JPH02247370A - レーザプラズマ溶射装置および方法 - Google Patents

レーザプラズマ溶射装置および方法

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JPH02247370A
JPH02247370A JP2027347A JP2734790A JPH02247370A JP H02247370 A JPH02247370 A JP H02247370A JP 2027347 A JP2027347 A JP 2027347A JP 2734790 A JP2734790 A JP 2734790A JP H02247370 A JPH02247370 A JP H02247370A
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    • B05B7/1486—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material for spraying particulate material in dry state
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining

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】 この発明は材料の溶解、蒸着および噴射（溶射）に関し
、特にレーザ加熱による材料の溶射に関する。
発明の背景 現代の多くの材料系で、存在する基体に材料の層を付加
することが必要である。ある状況では、硬質な耐摩耗性
材料の被膜を強い延性の材料の上に重ねる。こうして得
られる複合材料は、良好な機械的特性、たとえば強度、
延性および破壊靭性を有する構造部材となり、その表面
は侵食性および／または腐食性環境で迅速に摩耗しない
。別の用途では、基体に基体と同じ組成の新しい材料を
付加し、付加材料の厚さを徐々に累積して使用中に失わ
れてしまった分に置き換えることによって、部品を修理
することができる。材料系を設計する上で融通性が得ら
れるので、このような被覆はほかに多方面にわたって色
々に用いられている。
材料の層を基体に付加する方法は、基体、付加材料及び
必要な性能に応じて多種多様である。付加材料をまとま
った塊状形態で設けてもよいし、基体に積層、結合ある
いは固着してもよい。あるいは、付加すべき材料をその
最終形状とは異なる形態で用意し、基体に原子的に、大
抵は溶解または蒸気状態で適用することができる。多く
の場合に、後者の方法が付加材料を基体に非常に強固に
結合し１、極めて制御しやすい最終製品を製造するのに
好適である。
広〈実施されている１方法では、電気アークでプラズマ
を形成する。ガス流中の金属粉末をプラズマに通し、金
属を少なくとも一部溶解させる。
つぎに溶解した金属を基体に対して噴射し、被膜または
堆積層として固化させる。プラズマ溶射および他の類似
の技術は成る金属によっては実用的ではなく、たとえば
チタン合金を大気環境で溶射するのは実用的でない。真
空中で行なうと、この方法の経費が高くなる。
エネルギー源としてレーザを用いる別の技術が提案され
ている。たとえば、米国特許第４，２００．６６９号お
よび第４，７２４，２９９号に、粉末材料を溶解し、そ
れを基体の上に堆積するのに有効な方法と装置が開示さ
れている。し２かし、経験によれば、これらの方法は供
給材料を高速で基体に堆積するには効率が悪い。しかし
、レーザ加熱源が基本的に使用可能である点は確認され
た。
したがって、微粉砕の供給材料をプラズマ堆積するのに
レーザ加熱源を使用し、高い堆積速度および効率を達成
する装置が求められている。このような装置は制御可能
でかつ汎用性がなければならない。この発明はこれらの
要求を満たし７、それに伴なういくつかの利点を実現す
る。
発明の要旨 この発明は、広範囲の供給材料の微粉砕粒子を高速かつ
高効率で堆積できるレーザプラズマ溶射装置および方法
を提供する。この装置は、堆積速度、基体加熱程度およ
び供給材料（原料）に関して広い範囲で制御可能である
。堆積層の寸法（幅および厚さ）は、ノズル高さ、粉末
供給速度、部品移動速度、ガス流量およびノズル形状の
ようなレーザおよび操作因子を調節することにより制御
