JP6684852B2 - ライニングされた長寿命プラズマ・ノズル、当該プラズマ・ノズルを製造する方法及び当該プラズマ・ノズルを取り付けた溶射銃を使用して基材をコーティングする方法 - Google Patents

Description

従来、溶射用のプラズマ銃では、陰極放射源として所望の熱電子放射特性を得るために、好ましくはトリウム又はランタンをドープしたタングステン（Ｗ）を使用している。同じタングステン材料が、更にハードウェア寿命を向上させる目的で陽極においても使用されている。タングステンは融点が高く、更に熱伝導率も銅の約３分の１であるため、この材料は、陰極および陽極の両方でうまく機能している。ノズルにドープされたタングステンを使用することは、ハードウェア寿命を向上させるが、この材料も破砕することがあり、また、トリウムタングステンは放射能を有していることから、廃液流中の有害物質が問題になるという短所がある。

現在、プラズマ銃のノズル陽極には、標準的には２つのタイプがある。それらは、ドープされたタングステン・ライニングを有するか、純銅製である。最近の研究及び広範囲に及ぶ試験により、タングステンは、プラズマ銃陽極のライニングとして使用されると常に破砕し、この破砕が、ハードウェア寿命を実質的に縮めることにつながる可能性があることが明らかになっている。亀裂は、アークを引きつけるように作用する。したがって、大部分の従来型プラズマ銃では、アークがアーク付着位置で表面材料の破壊を防ぐために、アークを常に動いている状態に保つ必要がある。一旦亀裂が発生すると、亀裂は、アークを引きつけ、熱負荷に起因する表面の消耗を早め、アークが動くことを完全に停止させて、熱応力が過剰になり、タングステン・ライニングの壊滅的な破損さえも引き起こす可能性がある。亀裂が大きく又は顕著であるほど、アークが亀裂上に留まる危険性が大きくなる。

プラズマ銃陽極をタングステン、更には炭化タングステンでメッキすることも試されたが、限られたものしか成功していない。メッキがタングステンであっても、メッキ層の厚さが、例えば２５．４ミリメートル（１インチ）の千分の１から１万分の１では、下の銅の溶融を防ぐには不十分である。炭化タングステンメッキの場合、電気的熱伝導度特性が適していない。

ドープされたタングステンの性能は銅よりも優れているが、以下の特性を備えたより適切な材料を見つけることで、かなりの改善の余地あり得る。
１．特に高熱負荷下及び高温度勾配下で、タングステンよりも大きい延性及び耐破砕性を有する。
２．融点が、同様に高いか、又はできるだけ近い値を有している。
３．タングステンよりも低い融点を補償するだけ十分に大きい熱伝導性を備える。

上記の技術で得た経験の結果として、溶射銃に使用されるノズルは、全て銅などの純粋な材料で作られるのではなく、ハードウェアの長寿命化を進めるためにライナー材料又はスリーブでライナーが施されることが標準になっている。上記のとおり、一般的なライナー材料はタングステンである。しかしながら、従来は、タングステン・ライナーの壁厚は、任意に、即ち、製造の容易さに主要な関心が持たれ、全種類のノズル穴径で一般的又は標準直径のタングステン・ブランクを使用することなどを考慮して設定された。したがって、ライニング壁厚などのライニング材料の特性を研究又は最適化しようとする試みはなかった。ライニング材料に使用される通常のタングステン材料は多くの場合、プラズマ銃陰極（即ち陰電極）に使用されるものと同じになるように選択された。更に、単一材料の調達のみですむので、製造の容易さの理由からもこのように選択された。

タングステン・ライニングされたプラズマ銃ノズルは、このようなライニング材料のないノズル、即ち純銅ノズルと比較した場合に、寿命がより長いが、それでも、亀裂、そして破損さえも引き起こす傾向を持っている。亀裂は、タングステンに発生する大きな局所的熱応力の結果であると考えられ、プラズマ銃が作動されると経時的に悪化する。亀裂は、図３を参照しながら後述するように、標準的には、アーク付着領域として知られていられる領域又は帯域において生じる。これは、プラズマ・アークが、陰極の先端領域から放電された後、ライニング材料の内面と電気的に接触する領域である。最も多くの熱応力が発生すると考えられているのが、タングステン・ライニングの領域である。

ほとんどの場合、亀裂は、銃（又はタングステン・ライニング）の孔に対して軸線方向に走っている。これらの軸線方向亀裂（図３の符号ＡＣを参照）は、アーク挙動、並びにハードウェア全体の寿命に影響を及ぼす可能性がある。しかし、プラズマ・ノズル孔の中で周方向に向いた亀裂（図３の符号ＬＦを参照）が発生する場合がある。これらの亀裂は、軸線方向亀裂よりも更に問題があり、タングステン・ライニングの壊滅的な破損に関連するものであった。その場合、ライニングの一部が、ライニング材料から実際に分離して、プラズマ流に入り、更にプラズマ溶射銃によって被覆基材のコーティングに混入する（又は汚染する）可能性がある。少なく見ても、これらの周方向の亀裂の存在は、プラズマ・アークの安定性にかなりの悪影響を及ぼし、軸線方向亀裂によって引き起こされるものよりもかなり大きい影響をもたらす。これを防止するために、ノズルは、通常は定期的に交換されており、このことにより、コーティングの製造費用が増大している。

より大きい問題のある周方向の亀裂及び結果的に起こるライニング材料の壊滅的な破損に関する可能性を予測する方法がないので、このようなノズルを備えたプラズマ銃を操作する作業員は、亀裂の起こる兆候を特に入念にチェックする必要があり、この兆候は、プラズマ銃電圧挙動を監視することによって検出されることもあり得る。このような兆候に基づいて、操作員は通常、コーティング工程を停止してから、ノズルを新しいノズルと交換する。この予測不能性は、少なくとも、タングステン・ライニングされたノズルの動作寿命の利点を低減させる影響を有する。

