JPH02236999A - プラズマ発生装置及びプラズマ発生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背：ｌ？ｔ］ プラズマトーチは先ず高温熱源として発展し、現在は、
材料の切断、溶接、コーティング及び高温処理用として
一般に広く使用されている。一般的な市販の直流プラズ
マトーチ若しくはガンは、ガン本体部分のボア内の軸方
向に配置された通常トリウムタングステンからなる先細
棒状陰極と、陰極に対して同軸状に整−するノズルオリ
フィスを有する陰極の下流に配置された環状陽極と、を
含む。プラズマ形成ガス、典型的にはアルゴン或いはア
ルゴン及びヘリウムの混合物若しくはアルゴン及び水素
の混合物は、ガスが陰極の周りで軸方向に流込み、陽極
ノズルオリフィスを通って排出されるように、ガンの本
体部分内に導入される。

プラズマの発生は、ガン内で陽極と陰極との間のアーク
領域において起こる。プラズマは典型的には、高周波開
始パルスを用いて陽極と陰極との間のアークを初期化す
ることにより形成され、ここで上記アークが約１２００
０　’Ｋの温度までプラズマガスを加熱すると共にイオ
ン化する。加熱され且つ膨脹したプラズマガスは、次に
高速度でノズルオリフィスを通して排出される。ガンを
通るガス流は、軸方向に若しくは渦型流を生じるような
態様で導入されることが可能である。プラズマアークの
電気的特性はガス流速度、ガス組成、陽極ノズルオリフ
ィス直径及び電極間隔により測定される。

プラズマガンがコーティングをスプレーするのに用いら
れる場合、原料は通常キャリアガスに支持された粉体の
形態をなし、ガンの製造タイプによってノズル出口の内
方若しくは外方のいずれかへ、プラズマ流出物中に向け
て半径方向に注入される。プラズマが陽極ノズルを出た
後、プラズマの温度は急速に低下する為、上記粉体はプ
ラズマの発生点にできるだけ近く導入されることが望ま
しい。米国特許第２．８ＯＬ１２４号はプラズマ技術の
基本原理を開示した初期のもので、米国特許第３，２０
４．１１４号は商業的なプラズマガンを開示した初期の
ものである。

下記のように、プラズマガンの形状及び可能性のある陰
極の劣化の為、有利であることは長い間認識されている
が、原料を通常のプラズマスプレーガンの軸方向に導入
することは不可能であった。

典型的なプラズマジェットコーティング装置において、
原料粉体は、プラズマ源から下流のプラズマ流中に、プ
ラズマジェット流に対して軸と直角に若しくは傾斜して
、或いはこれと向流するように半径方向に導入される。

後述するように、プラズマは粒子の突き通しに抵抗を以
て干渉し、この抵抗は粒子にプラズマジェットの軸を突
き通るの十分な運動量を要求する。粒子運動量はキャリ
アガスにより提供される。

更に、熱スプレー粉体は完全に均一な粒子サイズを決し
て具備せず、通常粒子寸法の広い分布を含む。キャリア
ガス流速度は更に粒子サイズに依存して調整されなけれ
ばならず、ここでより小さな若しくはより軽い粒子はよ
り大きなキャリアガス流速度を必要とする。しかし、粒
子注入速度分布は狭い粒子サイズ分布についてさえ広く
、原料粉体の混合物は非常に限定された商業的応用しか
ない。従って、注入粒子に移された熱及び運動量は広範
囲に変化し、ターゲット若しくは基板と粒子との衝突に
おいて、広範囲な速度及び表面温度の”分布をもたらす
。より大きな若しくはより重い粒子はより大きな運動量
を有する為、より大きな粒子はプラズマジェットを貫通
し、外側低温ガス領域に乗せられるか、或いはプラズマ
ジェットの外へ排出され、堆積コーティングの非溶融外
辺領域をもたらす。低運動量の非常に小さな若しくは軽
い粒子は、プラズマジェットを突き通らず、これちまた
外辺領域に含まれる。プラズマジェットコアに入る非常
に小さな粒子はまた過加熱されると共に気化されるであ
ろう。従って、粒子の一部だけがプラズマジェットのコ
アに入り、ターゲット基板上に高密度層として堆積する
。上記非溶融若しくは部分的に溶融した粒子は堆積物の
密度に影響する。典型的な適用において、堆積効率（即
ちコーティングを実際に形成する部分に対するプラズマ
ジェット中に供給される材料の率）は低く、酸化物セラ
ミック及び金属間化合物のような高溶融材料においては
、通常７０％よりもかなり下である。

アルゴン若しくはヘリウムのような活性でないガスが、
陰極電極の腐食若しくは劣化を回避する為にプラズマガ
スとして使用される。上述の如く、陰極は通常トリウム
タングステンから形成され、この電極は１０００℃以上
の温度で使用される。水素若しくは窒素のような２原子
ガスが不活性プラズマガスに添加され、プラズマジェッ
トトーチの出力が強化される。しかし、酸素のような反
応性ガスは使用できず、何故なら反応性プラズマガスが
隘極の酸化腐食をもたらす可能性があるからである。反
応性ガス若しくは反応性ガス混合物の使用は、陰極に局
部的劣化を負わせ、従って、アーク源の陰極点をさ迷わ
せ、プラズマアークの不安定性若しくは「アークの彷徨
」をもたらす。しかし、幾つかの適用において、プラズ
マ形成ガスとして、酸素若しくは酸素含有ガス混合物の
ようなある反応性ガスを使用することが望ましいであろ
う。例えば、あるプラズマジェットの適用は原料の酸素
の枯渇をもたらす。例えばプラズマガスとしての酸素の
使用は、生成コーティングにおける酸素の回復をもたら
し、次続スプレー酸素置換アニールを不要とする。

エネルギ効率若しくは電気的部品の劣化なしに、通常の
プラズマジェットガンの使用電力レベルを上げる・こと
もまた非常に望ましい。典型的なプラズマジェットガン
において、エネルギー効率は、ガン及び電力ケーブルに
おける固肴の高電流使用及びエネルギロス故に、使用エ
ネルギレベルが増大するのに伴って減少する。現在、プ
ラズマジェットガン内のエネルギは電流を高めることに
より高められている。プラズマジェットガンへの電力入
力は電圧及び電流による産物（電力一ＶｘＩ）であるか
ら、使用電力レベルを電流よりもプラズマ電圧を増大さ
せることにより高めることが望ましい可能性がある。使
用電圧は使用されるプラズマ形成ガスに直接相関するか
ら、陰極一陽極間隔も含め、これらパラメータは最適な
状態に調整されることが聖ましいであろう。しかし上述
の如く、プラズマ形成ガスの選択は、陰極劣化を回避す
る為、非反応性若し《は不活性ガスの群に制限される。

