JP5841070B2 - プラズマ流遮蔽用の囲い部材、プラズマ流を保護する、閉じ込める又は遮蔽する方法 - Google Patents

Description

プラズマ溶射は、いかなる材料の溶解にも十分なエネルギーを発生可能なため、あらゆる熱溶射プロセスのなかで最も柔軟性があるであろう。プラズマ溶射ガンは、被覆の供給原料として粉末を用いるが、プラズマ溶射プロセスに用いることのできる被覆材料の数にはほとんど制限がない。プラズマ溶射ガンでは、アノード（ノズル）とカソード（電極）との間で高周波アークが点火される。アノードとカソードとの間を流れるプロセス・ガス、通常はアルゴン、窒素、水素及びヘリウムの混合物がイオン化され、高温のプラズマガス流（プルーム）になり、６，６００℃〜１６，６００℃（１２，０００°Ｆ〜３０，０００°Ｆ）の温度に達する。被覆供給原料の物質がプラズマガス流に注入されると、物質は融解し、ターゲット基板に向かって進められる。

大気中の熱溶射ガンによって生成される層流のプラズマ流は、周囲の環境に敏感である。こうしたプラズマガス流は、気流によって簡単に乱される可能性がある。熱溶射ガンを基板上で移動又は横断させると、気流がガス流に衝突する。これを複雑にしているのは、プラズマ・ガンの動作中、溶射ブースを通して空気を強制的に流す必要があることである。プラズマ流を乱すことによって、いくつかの望ましくない影響が生じる可能性がある。

第１の望ましくない影響として、粉末の注入に対するプラズマ流の方向が変えられ、その結果、粉末粒子へのエネルギー移動が不十分になり、その後の被覆の結果が不良になる可能性がある。

他の望ましくない影響として、プラズマ流の層流管が潰れ、環境との相互作用が増大する可能性がある。層流プラズマ流は、エネルギーが層流管内に含まれるので粉末粒子に伝える熱エネルギーが多いため、溶射にきわめて効果的であると考えられる。

極端なケースである他の望ましくない影響として、例えば外部アークプラズマ流の場合、アークの位置が影響を受け、その結果、不適切な場所に与えられたアーク・エネルギーのために、カソード、アノード及び／又は周囲部材に損傷を与える可能性がある。

したがって、必要とされるのは、層流プラズマ流が周囲の気流によって乱されることを防ぎ、及び／又は上記で言及した欠陥の１つ又は複数を克服する装置である。

本発明の非限定的な観点によれば、軸線方向長さ、プラズマ流の入口端部及びプラズマ流の出口端部を有する実質的に管状又は円筒形の部材を備えたプラズマ流遮蔽用囲い部材（シュラウド）であって、プラズマ・ガンに取り付けられるように適合された囲い部材が提供される。

一具体例によれば、実質的に円筒形の部材は、穿孔された金属部材を備える。

一具体例によれば、実質的に管状又は円筒形の部材は、プラズマ・ガンの一部材を内部に受け入れるように適合された側方開口部、及び粉末をプラズマガス流に注入することを可能にする側方開口部の少なくとも１つを備える。

一具体例によれば、実質的に管状又は円筒形の部材は、囲い部材をプラズマ・ガンに取り付けるための取り付け部材を備える。

一具体例によれば、実質的に管状又は円筒形の部材は、囲い部材を取り付け組立体に取り付けるための取り付け部材を備える。

一具体例によれば、取り付け組立体は、囲い部材をプラズマ・ガンに取り付けるように構成及び配置される。

一具体例によれば、プラズマ流の囲い部材は、囲い部材をプラズマ・ガンに取り付けるための取り付け組立体をさらに備える。

一具体例によれば、プラズマ流の囲い部材は、囲い部材をプラズマ・ガンに移動可能に取り付けるための取り付け組立体をさらに備える。

一具体例によれば、囲い部材は、プラズマ・ガンに移動可能に取り付けられる部材、プラズマ・ガンに枢動可能に取り付けられる部材、及びプラズマ・ガンに取り外し可能に取り付けられる部材のうちの少なくとも１つである。

一具体例によれば、軸線方向長さは、実質的に円筒形の部材の直径よりも大きい、及びおよそプラズマガス流がプラズマ・ガンを出る点から始まり、プラズマガス流に粉末を注入する位置を過ぎた所定の距離まで、プラズマガス流を遮蔽するようにサイズ決めされるのうちの少なくとも１つである。

