JP5799153B1 - プラズマトーチ、プラズマ溶射装置、およびプラズマトーチの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶射材料の利用効率を向上させることができると共に、電極の消耗を抑制することができるプラズマトーチ、プラズマ溶射装置、およびプラズマトーチの制御方法を提供する。【解決手段】本発明によるプラズマトーチ１１は、中央に貫通穴を有しかつ外周に凸部を有するリング状の第１電極３２と、第１電極３２を囲繞するように円筒状に形成された第２電極４１と、第１電極３２の凸部よりも後方に設けられる第１磁石３７と、第２電極４１の外周に設けられる第２磁石４２と、貫通穴に摺動可能に設けられ、第１電極３７の中心軸上に溶射材料の粉末を供給する溶射材料導入管２５と、第１電極３７と第２電極４１との間に形成される放電空間Ｓに、第１電極３２の外周側からプラズマ発生用ガス４５を供給するプラズマ発生用ガス供給通路２６とを具備してなる。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマトーチ、プラズマ溶射装置、およびプラズマトーチの制御方法に関する。

基材表面に耐熱性、耐食性、耐摩耗性などを付与する皮膜を形成する方法として、プラズマトーチで発生させたプラズマアークの輻射熱により、金属、合金、無機材料、またはセラミックスなどの溶射材料の粉体を溶融させ、これを金属基板などの対象物の表面に吹き付けることで、対象物の表面に皮膜を作成する、プラズマ溶射などが実用化されている。

プラズマトーチは、例えば、リング陰極と、該リング陰極との間に放電空間を隔てて囲続的に配設された陽極と、放電空間に中心軸を含む面内で交叉する磁束を形成させる複数の磁石とを備えている。このプラズマトーチでは、リング陰極の周囲にプラズマ発生用ガスを供給しつつ、プラズマトーチ内の電極間に電圧を印加することにより、電極間において放電させて柱状のプラズマアークを発生させ、発生させたプラズマアークを複数の磁石によりプラズマトーチの周方向に高速回転させ、プラズマジェットを発生させる。このプラズマジェット中に、ガスを媒体としてリング陰極の中空から放電空間のほぼ中心軸に沿って、溶射材料の粉体を供給して、発生したプラズマアークで溶射材料を溶融させると共に対象物の表面に吹き付けるようにしている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平８−３１９５５２号公報 特開２０１１−０７１０８１号公報

特許文献１、２のように、単にプラズマアークを回転させるだけのプラズマトーチでは、プラズマジェット中にプラズマ発生用ガスが供給されると、リング陰極の中心部の溶射材料供給口から投入した溶射材料の粉体が旋回するプラズマ発生用ガスのガス流の影響で放電空間の中心軸から外れ、溶融した溶射材料が陽極の内面（放電面）に付着する可能性がある。特に、溶射材料の粉体の比重や粒子径など溶射材料の性質によっては、旋回するガス流の影響で溶融した溶射材料は陽極の放電面にさらに付着しやすい。また、このような従来のプラズマトーチでは、溶射材料の溶融効率が低く、溶射材料が皮膜の形成に十分利用されてない可能性がある。なお、溶融効率とは、溶融した溶射材料がプラズマトーチから放出される割合をいう。

そのため、今後、プラズマを利用して基材表面に対して種々の溶射材料からなる皮膜の形成の更なる効率化を図る上で、安定的に溶射材料の溶融効率を向上させつつ電極の消耗を抑制することができるプラズマトーチが希求されている。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、安定的に溶射材料の溶融効率を向上させることができると共に、電極の消耗を抑制することができるプラズマトーチ、プラズマ溶射装置、およびプラズマトーチの制御方法を提供するものである。

上述の課題を解決するため、本発明によるプラズマトーチは、中央に貫通穴を有しかつ外周に凸部を有するリング状の第１電極と、前記第１電極を囲繞するように円筒状に形成された第２電極と、前記第１電極の前記凸部よりも後方に設けられる第１磁石と、前記第２電極の外周に設けられる第２磁石と、前記貫通穴に摺動可能に設けられ、前記第１電極の中心軸上に溶射材料の粉末を供給する溶射材料導入管と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される放電空間に、前記第１電極の外周側からプラズマ発生用ガスを供給するプラズマ発生用ガス供給通路と、を具備してなることを特徴とする。