できる。
この発明のレーザプラズマ溶射（スプレー）装置は、レ
ーザと、レーザビームを相互作用領域に収束する構成の
光学装置であって、レーザビームの焦点を基体の表面よ
り上方に置いてレーザビームが基体に衝突するときには
レーザビームが発散しているように構成した光学装置と
、供給材料およびガス流を上記相互作用領域に供給する
手段とを備え、作動時にはプラズマを生成し、供給材料
の少なくとも一部を溶融し、さらにプラズマおよび溶解
供給材料を部分的に閉じ込め、そのプラズマおよび溶解
供給材料を基体の方へ差し向ける手段を備える。
堆積速度および効率を高くするために、レーザビームの
焦点に生成するプラズマを閉じ込めることが必要なこと
を確かめた。プラズマを閉じ込めないと、プラズマは横
方向外方へ膨張し、堆積効率および堆積密度が著しく低
下する。レーザプラズマ溶射がプラズマ（またはキーホ
ール）溶接と相違するのは、レーザプラズマ溶射ではレ
ーザビームの焦点を十分にずらして基体を溶融しないよ
うにするのに対して、プラズマ溶接ではレーザビームに
より基体の表面領域を溶融する点である。
プラズマ溶接では、基体を強く加熱し、その結果基体を
溶融する一方、供給材料を一旦溶解してから非溶融表面
に堆積するのではなく、溶解油に供給する。これに対し
て、レーザプラズマ溶射では、レーザビームの焦点およ
びプラズマの中心部分を基体表面から十分離れた位置に
維持し、基体を溶融しないようにする。レーザプラズマ
溶射装置では、レーザビームの焦点を通常基体から少な
くとも１〜６インチの距離に維持し、基体の加熱を少な
くし、基体の溶融を完全に避ける。
閉じ込め室を有するノズルを用いる実施例では、レーザ
プラズマ溶射装置はノズルを備え、このノズルが円錐台
形外側ハウジングと、外側ハウジングより小さい円錐寸
法の円錐台形内側ハウジングとを含み、内側ハウジング
が外側ハウジング内に両者の円錐台軸線を一致させては
まり、外側ハウジングおよび内側ハウジングが両者間に
環状通路を画定し、ノズルがさらに上記外側ハウジング
の中空な円筒形延長部を含み、この延長部が上記外側お
よび内側ハウジングの円錐台軸線と一致した円筒軸線を
有し、プラズマ閉じ込め室を形成し、装置はさらにレー
ザと、レーザビームを上記外側および内側ハウジングの
円錐台軸線に沿って円筒形延長部の内部に位置する焦点
まで差し向ける構成の光学装置と、上記内側ハウジング
の内部と連通し、内側ハウジングから円筒形延長部へプ
ラズマ形成ガスの流れを生成するガス供給装置と、上記
内側ハウジングと外側ハウジングの間の環状通路と連通
し、そこにキャリヤガスと混合した微粉砕供給材料の流
れを導入する供給装置とを備える。
この実施例では、流動化した粉末の流れをノズルにその
内側および外側ハウジング間の環状通路にて導入する。
ハウジング軸線に沿った別のガス流により粉末を、レー
ザビームの焦点が位置する円筒形延長部の閉じ込め室に
掃引する。ガス、粉末およびレーザビームのエネルギー
の相互作用によりプラズマを生成する。−度生成すれば
、プラズマは独立に放射し続ける自己支持性のエネルギ
ー源となる。粉末は、一部は溶解されて直接プラズマの
維持に貢献し、一部は溶解されて液滴を形成し、そして
さらに一部は意図的にまたは非意図的に非溶解状態に留
まる。閉じ込め室およびガス流は、プラズマおよび溶解
供給材料が横方向に膨張したり、レーザの方へ戻ったり
するのを防止するので、唯一の許された方向はノズルか
ら基体への外向き方向である。軸線に沿ってガスを流し
続けることにより、溶解した供給材料を基体に向けて推
進するのを助ける。
前述したように、このレーザプラズマ溶射装置はレーザ
溶接とははっきり区別して考えるべきである。レーザ溶
接では、レーザビームの焦点を基体に十分近づけかつ十
分大きな出力とし、基体の表面を溶融する。レーザ溶接
では、レーザビームの焦点を装置の外に置き、基体を直
接加熱、溶融するので、供給材料を付加する場合にはそ
れを直接溶融池に添加する。レーザプラズマ溶射では、
従来の電気アークプラズマ溶射の場合のように、供給材
料を溶解する主加熱源を装置内に閉じ込め、そして金属
溶解物を基体に向けて推し進める。基体はレーザで直接
加熱されることはない。すなわち、一部のレーザエネル
ギーがプラズマに吸収されずにプラズマを通過し、した
がって基体にビームエネルギー密度の低い著しく焦点の