本発明の他の非限定的な観点によれば、ガス流の少なくとも一部を実質的に囲むようにサイズ決め及び構成された部材を備えたプラズマ・ガンのプラズマ流遮蔽用囲い部材であって、囲い部材が、気流によるプラズマガス流の少なくとも一部の乱れを防止するようにサイズ決め及び構成される囲い部材が提供される。

一具体例によれば、囲い部材は、実質的に円筒形の部材及び穿孔された金属部材の少なくとも１つである。

一具体例によれば、囲い部材は、プラズマ・ガンの一部材を内部に受け入れるように適合された側方開口部、及び粉末をプラズマガス流に注入することを可能にする側方開口部のうちの少なくとも１つを備える。

一具体例によれば、囲い部材は、囲い部材をプラズマ・ガンに取り付けるための取り付け部材、及び囲い部材を取り付け組立体に取り付けるための取り付け部材のうちの少なくとも１つを備える。

一具体例によれば、囲い部材は、囲い部材をプラズマ・ガンに取り付けるように構成及び配置された取り付け組立体をさらに備える。

一具体例によれば、囲い部材は、プラズマ・ガンに移動可能に取り付けられる部材、プラズマ・ガンに枢動可能に取り付けられる部材、及びプラズマ・ガンに取り外し可能に取り付けられる部材のうちの少なくとも１つである。

本発明の他の非限定的な観点によれば、プラズマ・ガンのプラズマガス流を保護する、閉じ込める又は遮蔽する方法であって、プラズマガス流の領域内にプラズマガス流の囲い部材を取り付けることを含み、囲い部材が、プラズマガス流の少なくとも一部を実質的に囲むようにサイズ決め及び構成される方法が提供される。

一具体例によれば、プラズマガス流の囲い部材は、実質的に円筒形の部材及び穿孔された金属部材の少なくとも１つである。

一具体例によれば、プラズマガス流の囲い部材は、プラズマ・ガンの一部を内部に受け入れるように適合された側方開口部を備える。

一具体例によれば、取り付けは、プラズマガス流の囲い部材をプラズマ・ガンに移動可能に取り付けること、プラズマガス流の囲い部材をプラズマ・ガンに取り外し可能且つ移動可能に取り付けること、及びプラズマガス流の囲い部材をプラズマ・ガンに枢動可能に取り付けることのうちの少なくとも１つを含む。

本発明の他の例示的な例及び利点は、本開示及び添付図面を検討することによって確認することができる。

以下の詳しい説明では、本発明の非限定的且つ例示的な実施例として言及する図面に関連して、本発明をさらに詳しく記述する。

プラズマ流遮蔽用囲い部材の実施例の斜視図。 図１に示す囲い部材の側面平面図。 図１に示す囲い部材の第１の端面図。 図１に示す囲い部材の第２の端面図。 取り付け組立体に取り付けられたプラズマ流遮蔽用囲い部材の上部背面側の斜視図。 図５のプラズマ流遮蔽用囲い部材及び取り付け組立体の上部正面側の斜視図。 プラズマ・ガンに取り付けられた、プラズマ流遮蔽用囲い部材及び取り付け組立体の上部右側の斜視図。

本明細書において示される事項は、実例として、本発明の実施例を説明的に論じるためのものにすぎず、本発明の原理及び概念的な態様について、最も有用であり且つ容易に理解される説明と考えられるものを提供するために示してある。これに関して、本発明の基本的な理解に必要であるよりも詳しく本発明の構造上の詳細を示すことはないが、図面を用いて行う説明によって、実際に本発明の複数の形態をどのように具体化することができるかが当業者には明らかになる。

大気中の熱溶射の用途における層流プラズマ流の開発は、比較的最近であり、こうしたプラズマ流への悪影響に伴う問題は、新たに明らかにされたことである。層流プラズマ流は長い間、低圧で反応器チャンバ内に存在するものであったが、こうした状況では、周囲の気体に伴う問題は生じなかった。

本発明の１つの態様は、層流プラズマ流用の囲い部材に関する。この囲い部材は、起こり得る気流との強制的な相互作用を最小限に抑える。気流は、例えば排気流又はガンの動きによって引き起こされる可能性がある。囲い部材は、およそプラズマ流がガン本体を出る点から始まり、プラズマ流に粉末を注入する位置を過ぎた所定の距離までプラズマ流を遮蔽する。好ましい実施例において、この距離は溶射距離の約３分の１である。他の実施例において、この距離は溶射距離の２分の１である。さらに他の実施例では、この距離は溶射距離の約３分の１から約２分の１である。