したがって、プラズマ銃ハードウェアの一貫性、予測性、動作寿命、並びに全体的銃性能を改善する必要性が、依然として存在する。このための１つの方法は、ノズル・ライニング又はノズル孔で亀裂の起こる可能性を減らすことである。

当技術において、追加的及び／又は代替的に必要とされることは、現在実現されているものよりも改善された寿命を有し、環境的により安全であること、並びに高温での用途における耐破砕性などの、上記１つ又は複数の短所を克服するノズル陽極ライニング材料である。

更に、上記で言及した情報は、プラズマ・ロケット・ノズル又はスラスタの技術に適用できると考えられる。プラズマ・ロケット・ノズル又はスラスタの技術で必要とされるものは、同程度に改善された寿命及び利点を有するロケット・ノズル又はスラスタである。

１つの非限定的な具体例によれば、ノズル本体及びノズル本体内に配置されたライナー材料を備える溶射銃が提供される。

ライナー材料は、ノズル本体よりも高い溶融温度を有し、０．２５ｍｍ（約０．０１０インチ）よりもかなり大きい断面厚さを有するタングステン合金、モリブデン、銀、及びイリジウムのうちの１つを備える。この文脈における、「かなり大きい」とは、０．２５ｍｍの典型的なメッキ最大厚さに比べて約２５％よりも大きいことを意味する。許容可能な断面厚さは、典型的メッキ厚さの少なくとも２倍、又は０．５ｍｍ厚よりも大きい。

具体例によれば、ライナー材料の壁厚が、
ノズル本体の壁厚に関連して決定される値又はノズル本体の壁厚に対応する値を有する、及び、
ノズルの部分の総壁厚とライナー材料の壁厚のものとの比率が、ライナー材料の壁厚に関連して決定される値又はライナー材料の壁厚に対応する値を有する
のうちの少なくとも１つである。

具体例によれば、比率は、約３．５：１以上である。具体例では、比率は、約３．５：１から約７：１まで、約４．１：１から約６：１まで、及び約５：１、のうちの少なくとも１つである。

具体例によれば、ライナー材料はタングステン合金である。具体例では、ライナー材料はモリブデンである。具体例では、ライナー材料は、銀及びイリジウムのうちの１つである。

具体例によれば、ノズル本体は銅材料でできている。

具体例によれば、ノズル本体の壁厚及びライナー材料は、アーク付着領域の軸線方向領域でそれぞれ測定される。

具体例によれば、通常動作中に、ライナー材料は、アーク付着領域の領域において、アーク付着領域の下流領域よりも、少ないか又は同等の熱応力は生じる。

具体例によれば、ライナー材料の壁厚は、約０．２５ｍｍから約１．２５ｍｍまで、約０．５０ｍｍから約１．０ｍｍまで、約０．７５ｍｍから約１．０ｍｍまでのうちの少なくとも１つである。

具体例によれば、銃は、冷却流体が循環する陰極及び陽極本体を更に備える。

具体例によれば、ノズル本体及びノズル本体内に配置されるライナー材料を備えるプラズマ・ノズルが提供される。ノズル本体の材料は、ライナー材料の溶融温度よりも低い溶融温度を有し、
０．２５ｍｍよりもかなり大きい、及び０．５ｍｍよりも大きい、のうちの一つの断面厚さを有するタングステン合金、
モリブデン、
銀、及び
イリジウム
のうちの１つを備える。

具体例によれば、プラズマ・ノズルは、プラズマ・ロケット・ノズルである。具体例では、プラズマ・ノズルは、熱溶射銃のプラズマ・ノズルである。

具体例によれば、ライナー材料の壁厚が、
ノズル本体の壁厚と関連して決定される値を有する、及び、
ノズルの部分の総壁厚とライナー材料の壁厚との比率が、ライナー材料の壁厚と関連して決定される値、又はライナー材料の壁厚に対応する値を有する、
のうちの少なくとも１つである。

具体例によれば、比率は、約３．５：１以上である。具体例では、ノズルは、交換可能なノズルである。具体例では、比率は、約３．５：１から約７：１まで、約４．１：１から約６：１まで、約５：１のうちの少なくとも１つである。

具体例によれば、ライナー材料は、タングステン合金である。具体例では、ライナー材料はモリブデンである。具体例では、ライナー材料の壁厚は、約０．２５ｍｍから約１．２５ｍｍまで、約０．５０ｍｍから約１．０ｍｍまで、約０．７５ｍｍから約１．０ｍｍまでのうちの少なくとも１つである。

具体例によれば、上記のタイプのいずれかのノズルを製造する方法が提供される。この方法は、ノズル本体の部分の壁厚、及び、ノズルの部分の総壁厚とライナー材料の部分の壁厚との比率のうちの少なくとも１つを考慮した壁厚でライナー材料を形成することを含む。

具体例では、溶射銃を使用して基材をコーティングする方法が提供される。この方法は、請求項１３に記載されたノズルを溶射銃に取り付けることと、コーティング材料を基材上に噴霧することとを含む。