はずれた状態で到達するという範囲でたまたま加熱が生
じることを除いては、基体がレーザで直接加熱されるこ
とはない。プラズマは装置の内部から、プラズマ形成ガ
スの流れの勢いである距離だけはみ出すが、基体の表面
ではその溶融を起こす程には強くない。レーザプラズマ
溶射は、基体の冶金学的微細組織に悪影響を与えること
なく、基体に供給材料を堆積することができるという極
めて有利な利点を有する。
この発明の好適な実施例で更に具体的に言えば、レーザ
プラズマ溶射装置は、レーザビームを相互作用領域に収
束する構成のレーザと、内部に相互作用領域が位置する
プラズマ閉じ込め室であって、横方向閉じ込め壁、レー
ザおよび閉じ込め壁の間に位置する粉末供給室、および
上記閉じ込め壁および粉末供給室の間に位置し、レーザ
ビームがそこを通過してレーザの焦点に達する寸法を絞
ったスロートを有するプラズマ閉じ込め室と、粉末供給
材料をキャリヤガス流とともに粉末供給室に与える粉末
供給系と、粉末をプラズマ形成ガス流とともに粉末供給
室からプラズマ閉じ込め室に移動するガス供給装置とを
備える。
この実施例では、閉じ込め室と粉末供給室との間のスロ
ートがプラズマの閉じ込めを助けるとともに、粉末を閉
じ込め室に供給する際の粉末の分配を助ける。装置内部
に戻ろうとする流れに抗してプラズマを閉じ込めること
は、ガス流の大きさにはあまり関係なく、流動化ガスお
よび軸線方向流れガスのガス流の制御の融通性が一層増
す。
この発明はレーザプラズマ溶射方法も提供する。
この観点からは、供給材料の層を基体の上に堆積する方
法が焦点を基体の表面から十分に遠く離して基体が溶融
しないように、基体表面より上方に焦点を宵するレーザ
を用意し、レーザ焦点の領域にプラズマを形成し、微粉
砕供給材料を上記プラズマに添加してその供給材料の少
なくとも一部を溶解し、さらに溶解した供給材料を基体
に差し向ける諸工程を含む。好ましくは、この方法にお
いて、さらに、レーザの焦点のまわりに閉じ込め室を設
け、この閉じ込め室は両端の開口した側壁を有し、レー
ザビームが閉じ込め室にその一端がら入り、他端から出
ることができるようにする。
この発明の軸流プラズマ溶射装置は堆積技術にとっての
重要な進歩をもたらす。堆積装置内でプラズマを生成し
て供給材料を溶解するので、溶解した供給材料を固体の
溶融していない基体表面に堆積することができる。プラ
ズマは制御可能であり、基体を溶融しない距離に維持さ
れる。この発明の他の特徴および効果は、以下のこの発
明の原理を具体化した好ましい実施例についての図面を
参照した詳しい説明から明らかになるであろう。
実施例の記載 次にこの発明を図面に示した好ましい実施例について説
明する。第１図はこの発明のプラズマ溶射（スプレー）
装置の側面図、第２図は第１図の装置の断面図である。
この発明の具体的な実施例としてレーザプラズマ溶射装
置１００を第１図に示す。この装置１００はレーザ１０
２を含み、レーザビームは光学装置１０４で収束される
と、プラズマを形成しかつ微粉砕材料の供給材料を溶解
するのに十分なパワー密度をもつ。レーザ１０２のビー
ムはビーム軸線１０６を有し、光学装置１０４で収束す
るよう焦点合わせされてから、スプレーノズル１０８に
入る。スプレーノズル１０８の構造および作動について
は以下に詳しく説明す名。ノズル１０８でプラズマを形
成し、供給材料がそこで溶解される。
溶解供給材料をスプレー１１０として射出して基体１１
４の上に堆積層１１２を形成する。プラズマは大部分ノ
ズル１０８内に留まり、基体１１４の表面は溶融されな
い。ノズル１０８の先端がら基体１１４までの作動距離
は約１〜６インチとするのが代表的である。スプレー１
１０は狭く高度に一方向性とするのがよく、そうすれば
ビード１１２の幅がノズル１０８の先端での射出開口１
１６の幅に大体等しくなる。
第２図に示すように、ノズル１０８の外側ハウジング１
１８は光学装置１０４の下端にねじで係合（螺合）され
ており、外側ハウジング１１８をレーザ１０２に対して
近づけたり離したり調節自在に移動できる。外側ハウジ
ング１１８の外面はほぼ円筒形状である。外側ハウジン
グ１１８の内面はその下端が円錐台表面１２０となって
いる。
外側ハウジング１１８内には内側ハウジング１２２が配
置され、外側ハウジング１１８に螺合されている。外側