一実施例において、囲い部材は略円筒形として配置される。略円筒形の囲い部材の長さは、囲い部材の長さとして先に論じた長さと同様である。略円筒形の囲い部材の直径は、プラズマ流を保護するのに適したものにする。一実施例において、略円筒形の囲い部材の直径は、約７ｃｍ〜約１０ｃｍである。

他の実施例において、囲い部材は任意の適切な材料で作製される。例えば一実施例において、囲い部材は金属で、より好ましくは、プラズマ流の熱に耐えることができる耐熱金属で作製される。以下では、そうした材料の非限定的な実例について記述する。

他の実施例において、囲い部材は、開放されたフレーム又は穿孔された金属で作製される。これによって、囲い部材を通してプラズマ流を見ることが可能になる。囲い部材は、表面積の約３分の１から２分の１を孔で開放された状態にすることができる。孔又は開口部の直径は、約１５ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲とすることができる。さらに大きい孔を使用することもできるが、効果は低下する。金属又はワイヤのメッシュを使用することもできる。

他の実施例において、囲い部材は、内側に面する面、すなわちプラズマガス流を囲む面に塗布された、熱バリア材料又はコーティングを有する。この熱バリアは、放射された熱を封じ込め、プロセスの熱効率を改善する。

他の実施例において、囲い部材は、プラズマ・ガンに取り付け可能である。さらに囲い部材は、プラズマ・ガンに取り付けられると、枢軸及び／又は回転可能になることもでき、ガンが動いていないときには、プラズマ流又はプラズマ流領域をすべて見ることが可能になる。これにより、例えば他の場合には囲い部材によって遮られる又は妨げられる診断用の測定を行うことが可能になる。

他の実施例において、囲い部材は２層の囲い部材を用いることができる。例えば、外層はより細かい内側メッシュの内層を有する。この多層囲い部材は、気流の進入に対する抵抗を付加するために用いることができる。一実施例において、囲い部材の外層は穿孔された部材であり、囲い部材の内層は金属又はワイヤのメッシュである。一実施例において、囲い部材の外層はワイヤ又は金属のメッシュであり、囲い部材の内層は穿孔された部材である。一実施例において、囲い部材の外層と内層の両方が穿孔された部材である。一実施例において、囲い部材の外層と内層の両方が金属またワイヤのメッシュである。

次に、本発明の非限定的な態様を示す図を参照するが、図１〜図４には本発明による囲い部材１０を示し、図５及び図６は、囲い部材１０を取り付けることができる非限定的な取り付け組立体２０を示し、図７は、組立体１０／２０をプラズマ・ガン３０に取り付けることができる非限定的な方法を示している。

図１〜図４は、本発明によるプラズマ流遮蔽用囲い部材１０の詳細を示している。囲い部材１０は、第１の端部１１及び第２の端部１３を有している。第１の端部１１は開放され、それに固定された囲い部材のリング部材１２を含んでいる。一実施例において、リング１２は、溶接によって第１の端部１１に固定される。他の結合技術を利用することもできる。リング１２は環状部を有し、その内側縁部１２ｂは、囲い部材１０の主要部１４の内径よりも小さくなるようにサイズ決めされ、周縁部１２ａは、第１の端部１１を内部に受け入れるか、又は第１の端部１１上を摺動するようにサイズ決め及び構成される。主要部又は主本体１４は、開放されたフレーム又は穿孔された金属で作製される。非限定的な実施例によれば、略円筒形の本体１４の外径は、約７ｃｍ〜１０ｃｍである。

本体１４は管状の部材であり、任意の適切な材料で作製することができる。一実施例において、本体１４は金属で、より好ましくは、プラズマ流の熱に耐えることができる耐熱金属で作製される。本体１４の材料は以下の材料、すなわち鋼、ステンレス鋼、銅、インコネル、耐熱ニッケル、クロム及び／又はコバルト基合金、並びに最大１５００℃以上の温度に耐えることができる他の金属及び合金の任意のものとすること、又はそれらの任意のものを含むことができる。例えばアルミニウム酸化物など、セラミックスを用いることもできる。一実施例において、本体１４は、内側に面する面、すなわちガス流を囲む面に塗布された、熱バリア材料又はコーティングを利用する又はそれらを含む。

