粉末原料を噴出し、前記内管と外管との間からプラズマ形成用のガスを噴出するように構成すれば、噴出した粉末原料の拡散を防止することができ、溶射効率を上げることができる。
【００３６】
これらにより、本発明に係るプラズマ溶射装置によれば、プラズマ溶射プロセスの著しいコスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係るプラズマ溶射装置を概略的に示す縦断面図である。
【図２】従来のプラズマ溶射装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１原料投入ノズル
２プラズマ形成手段
２１カソードトーチ
２２アノードトーチ
２１ａカソードトーチの陰極
２１ｂカソードトーチの補助陽極
２２ａアノードトーチの陽極
２２ｂアノードトーチの補助陰極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma spraying apparatus for coating high-quality metals and ceramics with a relatively low electric power consumption and plasma gas consumption, characterized by a high enthalpy plasma generation technique.
[0002]
[Prior art]
Plasma spraying is used for a wide range of applications as a method of performing high-speed coating using metal or ceramic powder raw materials. As shown in FIG. 2, the plasma generating part (spraying torch) of a thermal spraying apparatus conventionally used for plasma spraying is usually composed of a pair of a nozzle-like anode A and a cathode B arranged at the center thereof. Yes. The plasma is generated by flowing an inert gas from the gas introduction part C into a donut-shaped gap between the anode and the cathode, and ionizing the gas by DC arc discharge, and the plasma jet P is discharged from the nozzle-like anode to the outside of the thermal spraying torch. And erupts. In the vicinity of the anode cooled by the cooling water flowing from the water pipes W1 to W2, the plasma is cooled and the degree of ionization is reduced, so that the current is difficult to flow and the current is concentrated in the central part of the plasma. Yes. That is, according to the temperature distribution between the electrodes, the plasma ejection velocity has a steep distribution in which the central portion is high and rapidly decreases in the periphery. In addition, DC arc discharge occurs in a single donut-shaped gap between the anode and cathode. However, since the position is not actively controlled, the arc generation position tends to constantly move. Along with this, the plasma jet is also shaking.
[0003]
The powder raw material is placed on the carrier gas through a powder charging pipe D provided immediately after the nozzle outlet or a hole opened in the vicinity of the nozzle outlet, and is generally charged almost vertically into the plasma jet. As a result, the powder raw material is melted in the plasma to form droplets R and ejected from the ejection nozzle. At this time, since the powder input speed is greatly affected by the particle diameter of the powder, the sprayed raw material powder having a uniform particle diameter by classification is used, but since some variation is unavoidable, the powder to be input is used. The speed of inevitably has a distribution.
[0004]
As described above, in the conventional technology, a powder having a particle size distribution is introduced into a plasma having a temperature distribution and a velocity distribution in a form having a velocity distribution in a direction perpendicular to the plasma jet. It was very difficult to concentrate accurately in the center of the hottest area. For this reason, the generation | occurrence | production of unmelted particle | grains R 'and the fall of the performance of the production | generation film | membrane by the entrainment, the fall of the yield by not having all the raw material powders supplied into a film | membrane became a big problem. In order to solve such problems, a thermal spray gun has been developed in which the cathode is made into a pipe shape and powder is introduced through the cathode, but the life of the cathode is remarkably shortened, and the cathode outlet where the arc is concentrated is developed. It is not a definitive solution because the powder is easy to melt and clog.
[0005]
[Problems to be solved by the present invention]
The present invention provides a plasma spraying device that improves the utilization efficiency (yield) of raw material powder and enables the production of a high-performance coating by solving the above-mentioned problems of the prior art and suppressing the generation of unmelted particles. The purpose is to provide.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of various researches, the present inventor considered that the following two points are important, and if the plasma spray gun satisfying these simultaneously can be developed, the above-described problems can be achieved. i) To generate stable plasma without fluctuations, ii) Even if powder with a particle size distribution is used as a raw material, the powder jets from the upstream of the plasma jet so that it will fly through the highest temperature and velocity region at the center of the plasma jet Inject powder along the central axis of the plasma jet. The inventor of the present invention has a structure in which the arc generation position can be fixed to both the cathode and the anode so that the arc generation position does not move around as a structure of the plasma spray gun satisfying these two points at the same time. The present invention was completed by devising a structure in which powder can be introduced from the plasma jet axis between a plurality of cathodes.
[0007]
That is, the present invention includes a raw material charging nozzle for charging a powder raw material for thermal spraying along an axis extending in a direction to be sprayed, and plasma forming means disposed around the axis, the plasma forming means being a cathode There are two or more plasma torch pairs of a cathode torch with an anode and an anode torch with an anode, and the cathode torch and anode torch form a plasma flow along the axis between the cathode and anode. The present invention relates to a plasma spraying apparatus characterized in that it is disposed so as to surround the axis and to have a mutual positional relationship upstream and downstream in the raw material charging direction.
[0008]
In a preferred embodiment of the present invention, the cathode torch includes an auxiliary anode for ignition for generating an arc between the cathode and the cathode, and the anode torch is disposed between the anode and the anode. An auxiliary cathode for ignition for generating an arc is provided in the vicinity of the anode.
[0009]
Of the plasma torch pair, the plasma torch located on the upstream side is preferably arranged so as to eject the plasma in an oblique direction from the periphery of the axis toward the axis.
[0010]
The plasma torch located on the downstream side of the plasma torch pair is preferably arranged so as to eject plasma from the periphery of the spray axis toward the axis.
[0011]
It is preferable that the cathode of the cathode torch and the anode of the anode torch have a cone shape, and the auxiliary anode of the cathode torch and the auxiliary cathode of the anode torch are formed in a nozzle shape so as to surround the cathode and the anode, respectively.
[0012]
A gas ejection path for flowing an inert gas that protects the electrode can be provided around at least one of the cathode and anode of the plasma torch.
[0013]
The raw material injection nozzle is a double pipe having an inner pipe and an outer pipe, and a powder raw material is ejected from the inner pipe together with a carrier gas, and a gas for forming plasma is generated between the inner pipe and the outer pipe. It may be configured to be ejected.
[0014]
On the downstream side of the plasma torch pair on the axis, a plasma discharge injection nozzle can be arranged so as to control the plasma shape and the injection speed.
[0015]
The power distribution to the plurality of plasma torch pairs can be made variable so that the plasma formation position can be controlled.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of a plasma spraying apparatus according to an embodiment of the present invention.
