JP6262670B2 - 高エンタルピーおよび高安定性のプラズマを含むプラズマシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本出願は、参照により本明細書に完全に組み込まれている、2012年3月8日に出願された米国仮特許出願第61/608,426号および2013年2月20日に出願された米国出願第13/771,908号の利益を主張するものである。
SP=U*I/Gp、H=SP*η、η=1−Lw/(U*I)、
ただしLwは、冷却媒体(水)への電力損失であり、Uは、プラズマトーチ電圧であり、Iは、プラズマ電流であり、Gpは、プラズマガス全流量である。比出力SPは、プラズマ条件を特徴付けるために、さらにはプラズマのHTP、Hおよび温度の計算のために直接測定されることもある。それで、SPは、プラズマ特性評価のために以下で使用されることになる。時には電力源または制御システムの電圧読み取り値が、計算のためのトーチ電圧として使用されることに留意されてもよい。この場合、計算されるSPおよびHは、電源をトーチと接続する電力ケーブルでの電圧降下に起因して実際の値をわずかに上回ることもある。
Qr≒ε(T、P)σSBT4、
を使用して見積もられることもあり、ただしσSBは、ステファン−ボルツマン定数であり、ε(T、P)は、「灰色(greyness)の程度」であり、ε=1は、「絶対黒体」放射に対応する。典型的なプラズマ溶射パラメータについては、εは、1よりもはるかに小さく、温度および圧力とともに急速に大きくなることに留意されてもよい。それ故に、放射フラックスの実際の温度依存性は、T4よりも大幅に強いこともあり得る。
− 設定値の1%を下回る長期変化(ドリフト)を有する比出力(SP)および関連するパラメータ安定性と、
− 5〜10ボルトを下回るレベルでのプラズマ電圧の最小脈動と、
− プラズマジェット速度および温度、原料の効果的で均一な処理、高い堆積効率および堆積品質を制御する能力と、を提供することができる。
最初の考察は、プラズマ電流である。本開示との関連では、プラズマ電流は、好ましくは500A以下であり、150Aから500Aの範囲であってもよい。そのような電流レベルは、相対的に長寿命の電極を提供することができる。電流の最も好ましい範囲は、200〜400Aである。500Aを上回る電流では、高効率ガス渦流でさえ、特にアノードへの熱流束を制御するために必要とされるアノードアーク根の十分な回転を提供することができない。それ故に、アークを回転させるための追加の例えば電磁的手段が、500Aを上回る電流で長寿命のトーチを提供するために必要とされることもある。
カソードに隣接する領域およびIEIモジュール内部でのアークの安定性は、速度の接線成分を有し、それ故にカソードとパイロットインサートとの間に位置する領域に渦を生成するG1を提供することによって達成されてもよい。渦は、プラズマアーク領域に沿って下流に伝播することができ、それ故にIEIによる壁安定化に加えてアークの安定化をもたらすことができる。
相対的に低いプラズマガス流量が、高SPプラズマ(>43kJ/g)を発生させるために必要とされるとき、ある流量のG1だけの使用は、アノードアーク根付着部の回転および安定化にとって十分でないこともある。それは、プラズマチャンネル内部の粘性プラズマ流に起因する渦強度の下流への減少によって説明されてもよい。渦強度の減少はまた、利用可能なプラズマ速度制御レートを制限することもある。アノードアーク根付着部の領域での不十分な渦は、不安定なアーク根回転およびアノードの関連する短寿命の両方ならびにプラズマジェットの過剰な脈動をもたらすアーク根位置の過剰な軸方向変動をもたらすこともある。
今から移行ゾーン24をIEIモジュールとアノードの円筒部分との間のプラズマ流路に配置し、同時にG2渦供給手段を移行ゾーン内部に位置決めすることが、好ましい。このことは、比出力SP>43kJ/gを提供するパラメータを含む広範囲の動作パラメータ内でアークの不安定性および脈動のさらなる減少をもたらすことができる。
− なお相対的に安定したアークを提供するDaの利用可能な変化は、Δ=(1.25/0.8)2≒2.4を与えるDa=(0.8〜1.25)DNのレベルで見積もられてもよい。この場合、DaとDNとの間のより高いレートは、プラズマの不安定性を引き起こすこともある。それ故に、プラズマ速度制御のより高いレートが、必要とされるときは、プラズマ流路の追加のプロファイリングが、必要とされることもある。
− プラズマチャンネルの追加のプロファイリングは、約6mmのDa,minおよび約11.5mmのDa,maxについてΔ≒3.65を達成することを可能にすることもある。Da,max=11.5mmは、アノード筐体の寸法が、Da>11.5mmを有するアノードをもたらさないこともあるトーチの特定の設計によって制限されたことにまた留意されてもよい。それで、Δのより高い値は、必要ならば、アノード筐体の設計およびアノードの関連する寸法を拡大することによって達成されてもよいと熟考される。