一実施例において、本体１４は穿孔される。穿孔１５は任意のサイズ及び／又は形状のものである。上述のように、一実施例において、孔又は開口１５の直径は、約１５ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲とすることができる。形状は、例えば円形、部分的に円形、多角形、部分的に多角形、不規則な形状、並びに曲線部又は直線部又はそれらの組み合わせを含む任意の形状とすることができる。さらに、美術的設計を穿孔部に施すこと、及び／又はその特定の配置から得ることが可能である。実施例において、本体１４の空隙と中実部との比は、約５％〜約９０％とすることができる。

一実施例において、本体１４は、略管状に曲げられた、曲げて穿孔された金属薄板部材により形成され、粉末注入部材などのプラズマ・ガンの一部を内部に受け入れるようにサイズ決め及び構成された主開口部１６を含む。開口部１６によって、囲い部材１０が図７に示すガス流の遮蔽位置の内外に旋回することが可能になる。（例えば溶接によって接続することができる）継ぎ目１７を利用して湾曲した部材の端部を結合し、部分品又は本体１４が管状を保つようにする。囲い部材１０のプラズマ・ガンへの取り付けを容易にするために、囲い部材１０は、接続部１９を介して本体１４に取り付けられるか又は固定される取り付けバー１８を含む。実施例において、接続部１９は溶接によって形成される。部材１８（及び部材１２）は、本体１４の作製に用いたのと同じ又は同様の材料で作製することができる。

円筒形の囲い部材１０が好ましいが、例えば略楕円形の断面、正方形又は長方形の断面、並びに三角形の断面、ｎ個の面を持つ多角形の断面、不規則な断面、クローバの葉形の断面など、他の管状を用いることができる。

一実施例において、本体１４は、金属ストランド又は金属ファイバを編んだものとすることもできる（図示せず）。そうした編まれた囲い部材１０は、約５％〜約７５％の所定の空隙と中実部との比を有することができる。このメッシュは、規則的又は不規則、又はそれらの組み合わせとすることができる。

次に図５及び図６を参照すると、囲い部材１０を取り付けることのできる非限定的な取り付け組立体２０が示されている。これに関して、取り付け組立体２０は取り付け板２１を含み、取り付け板２１は、複数の取り付け用の開口部を含み、例えばねじ等の締め具を用いてプラズマ・ガン３０に取り付けることができる。取り外しできないように取り付け可能なものであれ、取り外しできるように取り付け可能なものであれ、他の機構を利用することもできる。取り付け組立体２０は取り付け部材２３も含み、取り付け部材２３は、複数の取り付け用の開口部を含み、例えばねじ等の締め具を用いて取り付けバー１８に接続することができる。取り外しできないように取り付け可能なものであれ、取り外しできるように取り付け可能なものであれ、他の機構を利用することもできる。取り付け組立体２０はさらに、取り付け部材２３をレバー２４に接続する旋回シャフト２２を含み、レバー２４はユーザによって、使用位置、すなわち図７に示す位置から、囲い部材１０がガス流（図示せず）又はガス流領域をもはや囲まなくなる下方位置へ移動させることができる。一実施例では、ある配置を利用して、囲い部材１０をこうした２つの位置のそれぞれに、移動できないように保持する。そうした配置は、図５及び図６に示すばねを含むことができる。実施例において、部材２１〜２４は、部材１８の製造に用いたのと同じ又は同様の材料で作製することができる。

図７は、プラズマ・ガン３０に取り付け組立体２０を取り付け、それによって囲い部材１０を取り付けるための一実施例を示している。これに関して、取り付け組立体２０はプラズマ・ガン３０の底面に固定され、その結果、囲い部材１０は、囲い部材１０の中心軸線が底面に対して略平行に向けられたとき、図７に示す使用位置をとることが可能になる。この位置では、ガス流（図示せず）の大部分が囲い部材１０の中に閉じ込められる。さらに、ユーザが囲い部材１０を移動させて使用位置から外すことを望むときには、レバー２４（図５及び図６参照）を下方へ移動させて、囲い部材１０をシャフト２２の軸線のまわりで回転させ、ガス流を囲まない位置へ移動させることができる。この移動は、（図７に示す使用位置では、開口部１６を通って本体１４の空間の中まで延びる部分を有する）粉末装入機が静止した状態に留まっている間に行うことができる。この配置の利点は、（必要な場合には）プラズマ・ガン３０を囲い部材１０なしで使用すること、また囲い部材１０の修理、付け替え又は交換が可能になることである。