[0017]
This plasma spraying apparatus integrally supports a raw material charging nozzle 1 for charging a powder material for thermal spraying along an axis C extending in a direction to be sprayed, a plasma forming means 2 arranged around the axis, and these. And a spray nozzle 4 which is supported by the frame and ejects raw materials and plasma to the outside of the frame.
[0018]
The raw material injection nozzle 1 is a coaxial double tube including an inner tube 11 and an outer tube 12, and powder raw material is ejected from the inner tube 11 together with a carrier gas, and argon is injected between the inner tube 11 and the outer tube 12. In addition, a plasma gas such as an argon-hydrogen mixed gas, air, oxygen, or nitrogen is ejected. This plasma gas prevents the flight pattern from spreading after the powder material is injected from the nozzle.
[0019]
The plasma forming means 2 includes two or more plasma torch pairs of a cathode torch 21 having a cathode and an anode torch 22 having an anode. The cathode torch 21 and the anode torch 22 have an axis line between the cathode and the anode. They are arranged so as to surround the axis so as to form a plasma flow along C and to be upstream and downstream in the raw material charging direction.
[0020]
Two to seven cathode torches 21 are arranged at equal intervals from the axis C and the distance between adjacent torches. The direction in which plasma is ejected from each cathode torch 21 is an oblique direction toward the raw material charging direction. The inclination angle is preferably 5 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the axis C. This is because if the tilt angle is less than 5 degrees, the confluence of the plasma becomes too far, causing a temperature drop, and if it is greater than 45 degrees, the speed of the plasma jet at the injection nozzle 4 is greatly reduced. From this viewpoint, the inclination angle is more preferably 10 degrees or more and 30 degrees or less. The cathode torch 21 has a conical cathode 21a at the center and an auxiliary anode 21b for ignition for generating an arc between the cathode and the nozzle extending around the cathode 21a. Argon and secondary gas are emitted from the gap. (Hydrogen, helium, etc.) can be input.
[0021]
Further, the anode torches 22 are arranged in the same number as the cathode torches 21 with the distance from the axis C and the distance to the adjacent torches at equal intervals downstream from the cathode torch in the raw material charging direction. A cathode torch and an anode torch form a plasma torch pair and are connected to the main power source M, and a voltage is applied between the arc electrodes. Each of the anode torches 22 is disposed so that a plasma flow is ejected toward the axis C and is continued to the plasma flow from the cathode torch 21 on the axis. The direction of plasma ejection from each anode torch 22 is substantially perpendicular to the axis C (the raw material charging direction). The anode torch 22 has a conical anode 22a at the center and an auxiliary cathode 22b for ignition for generating an arc between the anode and the nozzle extending around the anode 22a. Argon gas can be introduced through the gap. It has become.
[0022]
An auxiliary power source S for ignition is connected between the cathode 21a and the auxiliary anode 21b of each cathode torch 21 and between the anode 22a and the auxiliary cathode 22b of the anode torch 22.
[0023]
In this embodiment, the cathode torch and anode torch plasma torch pairs are provided in one group as described above, but more plasma torch pair groups can be provided. However, it is desirable in terms of material conveyance that the plasma torch closest to the material charging nozzle 1 has a plasma ejection direction that is oblique to the material charging direction. In addition, the plasma ejection direction of the plasma torch other than this can be an oblique direction facing the raw material charging direction.
[0024]
At least two pairs of plasma torches including one cathode torch and anode torch are provided. This is because the plasma flow merged on the axis C is a flow along the axis C.
[0025]
The dimensions of this plasma spraying device are as follows.
Raw material injection nozzle 1
Inner diameter of inner tube 11: 1 to 5 mm
Inner diameter of outer tube 12: 2 to 7 mm
Cathode torch 21:
Inclination angle with respect to the axis C: 15 ° conical cathode maximum diameter: 5 mm
Maximum diameter and tip hole diameter of nozzle-like anode: 30 mm and 5 mm
Anode torch 22:
Inclination angle with respect to the axis C: 60 to 90 degrees Maximum diameter of conical cathode: 5 mm
Maximum diameter and tip hole diameter of nozzle-like anode: 30 mm and 5 mm
Injection nozzle 4:
Nozzle minimum diameter: 7mm
This plasma spraying apparatus is used as follows. The gap between the cathode and auxiliary anode of the cathode torch, and the gap between the anode and auxiliary cathode of the anode torch is connected between the anode and cathode of each plasma torch while flowing argon gas at a flow rate of several liters per minute using the gas ejection path. A DC voltage of several tens of ports is applied between the two electrodes by the auxiliary power source, and a high frequency is instantaneously applied between the anode and the cathode to ionize the argon gas, thereby generating a DC arc plasma. In this state, the argon gas flow rate is adjusted so that the plasma from the cathode torch and the plasma from the anode torch are extended and brought into contact with the front of the torch. In this contact state, when a direct current of several tens of volts or several tens to several hundreds of amperes is passed between the cathode of the cathode torch and the anode of the anode torch by the main power source, the cathode between the cathode of the cathode torch and the anode of the anode torch Main plasma P is generated by arc discharge. Turn off the auxiliary power, and if necessary, argon gas, hydrogen gas, helium gas, elemental gas, compressed air, oxygen from the gap between the electrodes of the cathode torch and / or the gap between the inner tube and the outer tube of the raw material injection nozzle A working gas that increases the enthalpy of the plasma with a gas or a mixed gas thereof is added, and the current and voltage between the cathode of each cathode torch and the anode of the anode torch are adjusted to generate plasma P with a predetermined output. Stabilize. In the figure, the formation state of the plasma P is schematically shown by its central portion.
[0026]
The raw material powder carried by the carrier gas is introduced from the rear side of the plasma along the axis C through the raw material introduction nozzle, melted and accelerated, and ejected from the injection nozzle 4, and the molten droplet R is applied to the coating object. Spray. The liquid droplets rapidly solidify on the surface of the object to be coated to form a film.
[0027]
【Example】
Examples of plasma spraying by the plasma spraying apparatus according to the present invention are shown below. Using the plasma spraying apparatus according to the above-described embodiment, a commercially available yttria-stabilized zirconia powder for thermal spraying was used as a thermal spraying raw material powder, and thermal spraying was performed at various plasma outputs to evaluate the molten state of the powder. Further, using a conventional commercially available plasma spraying apparatus, thermal spraying was performed with the same raw material powder and plasma output as in the above example, and the molten state of the powder was evaluated. These results are shown in Table 1.
[0028]
[Table 1]