本発明においては、前記溶射材料導入管の供給口の位置が、前記溶射材料の種類に応じて調整されたことが好ましい。

本発明においては、前記溶射材料の粉体が金属粉体である場合には、前記溶射材料導入管の前記供給口は前記プラズマトーチのノズル口と前記第１電極との中間よりも前記ノズル口側に設けられ、前記溶射材料の粉体がセラミック粉体である場合には、前記溶射材料導入管の前記供給口は前記ノズル口と前記第１電極との中間よりも前記第１電極側に設けられることが好ましい。

本発明においては、前記溶射材料導入管の周囲に絶縁部材が設けられることが好ましい。

本発明においては、前記溶射材料導入管に前記絶縁部材を介して前記溶射材料導入管の位置を固定する固定部材が設けられることが好ましい。

本発明においては、前記プラズマ発生用ガスが、希ガス元素、窒素、および水素を含む群から選択される１種以上を含むガスであることが好ましい。

本発明によるプラズマ溶射装置は、上記何れかのプラズマトーチと、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を付与する電源と、前記溶射材料導入管に前記溶射材料を搬送する溶射材料搬送部と、を具備してなることを特徴とする。

本発明によるプラズマトーチの制御方法は、中央に貫通穴を有しかつ外周に凸部を有するリング状の第１電極と、前記第１電極を囲繞するように円筒状に形成された第２電極と、前記第１電極の前記凸部よりも後方に設けられる第１磁石と、前記第２電極の外周に設けられる第２磁石と、前記貫通穴に摺動可能に設けられ、前記第１電極の中心軸上に溶射材料の粉末を供給する溶射材料導入管と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される放電空間に、前記第１電極の外周側からプラズマ発生用ガスを供給するプラズマ発生用ガス供給通路と、を具備してなるプラズマトーチを用いて、前記溶射材料導入管を軸方向に摺動させて、前記溶射材料導入管の供給口の位置を前記溶射材料の種類に応じて調整し、前記溶射材料を溶融させることを特徴とする。

本発明においては、前記溶射材料導入管の周囲に設けた絶縁部材を介して前記溶射材料導入管の位置を固定することが好ましい。

本発明においては、前記溶射材料導入管の供給口の位置を調整した後、前記溶射材料導入管を固定することが好ましい。

本発明によれば、安定的に溶射材料の溶融効率を向上させることができると共に、電極の消耗を抑制することができる。

本発明の実施形態によるプラズマトーチの構成を示す図である。 プラズマトーチの部分拡大図である。 第１磁石の形状を示す図である。 プラズマジェットの温度分布の一例を示す図である。 プラズマを発生させた状態を示す説明図である。 磁束の状態を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態のおいては、プラズマトーチがプラズマ溶射装置に適用される場合について説明する。なお、下記実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

＜プラズマ溶射装置＞
本発明の実施形態によるプラズマトーチを適用したプラズマ溶射装置について説明する。図１は、プラズマ溶射装置の構成を示す図であり、図２は、プラズマトーチの部分拡大図である。図１、２に示すように、プラズマ溶射装置１０は、プラズマトーチ１１と、電源１２と、溶射材料搬送装置（溶射材料搬送部）１３とを有している。

［プラズマトーチ］
プラズマトーチ１１は、トーチ本体２１と、陰極ブロック２２と、絶縁部２３と、陽極ブロック２４と、溶射材料導入管２５と、プラズマ発生用ガス供給通路２６と、冷却水供給通路２７−１〜２７−３とを備えている。なお、トーチ本体２１と陰極ブロック２２との間には、電気的インシュレータ２８および熱的インシュレータ２９が設けられている。

なお、本実施形態においては、陰極ブロック２２および陽極ブロック２４でそれぞれ使用される電極の円筒形の中心軸の方向を「軸方向」とし、電極の円筒形の径の方向を「径方向」とする。

トーチ本体２１は、円筒形に形成されている。トーチ本体２１は、その先端（図１中示左端）にノズル口２１ａが設けられた外筒３１と、外筒３１内に設けられる内筒３２とを備える。トーチ本体２１は、熱伝導、電気伝導の良い銅合金などを用いて形成される。トーチ本体２１と陽極ブロック２４との間には、絶縁層を設けてもよい。トーチ本体２１は、その一方の端部がキャップ３３で覆われている。