上記の実例は説明のために示したにすぎず、決して本発明を限定すると解釈されるものではないことに留意されたい。本発明について例示的な実施例を参照して記述してきたが、本明細書において使用した語は、限定に関する語ではなく、記述及び説明に関する語である。ここで言及及び補正したように、本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、その態様において、添付の特許請求の範囲の範囲内で変更を加えることができる。本明細書では、本発明を特定の手段、材料及び実施例を参照して記述してきたが、本発明を、本明細書に開示される事項に限定することを意図するのではなく、むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内であるものなど、すべての機能的に同等の構造、方法及び使用に及ぶものである。

Claims (10)

1. 略管状の部材を有するプラズマ流遮蔽用の囲い部材であって、前記略管状の部材は、軸
   線方向長さ、軸線方向に配向された細長い壁の開口部、プラズマ流の入口端部及びプラズ
   マ流の出口端部、並びに前記囲い部材をプラズマ・ガンに取り付けるための取り付けバーを有し、該取り付けバーは、前記略管状の部材の外周面に設けられて、前記略管状の部材の軸線方向に延びた細長形状を有し、
   前記開口部が前記プラズマ・ガンの一部分または前記プラズマ・ガンの粉末注入部材の
   一部分を内部に受け入れるように適合されている、プラズマ流遮蔽用の囲い部材。
2. 前記略管状の部材が、
   ワイヤ・メッシュ部材、
   穿孔された金属部材、及び
   略円筒形の部材
   のうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載されたプラズマ流遮蔽用の囲い部材。
3. 前記取り付けバーが、前記囲い部材を前記プラズマ・ガンに取り付けるための取り付け
   組立体に取り付けるための取り付け部材を備える請求項１に記載されたプラズマ流遮蔽用
   の囲い部材。
4. 前記囲い部材を前記プラズマ・ガンに取り付けるための取り付け組立体をさらに備える
   請求項１に記載されたプラズマ流遮蔽用の囲い部材。
5. 前記囲い部材を前記プラズマ・ガンに移動可能に取り付けるための取り付け組立体をさ
   らに備える請求項１に記載されたプラズマ流遮蔽用の囲い部材。
6. 前記囲い部材が、
   前記プラズマ・ガンに移動可能に取り付けられる、
   前記プラズマ・ガンに枢動可能に取り付けられる、及び
   前記プラズマ・ガンに取り外し可能に取り付けられる
   のうちの少なくとも１つである請求項１に記載されたプラズマ流遮蔽用の囲い部材。
7. 前記略管状の部材が、略円筒形であり、
   前記軸線方向長さが、
   前記略円筒形の直径よりも大きい、及び
   およそ前記プラズマ流が前記プラズマ・ガンを出る点から始まり、前記プラズマ流に粉
   末を注入する位置を過ぎた所定の距離まで、前記プラズマ流を遮蔽するようにサイズ決め
   される
   のうちの少なくとも１つである請求項１に記載されたプラズマ流遮蔽用の囲い部材。
8. プラズマ・ガンのプラズマ流を保護する、閉じ込める又は遮蔽する方法であって、
   前記プラズマ流の領域内に請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載されたプラ
   ズマ流遮蔽用の囲い部材を取り付ける段階を含み、
   前記囲い部材が、
   前記プラズマ流の一部、
   前記プラズマ流の領域の一部
   のうちの少なくとも１つを実質的に囲むようにサイズ決め及び構成される、方法。
9. 前記プラズマ流の囲い部材を、前記プラズマ流の少なくとも一部を実質的に囲む少なく
   とも１つの第１の位置から、前記第１の位置とは異なる少なくとも１つの第２の位置に移
   動させる段階をさらに含み、前記移動が、
   プラズマ・ガンの面、
   静止しているプラズマ・ガン本体、
   前記プラズマ・ガンの少なくとも１つの静止している粉末装入機、及び
   前記プラズマ流の囲い部材が前記第１の位置にあるときに、前記プラズマ流の囲い部材
   内に配置された少なくとも１つの粉末装入機の一部
   のうちの少なくとも１つに対して行われる、請求項８に記載された方法。
10. 前記取り付けが、
    前記プラズマ流の囲い部材を前記プラズマ・ガンに移動可能に取り付けること、
    前記プラズマ流の囲い部材を前記プラズマ・ガンに取り外し可能且つ移動可能に取り付
    けること、及び
    前記プラズマ流の囲い部材を前記プラズマ・ガンに枢動可能に取り付けること
    のうちの少なくとも１つを含む請求項８に記載された方法。
    

Images