ハウジング１１８および内側ハウジング１２２はともに
中空で、ビーム軸線１０６と一致する同じ中心軸線を有
する。内側ハウジング１２２の外面はその下端が円錐台
表面１２４となっている。２つの円錐台表面１２０およ
び１２４は互いにほぼ対面する関係にあり、相互間に環
状の通路１２６を画定している。内側ハウジング１２２
と外側ハウジング１１８とを軸線方向に相対的に移動す
ることにより、環状通路１２６の面積を増減する。
外側ハウジング１１８の下端に閉じ込め室１２８が接合
されている。閉じ込め室１２８は円筒形状であるのが好
ましく、中空壁構造に形成され、したがってその内部に
は冷却水を冷却水配管１３０を通して循環させることが
できる。閉じ込め室１２８の下端は射出開口１１６を画
定する。
１実施例では、閉じ込め室１２８の内側表面１３２はそ
の全長にわたって円筒形であり、その円筒の軸線はビー
ム軸線１０６と一致している。更に好ましい例では、閉
じ込め室１２８の内側表面１３２は射出開口１１６に隣
接するその長さの一部に沿っては円筒形であるが、ビー
ム軸線１０６から外方へ遠ざかるように傾斜した上下壁
間に断面の小さいスロート１３４が位置する。このスロ
ート１３４は外側ハウジング１１８の円錐台表面１２０
の下端に隣接して位置する。
好ましくは粉末形態の微粉砕供給材料を装置１００に環
状通路１２６を通して導入する。最初粉末は粉末供給源
（図示せず）に収容され、キャリヤガス管１３６を流れ
ながらキャリヤガス流中で流動化される。流動化粉末を
複数個の粉末供給管１３６、代表的には装置１００の円
周のまわりに等間隔で配置された２〜４本の管に流し、
そして環状通路１２６の上端に対称に配置された注入口
１４２に送る。
別のガス流をノズル１０８に供給する。プラズマ形成ガ
スの軸線方向ガス流を軸線方向ガス流配管１４８を通し
て供給する。このガス流配管１４８は、図示に示す様に
ノズル１０ｇの壁または光学装置１０４の壁を通してノ
ズル１０８の内部と連通している。プラズマ形成ガスは
配管１４８からノズル１０８の内部、円錐台表面１２０
および１２４で画定された開口、閉じ込め室１２８を通
り、射出開口１１６から外に出る。この軸線方向ガス流
は光学装置を損傷から保護し、プラズマの形成を助け、
また溶解材料を基体まで運ぶ。
レーザ１０２のビーム１４６を光学装置１０４により、
ビーム軸線１０６上にあり且つ閉じ込め室１２８内にあ
る焦点１５０に焦点合わせする。
焦点１５０は基体１１４の表面から十分に遠く離れてい
るので、直接加熱とプラズマ加熱の組合せが基体の表面
を溶融する程にならない。スロート１３４を設けた図示
の実施例では、焦点１５０をスロート１３４の下の外向
き傾斜領域内とするのが好ましい。すなわち、スロート
１３４のもっとも狭いくびれが焦点１５０とレーザ１０
２との間にくる。
微粉砕供給材料がスロート１３４から出てくるときに逆
さまの円錐形を形成するのが好ましい。
その供給材料がつくる円錐の焦点は調節可能である。す
なわち、供給材料の焦点をスロート１３４に対して近づ
けたり遠ざけたりすることができる。
供給材料の焦点のこのような調節は、内側ハウジング１
２２を外側ハウジング１２４に対して回転することによ
って行なう。このような回転により内側ハウジング１２
２を軸線方向に移動し、環状通路１２６の、特にその下
端での寸法を増大または縮小する。環状通路１２６の寸
法を小さくすると、供給材料の円錐とその焦点も変わる
。供給材料の焦点とレーザビームの焦点とを一致するよ
うに調節するのがよい。
レーザビーム１４６のパワー密度は焦点１５０で最大で
ある。もしもパワー密度がこの位置で十分に大きければ
、軸線方向ガス、キャリヤガス、粉末およびレーザビー
ムのエネルギーの相互作用の結果としてプラズマ１５２
が生成する。プラズマはイオンと電子との高度に電離し
た集合体であり、限られた体積内で極めて高い温度に達
する。
この相互作用領域内で粉末状の供給材料の原子の一部が
蒸発する。レーザビームのエネルギーはプラズマ形成ガ
ス原子および蒸発した供給材料原子から電子を奪う。プ
ラズマは一度開始される、すなわち「点火」されると、
ガス流およびレーザビームが維持される限り自己保持性
になる。微粉砕供給材料の一部はプラズマ中で溶解され
、残りの部分は意図的にまたは非意図的に非溶解状態に
留まる。プラズマ形成ガスがプラズマ形成領域を通って