内筒３２は、その内部に、プラズマ発生用ガス供給通路２６と、冷却水供給通路２７−１〜２７−３とを備えている。

陰極ブロック２２は、陰極ケーシング３５と、リング状陰極３６と、第１磁石３７と、セパレータ３８とを有している。

陰極ケーシング３５は、円筒状に形成され、内筒３２の内周に保持されている。

リング状陰極３６は、陰極ケーシング３５の先端に設けられている。リング状陰極３６は、リング状に形成され、その外周には凸状の放電部３９を有している。

第１磁石３７は、リング状陰極３６よりも後方に設けられ、陰極ケーシング３５の内部に収容されている。第１磁石３７は、図３に示すように、中央に貫通穴を有し、リング状に形成されている。なお、図３では、第１磁石３７の中心軸に沿って一方をＮ極とし、他方をＳ極（図３中の上方向をＮ極、下方向をＳ極）としているが、一方をＳ極とし、他方をＮ極としてもよい。

絶縁部２３は、溶射材料導入管２５の外周に設けられている。絶縁部２３は、絶縁材料であれば、特に限定されるものではなく任意の材料を用いることができる。

陽極ブロック２４は、陽極（第２電極）４１と、第２磁石４２とを有する。陽極４１は、トーチ本体２１の内周壁に設けられ、円筒状に形成されている。

陽極４１は、リング状陰極３６を囲繞するように円筒状に形成されており、リング状陰極３６との間に放電空間Ｓを隔てて逆円錐状に形成されている。

第２磁石４２は、陽極４１の外側に設けられ、リング状に複数配置されている。なお、本実施形態においては、第２磁石４２が軸方向に３列で設けられているが、適宜任意の数とすることができる。また、第２磁石４２は、第１磁石３７と同様、リング状に形成されていてもよい。

溶射材料導入管２５は、絶縁部２３を介して、陰極ケーシング３５およびリング状陰極３６の内周に設けられ、溶射材料導入管２５の軸心はリング状陰極３６の軸心と一致するように設けられている。溶射材料導入管２５は、その先端にリング状陰極３６の中心軸上に溶射材料の粉体（溶射粉体）を供給する供給口２５ａを備えている。溶射材料導入管２５は、溶射材料搬送装置１３に連結されており、溶射材料搬送装置１３から溶射粉体が搬送ガスに同伴されて溶射材料導入管２５を通って、リング状陰極３６の中心軸上に溶射粉体が供給される。

溶射材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニアなどの酸化物系セラミックス、タングステンカーバイト（ＷＣ）などの炭化物系セラミックス、窒化ケイ素などの非酸化物セラミックス、アルミニウム、ニオブ、シリコンなどの金属などを用いることができる。

溶射材料導入管２５は、リング状陰極３６の貫通穴に溶射材料導入管２５の軸方向に対して摺動可能に設けられている。溶射材料導入管２５の供給口２５ａの位置は、使用する材料に応じて調整される。溶射材料導入管２５は、エアシリンダー、電動シリンダーなどを用いて、溶射材料導入管２５を摺動させることができる。これにより、溶射材料導入管２５を摺動させつつ、溶射材料導入管２５の供給口２５ａの位置決めを簡易かつ連続的に行うことができる。

溶射材料導入管２５を構成する材料としては、例えば、ステンレス系材料、無酸素銅などを用いることが好ましい。後述するように、溶射材料導入管２５を冷却水を用いて冷却することにより、溶射材料導入管２５の変形を抑制することができる。

また、溶射材料導入管２５を、リング状陰極３６の貫通穴および絶縁部２３内を溶射材料導入管２５の軸方向に対して摺動させるため、溶射材料導入管２５は、その表面の摺動抵抗が小さくなるように表面加工しておくことが好ましい。表面加工の方法としては、例えば、施盤などを用いた研削、バフ研磨、研石を用いた研磨、電解研磨、化学洗浄などを用いることができる。表面加工は、これらの１種単独、またはこれらを組み合わせてもよい。

本実施形態においては、溶射材料導入管２５の供給口２５ａは、溶射材料導入管２５を軸方向に摺動させて位置を決定した後、固定部材４３で固定される。

固定部材４３は、絶縁部２３の他端に設けられており、ボルトなどの締結部材で構成されている。溶射材料導入管２５を固定部材４３で固定する強度を調整することにより、溶射材料導入管２５を軸方向に摺動可能としつつ所定の位置で固定することができる。本実施形態においては、固定部材４３は、絶縁部２３の他端に設けられているが、これに限定されるものではなく、絶縁部２３の任意の位置に設けてもよい。