[0029]
The symbols in Table 1 indicate the following evaluation results.
X: Almost no melting.
(Triangle | delta): Although it melted partially, most could not be melt | dissolved and it could wipe off easily.
◯: Powder that was melted but scattered by air blow was slightly adhered.
(Double-circle): It melted very well and a strong film was formed.
-: Since a high-quality film with lower output was obtained, it was not carried out.
[0030]
From the above results, it is clear that in the embodiment using the apparatus of the present invention, the molten state of the powder during plasma spraying is remarkably improved, and a high-performance sprayed coating is formed even at low output.
[0031]
【The invention's effect】
As is clear from the above, in the plasma spraying apparatus according to the present invention, the raw material charging nozzle for charging the powder material for thermal spraying along the axis extending in the direction to be sprayed, and the plasma forming means disposed around the axis The plasma forming means includes two or more plasma torch pairs of a cathode torch having a cathode and an anode torch having an anode, and the cathode torch and the anode torch are arranged between the cathode and the anode. In order to form a plasma flow along the axis, they are arranged so as to surround the axis and have a mutual positional relationship upstream and downstream in the raw material charging direction. Therefore, stable plasma without fluctuation can be generated between the cathode torch and the anode torch. Since the plasma is stabilized in this way, it is easy to feed the raw material powder into the center thereof, and by doing so, it is possible to fly the powder to the region with the highest temperature and speed at the center of the plasma jet. As a result, even if powder having a distribution in particle diameter is used as a raw material, it is reliably dissolved in plasma, and a high-quality sprayed coating can be obtained.
[0032]
Moreover, since the raw material powder flies in the plasma flow after the merging, the residence time of the raw material powder in the plasma becomes longer, and a sufficient heating time is obtained. By these actions, the raw material powder is sufficiently and uniformly melted even in the case of a high melting point material, and a dense and uniform film can be formed.
[0033]
Further, since the heating efficiency of the raw material in the plasma flow is improved, a dense film can be obtained even at a relatively low output. Furthermore, since the raw material powder can be easily and stably charged into the high temperature part in the center of the plasma flow, an inexpensive powder with irregular powder particle sizes can be used as the raw material. Further, since the raw material powder can be sufficiently melted at a low output, the amount of electricity used can be saved.
[0034]
Further, a gas ejection path for flowing an inert gas protecting the electrode is formed around at least one of the cathode and the anode of the plasma torch, and an inert gas such as argon is ejected from the gas ejection path. Then, since the electrode is protected by the inert gas, an active gas such as argon, nitrogen mixed with air, hydrogen or the like can be used as the main plasma gas, which is advantageous in obtaining a high enthalpy plasma. It is. Further, the raw material carrier gas ejected from the raw material charging nozzle is not limited to the inert gas, and various gases such as inexpensive compressed air can be used.
[0035]
The raw material injection nozzle is a double pipe having an inner pipe and an outer pipe, and a powder raw material is ejected from the inner pipe together with a carrier gas, and a plasma forming gas is passed between the inner pipe and the outer pipe. If it comprises so that it may eject, the spreading | diffusion of the ejected powder raw material can be prevented, and a thermal spraying efficiency can be raised.
[0036]
Thus, according to the plasma spraying apparatus of the present invention, it is possible to significantly reduce the cost of the plasma spraying process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a plasma spraying apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a conventional plasma spraying apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material injection nozzle 2 Plasma formation means 21 Cathode torch 22 Anode torch 21a Cathode torch cathode 21b Cathode torch auxiliary anode 22a Anode torch anode 22b Anode torch auxiliary cathode