上で開示された渦流G1およびG2による効果的なプラズマアーク安定化およびアノードアーク根回転は、アノードアーク根付着部の下流でのプラズマジェットの高い相対強度の渦流をもたらすことができる。この場合、プラズマジェットの速度の相対的に過剰な接線成分はその結果、周囲空気とのプラズマジェットの過剰な混合、プラズマジェットの高いHTPコア部の関連する短縮および活性原料滞留時間tdの減少ならびにプラズマジェットでの原料処理の効率の結果として生じる減少をもたらすこともある。それ故に、プラズマジェット速度の接線成分を最小化することができるアノードアーク根付着部の下流に位置するプラズマジェット成形部分を有することは、様々な応用にとって非常に望ましいこともある。
本開示と一致するプラズマ装置は、高い比出力および温度を有するプラズマジェットを発生させることができる。いくつかの場合には、高いプラズマ温度および比出力は、プラズマ装置で溶射被覆されている基板の望ましくない過熱をもたらすこともある。例えば、それは、限定空間に起因して短い溶射距離が溶射のために使用されなければならないときに起こることもある。基板の過熱は、コーティングでの応力および/または例えば約5〜10マイクロメートルを下回るサイズを有する微粒子の凝集に関連する欠陥、ならびに様々な他の欠陥を生成することもある。一般に、そのような欠陥は、「塊」または「突起」と述べられることもある。金属合金コーティング溶射の場合には、高いプラズマエンタルピーおよび温度はまた、微粒子の望ましくない過剰酸化およびコーティングでの結果として得られる過剰な量の酸化物をもたらすこともあることにまた留意されてもよい。一態様によると、基板の過熱および結果として得られる欠陥の増加、ならびに金属コーティングでの酸化物含有量は、コーティング塗布の領域で偏向ガスジェットを用いることによって最小化されてもよい。
4 プラズマトーチ、プラズマ装置
6 成形手段の位置
8 プラズマジェットの位置
10 パイロットアーク
12 主アーク
14 スイッチ
15 アノードアーク根付着部
16 点火回路
18 抵抗器
24 移行ゾーン
24a 拡張表面
24b スロット
24c 入口ゾーン、入口集束ゾーン
26 アーク流路、プラズマ流路
28 セラミックリング
30 拡張部、拡張ゾーン
32 多重ガス流路
34 放射状ガス流路
44 円筒部分、円筒ゾーン
46 円錐部分
48 アノード筐体
50 アノード
52 ガス流路
54 ガス分配器
80 パイロットインサート
81 中性インサート
82 中間のインサート
83 中間のインサート
84 中性インサート
86 電気接点
88 セラミックリング
90 密封用Oリング
92 円形リップ
94 渦オリフィス
96 セラミックリング
122 カソード、カソードインサート
124 カソードベース
126 カソード渦分配器
128 カソード筐体
130 ガス流路
132 カソードナット
134 ガスレシーバ
136 軸方向流路
138 渦穴
144 カソードホルダ
146 放射状多重ガス流路
148 密封用Oリング
152 カソード絶縁体
160 階段状拡張部
210 プラズマジェット
212a 基板
214 偏向ガスノズル
214a 偏向ガスノズル
214b 偏向ガスノズル
214c 偏向ガスノズル
A アノードモジュール
C カソードモジュール
CT 制御モジュール
D1 中性インサートの直径
D2 中性インサートの直径
D3 中性インサートの直径
D4 中性インサートの直径
D5 中性インサートの直径
Da アノードの直径
Dp パイロットインサートの直径
Ds 階段状拡張部の直径
F プラズマジェット成形モジュール
FF 原料供給モジュール
G1 プラズマガス
G2 第2のプラズマガス
G3 第3のプラズマガス
IEI 電極間インサートモジュール
IG プラズマ点火モジュール
La 全アノード長
Le アノード入口ゾーンの長さ
Lp パイロットインサートの長さ
NI 中性電極間インサート
PI パイロットインサート
PJ プラズマジェット
PS DC電源モジュール
Y アノード軸に対する角度
α 拡張角
β ステップ角
δ 拡張比
Claims (31)
- コーティングをプラズマトーチから堆積させるための方法であって、
カソード電極と、
アノード軸、入口ゾーンおよび直径Daを有する円筒ゾーンを有するアノード電極を有するアノードモジュールであって、前記プラズマトーチが、前記アノードモジュールの内部にアノードアーク根付着部を有するプラズマアークを発生させる、アノードモジュールと、
前記アノードアーク根付着部の下流に位置するプラズマジェット成形モジュールであって、前記プラズマジェット成形モジュールでのプラズマジェットの1つまたは複数のパラメータを制御する、プラズマジェット成形モジュールと、
前記カソード電極と前記アノード電極との間のプラズマアーク流路を制御する電極間モジュールであって、カソードモジュールに隣接する1つの端部および前記アノードモジュールに隣接する第2の端部を有しかつ前記カソードモジュールに隣接するパイロットインサートを有する、電極間モジュールと、