陰極一陽極間隔は、大きな電極間間隔では、安定なプラ
ズマアーク状態を初期化及び維持するのに問題があるこ
とから制限される。

従って、現在のプラズマジェット技術は少なくとも３つ
の重要な点に関して制限される。第１に、粉体化原料の
半径方向注入は、低い堆積効率、堆積物の低下密度をも
たらし、均一コーティングが必要な場合は、狭い範囲の
原料粒子サイズを必要とする。第２に、反応性ガス若し
くは反応性ガス混合物は、陰極及びアーク溶接の劣化を
回避する為、プラズマ形成ガスとして使用できない。最
後に、従来のプラズマジェットガンの使用電力レベルは
エネルギー効率を低下させることなく大幅に増大させる
ことができない。

商業的な成功はないが、プラズマジェットガンの半径方
向供給の問題を回避する為、種々の試みがなされている
。従来技術により提案された主な解決方法は、（ａ）中
空陰極プラズマガン、（ｂ）ＲＦ（無線周波数）ガン、
及び（Ｃ）単一倶給を伴う複数のプラズマガン、を含む
。中空陰極ガンはその名の通り、従来の棒状陰極ではな
く、中空陰極チューブを使用する。ＲＦプラズマガンは
、プラズマ源としてアークを置換する無線周波数コイル
により発生される急交換電界を使用する。上記中空陰極
及びＲＦプラズマガンは商業的な可能性はあるが、共に
商業的な成功は未だおさめていない。

アブコ　コーポレーションに譲渡されたジェンセンの米
国特許第３．１４０．３８０号により示されているよう
に、他の技術は、基板上への堆積の為、２つ若しくはそ
れ以上のプラズマ流出物を、「その内部にコーティング
材料が共給され且つ実質的に溶融粒子とされる、ジョイ
ントプラズマ流出物」に合併させようと試みた。ジエン
センの米国特許に開示されている従来技術の装置におい
て、複数のプラズマガン若しくは「プラズマ発生手段」
が共通軸に対して「対称的に配置され」、「ジョイント
プラズマ流出物を形成するように、プラズマ流出物があ
る点で遮って合併するように指向される」。個々のプラ
ズマトーチからのプラズマ流出物は、次に共通軸内のノ
ズル開口を通って送られ、ワイヤ若しくは粉体化原料が
共通軸内のノズル開口を通して送られる。後述するよう
に、「ジョイントプラズマ流出物」を形成するこの方法
は、単一若しくは合体自立プラズマをもたらさず、衝突
プラズマ流出物は、原料が供給されるｉｉ突点において
乱れをもたらす。更に、原料．が供給される衝突点にお
いて、プラズマ流出物の温度はプラズマコアの温度より
も実質的に低くなり、真の軸方向共給で得られるよりも
低効率をもたらし、ここで、原料粒子はプラズマコア中
に共給される。プラズマスプレーの為に軸方向供給を提
供するこの試みは、商業的な適用を見出だせず、熱スプ
レー工業は従って、プラズマトーチに対して半径方向供
給を使用し続けている。

従来技術はまた、タテノ等の米国特許第３．７７０．９
３５号に開示されるように、２つ若しくはそれ以上のプ
ラズマを組合わせる為に他の試みを行っている。タテノ
等の特許に開示のプラズマジェット発生機において、陽
プラズマジェットトーチが陰プラズマジェットトーチに
対して直角に配設され、上記プラズマが出会い、正極性
のプラズマジェットトーチとして機能し、高アーク電圧
及び改良された効率を達成するようになっている。しか
し、上記プラズマジェット発生機は不活性プラズマガス
及び原料の半径方向供給を使用しなければならない。こ
のシステムは商業的に導入されておらず、上述の半径方
向供給の問題を克服できない。

従来技術はまた、移送アークプラズマのガン若しくはト
ーチの多くの例を含む。基板がガンに電チは多くの適用
において商業的に受入れられている。ジョージの米国特
許第２．８５８．４１１号に開示されるように、プラズ
マを軸方向に移送するように、第１陽極の下流に第２環
状陽極電極を使用することもまた可能である。しかし移
送アーク技術は、本発明の第１の目的である、粉体化原
料を使用した商業的幀方向供給プラズマガンをもたらさ
なかった。

従って、商業的プラズマスプレー装置における半径方向
供給の問題は長い間認識されていたが、従来の技術は、
商業的に成功するプラズマスプレーシステムにおいては
、上記の問題を解決することができなかった。従って、
従来技術では適えられなかった軸方向供給プラズマスプ
レーに対して長い間要求があった。

［発明の要約］ 最も広義において、本発明のプラズマスプレー装置及び
方法は、プラズマスプレーシステムにおける真の軸方向
供給を可能とする、自立電磁的合体安定プラズマを発生
させる。粒子状若しくは棒状の原料は自立プラズマの軸
を通して供給され、原料の熱移送及び均一加熱の改良を
含む改良された効率をもたらし、従って半径方向供給の
問題を排除する。更に、本発明のプラズマ発生装置及び
方法はプラズマ形成ガスとして反応性ガス若しくは反応
性ガス混合物が使用可能で、陰極若しくはアーク溶接の
劣化をもたらすことがない。最後に、本発明のプラズマ
ジェットトーチの使用電力レベルは著しく増大し、シス
テムのエネルギ効率を低下させたり、電気的部品を損傷
することがない。