本発明の他の例示的具体例及び利点は、本開示及び添付図面を精査することで確認できる。

本発明を、上記の図面を参照しながら、本発明の非限定的な例示的具体例を用いて、この後の詳細説明で更に説明する。

タングステン・ライニング材料を備えたノズルを有する溶射銃の側断面概略図。 図１のプラズマ銃で使用され、説明のためにライニング材料を除去した概略的なノズルを示す図。 タングステン・ライニング材料が配置された図２のノズルを示す図。更に、プラズマ銃の中で頻回に使用された後発生し得るような、ライニングに形成される軸線方向亀裂及び周方向ライニング破損亀裂の両方の例を示す。 図３のノズルと類似の市販ノズルを示す図であり、交差断面に示されるアーク付着領域を図示している。 図４の断面Ａ−Ａの断面図。 従来型のノズル・ライニングの孔部分のコンピュータ・モデル断面を示す図であり、アーク付着領域の領域に発生する局所的な熱応力（暗いほうの領域で示す）を図示する。 本発明の具体例によるノズル・ライニングの孔部分のコンピュータ・モデル断面を示す図であり、図６とは対照的に、アーク付着領域の領域に局所的な熱応力がないことを示す。 本発明によるノズルの別の非限定的具体例を示す図。 本発明によるノズルの更に別の非限定的具体例を示す図。 図９の断面Ｂ−Ｂの断面図を示す図。 差異温度対熱伝導率を説明する図。 本発明によるライニング材料を有する例示的ロケット・ノズルを示す図。

本明細書に示す詳細は、一例として、本発明の具体例を例示的に検討するためのものにすぎず、本発明の原理及び概念についての最も有用で理解し易い説明であると考えられるものを提供するために提示する。これに関して、本発明の基本的な理解に必要なものよりも詳細に本発明の構造上の細部を示していない。当業者であれば、図面と併せて説明を読むことにより、本発明のいくつかの形態を実際に実施できる方法が明らかである。

本発明の具体例に含まれるような、コーティングの噴霧に使用されるプラズマ銃は、陰極及び陽極を有する。陽極は、プラズマ・アークを形成する電気回路の陽極側として機能することに加えて、流体力学的機能も果たすことから、プラズマ銃のノズルと称することもできる。ノズルは、溶融を防ぐために流体冷却、即ち水で冷却されるとともに、通常、大きな熱伝導率を有するように銅材料により構成される。プラズマ・アークに面する内部孔領域に位置するタングステンのライニングを有するノズルは、銅だけでできたものよりも改善された長いハードウェア寿命を提供するために作られている。タングステンは、比較的大きい熱伝導率並びに非常に高い溶融温度を有する。下記に詳細に説明する図１は、本発明により使用可能な水冷ノズルを有するプラズマ銃の断面を概略的に示す。

タングステン・ライニングを有するプラズマ・ノズルは、厚さが通常１ｍｍ以上であるタングステン・ライニングを使用する。場合によっては、タングステンは、厚さが３ｍｍを超えてもよい。ライニングの材料スリーブは、プラズマ銃の陰極又は電極に使用されるものと同じ組成であるトリウムタングステンで作られることが多い。しかしながら、ノズルの製作に使用されるタングステンの組成及び全径は、通常、適宜選択される。多くの場合において、使用されるタングステン・ライナーは一定の外径を有するが、穴径は、銃の型の特殊な用途によって変化する。タングステン・ライニングに最適な壁厚を選択することは、これらのプラズマ銃ノズルの設計又は構成には考慮されない。

タングステン・ライニングの厚さに加えて、ライニングの壁厚と、冷却水路に最も近い距離からのノズル本体の全体壁厚との比率は、通常約１：２である。これは、タングステン・ライナーの壁厚が、銅本体の壁厚とほぼ同じ厚さであることを意味する。

図６に関して以下に示すように、比較的厚い（壁厚の）タングステン・ライニング及び銅の厚さに対して比較的大きい比率のタングステンを有することにより、作動中に内部応力の集中がタングステン・ライニングに形成されることが分かった。これは、上述したようにタングステン・ライナーの破損をもたらす可能性がある。図１〜図５及び図７〜図１０を参照しながら説明される本発明の具体例は、これらを考慮するものである。

同様に、発明者らは、ノズル材料の材料特性に関して更なる調査を行い、ノズル製作に使用できるいくつかの可能性にある材料を見いだした。純金属の場合、以下に詳細に示すように、銀、イリジウム及びモリブデンが、所望の特性を有することが分かった。しかしながら、銀及びイリジウムは、実際の使用には高価すぎると考えられ、他方、モリブデンは、手ごろな価格であると考えられる。更に、少量の鉄又はニッケルを含むタングステン合金が、許容可能な特性を有すると確定された。金属を合金化すると、ほとんどの場合熱伝導性及び導電性は低下するが、しかし、ほんの少量の１種又は２種の金属が使用される場合には、バルク特性は、合金の一次金属の９０％以上に近づけることができる。タングステン合金の場合も同様である。

材料選択の方法論として、プラズマ・アークとの直接的接触に耐える材料を選択するために、それぞれの可能な材料の差異温度対熱伝導率をグラフ化する必要がある。「差異温度」は、好ましくは、融点と平均プラズマ・ガス温度（９０００Ｋ）との差であり、少なくとも溶融温度と逆になる。この方法論を使用すると、所望の材料は図１１に示す図の左上側に位置付けられる。その理由は、原則として、図の左上隅が最善の結果を提供するからである。しかし、図１１から分かるように、所望の特性を有する材料が、そこでは見つからない可能性がある。しかしながら、図１１の囲まれた範囲内に位置する材料が、プラズマ・アークの厳しい状況に耐えるのに最適な陽極ライニングとしての使用に理想的と考えられる特性境界を表している。