また、本実施形態においては、固定部材４３は、絶縁部２３の他端に１つだけ設けられているが、複数設けてもよい。

溶射材料導入管２５の供給口２５ａの位置は、溶射材料の種類、平均粒子径、物性（例えば、融点、比熱、熱伝導率など）などに応じて調整される。プラズマジェットの温度分布の一例を図４に示す。図４に示すように、プラズマジェットの中心部分は、１０，０００℃以上の超高温状態になっており、その周辺部分は１５００〜２０００℃程度の高温状態である。そのため、溶射材料の種類、平均粒子径、物性（例えば、融点、比熱、熱伝導率など）などに応じて、溶射粉体を効率よく溶融させることができるように供給口２５ａの位置を調整することにより、基材Ｍの表面に溶射粉体の皮膜Ｃを効率的に形成することができる。本実施形態においては、溶射材料導入管２５の供給口２５ａの位置は、予め作成された、溶射材料の種類、平均粒子径、物性（例えば、融点、比熱、熱伝導率など）などと、溶射材料導入管２５から供給される溶射材料が溶融された状態で噴出する位置との相関関係を示す図（相関図）を用いることにより、求めることができる。

このような相関図は、例えば、以下のように得られる。まず、特定の溶射材料の種類、平均粒子径、物性（例えば、融点、比熱、熱伝導率など）などから、特定の溶射材料をプラズマ中に投入した場合に溶射材料が芯まで溶融するのに必要な時間を求める。そして、溶射材料が溶融するまでに必要な時間に基づいて、溶射材料導入管２５から供給される溶射材料が溶融された状態で噴出する位置を求める。これにより、上記のような相関図が得られる。また、相関図に登録されている溶射材料以外の、他の溶射材料を用いる場合でも、他の溶射材料が溶融するまでに必要な時間を求め、得られた時間と、相関図に蓄積されている溶射材料が溶融するまでに必要な時間との比から、溶射材料が溶融された状態で噴出する位置を求めることができる。

例えば、溶射材料が金属粉体などの場合には、金属の融点は、一般にセラミックなどに比べて融点が低いため、溶射材料導入管２５の供給口２５ａは、プラズマトーチ１１のノズル口２１ａとリング状陰極３６との中間よりもノズル口２１ａ側に設けられることが好ましい。また、溶射材料がセラミック粉体などの場合には、セラミックの融点は、一般に金属などに比べて融点が高いため、溶射材料導入管２５の供給口２５ａは、プラズマトーチ１１のノズル口２１ａとリング状陰極３６との中間よりもリング状陰極３６側に設けられることが好ましい。このように、溶射材料の種類に応じて、溶射材料導入管２５の供給口２５ａの位置を調整することで、溶射粉体をより確実に溶融させて放出することができる。

なお、本実施形態によるプラズマトーチ１１が対象とする金属粉体の融点は、例えば、６５０〜２５００℃程度である。金属粉体として、例えば、アルミニウム（融点：約６６０℃）、ニオブ（融点：約２４６８℃）などが用いられる。また、プラズマ溶射装置１０が対象とするセラミック粉体の融点は、例えば、２０００〜２４５０℃程度である。セラミックス粉体として、例えば、アルミナ（融点：約２０１５℃）、ジルコニア（融点：約２４２０℃）などが用いられる。また、溶射材料が融点に達する時間は用いる材料によって推定できるが、この時間は溶射材料の平均粒子径などにより変動する。なお、平均粒子径とは、有効径による体積平均径をいい、平均粒子径は、例えば、レーザー回折・散乱法または動的光散乱法などによって測定される。

また、溶射材料導入管２５の供給口２５ａの調整は、プラズマ溶射装置１０を稼動する時のみ行うようにしてもよいが、溶射粉体をより効率よく溶融させ、基材Ｍの表面に溶射粉体の皮膜Ｃをより効率的に形成できるようにするため、溶射粉体の溶融具合などに応じて、稼動後、定期的又は連続的に行うこととしてもよい。

プラズマ発生用ガス供給通路２６は、リング状陰極３６の外周側から、陽極４１の放電面４１ａと陰極３３との間に形成される放電空間Ｓにプラズマ発生用ガス４５を供給するための通路である。プラズマ発生用ガス供給通路２６は、内筒３２および陽極４１の内部に形成されている。