基体に向かって流れ続けることで、溶解した供給材料も
溶融しない供給材料もノズル１０８からその開口１１６
を通って射出され、スプレー１１０を形成し、これが基
体１１４の上に層１１２として堆積する。したがって、
層１１２は、プラズマ中で溶解され、基体に衝突したと
きに再び固化した供給材料と、そしておそらくはプラズ
マ中で一度も溶解されなかった供給材料とを含有する。
耐摩耗性被膜の用途など、成る種の用途によっては、供
給材料の一部が溶解しないままに留まっていることが望
ましい。たとえば、供給材料に微粉砕セラミック粉末を
含ませることができ、このようなセラミック粉末は基体
の表面上に粒子として堆積すると、基体の耐摩耗性を高
める。
レーザプラズマ溶射装置１００の重要な特徴はプラズマ
１５２を装置内に部分的に閉じ込めることである。閉じ
込め室１２８によりプラズマ１５２を横方向に閉じ込め
る。軸線方向ガス、キャリヤガスおよび粉末供給材料の
流れにより、プラズマ１５２をレーザ１０２に向かう動
き、すなわちハウジング１１８および１２２の内部に戻
ろうとする動きに対して閉じ込める。このような閉じ込
めを行なうためには、ガスの流れが極めて速く、起こり
得る作動範囲の変動を抑えることができなければならな
いことを確かめた。この発明の好ましい例で、レーザ１
０２の焦点１５０またがってプラズマの源）をスロート
１３４内のスロートのもっとも狭い直径より下方の位置
に設定することが、プラズマを閉じ込めるとともに、プ
ラズマが膨らんでハウジング１１８および１２２の内部
に戻るのを防止する上で有効であることを発見した。
このように部分的に閉じ込められているので、プラズマ
１５２は一方向に、すなわち閉じ込め室１２８の下方へ
基体１１４に向かって膨張するのが許されているだけで
ある。このような膨張が作動中に観察され、通常射出開
口１１６を通って外方へ進展する。プラズマの外方へ延
びる範囲は、主として、閉じ込め室１２８を通るガス流
の流量および焦点１５０でのレーザエネルギー密度に依
存する。いずれにしても、ノズルから外に延びるプラズ
マが基体を十分に加熱して基体を溶融することはない。
必要なら、プラズマを意図的に小さくして、プラズマの
ほとんどすべてを閉じ込め室１２８内に留め、プラズマ
の小さな膨張部のみを開口１１６から外に膨出させる。
この発明ではプラズマの寸法および広がりを十分な範囲
にわたって制御できる。
基体の加熱はプラズマにより影響される。装置１００内
に完全に閉じ込められたプラズマは基体を射出開口１１
６を通して得られる比較的少量の放射で加熱するだけで
ある。基体は、堆積（溶射）した原子が固化する際に放
出するエネルギーにより、また基体に焦点のはずれた状
態でプラズマを通過して到達するレーザビームのエネル
ギーによっても加熱される。これらのエネルギーの加熱
への寄与は比較的小さく、融点の比較的高い基体の場合
、基体への堆積が、基体を溶融することなく、あるいは
基体の冶金学的組織を変えることなく完了することを確
かめた。これとは対照的に、レーザの焦点が装置の外に
あり、プラズマが基体の近くに形成されたり、あるいは
レーザ溶接のようにプラズマが基体に衝突するような場
合、基体はほとんど必ず溶融されるか、その組織が大幅
に変化するか、その両方が起こる。
この発明の実施例の構造および作動の細部について以下
に説明するが、これらは具体的な例示であって、この発
明を限定するものではない。１実施例において、閉じ込
め室は内径が０．４００インチである。最小スロート直
径は０．２５０インチである。環状通路の隙間または寸
法は代表的には約０．０６０インチであるが、簡単に調
節可能である。ノズルの長さは約４インチであるが、こ
の寸法は特に限定されない。レーザは二酸化炭素レーザ
を２．５ｋＶ以上の出力レベルで連続モードで作動させ
る。軸線方向プラズマ形成ガス流としては、アルゴン、
窒素、ヘリウム、水素、酸素、二酸化炭素およびこれら
の混合ガスを含めて多数の異なるガスおよびガス混合物
を使用した。粉末キャリヤガス用のガスとしては、アル
ゴン、窒素、ヘリウム、水素、酸素、二酸化炭素および
これらの混合ガスがある。セラミック材料、セラミック
混合物、金属／セラミック混合物を含めて種々の金属お
よび非金属供給材料および混合物を堆積（溶射）できる
。このような材料には、チタン合金、たとえばＴ＋−６