図１１を再度参照すると、上記に説明した純金属（モリブデン、イリジウム、タングステン、銅、及び銀）は、囲み領域の範囲に含まれており、タングステンが最も左側にあることが分かる。モリブデン及びイリジウムは右側にあり、所望領域の縁部近くにある。これらの金属はいずれも延性が大きく、熱衝撃に受けにくいと考えられる。銅及び銀は、囲み領域の右側に沿って位置している。これらの２つの材料も延性を有しており、上述したように、銅は、導入以来、熱衝撃、亀裂等に関する問題もなくプラズマ銃に使用されてきた。

理想的タングステン合金は、図１１では、タングステンとモリブデンとの間に位置するように示される。この合金の特性は、この合金に関する他の公知の特性から推定された。好ましいタングステン合金は、約２．１％（重量パーセント）のニッケル及び約０．９％（重量パーセント）の鉄を含有する。ニッケル及び銅の他の成分も可能であり、量が多いと、融点くが低く熱伝導率が小さいが延性が大きく、他方、量が少ないと溶融点が高く熱伝導率が多きいが延性が小さい。

タングステンと合金化することが可能な他の元素には、オスミウム、ロジウム、コバルト及びクロムが含まれる。これらの金属は、図１１の囲み領域に入るように十分に高い融点及び高い熱伝導率を有している。

次に図２及び図３を参照する。本発明の具体例によれば、プラズマ銃のノズルは、市販グレードのモリブデン、及び好適なタングステン合金（Ｎｉ２．１％及びＦｅ０．９％）でできたライニングを使用して作られた。これらを試験して、従来のタングステンでライニングされたノズル（図３参照）及び銅のみでできたノズル（図２参照）と比較した。図３のライニングされたノズルは、上記の異なる材料（モリブデン、高タングステン合金、及びタングステン）を用いて作られた。その後、これらのノズルは、ハードウェア性能が劣化することが知られている極度の高エネルギー・パラメータでのプラズマ銃の作動作業に曝された。結果を、以下の表１に示す。

表１から分かるように、トリウムタングステン・ライナーを使用した従来型のノズル（図３）は、平均で１４．３２時間持ちこたえた後、激しい亀裂によって、急速な電圧減衰、及び／又はタングステン・ライニングの破損が起こった。アークが、大きな亀裂に付着した１つの事例を除いて、溶融の形跡はほとんどなかった。ハードウェア寿命の範囲は、ほぼ亀裂の程度に応じて、約１０時間から１７時間まで変化した。

本発明の具体例よって製作された好適なタングステン合金（Ｎｉ２．１％及びＦｅ０．９％）をライナー材料（ここでも図３のように）として使用したノズルは、平均で５．２８時間持ちこたえた後、溶融によって急速な電圧減衰が起こった。亀裂、又はタングステン合金ライナーの破損の兆しはなかった。ハードウェア寿命の範囲は、完全に溶融の程度に応じて、約４時間から６時間まで変化した。トリウムタングステン・ライナー・ノズルほど長く持ちこたえないけれども、タングステン合金ライナー・ノズルは、後述するように、銅だけでできたノズルと比べて大きく改善された性能を提供する。

表１で次に記載されているのは、本発明の具体例によってモリブデンを（ここでも図３のように）ライナー材料として使用して製作されたノズルである。これらのノズルは、平均で１０．７６時間持ちこたえた後、漸進的な電圧減衰により寿命の終わりが決定付けられた。アーク挙動に何らかの影響を及ぼすようには見えなかった、非常に軽微な亀裂の兆候が高倍率で存在し、いくらかの溶融が観察された。ハードウェア寿命の範囲は、適正に一貫した電圧減衰の率に応じて、約９時間から１１時間まで変化した。

更に表１に記載されているのは、銅のみで製作された従来型のノズル（図２による）である。これらは、平均で４．０８時間だけ持ちこたえた後、激しい溶融によって、急速な電圧減衰が起こった。この場合も、亀裂は観察されなかった。ハードウェア寿命の範囲は、完全に溶融の程度に応じて、約３時間から５時間まで変化した。表１から分かるように、本発明によるタングステン合金でライニングされたノズル及びモリブデンでライニングされたノズルはいずれも、銅だけのものよりも優れた性能を有し、モリブデンでライニングされたノズルが大いに優れた性能を有していた。しかしながら、両者とも、トリウムタングステン・ライナー・ノズルの性能を下回る性能である。但し、両者とも、トリウムタングステン・ライナー・ノズルの環境的不利点がないことから、これらは、当技術の重要な改善を表すものである。

しかしながら、発明者らは、図３のライナーに似たライナーを有するノズルは、トリウムタングステン・ライナー・ノズルの性能により近いか又はそれよりも更に優れた性能を有するように、大幅に改善できることを更に発見した。図８によるライナーを有するノズル（以下に詳細に説明する）を製作することによって、匹敵する性能を得ることができる。例えば、再度表１を参照すれば分かるように、ノズルが、モリブデンの比較的薄いライニングを有するように、図８に従って作られる場合、ノズル性能を大いに改善することができる。このために、薄いモリブデン・ライナーを備えたノズルを同じ方法で試験すると、このノズルが、１４．３３時間持ちこたえた後、漸進的な電圧減衰により寿命の終わりが決まることが分かった。この例では、ノズルの性能に影響を及ぼす程の亀裂の兆候及び著しい溶融はなかった。薄いライニング構成は、モリブデンの総厚（図８中の寸法Ｃ）と、モリブデン壁厚（図８中の寸法Ｃ）までの銅の総厚（図８中の寸法Ｄ）の比率が５．２８：１になり、１．０４ｍｍのモリブデン壁厚Ｃを有するように、本発明の具体例によって設計された。この比率は、（Ｃ＋Ｄ）／Ｃとなる。ハードウェア寿命の範囲は、電圧減衰の率に応じて、約１３時間から１５時間まで変化した。