本発明のプラズマスプレー装置は、夫々がイオン化され
たプラズマガスのプラズマを発生させる、少なくとも２
つの、望ましくは３若しくは４つのプラズマ発生手段若
しくはパイロットプラズマガンと、プラズマを増長させ
ると共に電磁的に合体させてイオン化されたガスの自立
プラズマにする手段と、自立プラズマを通して軸方向に
原料を倶給する為の手段と、を含む。上記パイロットプ
ラズマガンは従来のプラズマ発生トーチで、夫々が一対
の電極と電極間に実質的に不活性のイオン化可能プラズ
マガスを供給する手段とを含み、ここで、イオン化可能
プラズマガスは電極間で発生されたアークを通して流れ
、イオン化されたガスのプラズマを確立する。本発明の
プラズマスプレー装置の開示された実施例において、パ
イロットプラズマガンの夫々は、棒状陰極と、間隔をお
いて上記陰極を包囲する環状本体部分と、陰極と軸方′
向に整一するノズル開口を有する陰極の下流の環状陽極
と、陰極の周囲を流れると共に陽極ノズル開口を出る不
活性プラズマガスを環状本体部分に供給する手段と、を
含む。上記パイロットプラズマガンは共通軸の周りに対
称的且つ角度的に配置され、パイロットプラズマガンに
より発生されるプラズマが共通軸を横切るようになって
いる。

パイロットプラズマガンにより発生された個々のプラズ
マは、主移送電極、望ましくは共通軸に同軸状に整一す
るノズルボアを有する環状陽極に確立された移送電流に
より、増長され且つ電磁的に合体されて自立プラズマに
される。ここで、パイロットプラズマガンにより発生さ
れたプラズマが主移送陽極のノズルボアに指向されよう
になっている。上記パイロットプラズマは、開示の実施
例において、棒状陰極及び環状陽極に接続された公知の
直流電流源手段により発生され、不活性プラズマガスが
流れ通る電気アークを形成し、上記ガスをイオン化する
と共に主移送陽極のスロートで横切る複数のプラズマを
形成する。上記開示の実施例において、主移送陽極のス
ロートは、望ましくはコーン形状で、パイロットプラズ
マガンにより発生された個々のプラズマを受けると共に
主移送陽極のノズルボアに向けて指向させる。

上記開示の実施例における上記電源手段は、パイロット
プラズマガンの陰極に接続された直流電源を含み、主移
送陽極は電磁的にパイロットプラズマを合体させる移送
電流を確立し、主移送電極ボア内に自立合体プラズマを
形成し、これを通して原料が供給される 本発明のプラズマ発生装置及び方法の最も望ましい実施
例において、第２のイオン化可能なプラズマガスが主移
送電極のスロート中に供給されると共にイオン化され、
自立プラズマを増長させると共に、原料に対して発生さ
れ且つ移送される熱を増大させる。第２のプラズマガス
は不活性プラズマガス若しくは上記パイロットプラズマ
ガンで使用されるプラズマガスと同じとすることが可能
で、ある適用においてより望ましくは第２のプラズマガ
スは反応性プラズマガス若しくは反応性ガス混合物で、
イオン化される場合は自立プラズマにより発生されるエ
ネルギを増大させ、上記利点を提洪する。従って、本発
明のプラズマスプレー装置は、特定の適用における要求
に応じて、プラズマガスとして、いかなる適当なイオン
化可能ガスをも含むことができる。第２のプラズマガス
は主移送電極若しくは陽極のボアに軸方向に供給される
か、或いはより望ましくは接線方向に供給され、陽極ボ
ア内でプラズマガスの渦を形成し、電磁気的合体自立プ
ラズマを取巻く。

上述の如く、原料は次にパイロットプラズマガンの共通
軸を軸方向に通して倶給され、真の軸方向倶給プラズマ
スプレー装置をもたらす。本発明のプラズマスプレー装
置の開示された実施例において、粉体化若しくは粒状原
料は、パイロットプラズマガンの共通軸を通って延びる
原料供給チューブを通して、主移送電極のスロート内で
パイロットプラズマの交差点に倶給される。代わりに、
原料はワイヤ若しくは棒状の態様で主移送電極のノズル
ボアに供給される。原料は次に、パイロットプラズマの
交差点を通って、主移送電極ボア内の自立プラズマ中に
共給され、原料を均一に加熱すると共に加速し、システ
ムの堆積効率を改良する。また代わりに原料は、溶液、
スラリー　ゾルーゲル流体のような液体の態様とするこ
とができ、液体キャリアが気化されるか若しくは反応除
去され、堆積用に固体材料が残される。

本発明のプラズマ発生装置及び方法は、従って、半径方
向供給プラズマスプレー装置による長年の問題を排除す
る。原料は本発明のプラズマスブレー装置を軸方向に通
って供給される為、堆積効率が改良され、広範囲の粒子
サイズが使用可能となり、原料のコストを減少させる。

更に、粒子原料の種々の混合物が使用可能で、これには
サイズ及び密度が非類似の粒子の混合物が含まれる。更
に、高温ゾーン内での滞留時間が大きくなる為、市販の
プラズマスプレーで通常使用されるものより大きな粒子
が使用可能となろう。更に、酸素のような反応性ガス及
び酸素を含む反応性ガスの混合物が、本発明のプラズマ
スプレー装置において主プラズマガスとして使用可能で
、本発明のプラズマスプレー装置の応用範囲が増大する
。最後に、本発明のプラズマスプレー装置の使用電力レ
ベルは電流ではなく、プラズマ電圧を高めると共に、使
用プラズマ形成ガスを選択することにより増大させるこ
とが可能となる。本発明のプラズマ発生装置及び方法の
他の利点及び利益性のある特徴は、以下の望ましい実施
例の詳細な説明、付属の特許請求の範囲、図面、及びそ
の簡単説明からより明確に理解されるであろう。

〔実施例］ 第１図に関し、一実施例として示されるプラズマスプレ
ー装置２０は、第１パイロットプラズマガン２２と第２
プラズマガン２４とを有し、ガン２４は部分的に断面で
示される。パイロットプラズマガン２２、２４は公知の
タイプで、内部に、コーン状自由端部２８を有する中心
配置棒状陰極２Ｂが配設される。

棒状隨極２Ｂはリテイナ３０と摩擦係合により所定位置
に保持され、リテイナ３０の一端部は密着キャップ３２
によって閉鎖される。当業者にとって明白なように、キ
ャップ３２はリテイナ３０に捩込まれ、棒状陰極２Ｂが
消耗時に交換できるようになっている。

しかし以下で述べるように、本発明においては、本発明
の特異な構成が陰極の消耗を減少させる為、その交換の
開度は低くなる。セラミック絶縁体３４のような誘電材
料のリングが、環状陽極３Ｂから棒状陰極２Ｂ及びその
保持構造を電気的に絶縁する為に配設される。