少なくとも1つの電位的に中性な電極間インサートと、
を備える、100Vを上回る電圧(U)および500Aを下回る電流(I)を発生させるプラズマトーチを供給するステップであって、
前記プラズマトーチはさらに、全量Gのプラズマガスを供給するために2つの通路を備え、前記プラズマガスは、50vol.%よりも多い分子ガスを含む、ステップと、
原料を前記プラズマジェットに供給してコーティングを基板に堆積させるステップと、を含み、
プラズマガスを供給するための前記通路の1つは、量G1のプラズマガスを供給するために前記カソードモジュールとパイロットインサートとの間に位置する第1のプラズマガス流路を備え、前記プラズマガスは、総断面積S1を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Vort1=G1/S1を有して形成され、
プラズマガスを供給するための前記通路の1つは、量G2のプラズマガスを供給するために前記電極間モジュールとアノードの前記円筒ゾーンとの間に位置する第2のプラズマガス流路を備え、前記プラズマガスは、総断面積S2を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Vort2=G2/S2を有して形成され、
G1は、0.6Gよりも大きく、Vort1=G1/S1は、0.1g/((sec)(mm2))よりも大きく、
(U)(I)/(G)は、43kJ/g〜140kJ/gの範囲であり、
前記Vort2は、0.1g/((sec)(mm 2 ))よりも大きくかつ0.4g/((sec)(mm 2 ))よりも小さく、前記複数のオリフィスは、前記直径Daよりも少なくとも2mm大きい直径上に位置する方法。 - 前記アノードの前記入口ゾーンの長さは、前記直径Daの(0.5〜1.5)倍である、請求項1に記載の方法。
- 前記電極間モジュールは、複数の前記電位的に中性な電極間インサートを有し、それぞれが、前記プラズマアーク流路を規定する直径を有する、請求項1または2に記載の方法。
- 前記複数の電位的に中性な電極間インサートは、増加する直径のプラズマアーク流路を提供する、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の電位的に中性な電極間インサートは、一定直径のプラズマアーク流路を規定する、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アノードに隣接して位置決めされる電位的に中性な電極間インサートを含み、そのようなインサートは、(0.8〜1.25)Daの直径値を有する、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プラズマジェット成形モジュールは、前記直径Daから直径Dsへのプラズマジェット流路の階段状拡張部を提供する成形ノズルを有し、(Ds−Da)/2は、(0.2〜0.6)Da内であり、(0.2〜0.6)Da=δであり、ただしδは、拡張比である、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記階段状拡張部は、拡張比δおよび拡張角αによって規定され、αは、8°から25°の値を有する、請求項7に記載の方法。
- αは、10°から18°の値を有する、請求項8に記載の方法。
- 前記階段状拡張部は、前記アノード軸の45°から80°内に位置決めされる、請求項7に記載の方法。
- 前記原料は、粉末の形である、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記原料は、少なくとも部分的に液体を含有する、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- 圧縮ガス偏向ジェットは、前記原料を含有する前記プラズマジェットを横切って適用される、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コーティングは、電力発生構成要素上に堆積される、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記分子ガスは、窒素である、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
- (U)(I)/(G)は、50kJ/g〜140kJ/gの範囲である、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- 100Vを上回る電圧(U)および500Aを下回る電流(I)でコーティングを堆積させるためのプラズマトーチであって、
カソード電極と、
アノード軸、入口ゾーンおよび直径Daを有する円筒ゾーンを有するアノード電極を有するアノードモジュールであって、前記プラズマトーチが、前記アノードモジュールの内部にアノードアーク根付着部を有するプラズマアークを発生させる、アノードモジュールと、