Ｍ−４Ｖ、タングステン、コバルト合金、ニッケル合金
、たとえばインコネル（Ｉｎｅｏｎｅｌ　）類およびハ
ステロイ（ｌ（ａｓｔｅｌｌｏｙ　）Ｘ、セラミック類
、たとえばアルミニウム、クロムおよびジルコニウムの
酸化物およびプラスチック材料がある。
基体またはノズルまたはその両方を移動し、基体とノズ
ルとを相対移動する。ノズルを固定し、基体をＸおよび
Ｙ移動軸を有する電気機械式テーブルに載せ、基体を自
動的に進行させるのが好ましい。この移動は移動の速度
および方向に関してプログラムされたコンピュータ制御
の下で行なう。
以下の実施例はこの発明を具体的に例示するためのもの
で、いかなる意味でもこの発明を限定するものととるべ
きではない。
実施例１ 図示の装置を用いて、粉末寸法−２００／＋４００メツ
シユのハステロイＸをアルゴンカバーガスで保護したハ
ステロイＸ基体にレーザプラズマ溶射した。レーザの出
力を３．４ｋＷとし、焦点長さを７．５インチとした。
流動化および軸線方向ガス流の合計は５０　ｒｔ３／時
のアルゴンガス、粉末の流量は７ｇ／分とした。ノズル
を基体の上方１．５インチに配置した。基体をノズルに
対して６４０インチ／分の速度で横断移動させた。溶射
（堆積）層は幅約０．１０インチ、高さ約０．００１イ
ンチであった。ビードの基体への結合は良好であった。
金属顕微鏡で調べたところ、溶射層に若干の気孔と表面
粗さが認められた。
実施例２ プラズマガスを等量のアルゴンと窒素の混合物とした以
外は実施例１と同じ手順を繰り返した。
結果は、実施例２の溶射層の方が表面品位が良好であっ
たこと以外は実質的に同じであった。
実施例３ プラズマガスをアルゴンと５容量％の水素の混合物とし
、粉末の供給量を１０．５ｇ／分とした以外は実施例２
と同じ手順を繰り返した。結果は実施例２と同様であっ
た。
実施例４ 図示の装置を用いて、粉末寸法−１００／＋２３０メツ
シユのＴ＋　　６Ｍ　４Ｖをアルゴンカバーガスで保護
したＴ＋−６＃−４Ｖ基体にレーザプラズマ溶射した。
レーザの出力を５ｋＷとし、焦点長さを５．０インチと
した。流動化および軸線方向ガス流の合計は４０　ｆｔ
３／時のアルゴンガス、粉末の流量は１０ｇ／分とした
。ノズルを基体の上２インチに配置した。基体をノズル
に対して１００インチ／分の速度で横断移動させた。層
が基体上に適切に溶射された。
実施例５ 実施例４の手順を繰り返した。ただし、カバーガスをア
ルゴンとヘリウムの混合物とし、アルゴンの流れを３０
ｆｔ３／時とし、ヘリウムの流れを５ｆ’ｔ３／時とし
た。ノズルの高さを基体表面の上１インチとした。これ
以外の作動条件は同様であり、結果も同様である。
実施例６ 図示の装置を用いて、粉末寸法−２００／＋４００メツ
シユのタングステンをアルゴンカバーガスで保護した銅
基体にレーザプラズマ溶射した。
レーザの出力を５ｋＷとし、焦点長さを５．０インチと
した。流動化および軸線方向ガス流はアルゴンと窒素ガ
スの混合物で、アルゴン流量を３Ｏｆ’ｔ３／時、窒素
流量を１　Ｏｆ’ｔ３／時とした。
粉末の流量を２２ｇ／分とした。ノズルを基体の上１イ
ンチに配置した。基体をノズルに対して４０インチ／分
の速度で横断移動させた。層が基体上に適切に溶射され
た。
実施例７ 図示の装置を用いて、粉末寸法−２００／＋３２５メツ
シユのインコネル７１８ニッケル基合金をアルゴンカバ
ーガスで保護したインコネル７１８合金基体にレーザプ
ラズマ溶射した。レーザの出力を３．５ｋＷとし、焦点
長さを５．０インチとした。流動化および軸線方向ガス
流の合計は４０ｆ’ｔ’　／時のアルゴンガス、粉末の
流量を６ｇ／分とした。ノズルを基体の上１インチに配
置した。
基体をノズルに対して４０インチ／分の速度で横断移動
させた。層が基体上に適切に溶射された。
実施例８ 図示の装置を用いて、６０重量％の銀および４０重量％
の炭化タングステンの粉末寸法−２００／＋４００メツ
シユの混合粉末をアルゴンカバーガスで保護した銅基体
にレーザプラズマ溶射した。
レーザの出力を４ｋＷとし、焦点長さを５．０インチと
した。流動化および軸線方向ガス流はアルゴンと水素ガ
スの混合物で、アルゴン流量を３０ｆｔ’／時、窒素流
量を１０　ｆｔ３／時とした。
粉末の流量を２０ｇ／分とした。ノズルを基体の上１イ
ンチに配置した。基体をノズルに対して４０インチ／分