プラズマ発生用ガス４５としては、希ガス元素、窒素（Ｎ₂）、水素（Ｈ₂）、およびＣＯ₂を含む群から選択される１種以上を含むガスを使用することができる。希ガス元素としては、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などを用いることができる。Ｎ₂やＨ₂などのように２原子分子で構成される成分を含むガスは、リング状陰極３６または陽極４１に与える損傷が激しいため、リング状陰極３６または陽極４１の寿命が短くなることを抑制する観点から、一般的に使用するのは好ましくない。しかし、後述するように、本実施形態では、プラズマアークを径方向に回転させ、リング状陰極３６および陽極４１のそれぞれの放電点をリング状陰極３６および陽極４１の一点に集中させないようにしているため、プラズマ発生用ガス４５として、Ｎ₂ガスやＨ₂ガスなどのように２原子分子で構成される成分を含むガスも有効に用いることができる。

また、放電空間Ｓに生じるプラズマジェットの温度はノズル口２１ａに近くなるほど低下して、ノズル口２１ａから先の領域ＩV（図５参照）では急激に低下するが、Ｎ₂ガス、Ｈ₂ガスなどの２原子分子で構成される成分からなるガスは、プラズマ状態から元の中性ガスに戻る過程の温度降下が激しい、希ガス元素のような単原子分子で構成される成分からなるガスに比べて温度降下が緩やかである。そのため、プラズマ発生用ガス４５として、２原子分子で構成される成分からなるガスを使用することにより、溶射粉体を溶融させるのに有効な加熱領域を広くできるため、リング状陰極３６および陽極４１の損耗を抑制しつつ溶射粉体が溶融されるプラズマの有効加熱領域を長引かせることができる。

冷却水供給通路２７−１〜２７−３は、プラズマトーチ１１を構成する部材を冷却するための通路であり、本実施形態では、冷却水供給通路２７−１が、内筒３２の内部と、陽極４１の外側と、外筒３１と内筒３２との間とに形成され、冷却水供給通路２７−２が陰極ケーシング３５の内部に形成され、冷却水供給通路２７−３が溶射材料導入管２５の内部に形成されている。

トーチ本体２１の他端には、溶射材料導入管２５の径方向の外周に、プラズマ発生用ガス４５を供給するプラズマ発生用ガス導入ジョイント５１、陽極４１に冷却水Ｗを供給する第１給水ジョイント５２、陽極４１で熱交換に用いた冷却水Ｗを排出する図示しない第１排水ジョイント、陰極ケーシング３５に冷却水Ｗを供給する図示しない第２給水ジョイント、およびリング状陰極３６で熱交換に用いた冷却水Ｗを排出する図示しない第２排水ジョイント、溶射材料導入管２５内に冷却水Ｗを供給する給水通路５３、および溶射材料導入管２５で熱交換に用いた冷却水Ｗを排出する排水通路５４がそれぞれ接続されている。

第１給水ジョイント５２に供給された冷却水Ｗは、内筒３２の内部と、陽極４１の外側と、外筒３１と内筒３２との間とを通って熱交換に利用された後、第１排水ジョイント５３を通って、排出される。また、第２給水ジョイント５４に供給された冷却水Ｗは、陰極ケーシング３５の内部を通って熱交換に利用された後、第２排水ジョイント５５を通って、排出される。また、給水通路５３に供給された冷却水Ｗは、溶射材料導入管２５の内部を通って熱交換に利用された後、排水通路５４を通って、排出される。

［電源］
電源１２は、リング状陰極３６と陽極４１との間に電圧を付与する直流電源である。

［溶射材料搬送装置］
溶射材料搬送装置１３は、溶射材料導入管２５に溶射材料の粉体を搬送するものであり、溶射粉体を搬送ガスＧに同伴させて、溶射材料導入管２５に供給している。