環状陽極が電気的絶縁シース３８により所定位置に保持
され、シース３８を通して電気リード４０が延び、環状
陽極３Ｂと電気的接触を形成する。同様に、電気リード
４２がリテイナ３０を通して延び、棒状陰極２Ｂと電気
的接触を形成する。環状陽極３Ｂにはノズル開口４６が
配設され、これを通してパイロットプラズマがプラズマ
スプレー装置２０のスタートアップ時に指向される。

ある適用において、棒状陰極２６は内部通路を有するこ
とが可能で、これを通して水のような冷却媒体が循環さ
れ、プラズマ処理中に発生する熱を棒状陰極２Ｂから消
散させる。望ましくは同様な熱交換チャネル（図示せず
）がまた環状陽極３Ｂに設けられ、パイロットプラズマ
流により発生される大きな熱を消散させる。内部表面若
しくは環状陽極３Ｂと、棒状陰極２６との間に規定され
る環状空間４８は、絶縁シース３Ｂ及びリテイナ３０内
のチャネルを通してプラズマガス源５０から延びるプラ
ズマガス通路の一部からなる。図示の如く、リテイナ３
０は棒状陰極２６から僅かに離れた部分を含み、セラミ
ック絶縁体３４により提供された類似の環状スペースを
通してプラズマガス流が環状スペース４８に入ることを
可能にする。従って、適当な電気ポテンシャルが棒状陰
極２Ｂ及び環状陽極３Ｇに供給されると、電気アークが
高周波オツシレータ５２（他の高周波オッシレータ５４
がパイロットプラズマガン２２の為の電気回路に配設さ
れる）を介して形成され、これは棒状陰極２Ｇのコーン
状端部２８から環状陽極３Ｂへ延びる。

゛次にプラズマガスがプラズマガス源５０から環状スペ
ース４８を通して流されるのに従って、プラズマガスが
電気アークに遭遇し、アークは公知の態様でプラズマガ
スをイオン化し、パイロットプラズマ流５Ｂを形成する
。パイロットプラズマ流５６はノズル開口４Ｂから現れ
る。ここで使用される「プラズマガス」という用語は、
適当な電気的特性の電気アークを通過する際イオン化す
る、全てのガス若しくはガス混合物として規定されると
解される。後により明らかとなるように、本発明の重要
な特徴は、最終合体自立プラズマ流が、棒状陰極２Ｂの
劣化を促進することなく、酸素のような活性若しくは反
応性ガスを含むように形成可能とすることである。しか
し、パイロットプラズマガン２２、２４を使用する為、
不活性ガス望ましくはアルゴンがプラズマガスとして使
用される。当業者にとって他の適当なプラズマガスを見
出だすことも可能であろう。

パイロットプラズマガン２２及び２４はサポートブロッ
ク５９でハウジング５８に支持され、これらが共通軸６
０の肩りで対称に配置される。後述されるように、この
特定の実施例においては、２つのプラズマガン（２２、
２４）だけが配設されるが、プラズマスプレー装置２０
に、第８図図示の如くブロック５９　　内に３つのパイ
ロットガンを配備するか、若しくは第５図図示の如くブ
ロック５９゜゜内に４つのプラズマパイロットガンを配
備することが望ましい。各場合において、パイロットプ
ラズマガンは共通軸６０の周りで対称に配置され、各パ
イロットプラズマガン軸（第１図中８２、８２゜）は、
望ましくは約６０＠未満の開先角度で交差する。換言す
ると、軸６２及び軸６０間の開先角度は、軸０２゜及び
軸６０間の開先角度と同様約３０″未満であることが望
ましい。

ブロック５９のボア８４、８Ｂは夫々パイロットプラズ
マガン２２、２４を堅固な係合態様で緊密に受入れる。

この実施例において、再度第１図に関し、ブロック５９
がボア６４、６６で座ぐりされ、絶縁シール３８が着座
する肩部若しくはリムを提洪する。更に、誘電性石突き
６８が環状陽極３Ｂの一部を包囲ナるシースとして提洪
され、ブロック５９から環状陽極３Ｇを電気的に絶縁す
る。この目的にはポリエステル材料が適当である。ブロ
ック５９は真鍮のような加工が容易な金属から形成され
る。第４図図示の如く、ブロック５９には４つのボアが
形成され、その内の２つはブラグ６５、Ｂ７で栓をされ
る。従って、ブロック５９は２若しくは４つのパイロッ
トプラズマガンを容易に取付け可能である。また第５図
図示のブロック５９゜゜は、２つの追加のパイロットプ
ラズマガン（図示せず）の為の２つの追加のボアを有す
ることが分かる。この４部分形状において、各ボアは各
隣接ボアから９０″離間される。第８図において、ブロ
ック５９゜は１２０　”離＋１ｊｆされた３っのパイロ
ットプラズマガンを受入れるように形成される。両構成
において、上記ボアはパイロットプラズマガンを中心軸
６０に対して、角度的に、望ましくは約３０”若しくは
それ未満で支持するように形成される。この対称性はパ
イロットプラズマ流の安定な交差を提０（する上で重要
である。

ブロック５９には、環状熱交換チャンバ７０が配設され
、これはジャケット７４の熱交換通路７２と連通ずる。

この態様において、冷却剤７Ｇが使用中にボート７８を
通して熱交換通路７２に流され、従って、これが環状熱
交換チャンバ７０を通って冷却ブロック５９へ循環され
る。望ましい実施例におけるように、２つ以上のパイロ
ットプラズマガンが使用される場合、追加のボアは前述
の如く、ブロック５９内に対称的に提供される。

第１図及び第２図に関し、軸６０に沿った軸方向原料を
提供する為、原料供給チューブ８０がボア８２において
ブロック５９内に配置される。原料供給チューブ８０は
ブロック５９と摩擦係合してボア８２内に緊密に取付け
られる。原料倶給チューブ８０はその終端で開口し、こ
れはブロック５９のチャンバ８４中に延び、粒状組織の
ような原料を軸６０に沿ったプラズマに対して引渡す手
段を提供する。後述するように、ある適用において、棒
状等の固形原料が適当となる。またプラズマガン２２、
２４がノズル開口端部においてチャンバ８４中に延びる
であろう。