の速度で横断移動させた。層が基体上に適切に溶射され
た。
実施例９ 図示の装置を用いて、７０重量％のニッケル合金および
３０重量％の酸化アルミニウムの粉末寸法−２００／＋
４００メツシユの混合粉末をアルゴンカバーガスで保護
したインコネル７１８基体にレーザプラズマ溶射した。
レーザの出力を４ｋＷとし、焦点長さを５．０インチと
した。流動化および軸線方向ガス流はアルゴンと窒素ガ
スの混合物で、アルゴン流量を３０　ｆ’ｔ３／時、窒
素流量を１０　ｒｔ３／時とした。粉末の流量を１０ｇ
／分とした。ノズルを基体の上１インチに配置した。基
体をノズルに対して１００インチ／分の速度で横断移動
させた。層が基体上に適切に溶射された。
実施例１０ 図示の装置を用いて、９２重量％の酸化ジルコニウムお
よび８重量％の酸化イツトリウムの粉末寸法−２００／
＋３２５メツシユの混合粉末をアルゴンカバーガスで保
護したインコネル７１８基体にレーザプラズマ溶射した
。レーザの出力を５ｋＶとし、焦点長さを５．０インチ
とした。流動化および軸線方向ガス流はアルゴンと２容
量％の酸素ガスの混合物で、合計流量を４０　ｒｔ３／
時とした。粉末の流量を１０ｇ／分とした。ノズルを基
体の上２インチに配置した。基体をノズルに対して１０
０インチ／分の速度で横断移動させた。層が基体上に適
切に溶射された。
これらの実施例から明らかなように、この発明のレーザ
粉末溶射技術を種々の条件下で実施して、広範な種々の
材料および混合物を適切に溶射することができる。この
発明は材料を基体に堆積する汎用性の高い装置を提供す
る。この発明を特定の実施例および好適な実施態様につ
いて説明したが、発明の要旨を逸脱しない範囲内でこの
発明を種々に変更できることが当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明のレーザプラズマ溶射装置の側面図、 第２図は第１図の装置の断面図である。 １００：プラズマ溶射装置、１０２：レーザ、１０４：
光学系、　　　１０６：ビーム軸線、１０８ニスプレー
ノズル、１ １１２：溶射層（ビード）、 １１６：射出開口、　　１１８ １２０：円錐台面、　　１２２ １２４：円錐台面、　　１２６ １２８：閉じ込め室、１３０ １３２：内側表面、　　１３４ １３６：粉末供給管、１４２ １４８：ガス配管、　　１５０ １５２：プラズマ。 １０ニスプレー １１４：基体、 ：外側ハウジング、 ：内偵し＼ウジング、 ：環状通路、 ：冷却水配管、 ニスロート、 ：注入口、 ：焦点、

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、供給材料を基体の上に堆積するレーザプラズマ溶射
    装置において、 レーザと、 レーザビームを相互作用領域に収束する構成の光学装置
    であって、レーザビームの焦点を基体の表面より上方に
    置いてレーザビームが基体に衝突するときにはレーザビ
    ームが発散しているように構成した光学装置と、 供給材料およびガス流を上記相互作用領域に供給する手
    段とを備え、作動時には、この相互作用領域でプラズマ
    を生成し、供給材料の少なくとも一部を溶解し、さらに プラズマおよび溶解供給材料を部分的に閉じ込めるとと
    もに、そのプラズマおよび溶解供給材料を基体の方へ差
    し向ける閉じ込め手段とを含むレーザプラズマ溶射装置
    。 ２、アルゴン、窒素、ヘリウム、水素、酸素、二酸化炭
    素およびこれらの混合物よりなる群から選ばれるガスを
    、供給材料と混合して供給する請求項１に記載の装置。 ３、供給材料がチタン合金、ニッケル合金、コバルト合
    金および鉄合金よりなる群から選ばれる請求項１に記載
    の装置。 ４、供給材料が金属、非金属および金属と非金属との混
    合物よりなる群から選ばれる請求項１に記載の装置。 ５、ノズルを備え、このノズルが円錐台形外側ハウジン
    グと、外側ハウジングより小さい円錐寸法の円錐台形内
    側ハウジングとを含み、内側ハウジングが外側ハウジン
    グ内に両者の円錐台軸線を一致させてはまり、外側ハウ
    ジングおよび内側ハウジングが両者間に環状通路を画定
    し、ノズルがさらに上記外側ハウジングの中空な円筒形
    延長部を含み、この延長部が上記外側および内側ハウジ