したがって、表１を要約すると、通常のメッキ厚さよりも大きい厚さを有するタングステン合金ライニングをプラズマ・ノズルで使用すると、又はモリブデン・ライニングをプラズマ・ノズルで使用すると、純銅ノズルと比較した場合、ノズル性能は、好都合なことにかなり改善される。更に性能を改善するため、ノズル壁とライナー厚さの間の厚さ比率を最適化して、最適範囲で匹敵する性能を達成し、トリウムタングステン・ライニングされたノズルの代わりを提供することができる。

上記情報を考慮して、本発明によるノズルの例示的具体例、並びにそれらを作って使用する非限定的方法を、以下に説明する。

図１は、本発明の実施に使用できるプラズマ溶射銃を概略的に示す。従来型のプラズマ銃のようなプラズマ銃１は、銃本体１０を有し、銃本体１０は、ノズル２０を収容でき、特に、入口１１から入り出口１２から出る冷却流体を循環させる冷却通路を含む。冷却通路は、冷却流体がノズル２０の周囲の空間３０に入り、ノズル冷却フィン２４の片側に配置された第１の環状空間から、冷却フィン２４の反対側に配置された第２の環状空間まで通過する（矢印方向参照）ようになっている。冷却流体は、冷却フィン２４によって加熱され、ノズル２０から熱を奪って、出口１２を通して外に移動させるように働く。

ノズル２０は、第１の、即ち陰極受け端部２１と、フランジを有する第２の、即ちプラズマ放出端部２２とを有する。冷却フィン２４は、ノズル２０の中間部分を取り囲み、電気アーク４０により熱の発生するノズル孔の領域から熱を離して伝導する働きをする。本体１０がその機能を果たす陽極６０と陰極５０との間に電位が発生すると、アーク４０が発生する。アーク４０は、孔のどこかにアーク付着領域７０（図４参照）と呼ばれる領域を形成できる。この領域は、アーク４０による非常に激しい加熱を経験するので、冷却フィン２４は、この領域を取り囲むノズル本体の領域に配置される。上記のように、ノズル２０は、ノズル２０の主要部分又は本体を作っている材料と比べて、高温に耐えることができるライニング材料２３を更に含むことができる。図１に示す例では、ノズル２０の主要部分又は本体を作っている材料は銅材料であり、他方、ライナー又はライニング材料２３はタングステン材料である。

図２から図４までを参照すると、ノズル２０（ライナーを取く）は、広い意味で円筒形であり、放電端部２２と環状肩部２６との間に延在するライニング受け開口２５（図２参照）を画定していることが分かる。ライナー２３は通常、開口２５よりも僅かに大きい円筒形の外径を有し、環状肩部２６（図３参照）に接触する点まで締り嵌めできる。ノズル２０を製造する際、主孔２９及び傾斜した入口領域２８が、所望の仕様サイズに機械加工される。上記のとおり、ノズル２０がかなり長時間使用される場合、プラズマ噴霧の間に軸線方向の亀裂ＡＣ及び更にはライニング破損ＬＦにつながる周方向亀裂が生じる可能性がある。それらは、例示目的で図３に示してあり、通常は、図４に概略的に示されるアーク付着領域７０で発生する。領域７０は、通常、直径変化点２７（図３参照）の僅か上流に位置する位置７１から点２７の下流に位置する位置７２まで存在する。領域７０の幅は、値「Ｗ」によって規定できる。この領域７０は、軸線方向長さが変化し得るが、アーク４０が、領域７０の内表面のあらゆる部分と均一的に接触又はその回りを動くわけではないが、この領域は一般的に、位置７１と位置７２によって規定される最大軸線方向幅を有する。

図６を参照すると、ライナー２３が、（従来の事例のように）ノズル２０に対して適切な大きさではない場合には、結果的に、非常に大きな局所的熱応力がライナー材料に発生する可能性があり、特にアーク付着領域に位置することが分かる。これは、図６に示されるコンピュータ・モデルにおいて、濃い陰影による熱応力の最も大きい領域が、ライナー材料のアーク付着領域部分に位置していることから明らかである。本発明の具体例は、図６から明らかな種類の応力を回避することを目指しているが、そこで提供された情報を考慮に入れている。更に、図６の例を図３の例と比較すると、不適切に設計されたタングステン・ライニングを有するプラズマ・ノズルに発生する応力集中は、図３で観察されるような内部亀裂につながる可能性があることが認識される。明らかなように、図３に示す亀裂は、最も大きい応力を示す図６のまさにその領域、即ち、アーク付着領域７０として知られる領域で発生する。

図７を参照すると、ライナー２３が（本発明の目的のように）ノズル２０の特性に適切な大きさである場合には、結果的に、非常に大きな局所的な熱応力は、もはやライナー材料に発生せず、特にアーク付着領域７０に集中しないことが分かる。これは、図７に示されるコンピュータ・モデルにおいて、（図６とは対照的に）最も熱応力の大きな領域が、ライナー材料のアーク付着領域部分に位置していることをもはや示していないことから明らかである。代わりに、コンピュータ・モデルは、アーク付着領域に局所的な熱応力がないことを示している。具体的には、図６と異なり、本発明に起因する熱応力は、局在なく、弱められており、アーク付着領域により大きな程度では発生せず、アーク付着領域において非常に大幅に低減され、ノズル孔の下流の長さ全体にわたってより均一に分散される。