ハウジング５８は更に、その全長に延びる中心ボア若し
くは通路８Ｂを有する主移送陽極８Ｂを含む。

主移送陽極８Ｂは、銅のような電気伝導性材料から形成
され、環状チャネル９０を含み、これを通って冷却剤が
熱交換通路７２を介して循環される。換言すると、環状
チャネル９０及び熱交換通路７２は連通ずる。この特定
の実施例において、ディスク９２がブロック５９と主移
送陽極８６との間に介設される。

後述するように、この構造は製造及び組立てを容品にす
る。ディスク９２は中心配置ボア９４を有し、これは円
錐状で、ボア８８の対応円錐部分において主移送陽極８
Ｂと適合する。この態様において、円錐状スロート９６
が規定され、ここで軸６２、６２゜が交差する。円錐状
スロート９６の開先角度は典型的には、約６０″か、或
いはパイロットガンの衝突角度に対応する。円錐状スロ
ート９Ｇ及びボア８Ｂは軸６０と軸方向に整一する。こ
の実施例において、主移送陽極８Ｇ、ディスク９２及び
ブロック５９はボルト９８によりジャケット７４内の所
定位置に保持されることが分かる。プラズマスプレー装
置２０の作用の記載において明白となるであろうが、円
錐状スロート９６及びデスク９２をアルミニウム酸化物
のような誘電性材料ｌ００の層により被覆することが望
ましい。円錐状スロート９６を規定する表面の腐食を減
少させるのに加えて、誘電層１００は、合体プラズマ流
が主移送陽極のボアに入る後まで、この接触を防止する
ことにより、主移送プラズマアーク若しくは自立プラズ
マの長さを増長させる。この態様における自立プラズマ
１０２を増長させる利点は、本発明の方法の記載に関連
して詳細に記述されるであろう。

主移送陽極は銅合金等のような高導電性材料から形成さ
れる。ディスク９２は超寿命金属若しくは耐火酸化物か
ら形成される。第３図によく示されるように、本発明の
この実施例において、ディスク９２はチャネル若しくは
ガス通路の網を有するガスマニホルドとして機能する。

この点に関し、環状ガスチャネル１０４は第１図図示の
如く、プラズマガス源からのプラズマ形成ガスを受ける
ように形成される。第２図及び第３図に関し、プラズマ
ガスは、ハウジング５８のジャケット７４を通って延び
るボアである通路１０ｇを通ってガス源１０Ｂから移動
する。通路１０ｇとの連通において、第２環状ガス通路
１１０がジャケット７４に配設される。主移送陽極８６
はまた複数のマイクロボア１１２を有し、これは環状ガ
ス通路１１０及び環状ガスチャネルｌ０４と連通ずる。

環状ガスチャネル１０４との連通において、複数の接線
方向ガス通路１１４が配設され、これは第２プラズマガ
ス源１０６から円錐状スロート９Ｂへ、スピン若しくは
巻線状にプラズマガスを導くように機能する。導入通路
は、ガス通路１１４の接線方向幾何により提供されるも
のよりも直接的なものが適当であろうが、望ましい態様
でプラズマガスを円錐状スロート９６へ流すことにより
、分与されるプラズマガスの巻線状動作は通路８８内に
プラズマ渦を形成する。この渦は他の要素と共に、自立
プラズマ１０２の規制を補助し、これが高照準合わせさ
れた流れとなるようにする。ガスマニホルドが主移送陽
極８Ｂ内に類似の態様で直接提供可能であることに留意
されたい。複数のＯリングｔｔｅがまた提洪され、これ
は種々の横造のハウジング５８に環状チャネルを適合さ
せ、実質的に機密シールが得られようにする。

プラズマスプレー装置２０の多くの変更改良が本発明の
原理において可能となる。例えば、多くの適用において
、ハウジング５８は電気的絶縁材料に収納される。また
、プラズマスプレー装置２０は、ロボット操作スプレー
若しくは携帯スプレーが可能となるように設計できる。

更に、プラズマスプレー装置２０は、２、３若しくは４
つの対称的に配置されたパイロットプラズマガンを有す
るように図示されるが、５つ若しくはそれ以上のパイロ
ットプラズマガンも、ある特定の適用において適当なも
のとなるであろう。

使用時、及び本発明の方法によれば、望ましくは、プラ
ズマスプレー装置２０は．、金属若しくはセラミックの
ような材料のスプレーされるコーティングを、ターゲッ
ト基板に供給するのに使用される。材料の処理及びニャ
ーネット形状を含む自立物の製造のような他の適用もま
たここで望ましい。

プラズマスプレー装置２０はまた、高温度切断若しくは
加熱操作に使用されるのに適しているであろう。

第１図及び第２図に関し、パイロットプラズマガン２４
の棒状陰極２６はリード４２を介して電源１１８の負端
子に電気的に接続される。同じ態様で、パイロットプラ
ズマガン２２の棒状陰極（図示せず）は、電気リード１
２２により電源１１ｇの負端子に接続される。パイロッ
トプラズマガン２４の環状陽極３Ｂはリード４０を介し
て電源１２３の正端子に電気的に接続される。パイロッ
トプラズマガン２２の環状陽極１２４はリード１２Ｇに
より電源１２５の正端子に電気的に接続される。本発明
の全ての電源は望ましくは直流電流を提洪する。前述の
如く、第１高周波オツシレータ５２及び第２高周波オツ
シレータ５４が回路に配設され、各パイロットプラズマ
ガンの隘極とその関連の環状陽極との間の電気アーク若
しくは「パイロットアーク」を初期設定する。

即ち、高周波オッシレータ５２、５４は、パイロットプ
ラズマガン２４の棒状陰極２６と環状陽極３Ｂとの間、
またパイロットプラズマガン２２においては、環状陽極
１２４とその対応の棒状陰極（図示せず）との間の電気
アークを初期設定するように機能する。