このようなプラズマ溶射装置１０のプラズマトーチ１１では、リング状陰極３６と陽極４１との間に電源１２より電圧が印加されることにより放電空間Ｓにアーク放電が生じている。この放電空間Ｓにプラズマ発生用ガス４５を供給することで、プラズマ発生用ガス４５はエネルギーを与えられ、プラズマ状態になり電極間に電流（放電電流）Ｉが発生する。放電電流Ｉの発生直後、リング状陰極３６および陽極４１の表面上のエネルギー消費が最小になる地点に柱状のプラズマアークが発生する。例えば、リング状陰極３６と陽極４１との間のプラズマアークは、例えば、図５に示すように、点ａ、点ｂ、点ｃ、および点ｄで仕切られる領域Ｉに接するリング状陰極３６および陽極４１の表面の任意の地点を直線で結ぶ地点間で生じる。一方、放電空間Ｓの径方向の外側に配置された第２磁石４２により、リング状陰極３６と陽極４１との中心方向に向かう磁束Ｈが生まれる。電流Ｉと磁束Ｈとが交叉すると、フレミングの左手の法則により、磁界が電流に作用して回転力Ｆを生起する。この回転力Ｆにより、プラズマアークは、リング状陰極３６の凸部頂点に沿って放電点（陰極点）を移動して回転することにより、陽極の放電点（陽極点）も同様に、移動して回転する。このように、領域Ｉで発生したプラズマアークは、リング状陰極３６と陽極４１の放電面４１ａとを結ぶ線上で磁界の作用により、プラズマトーチ１１の中心軸に対して周方向に回転する。回転は、放電開始から徐々に加速され、数分後には毎秒数百回転に到達する。また、リング状陰極３６の後側に第１の磁石３７を設けることにより、例えば、図６に示すように、第２磁石４２の形成する磁束が、リング状陰極３６の陰極点となる凸部の頂点付近で交叉するように形成される。これにより、陰極点の根本付近に力の作用点が新たに発生するため、プラズマアークは連続して安定して回転することができる。このように高速回転するプラズマアークは、リング状陰極３６の円形端面から発生するプラズマジェットとなり、ノズル口２１ａから噴出する。

また、プラズマトーチ１１は、溶射材料導入管２５の供給口２５ａをリング状陰極３６の中心軸上に位置し、溶射粉体が供給口２５ａからプラズマジェットの中心軸上に供給されるように調整しているため、プラズマジェットの中心軸上に溶射粉体を供給することができる。プラズマジェットの温度分布は、上述の通り、プラズマジェットの中心部分が１０，０００℃以上の超高温状態になっており、その周辺部分が１５００〜２０００℃程度の高温状態である。そのため、プラズマジェットの後方からプラズマジェットの中心軸上に溶射粉体を供給することにより、溶射粉体は高速回転するプラズマアークの渦流の中心に取り込まれるため、溶射粉体はプラズマジェットの中心部分の超高温の熱で溶融させて、ノズル口２１ａから放出させることができる。

一般に、例えば、領域I（図５参照）のプラズマアークは高速で回転しているため、領域II（図５参照）の気流は領域Ｉ（図５参照）の影響を受けて乱れている。高速で回転するプラズマアークの中心に溶射粉体が供給されると、溶射粉体の溶融が完了するタイミング次第では、領域II（図５参照）に侵入した溶射粉体の一部は、領域II（図５参照）の気流の乱れで周辺に飛ばされ、プラズマアークの旋回流により飛ばされることで、ノズル口２１ａから放出されず、リング状陰極３６の貫通穴の周辺や冷却水で冷却されている陽極４１の放電面４１ａに衝突して凝固する可能性がある。また、凝固した溶射粉体が堆積したり、この堆積物が絶縁バリアーとなって放電を妨げたり、堆積物が再溶融して離脱してノズル口２１ａから放出され、粗大粒子となって基材Ｍ上の皮膜Ｃ中に取り込まれて正常な皮膜Ｃの形成を阻害する可能性などがある。例えば、溶射粉体がセラミック粉体など難溶融性材料のように、リング状陰極３６の貫通穴の周辺や陽極４１の放電面４１ａなどに飛ばされた溶射粉体が未溶融である場合には、陽極４１の放電面４１ａに衝突しても付着することなく、陽極４１のノズル口２１ａから放出され、飛散する。そのため、従来では、セラミック粉体などの難溶融性材料の溶融効率は、例えば、５０％未満と低かった。また、溶射粉体が、例えば金属粉や微細粒子のように、領域II（図５参照）で溶融が完了するような融点が低い粒子である場合には、溶射粉体が陽極４１の放電面４１ａに衝突して凝固してしまう可能性がある。即ち、溶射材料は溶射材料の融点、熱伝導速度、溶融粉体の大きさなどにより、溶融に至る時間が異なり、溶射粉体が放電空間Ｓに供給されてから融点に至る距離は一定でないため、早く溶融した溶射粉体ほどリング状陰極３６に近い位置で溶融し、遅く溶融した溶射粉体ほどノズル口２１ａに近い位置で溶融してしまう。