図８を参照すると、図２及び図３に示すタイプのノズル本体が、図７に示す応力プロファイルを達成する目的で本発明によるライナーを含むように如何に設計できるかが分かる。この具体例では、ノズル１２０は、従来型のノズルに関連付けられる局所的熱応力を、特にアーク付着領域の領域においてなくす、又は大幅に減らすという方法で、ライナー材料スリーブ１２３を有して製造される。これは、本明細書で後述するように複数の方法で達成できる。図８の具体例では、これは、ライナースリーブ１２３が、円筒形外径「Ａ」、円筒形内径「Ｂ」（ノズル１２０の中央穴を規定する）、及び壁厚「Ｃ」を有するように、ノズル１２０を製造することによって達成される。さらに、壁厚「Ｃ」は、ノズル１２０の主な本体の部分の１つ又は複数の特性に関連させて大きさが決められる。これらの特性は、特に、壁厚「Ｄ」及び／又はノズル１２０の本体の全径「Ｅ」を含む。直径「Ｅ」は通常、図８の軸線方向の幅「Ｙ」にわたって広がることができる。付加的な特性は、ライナー１２３の熱伝導率（壁厚「Ｃ」の関数である）を、ライナーを取り囲む本体の部分、即ち壁厚「Ｄ」の熱伝導率に合うように調整することを含む。これは、特に、フィン１２４の領域、及びフィン１２４のすぐ下流に配置される本体部分における場合であり、この本体の部分は、冷却流体と接するように配置することができる表面、即ちアーク付着領域の軸線方向幅の範囲内の壁厚「Ｄ」を有する。ライナー１２３の壁厚「Ｃ」を調整すべき、ノズル１２０の本体の部分の軸線方向長さ「Ｙ」は、図８に示すように、フィン１２４の上流端部から下流側端部１２２に位置するフランジの範囲まで延びることができる。しかしながら、値「Ｃ」は、図８の地点１２７から端部１２２まで測定され、アーク付着領域の軸線方向幅によって規定される領域の範囲での最も重要なものである。

図８の非限定的具体例では、壁厚「Ｄ」は、壁厚「Ｃ」よりも大きな厚さであるべきである。変化部１２７に対応する軸線方向位置から始まり端部１２２に向かって、長さ「Ｙ」の一部分である量だけ延びる壁厚「Ｃ」の比率に対する壁厚「Ｄ」の比率は、関心の焦点であるべきである。しかしながら、上記のとおり、主な焦点は、アーク付着領域（図４の符号７０参照）を含むような「Ｙ」よりも短い軸線方向長さの範囲内に配置される値でなければならない。例えば、少なくとも、アーク付着領域によって規定される軸線方向長さ「Ｗ」（図４参照）の範囲内の値「Ｃ」、「Ｄ」及び「Ｅ」を特に考慮すべきである。非限定的例として、ノズル１２０の本体が銅材料で作られ、ライナー１２３がタングステン材料で作られていれば、これらの値は、下表に明記される値をとることができる。

１つの非限定的例によれば、図１に示すタイプのプラズマ銃ノズルが、図８のものに匹敵するノズル１２０を利用し、即ちその壁厚「Ｃ」が約１．０４ｍｍであり、８のタングステン合金ライニング壁厚Ｃに対する総厚さ（Ｃ＋Ｄ）の比率約５．２のタングステン合金のライニングまたはライナー１２３を利用するノズル１２０を利用するように構成できる。このような値を使用すると、ノズル１２０は、図６に示す応力集中を回避しながら、図７のものにより近い応力プロファイルで作動させることができる。図４に示すもののように、ライナー１２３は、図８に示すように、一般的に、ノズル本体の傾斜上流部分に適合し、変化部１２７まで延びる上流傾斜部分１２８を含むことができる。ライナー１２３は、ノズル１２０の変化部１２７から端部１２２まで延びる主孔部分１２９を更に含むことができる。

図９及び図１０を参照すると、本発明を、市販のノズル１２０’で実施できることが分かる。この具体例では、ライナー１２３’が、本明細書で開示するとおりノズル１２０’の本体に合う大きさ及び構成になっており、端部１２２’に形成された同等の大きさのカウンターボアに据え付けることができるフランジＦＬを更に含む。同様に、この例では、ノズル１２０’は、従来のノズルに関する局所的熱応力を、特にアーク付着領域においてなくすか又は大幅に減らすように、ライナー材料スリーブ１２３’を利用するような構成及び大きさになっている。結果、熱応力プロファイルは、図６ではなく図７に示すものに近くなっているはずである。

実施例１−非最適化ライニング厚さを有するタングステン合金ライニング
本発明の別の非限定例として、以下の要件に適合するタングステン合金ライニング壁を有する、図４に示すタイプのいずれかのプラズマ銃ノズルが提供される。壁厚「Ｃ」は、タングステン合金ライナーが、下の銅の溶融が発生する地点まで銅が保護されない程薄くてはならない。他方、壁厚「Ｃ」は、応力集中がすぐに大きくなり、その結果タングステン合金ライナーが破損する可能性がある程厚くすべきではない。以上を考慮すると、約２．０ｍｍから約５．０ｍｍまで、好ましくは約２．５ｍｍから約４．０ｍｍまで、最も好ましくは約２．９５ｍｍである壁厚「Ｃ」を有する略円筒形状のタングステン合金ライナーと組み合わせて、既存の銅ノズル本体を使用することができる。例として、９７Ｗ、２．１Ｎｉ、０．９Ｆｅの重量パーセント組成を有するＣＭＷ３９７０のように、タングステンは鉄及びニッケルと合金化される。具体的にはでは、タングステン合金の各成分は、約９９％から１００％まで、好ましくは約９９．５％から約１００％まで、最も好ましくは約９９．９５％から約１００％までの範囲の純度を有しなければならない。