スタートアップ時、アルゴンのような第１のプラズマガ
スがプラズマガス源５０から環状スペース４８へ、そし
てパイロットプラズマガン２４のノズル開口４Ｂを通し
て外方に流される。プラズマガス流はパイロットプラズ
マガン２２において同態様で初期設定される。スイッチ
１２８　、１２９が次に一時的に閉成され、高周波オッ
シレータ５２、５４が作動され、同時に、電源１２３　
、１２５が夫々パイロットプラズマガン２４、２２に接
続され、従って、パイロットプラズマガン内のパイロッ
トアークが初期設定されると共に確立される。安定な直
流電流は電気アークを維持する。プラズマガスが、望ま
しくは圧力下でパイロットプラズマガン２４、２２のノ
ズル開口４８Ｓ１３０に向けて流されるにつれ、これは
公知の態様でプラズマガスをイオン化するパイロットア
ークを通過する。プラズマガスは、軸方向、若しくは代
わりに所望とあれば渦を形成するように「巻線状」に導
入される。非移送パイロットプラズマ流５ＢＳ１３２は
従って、第６図及び第９図にまた示されるように円錐状
スロート９Ｂ内で交差するように形成される。スイッチ
１３４が次に閉成され、主移送陽極８Ｂを電気的に励起
する。

当業者であれば分かるように、また後により詳細に説明
されるように、動作における電荷に関連する電磁界は、
交差点でのパイロットプラズマ流５６、１３２の交差及
び自立プラズマ１０２の特性に影響する強制力を提倶す
る。更に、主移送陽極８Ｇが励起するにつれ、円錐状ス
ロート９Ｂ内の電磁的合体パイロットプラズマ流５６，
　１３２は円錐状スロー．ト９８から通路８８の直線状
ボア部分中に引かれる。

これは、交差パイロットプラズマ流が「可撓導電体」の
特性を有することから生じ、従って、プラズマを互いに
引寄せあう電磁界を発生させ、円錐状スロート９６でプ
ラズマを合体させる。交差流は、リード１３Ｇを介して
電源１１８の正端子に電気的に接続された、主移送陽極
８６の正電荷に向かって引かれる。（この実施例におい
て、ジャケット７４は主移送陽極８Ｂに電気的に接続さ
れるが、他の構成も可能である。） 望ましい実施例において、円錐状スロート９Ｂに誘電層
１０ロを配設することにより、合体パイロットプラズマ
流５Ｂ、１３２が通路８８の直線状ボア部分の主移送陽
極８Ｂの露出表面に向かって移動する。

誘電層１００はパイロットプラズマ流５Ｂ、１８２が、
電磁的合体に先立って主移送陽極８Ｂ若しくはディスク
９２と「短絡」することを防止する。またこの態様にお
いて、電磁的合体プラズマ流は主移送陽極８Ｂの直線状
ボア部分中に増長される。このようにプラズマを長める
ことにより、プラズマ電圧が増大し、プラズマエネルギ
密度を増大させる。高プラズマエネルギ密度は、原料に
対する熱エネルギの伝達に寄与すると共に粒子速度を増
大させることから望ましい。

プラズマガス源１０Ｂからの第２若しくは主プラズマガ
スは、通路１０８、環状ガス通路ｔｉｏ　、マイクロボ
ア１１２及び接線方向ガス通路１１４を介して円錐状ス
ロート９６中に圧力下で流される。接線方向ガス通路１
１４は上述の如く円錐状スロート９Ｇに開口する。棒状
陰極の劣化の促進を防止する為、パイロットプラズマ流
５８，　１３２を形成するのに不活性イオン化可能プラ
ズマ形成ガスが使用されることが望ましいが、本発明の
重要な利点は、陰極材料に悪影響のある酸素のような活
性若しくは「反応性」のガスを含むプラズマ流を形成で
きることである。これは本発明により達成可能となり、
何故なら、不活性ガスがパイロットプラズマガン２２、
２４において使用可能で、従って棒状陰極が保護され、
次に活性ガスが円錐状スロート９６でパイロットプラズ
マガンの下流に導入されるからである。反応性ガスの使
用は、原料の化学的組成を該原料がスプレーされるのに
従って変化させると共に、より高い使用電圧が可能とな
ることから望ましく、何故なら高使用電圧はプラズマガ
スの構成の関数として機能するからである。

プラズマガスが接線方向通路１１４から流されるにつれ
、これは更に自立プラズマ１０２を照準合わせするよう
に機能する渦を形成する。第２プラズマ形成ガスの回転
は特に第６図中において矢印Ｇとして示される。プラズ
マガスが円錐状スロート９６に入るにつれ、これは電気
エネルギ集中パイロットプラズマ流５８，　１３２によ
りイオン化される。

得られた熱巻線状急速増長プラズマガスは、パイロット
プラズマ流５６、１３２と組合わされ、熱ガス及び電磁
的影響の増長による強制力によりて、プラズマは通路８
８の直線状ボア部分中に引かれ、プラズマ出口開口１３
ｇから高速度で合併する自立プラズマ１０２を形成する
。緊密に締付けられた自立プラズマ１０２は主移送陽極
８Ｂと電気的に接触して回路を完成させる。これは通路
８８のプラズマ出口開口１３８近傍若しくは主移送陽極
８Ｂの外表面１４２で生じる。スタートアップ完了後、
第１図のスイッチ１２ｇ　、１２９が開成され、パイロ
ットプラズマガンの環状陽極が回路から切離される。パ
イロットプラズマ流５８、１３２は円錐状スロート９Ｂ
中に流れ続け、何故なら、これらは安定な直流により維
持される自立プラズマ１０２を介して主移送陽極８Ｂに
電気的に接続するからである。

当業者であれば分かるように、一般的にプラズマスプレ
ーガンの重要な利点の１つは、しばしば１２００’Ｋを
超える高温度を発生させる能力である。

これらの高温度は耐火酸化物及び他の熱耐火材料を処理
及びスプレーする為に、プラズマスプレーを理想的なも
のとする。プラズマスプレー装置２０の柾々な部品の熱
劣化を防止する為、第１図及び第２図に関し、冷却剤が
上述の冷却剤通路内でハウジング５８を通して循環され
る。冷却剤は冷却剤出口１４０で排出される。通路８８
の直線状ボア部分で主移送陽極８Ｂを冷却することによ
り、主移送陽極８Ｂの内部壁に直ぐ隣接する通路８８の
領域が冷却され、「熱ピンチ」として知られている現象
が生じる。従って、冷却非イオン化ガスのシースが主移
送陽極８Ｂの壁近傍に維持される。この非導電性シース
は、更にプラズマ流を集中若しくは締付けるように機能
する自立プラズマ１０２の電界線を締付ける。