前記アノードアーク根付着部の下流に位置するプラズマジェット成形モジュールであって、前記プラズマジェット成形モジュールでのプラズマジェットの1つまたは複数のパラメータを制御する、プラズマジェット成形モジュールと、
前記カソード電極と前記アノード電極との間のプラズマアーク流路を制御する電極間モジュールであって、カソードモジュールに隣接する1つの端部および前記アノードモジュールに隣接する第2の端部を有しかつ前記カソードモジュールに隣接するパイロットインサートを有する、電極間モジュールと、
少なくとも1つの電位的に中性な電極間インサートと、
を備え、
前記プラズマトーチはさらに、全量Gのプラズマガスを供給するために2つの通路を備え、前記プラズマガスは、50vol.%よりも多い分子ガスを含み、
プラズマガスを供給するための前記通路の1つは、量G1のプラズマガスを供給するために前記カソードモジュールとパイロットインサートとの間に位置する第1のプラズマガス流路を備え、前記プラズマガスは、総断面積S1を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Vort1=G1/S1を有して形成され、
プラズマガスを供給するための前記通路の1つは、量G2のプラズマガスを供給するために前記電極間モジュールとアノードの前記円筒ゾーンとの間に位置する第2のプラズマガス流路を備え、前記プラズマガスは、総断面積S2を有する複数のオリフィスを通るように向けられ、そこで渦が、渦強度Vort2=G2/S2を有して形成され、
G1は、0.6Gよりも大きく、Vort1=G1/S1は、0.1g/((sec)(mm2))よりも大きく、
前記Vort2は、0.1g/((sec)(mm 2 ))よりも大きくかつ0.4g/((sec)(mm 2 ))よりも小さく、前記複数のオリフィスは、前記直径Daよりも少なくとも2mm大きい直径上に位置する、プラズマトーチ。 - (U)(I)/(G)は、43kJ/g〜140kJ/gの範囲である、請求項17に記載のプラズマトーチ。
- 前記アノードの前記入口ゾーンの長さは、前記直径Daの(0.5〜1.5)倍である、請求項17または18に記載のプラズマトーチ。
- 前記電極間モジュールは、複数の前記電位的に中性な電極間インサートを有し、それぞれが、前記プラズマアーク流路を規定する直径を有する、請求項17から19のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
- 前記複数の電位的に中性な電極間インサートは、増加する直径のプラズマアーク流路を提供する、請求項20に記載のプラズマトーチ。
- 前記複数の電位的に中性な電極間インサートは、一定直径のプラズマアーク流路を規定する、請求項20に記載のプラズマトーチ。
- 前記アノードに隣接して位置決めされる電位的に中性な電極間インサートを含み、そのようなインサートは、(0.8〜1.25)Daの直径値を有する、請求項17から22のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
- 前記プラズマジェット成形モジュールは、前記直径Daから直径Dsへのプラズマジェット流路の階段状拡張部を提供する成形ノズルを有し、(Ds−Da)/2は、(0.2−0.6)Da内であり、(0.2−0.6)Da=δであり、ただしδは、拡張比である、請求項17から23のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
- 前記階段状拡張部は、前記拡張比δおよび拡張角αによって規定され、αは、8°から25°の値を有する、請求項24に記載のプラズマトーチ。
- αは、10°から18°の値を有する、請求項25に記載のプラズマトーチ。
- 前記階段状拡張部は、前記アノード軸の45°から80°内に位置決めされる、請求項24に記載のプラズマトーチ。
- 原料モジュールは、原料を粉末の形で供給するように構成される、請求項17から27のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
- 原料モジュールは、少なくとも部分的に液体を含有する原料を供給するように構成される、請求項17から28のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
- 圧縮ガス偏向ジェットは、原料を含有する前記プラズマジェットを横切って適用される、請求項17から29のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
- 前記分子ガスは、窒素である、請求項17から30のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
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