実施例２−最適化ライニング厚さを有するタングステン合金ライニング
本発明の別の非限定例として、以下の要件に適合する薄いタングステン合金ライニング壁を有する図８に示すタイプのいずれかのプラズマ銃ノズルが提供される。壁厚「Ｃ」は、タングステン合金ライナーが、下の銅の溶融が発生する地点まで銅が保護されない程薄くてはならない。他方、壁厚「Ｃ」は、応力集中がすぐに大きくなり、その結果タングステン合金ライナーが破損する可能性がある程厚くすべきではない。以上を考慮すると、約０．２５ｍｍから約１．２５ｍｍまで、好ましくは約０．５ｍｍから約１．０ｍｍまで、最も好ましくは約０．７５ｍｍから約１．０ｍｍまでの壁厚「Ｃ」を有する、略円筒形状のタングステン合金ライナーと組み合わせて、既存の銅ノズル本体を使用することができる。例として、９７Ｗ、２．１Ｎｉ、０．９Ｆｅの重量パーセント組成を有するＣＭＷ３９７０のように、タングステンは鉄及びニッケルと合金化される。具体的には、タングステン合金の各成分は、約９９％から１００％まで、好ましくは約９９．５％から約１００％まで、最も好ましくは約９９．９５％から約１００％までの範囲の純度を有しなければならない。

実施例３−非最適化ライニング厚さを有するモリブデン・ライニング
本発明の別の非限定例によれば、以下の要件に適合するモリブデン合金ライニング壁を有する、図４に示すタイプのいずれかのプラズマ銃ノズルが提供される。壁厚「Ｃ」は、モリブデン・ライナーが、下の銅の溶融が発生する地点まで銅が保護されない程薄くてはならない。他方、壁厚「Ｃ」は、応力集中がすぐに大きくなり、その結果モリブデン・ライナーが破損する可能性がある程厚くすべきではない。以上を考慮すると、２．０ｍｍから約５．０ｍｍまで、好ましくは約２．５ｍｍから約４．０ｍｍまで、最も好ましくは約２．９５ｍｍの略円筒形状の壁の厚さ「Ｃ」を有するモリブデン・ライナーと組み合わせて、既存の銅ノズル本体を使用することができる。具体的には、モリブデンは、約９９％から１００％まで、好ましくは約９９．５％から約１００％まで、最も好ましくは約９９．９５％から約１００％までの範囲の純度を有しなければならない。

実施例４−最適化ライニング厚さを有するモリブデン・ライニング
本発明の別の非限定例としてば、以下の要件に適合する薄いモリブデン・ライニング壁を有する、図８に示すタイプのいずれかのプラズマ銃ノズルが提供される。壁厚「Ｃ」は、薄いモリブデン・ライナーが、下の銅の溶融が発生する地点まで銅が保護されない程薄くてはならない。他方、壁厚「Ｃ」は、応力集中がすぐに大きくなり、その結果モリブデン・ライナーが破損する可能性がある程厚くすべきではない以上を考慮すると、約０．２５ｍｍから約１．２５ｍｍまで、好ましくは約０．５ｍｍから約１．０ｍｍまで、最も好ましくは約０．７５ｍｍから約１．０ｍｍまでの壁厚「Ｃ」を有する略円筒形状のモリブデン・ライナーと組み合わせて、既存の銅ノズル本体を使用することができる。具体的には、モリブデンは、約９９％から１００％まで、好ましくは約９９．５％から約１００％まで、最も好ましくは約９９．９５％から約１００％までの範囲の純度を有しなければならない。

本発明の更に別の非限定例によれば、上記の要件に匹敵する要件に適合するタングステン合金、モリブデン、又は薄いモリブデンのライニング壁のいずれかを有するプラズマ・ロケット・ノズルが提供される。

銅とタングステン合金又はモリブデン（Ｃ＋Ｄ／Ｃ）との総壁厚と、タングステン合金又はモリブデンの好適な壁厚との好適な比率を両方とも同時に満たすことができない事例では、その場合、合計比率を優先すべきである。

本明細書に開示された様々なノズルの具体例は、様々な方法で製造できるが、非限定例として、最初に固形タングステン合金又はモリブデンロッドを鋳型に設置して、ロッドの周囲に銅材料スリーブを鋳造することによって作ることができる。鋳型から取り外した後、鋳造された組立体は、例えば図８から図１０に示す外部形状及び内部形状の両方を形成するように機械加工することができる。内部形状は、具体的には図８に示すライナーの機械加工領域区分１２８及び１２９を含む。機械加工の間、上記した表に示す仕様、及び／又は本明細書に記載されるさまざまな値Ａ〜Ｅを調整するための本明細書に開示する基準を参考にすべきである。機械加工のほとんどは、フィン１２４をＣＮＣフライス盤上で形成しながら、ＣＮＣ旋盤を利用して行うことができる。

他の材料により、この点に関して何らかの改善が可能である。このような材料は、好ましくは以下の特性を有しなければならない。この材料は、特に高熱負荷下及び高温度勾配下で、タングステンよりも大きい延性及び耐破砕性を有しなければならない。この材料は、更に、タングステンの融点と類似の又はそれに近い高融点を有しなければならない。タングステンの融点よりも低い場合には、タングステンよりも低い融点を有していることを補償するだけ十分に大きい熱伝導率を有しなければならない。可能性のある材料には銀、イリジウムなどの純金属が含まれる。それらが上記の所望の特性の多くを有するからである。しかし、上記の通り、銀及びイリジウムは、現在では実際に使用するには高価すぎる。好適な材料には、上記の通り、タングステン合金及びモリブデンが含まれる。他のタングステン合金には、より多くの量のニッケル及び銅を含むが、融点及び熱伝導率が低く、延性が高いものが含まれる。より少ない量のニッケル及び銅を含むが、融点及び熱伝導率が高く、延性が低いものも含まれる。タングステンと合金化できる他の材料には、オスミウム、ロジウム、コバルト及びクロムが含まれる。これらの金属はタングステンと合金化して、ノズル・ライナー材料に利用できるように、十分に高い融点及び大きい熱伝導率を有する。市販グレードのモリブデンと、ニッケル２．１％及び鉄０．９％を有するタングステン合金は、いずれも、出願人によってノズル・ライナーに試験及び使用され、銅だけでできたノズルと比較された結果、大幅に改善された性能を示している。