電磁ピンチがまた提供され、次にこれについて記述され
る。パイロットプラズマ流５６、１３２が第１図図示の
如く軸００、Ｂ２、６２゜の交差点で対称的に収束する
。パイロットプラズマ流５８，　１３２は（及び３つ以
上の対称的に配置されたパイロットプラズマガンが使用
される場合は、追加の全てのパイロットプラズマ流も）
、交差点で均一に偏向する。均一な偏向は一部において
交差プラズマの運動相互作用力及び幾何的対．称性によ
りもたらされる。更に、各パイロットプラズマ流は、第
５図及び第７図中矢印ＡＳＢＳＣ，Ｄで示されるパイロ
ットプラズマガンの各陰極及び主移送陽極間の移送直流
電流により誘発される関連の周囲磁界を有する。更に、
磁界Ｅが存在し、これは集中パイロットプラズマ流を包
囲する。種々の磁界ベクトル成分の積重ねの為、磁界Ｅ
は特に第７図図示の如く、個々のプラズマ流を引くよう
に作用する。

この締付け磁気ピンチの大きさは、パイロットプラズマ
流の交差点に隣接して増大する。この増大する磁気ピン
チは個々のパイロットプラズマ流を電磁気的に合体させ
、安定な合体プラズマ流を形成する。磁気ピンチは自立
プラズマ１０２の圧力、温度及び速度を増大させる。こ
の磁気ピンチの大きさは、パイロットプラズマ流及び自
立プラズマ１０２による組合わせ電流に比例する 自立プラズマ１Ｇ２が完全に確立された後、原料がパイ
ロットプラズマの交差点に供給される。再び第１に関し
、ある実施例において、粒状原料が上述の如く軸８０に
軸整−する原料供給チューブ８０を通して注入される。

原料の軸方向注入がプラズマアークを乱すことなく達成
できることは本発明の重要な利点である。これはパイロ
ットプラズマガン２２、２４の角度配列により可能とな
る。従来技術のプラズマスプレー装置における半径方向
供給の欠点は従って本発明により未然に防がれる。従っ
て、本発明は軸方向に注入された原料粒子の均一加熱を
提供する。粒子速度はまた非常に均一である。超音波粒
子速度が達成されるであろう。多くの例において、原料
は不活性キャリアガスにより圧力下で注入される。粒子
注入速度を含むプラズマスプレー装置２０の種々の使用
パラメータを制御することにより、粒子速度及び温度の
正確な制御が達成可能となる。従って、原料が電磁的合
体パイロットプラズマ流に入るのにつれて、これは最高
エンタルピー領域で自立プラズマ１０２内に乗せられ且
つ加速される。加熱高速粒子はターゲット基板に指向さ
れ、基板に衝突して濃密度で均一な堆積を形成する。従
って高堆積効率が達成される。耐火酸化物のようなセラ
ミック、金属及びボリマーでさえもこの態様でスプレー
される。ある特定の望ましい適用は金属及びセラミック
基複合材料である。

本発明において原料の軸方向注入の他の方法も可能であ
り、例えばスラリー、溶液、ゾルーゲル流体、或いはワ
イヤ若しくは棒状のような原料の使用も可能である。特
に、第９図に関し、本発明のある実施例において、原料
は交差パイロットプラズマ流５８，　１８２中にローラ
１５０により進められる棒体１４８からなる。パイロッ
トプラズマ流５Ｇ、１３２が交差点において電気的に励
起される為、棒体１４ｇに対して逆電気バイアスを供給
することにより、棒体１４ｇは交差パイロットプラズマ
と共にアークを形成するであろう電極となる。この電気
原料アーク及び交差パイロットプラズマにより発生され
る熱は前進する棒体１４８の先端を急速に溶融させる。

溶融原料は交差パイロットプラズマにより原子化され、
上述の態様で自立プラズマ中に移動する。

非常に高い電力レベルがプラズマスプレー装置２０で得
られる点が本発明の重要な利点である。主移送陽極回路
に対して、陰極に１００ｋｖ若しくはそれ以上の使用電
力が連続的に維持される。スタートアップ後、各棒状陰
極及び主移送陽極間で、約７５から約１２５　Ａ及び約
１００から２００ｖの安定直流電流が確立される。パイ
ロットプラズマガンの望ましい電圧は約１５から約３０
Ｖである。その望ましい電流は約１０から３０Ａである
。従って、自立プラズマ１０２は、個々のパイロットプ
ラズマガンの組合わされた電力の約１０から約５０倍の
電圧で励起される。当業者であれば、プラズマアーク電
圧における増大はプラズマ流のエネルギを増大させるこ
とが分かるであろう。

プラズマスプレー装置へのプラズマ形成ガスの流速、及
び原料の注入速度は、所望の温度、速度及び粒子の滞留
時間に大きく依存して変化するであろう。望ましい使用
パラメータの例として、望ましい及び最良の範囲は下記
の表１に示される（ＰＰＧ−パイロットプラズマガン、
ＭＰ一生プラズマ、Ｆ一原料）。