Claims

A raw material charging nozzle for charging a powder raw material for thermal spraying along an axis extending in a direction to be sprayed, and plasma forming means disposed around the axis, the plasma forming means including a cathode torch including a cathode; Two or more plasma torch pairs with an anode torch with an anode, the cathode torch and the anode torch encircling the axis and forming a mutual plasma flow along the axis between the cathode and anode. Is disposed so that the positional relationship is upstream and downstream in the raw material charging direction.

The cathode torch includes an ignition auxiliary anode for generating an arc between the cathode and the cathode, and the anode torch is used for ignition for generating an arc between the anode and the anode. 2. The plasma spraying apparatus according to claim 1, wherein an auxiliary cathode is provided in the vicinity of the anode.

The plasma torch located upstream of the pair of plasma torches is disposed so as to eject plasma in an oblique direction from the periphery of the axis toward the axis. Plasma spraying equipment.

4. The plasma spraying according to claim 3, wherein a plasma torch located on the downstream side of the pair of plasma torches is arranged so as to eject plasma from around the spraying axis toward the axis. 5. apparatus.

The cathode of the cathode torch and the anode of the anode torch are formed in a cone shape, and the auxiliary anode of the cathode torch and the auxiliary cathode of the anode torch are formed in a nozzle shape so as to surround the cathode and the anode, respectively. The plasma spraying apparatus according to any one of claims 1 to 4.

6. A gas ejection path for flowing an inert gas protecting the electrode is provided around at least one of a cathode and an anode of the plasma torch. Plasma spraying equipment.

The raw material injection nozzle is a double pipe having an inner pipe and an outer pipe, and a powder raw material is ejected from the inner pipe together with a carrier gas, and a plasma forming gas is passed between the inner pipe and the outer pipe. The plasma spraying device according to any one of claims 1 to 6, wherein the plasma spraying device is configured to be ejected.

8. The plasma ejection nozzle is disposed downstream of the pair of plasma torches on the axis so as to control the shape and ejection speed of the plasma. 9. Plasma spraying equipment.

9. The plasma spraying apparatus according to claim 1, wherein power distribution to the plurality of plasma torch pairs is variable so that a plasma forming position can be controlled.