これに対し、本実施形態によれば、プラズマトーチ１１は、溶射粉体の種類に応じて、溶射粉体が放電空間Ｓ内に供給される位置を調整することにより、溶射材料の溶融の難易度によらず、溶射材料搬送装置１３から供給された溶射材料の例えば９０％以上を放電空間Ｓの内壁に付着させることなく、完全に溶融させた状態でノズル口２１ａから放出して、基板Ｍに向かわせ、皮膜Ｃの形成に用いることができる。

このように、プラズマトーチ１１は、リング状陰極３６内に溶射材料導入管２５を設け、溶射材料の種類に応じて予め定められた溶射粉体の溶融が完了する位置に基づいて、溶射材料導入管２５の先端の位置を調整している。そして、プラズマを回転させつつ、リング状陰極３６の中心軸上に位置する供給口２５ａからプラズマジェットの中心軸上に溶射材料が供給されるように制御している。これにより、プラズマトーチ１１は、プラズマジェットの中心軸上に供給した溶射粉体を高速回転するプラズマアークの渦流の中心に取り込ませて溶融し、溶融した溶射粉体を陽極４１の放電面４１ａに付着することを抑制しつつノズル口２１ａから放出させて皮膜Ｃを形成することができる。このため、プラズマトーチ１１は、溶射材料搬送装置１３から供給される溶射粉体を、例えば、溶射材料の溶融の難易度によらず、溶射粉体の溶融効率を例えば９０％以上と高くすることができるため、安定的に溶射材料の溶融効率を向上させることができると共に、リング状陰極３６および陽極４１の消耗を抑制することができる。

また、プラズマアークの陽極点および陰極点が強制的に駆動されて移動することにより、極点の集中によりリング状陰極３６および陽極４１に損傷が生じることが抑制されるため、リング状陰極３６および陽極４１の寿命を向上させることができると共に、リング状陰極３６および陽極４１の消耗に伴うコンタミの発生を抑制することができる。さらに、プラズマアークが回転し、極点の集中を抑制できるため、プラズマ発生用ガス４５として、Ｎ₂ガスやＨ₂ガスなどのような２原子分子で構成される成分のガスを用いても、運転費用を削減しつつ、リング状陰極３６および陽極４１への損傷を抑制することができる。

また、プラズマトーチ１１は、プラズマ発生用ガス４５として、２原子分子で構成される成分のガスを用いることにより、溶射粉体を溶融させる領域を広くできるため、リング状陰極３６および陽極４１の損耗を抑制しつつ溶射材料が溶融されるプラズマの有効加熱領域を長引かせることができる。

このように、プラズマトーチ１１を備えるプラズマ溶射装置１０は、プラズマを利用して基材Ｍの表面に対して種々の溶射材料の皮膜Ｃをさらに効率良く形成することができ、溶射効率をさらに向上させることができる。

以上のように、本発明は、溶射材料導入管２５から溶射材料を陽極４１の放電面４１ａに付着させることなく溶射粉体を外部に放出でき、溶射材料の溶融効率を向上させることから、例えば、カレンダーロール表面への耐摩耗溶射コーティング、太陽電池用シリコンの精製、大型プラズマディスプレーパネルの絶縁コーティングなどに好適に適用することができる。

なお、本実施形態においては、リング状陰極３６および陽極４１をそれぞれ陰極と陽極として用いているが、陰極と陽極とは、電源の極性を入れ替えて、リング状陰極３６および陽極４１の極性を変換してもよい。

また、本実施形態においては、プラズマトーチがプラズマ溶射装置に適用される場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本発明は、プラズマトーチを微粒子製造装置に適用することもできる。