ＰＰＧ ＰＰＧ ＰＰＧ ＰＰＧ ＰＰＧ ＨＰ ＮＰ プラズマガン ガス流量 ノズル開口 電圧 電流 出口開口 ガス ガス流量 電圧 電流 倶給量（粉体） 供給量（ワイヤ） 出口開口と 基板との距離 表１ 望ましい Ａｒ ５−２Ｏ　ＳＣＰＨ ．０８−．１９　ｉｎ １５−３０　Ｖ １０−３Ｏ　Ａ ．１９−．３８　ｌｎ Ａｒ，０２＋Ｎ２　ｅ ＣＩ＋４　，Ｈｅ，｝１２ ５０−２００　ＳＣＦＨ ５０−２５０　Ｖ ２００−５００　Ａ Ｉ−２０　ｌｂ／ｈｒ ５−１００　１ｂ／ｈｒ ２−１２　ｉｎ 最良 Ａｒ ７　ＳＣＰＩＩ ．０９　ｌｎ ２４　Ｖ ２Ｏ　Ａ ．２５　ｌｎ Ａ　ｒ　／　ＩＩ　２ ７５　　８ＣＦＩ！ １５０　ｖ ３５０　Ａ （ｉ　　ｌｂ／ｈｒ ４０　　Ｉｂ／ｈｒ ６　　Ｉｎ 以上本発明の特定の実施例に関して図示され且つ記述さ
れてきたが、当然本発明はこれに制限されるものではな
いと理解されるべきで、この開示に対して種々の変更が
可能となる。従って、付属の特許請求の範囲は、本発明
の真の精神及び範囲に属する上記のような変更を包含せ
んとするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプラズマスプレー装置の一部縦断
正面図、 第２図は本発明に係るハウジングの展開斜視図、第３図
は第１図の３−３線に沿った断面図、第４図は本発明に
係るハウジングの平面図、第５図は磁界線の概略と共に
、４つのパイロットプラズマガンを取付けるように形成
された本発明に係るサポートブロックの平面図、 第６図は模式的に示されたプラズマ流と共に、本発明に
係る主移送陽極及びディスクの一部を示す正面図、 第７図はプラズマ流を合体させる磁界線の模式的な斜視
図、 第８図は３つのパイロットプラズマガンを取付けるよう
に形成されたサポートブロックの変更例を示す図、 第９図は他の実施例における本発明に係る主移送陽極及
びディスクの一部を示す正面図で、この実施例において
は、交差プラズマに対してワイヤ原料が供給される。 ２０・・・プラズマスプレー装置　２２・・・第１パイ
ロットプラズマガン　２４・・・第２プラズマガン　２
Ｂ・・・陰極　３Ｂ・・・陽極　５Ｂ、１３２・・・パ
イロットプラズマ流５８・・・ハウジング　５９・・・
サポートブロック　６０・・・共通軸　８０・・・原料
供給チューブ　８６・・・主移送陽極９Ｂ・・・円錐状
スロート　１０２・・・自立プラズマ出願人代理人　弁
理士　鈴江武彦 Ｆｉｇ−３ Ｆｉｇ−４ ／７！″ｌクーｙ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン化されたプラズマガスの第１プラズマを発
   生させる為の手段と、上記第１プラズマと交差するイオ
   ン化されたプラズマガスの第２プラズマを発生させる為
   の手段と、上記第１及び第２プラズマを増長させると共
   に電気的に合体させてイオン化されたプラズマガスの自
   立プラズマにする為の手段と、上記自立プラズマ中に原
   料を供給する手段と、を具備し、上記原料が粒形状で加
   熱されると共に加速されることを特徴とするプラズマス
   プレー装置。
2. （２）上記第１及び第２プラズマを増長させると共に電
   気的に合体させる為の手段が、ボアを有する主移送電極
   を含み、上記第１及び第２プラズマを発生させる為の手
   段が、上記主移送陽極ボアに指向されたプラズマを夫々
   発生させるパイロットプラズマスプレーガンを具備する
   請求項（１）記載のプラズマスプレー装置。
3. （３）上記スプレー装置が電力供給手段を含み、上記供
   給手段が、先ず、イオン化されたガスの上記第１及び第
   ２プラズマを発生させる上記プラズマスプレーガンに電
   力を供給し、次に、上記第１及び第２のプラズマを増長
   させると共に電気的に合体させて上記自立プラズマを形
   成する上記主移送電極に電力を供給する請求項（２）記
   載のプラズマスプレー装置。
4. （４）上記第１及び第２プラズマを発生させる為の手段
   が、上記パイロットプラズマスプレーガンに対して不活
   性ガスを供給する為の第１プラズマガス供給手段を含み
   、上記第１及び第２プラズマを増長させると共に電気的
   に合体させる為の手段が、上記主移送陽極ボアに対して
   反応性プラズマガスを供給する為の第２プラズマ供給手
   段を含む請求項（２）記載のプラズマスプレー装置。
5. （５）貫通するノズルボアを有する移送電極手段を含む
   ことと、 夫々が一対の電極と上記電極間に実質的に不活性のイオ
   ン化可能なプラズマガスを供給する手段とを有する第１
   及び第２パイロットプラズマ発生手段を含み、上記第１
   及び第２プラズマ発生手段が、上記ノズルボア中に上記
   実質的に不活性のプラズマガスの第１及び第２のプラズ
   マを発生させることと、 上記移送電極手段が、上記ノズルボアに対して反応性イ
   オン化可能プラズマガスを供給する手段を更に含み、上
   記移送電極手段が次に、上記ノズルボア内で上記第１及
   び第２のプラズマを増長させると共に電気的に合体させ
   、上記ノズルボア内に自立プラズマを形成することと、 上記ノズルボア内で上記自立プラズマに対して原料を供
   給する為の手段を含み、上記原料が粒形状で加熱され且
   つ加速されることと、 を特徴とするプラズマスプレー装置。
6. （６）上記反応性イオン化可能プラズマガスを供給する
   上記手段が、上記反応性プラズマガスを、上記ノズルボ
   ア中に接線方向に注入し、上記プラズマガスの渦が形成
   され、上記ノズルボア内で上記自立プラズマを締付ける
   請求項（５）記載のプラズマスプレー装置。
7. （７）イオン化されたプラズマガスの第１プラズマを発
   生させる工程と、 上記第１プラズマと交差するイオン化されたプラズマガ
   スの第２プラズマを発生させる工程と、上記第１及び第
   ２プラズマを増長させると共に電気的に合体させてイオ
   ン化されたプラズマガスの自立プラズマにする工程と、 上記第１及び第２プラズマの上記交差を通して上記自立
   プラズマ中に原料を供給し、上記自立プラズマが、上記
   原料を上記プラズマガス内に拡散支持された粒形状で加
   熱すると共に加速する工程と、 を具備することを特徴とするプラズマスプレー方法。
8. （８）上記自立プラズマ中に別にイオン化可能なプラズ
   マガスを供給し、上記自立プラズマを増長させる工程を
   含む請求項（７）記載の方法。
9. （９）上記別のプラズマガスを上記自立プラズマ中に接
   線方向に供給して上記自立プラズマを締付ける渦を発生
   させる工程を含む請求項（８）記載の方法。
10. （１０）第１の実質的に不活性のイオン化可能なプラズ
    マガスを第１及び第２プラズマ発生手段に供給し、イオ
    ン化されたプラズマガスの上記第１及び第２プラズマを
    発生させる工程と、第２の反応性イオン化可能プラズマ
    ガスを上記自立プラズマに供給し、上記自立プラズマを
    増長させる請求項（７）記載の方法。