    ングの円錐台軸線と一致した円筒軸線を有し、プラズマ
    閉じ込め室を形成し、さらに レーザと、 レーザビームを上記外側および内側ハウジングの円錐台
    軸線に沿って円筒形延長部の内部に位置する焦点まで差
    し向ける構成の光学装置と、上記内側ハウジングの内部
    と連通し、内側ハウジングから円筒形延長部へプラズマ
    形成ガスの流れを生成するガス供給装置と、上記内側ハ
    ウジングと外側ハウジングの間の環状通路と連通し、そ
    こにキャリヤガスと混合した微粉砕供給材料の流れを導
    入する供給装置とを含むレーザプラズマ溶射装置。 ６、上記キャリヤガスがアルゴン、窒素、ヘリウム、水
    素、酸素、二酸化炭素およびこれらの混合物よりなる群
    から選ばれる請求項５に記載の装置。 ７、上記プラズマ形成ガスがアルゴン、窒素、ヘリウム
    、水素、酸素、二酸化炭素およびこれらの混合物よりな
    る群から選ばれる請求項５に記載の装置。 ８、上記供給材料がチタン合金、ニッケル合金、コバル
    ト合金および鉄合金よりなる群から選ばれる請求項５に
    記載の装置。 ９、上記供給材料が酸化アルミニウム、酸化クロム、酸
    化ジルコニウムおよびこれらの混合物よりなる群から選
    ばれる請求項５に記載の装置。 １０、上記ノズルが上記外側ハウジングと円筒形延長部
    との間にくびれ部を含み、このくびれ部の円筒直径が上
    記円錐台形外側ハウジングの開口より小さくかつ上記円
    筒形延長部の内径より小さい請求項５に記載の装置。 １１、レーザビームを相互作用領域に収束する構成のレ
    ーザと、 内部に上記相互作用領域が位置するプラズマ閉じ込め室
    であって、横方向閉じ込め壁、上記レーザおよび上記閉
    じ込め壁間に位置する粉末供給室、および上記閉じ込め
    壁および粉末供給室間に位置し、レーザビームがそこを
    通過してレーザの焦点に達する寸法を絞ったスロートを
    有するプラズマ閉じ込め室と、 粉末供給材料をキャリヤガス流とともに上記粉末供給室
    に与える粉末供給装置と、 上記粉末をプラズマ形成ガス流とともに上記粉末供給室
    から上記プラズマ閉じ込め室に移動するガス供給装置と
    を含むレーザプラズマ溶射装置。 １２、上記相互作用領域が上記スロート内にある請求項
    １１に記載の装置。 １３、上記キャリヤガスがアルゴン、窒素、ヘリウム、
    水素、酸素、二酸化炭素およびこれらの混合物よりなる
    群から選ばれる請求項１１に記載の装置。 １４、上記プラズマ形成ガスがアルゴン、窒素、ヘリウ
    ム、水素、酸素、二酸化炭素およびこれらの温合物より
    なる群から選ばれる請求項１１に記載の装置。 １５、上記供給材料がチタン合金、ニッケル合金、コバ
    ルト合金および鉄合金よりなる群から選ばれる請求項１
    １に記載の装置。 １６、供給材料が金属、非金属および金属と非金属との
    混合物よりなる群から選ばれる請求項１１に記載の装置
    。 １７、供給材料の層を基体の上に堆積する方法が、 焦点を基体の表面から十分に遠く離して基体が溶融しな
    いようにした、基体の表面より上方に焦点を有するレー
    ザを用意し、 レーザ焦点の領域にプラズマを形成し、 微粉砕供給材料を上記プラズマに添加してその供給材料
    の少なくとも一部を溶解し、 溶解した供給材料を基体に差し向ける諸工程を含む方法
    。 １８、微粉砕供給材料をプラズマの円周のまわりに与え
    ることにより添加を行なう請求項１７に記載の方法。 １９、さらに、レーザの焦点のまわりに閉じ込め室を設
    け、この閉じ込め室は両端の開口した側壁を有し、レー
    ザビームが閉じ込め室にその一端から入り、他端から出
    ることができる請求項１７に記載の方法。 ２０、上記溶解供給材料を基体に差し向ける工程が、プ
    ラズマ形成ガスの流れをレーザの焦点の領域を通して基
    体に向けて、レーザビームの方向に平行な方向に案内し
    、これにより溶融供給材料を基体に向けて流すことによ
    り行なわれる請求項１７に記載の方法。
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