１０ プラズマ溶射装置
１１ プラズマトーチ
１２ 直流電源
１３ 溶射材料搬送装置（溶射材料搬送部）
２１ トーチ本体
２２ 陰極ブロック
２３ 絶縁部
２４ 陽極ブロック
２５ 溶射材料導入管
２５ａ 供給口
２６ プラズマ発生用ガス供給通路
２７−１〜２７−３ 冷却水供給通路
２８ 電気的インシュレータ
２９ 熱的インシュレータ
３１ 外筒
３２ 内筒
３３ キャップ
３５ 陰極ケーシング
３６ リング状陰極（第１電極）
３７ 第１磁石
３８ セパレータ
３９ 放電部
４１ 陽極（第２電極）
４１ａ 放電面
４２ 第２磁石
４３ 固定部材
４５ プラズマ発生用ガス
５１ プラズマ発生用ガス導入ジョイント
５２ 第１陽極給水ジョイント
５３ 給水通路
５４ 排水通路
Ｓ 放電空間

Claims (10)

1. 発生させたプラズマを噴出させ、かつ前記プラズマにより溶射材料の粉体を溶融させて外部に放出させるプラズマトーチであって、
   中央に貫通穴を有しかつ前記貫通穴のプラズマ噴出方向側に凸状に形成された凸部を有するリング状の第１電極と、
   前記第１電極を囲繞するように円筒状に形成された第２電極と、
   前記第１電極の凸方向とは反対方向に設けられる第１磁石と、
   前記第２電極の外周に設けられる第２磁石と、
   前記プラズマの中心軸に沿って前記貫通穴に摺動可能に設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される放電空間に溶射材料の粉体を供給する溶射材料導入管と、
   前記放電空間に、前記第１電極の外周側からプラズマ発生用ガスを供給するプラズマ発生用ガス供給通路と、
   を具備してなり、
   前記溶射材料導入管の供給口の位置が、前記放電空間内となるように調整されてなることを特徴とする、プラズマトーチ。
2. 前記溶射材料導入管の供給口の位置を、前記溶射材料の種類に応じて調整できる、請求項１に記載のプラズマトーチ。
3. 前記溶射材料の粉体が金属粉体である場合には、前記溶射材料導入管の前記供給口は前記プラズマトーチのノズル口と前記第１電極との中間よりも前記ノズル口側に設けられ、
   前記溶射材料の粉体がセラミック粉体である場合には、前記溶射材料導入管の前記供給口は前記ノズル口と前記第１電極との中間よりも前記第１電極側に設けられる、請求項１または２に記載のプラズマトーチ。
4. 前記溶射材料導入管の外周に絶縁部材が設けられる、請求項１〜３の何れか一項に記載のプラズマトーチ。
5. 前記溶射材料導入管に、前記絶縁部材を介して前記溶射材料導入管の位置を固定する固定部材が設けられる、請求項４に記載のプラズマトーチ。
6. 前記プラズマ発生用ガスが、希ガス元素、窒素、および水素を含む群から選択される１種以上を含むガスである、請求項１〜５の何れか一項に記載のプラズマトーチ。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のプラズマトーチと、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を付与する電源と、
   前記溶射材料導入管に前記溶射材料を搬送する溶射材料搬送部と、
   を具備してなることを特徴とする、プラズマ溶射装置。
8. 発生させたプラズマを噴出させ、かつ前記プラズマにより溶射材料の粉体を溶融させて外部に放出させるプラズマトーチであって、
   中央に貫通穴を有しかつ前記貫通穴のプラズマ噴出方向側に凸状に形成された凸部を有するリング状の第１電極と、
   前記第１電極を囲繞するように円筒状に形成された第２電極と、
   前記第１電極の凸方向とは反対方向に設けられる第１磁石と、
   前記第２電極の外周に設けられる第２磁石と、
   前記プラズマの中心軸に沿って前記貫通穴に摺動可能に設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される放電空間に溶射材料の粉体を供給する溶射材料導入管と、
   前記放電空間に、前記第１電極の外周側からプラズマ発生用ガスを供給するプラズマ発生用ガス供給通路と、
   を具備してなり、
   前記溶射材料導入管の供給口の位置が、前記放電空間内となるように調整されてなるプラズマトーチを用いて、
   前記溶射材料導入管を軸方向に摺動させて、前記溶射材料導入管の供給口の位置を前記溶射材料の種類に応じて調整し、前記溶射材料の粉体を溶融させることを特徴とする、プラズマトーチの制御方法。
9. 前記溶射材料導入管を、前記溶射材料導入管の外周に設けた絶縁部材を介して前記溶射材料導入管の位置を固定する、請求項８に記載のプラズマトーチの制御方法。
10. 前記溶射材料導入管の供給口の位置を調整した後、前記溶射材料導入管を固定する、請求項８または９に記載のプラズマトーチの制御方法。

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