本出願は、２０１３年１月３１日出願の米国仮出願第６１／７５９，０８６号の優先権を請求する２０１３年１２月１９日出願の「ＬＯＮＧＬＩＦＥ ＮＯＺＺＬＥ ＦＯＲ Ａ ＴＨＥＲＭＡＬ ＳＰＲＡＹ ＧＵＮ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＭＡＫＩＮＧ ＡＮＤ ＵＳＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ」（代理人整理番号Ｐ４４７９９）という名称の国際出願第 号、及び２０１３年１月３１日出願の米国仮出願第６１／７５９，０７１号の優先権を請求する２０１３年１２月１９日出願の「ＯＰＴＩＭＩＺＥＤ ＴＨＥＲＭＡＬ ＮＯＺＺＬＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＵＳＩＮＧ ＳＡＭＥ」（代理人整理番号Ｐ４４８００）という名称の国際出願第 号の全体を参考文献として本明細書に援用する。

上記の例は、説明目的で提示しているにすぎず、本発明を限定するものとして決して解釈されるべきではないことに留意されたい。本発明を、例示的具体例を参照しながら説明してきたが、本明細書に使用した文言は、説明及び例証のための文言であり、限定するための文言ではないことが理解される。本発明の態様において本発明の範囲及び趣旨を逸脱しない限り、現在述べられ且つ補正されているように、特許請求の範囲の範囲内で変更できる。本発明を、特定の手段、材料、及び具体例を参照しながら本明細書で説明してきたが、本発明は、本明細書に開示される詳細に限定されるように意図されていない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲に含まれるような、全ての機能的に均等な構造物、方法、及び用途にまで及ぶものである。

Claims (13)

1. 銅材料でできたノズル本体（２０）と、該ノズル本体内に配置されたライナー材料（２３）とを備えるプラズマ・ノズルであって、
   前記ライナー材料が、前記ノズル本体よりも高い溶融温度を有し、
   前記ライナー材料が、タングステン合金およびモリブデンのうちの少なくとも１つを含み、
   前記ライナー材料が、０．２５ｍｍよりも大きく５．０ｍｍよりも小さい壁厚（Ｃ）を有する、プラズマ・ノズル。
2. 前記プラズマ・ノズルがプラズマ・ロケット・ノズルである、請求項１に記載されたプラズマ・ノズル。
3. 前記プラズマ・ノズルが溶射銃のプラズマ・ノズルである、請求項１に記載されたプラズマ・ノズル。
4. 前記プラズマ・ノズルがプラズマ切断トーチ・ノズルである、請求項１に記載されたプラズマ・ノズル。
5. 前記プラズマ・ノズルがプラズマ発生器ノズルである、請求項１に記載されたプラズマ・ノズル。
6. 前記ノズルが、交換可能なノズルである、請求項１に記載されたプラズマ・ノズル。
7. アーク付着領域（７０）でそれぞれ測定された前記ノズル本体（２０）の壁厚（Ｄ）および前記ライナー材料（２３）の壁厚（Ｃ）について、ノズルの部分の総壁厚（Ｃ+Ｄ）の前記ライナー材料の壁厚（Ｃ）に対する比率（（Ｃ+Ｄ）／Ｃ）が３．５以上である、請求項１に記載されたプラズマ・ノズル。
8. 前記比率が、
   ３．５から７まで、
   ４．１から６まで、及び
   ５、
   のうちの少なくとも１つである、請求項７に記載されたプラズマ・ノズル。
9. 前記ライナー材料（２３）がタングステン合金である、請求項１に記載されたプラズマ・ノズル。
10. 前記ライナー材料（２３）がモリブデンである、請求項１に記載されたプラズマ・ノズル。
11. 前記ライナー材料（２３）の前記壁厚（Ｃ）が、
    ０．２５ｍｍから１．２５ｍｍまで、
    ０．５０ｍｍから１．０ｍｍまで、及び
    ０．７５ｍｍから１．０ｍｍまで、
    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・ノズル。
12. 請求項１に記載されたプラズマ・ノズルを製造する方法であって、
    壁厚（Ｃ）を有するライナー材料（２３）を形成すること、
    ノズル本体（２０）のアーク付着領域（７０）での壁厚（Ｄ）を有する前記ノズル本体（２０）を形成すること、
    前記ライナー材料（２３）を前記ノズル本体（２０）の少なくとも前記アーク付着領域（７０）に付加すること
    を含み、
    前記ノズルの部分の総壁厚（Ｃ＋Ｄ）の前記ライナー材料（２３）の部分の前記壁厚（Ｃ）に対する比率（（Ｃ＋Ｄ）／Ｃ）を３．５以上とする、方法。
13. 請求項１に記載されたプラズマ・ノズルをプラズマ溶射銃に取り付けることと、
    前記プラズマ溶射銃によりコーティング材料を基材上に溶射することとを含む、プラズマ溶射銃を使用して基材をコーティングする方法。