JPH0341822Y2

JPH0341822Y2 -

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Publication number: JPH0341822Y2
Application number: JP1984033714U
Authority: JP
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1991-09-02
Also published as: JPS60144953U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、プラズマ溶射ガンの改良に関し、更
に詳しくはプラズマジエツト中の溶射粒子を高エ
ネルギー、かつ均一に噴射できるようにしたプラ
ズマ溶射ガンに関するものである。

各種プラント、原動機、機械等の部材表面に、
耐食性、耐摩耗性、耐熱性又は断熱性を与えるた
めに種々の金属材料又は非金属材料若しくはそれ
らの混合材料をプラズマ溶射して皮膜を形成する
方法が行われている。プラズマ溶射法により品質
の優れた溶射皮膜を形成するには、プラズマジエ
ツト中の溶射粒子のエネルギーを増大させ、かつ
均一化し被覆部材面と溶射皮膜の密着性を高め、
溶射粒子間の結合力を高め、耐久性に優れた溶射
皮膜を形成する必要がある。

プラズマ溶射ガンの構成原理は、プラズマを形
成する空間（以下、「プラズマ空間」という。）を
介して配設した陰極と陽極との間に電力を供給し
て発生したプラズマを、プラズマジエツトとして
プラズマ空間外に噴出させると共に、プラズマジ
エツト中に溶射物質を供給して溶射粒子を昇温、
加速して高エネルギーの溶射粒子を放射させるも
のである。この原理に基づいて構成された従来の
プラズマ溶射ガン１００の構造は、第１図に示す
ように棒状陰極１０１の外周に、プラズマ空間１
０２を介して棒状陰極１０１の軸方向を中心軸と
して同心状に環状陽極１０３を配設し、プラズマ
空間１０２の先端部には、発生したプラズマをプ
ラズマ空間１０２外へ射出させる貫通路１０４を
形成し、プラズマ空間１０２には図示されないガ
ス供給源から作動ガスを導入するガス導入路１０
５を設けるとともに、環状陽極１０３の壁面内を
貫通路１０４と直行する方向に貫通路１０４に連
通する内部溶射物供給用貫通孔１０６と、環状陽
極１０３の先端部に前記貫通路１０４と直交する
方向に延設され貫通路１０４端部に開口する外部
溶射物供給管１０７が設けられている。通常、前
記の内部溶射物供給孔１０６は高融点溶射材料の
送給に使用し、外部溶射物供給管１０７は低融点
溶射材料の送給に使用される。

棒状陰極１０１の伸延方向に陰極側電導体１０
８が固設されており、陰極側電導体１０８の外周
面は絶縁体１０９で支持され、かつ環状陽極１０
３と電気的に絶縁され、環状陽極１０３の一方の
端部は絶縁体１０９に接続している。さらに、環
状陽極１０３の外側面および陰極側電導体１０８
には、それぞれ冷却水導入口１１０および排出口
１１１が形成されており、これら導入口１１０お
よび排出口１１１は、環状陽極１０３、絶縁体１
０９および陰極側電導体１０８内に形成した冷却
水環流路１１２と接続している。

１００を使用してプラズマ溶射を行う場合は、
冷却水導入口１１０から、冷却水環流路１１２を
通して排出口１１１へ冷却水を流しプラズマ溶射
ガン１００を冷却すると同時に、ガス供給路１０
５を介して、図示しないガス供給源から空間１０
２内へ作動ガス（Ar，He又はN₂ガスあるいはこ
れらの混合ガスが用いられ、場合によつてはH₂
が添加される。）が導入される。

次いで、直流電源（図示せず。）から、環状陽
極１０３に正、棒状陰極１０１に負の電圧を加え
ると共に、図示しない高周波電源から当該環状陽
極１０３と棒状陰極１０１との間に火花放電を発
生させる。この火花放電により、先に陰・陽二電
極間に印加されている直流電圧によつて陽極１０
３と陰極１０１間にプラズマアークが発生する。

このプラズマアークが発生した時点で、高周波
電圧の供給を停止する。陽極１０３と陰極１０１
間に発生したプラズマアークによつて空間１０２
内には高温高圧のプラズマガスが充満し、貫通路
１０４から高温高圧のプラズマジエツトが噴出す
る。

さらに、図示しない溶射物材料ホッパから溶射
物供給用貫通孔１０６又は供給管１０７を介して
溶射物をプラズマジエツト中に送給すると、送給
された溶射物粒子は溶射粒子１１３（高エネルギ
ー溶射粒子）又は１１４（低エネルギー溶射粒
子）として急速に昇温、加速され被覆部材１１５
表面に放射される。

以上のように、従来のプラズマ溶射ガン１００
は、溶射物粉末の供給口がプラズマジエツトの噴
出口１０４端部に比較的近く、かつ溶射物粉末供
給方向がプラズマジエツトの流れと直交するた
め、プラズマジエツト中に送給された溶射物粒子
のうち、一部はプラズマの中心部に供給され高い
エネルギー溶射粒子となり被覆部材１１５表面に
射出されるが、他の溶射物粒子はプラズマジエツ
トの中心部からはずれ、十分に昇温、加速され
ず、しかもプラズマジエツトの流れ方向から大き
くそれた方向に放射される。このように溶射粒子
がプラズマジエツトの中心部からはずれ十分に昇
温、加速されない現象は内部溶射物供給用貫通孔
１０６および外部溶射物供給管１０７から供給さ
れる溶射物粒子のいずれについても同じようにお
きる現象である。

以上のように、従来のプラズマ溶射ガン１００
は、プラズマジエツトの流れ方向と直交する方向
から溶射物質を供給するので、溶射物質粒子の一
部はプラズマジエツトの中心部からはずれた部分
に供給され、溶射粒子の昇温、加速が十分になさ
れないまま被覆部材１１５表面に衝突、付着する
傾向があつた。このため、被覆皮膜と被覆部材表
面との密着性および被覆皮膜内溶射粒子相互の結
合力を低いものにし、被覆皮膜の耐久性つまり熱
応力、機械的応力、繰り返し応力に対し被覆皮膜
剥離、皮膜割れなどの現象を生じる傾向があつ
た。

本考案はプラズマ溶射ガンにおける以上の欠点
を除去すべく工夫されたものであつて、溶射物質
粒子が、できる限りプラズマジエツト流の中心部
に供給され、溶射粒子が十分に昇温、加速される
構造のプラズマ溶射ガンを提供することを目的と
する。

このような目的を達成するため本考案のプラズマ
溶射ガンは、プラズマジエツト噴射路に接続する
空間に作動ガスを供給すると共にこの空間に間隔
を隔てて配設された陰極と陽極との間に電圧を印
加し、これにより前記空間にて発生するプラズマ
をプラズマジエツトとして前記プラズマジエツト
噴射路から外部に噴出させる一方、前記プラズマ
ジエツト中に溶射粒子を供給してこの溶射粒子を
昇温及び加速し、高エネルギー状態の当該溶射粒
子を前記プラズマジエツト噴射路から外部に噴射
させるようにしたプラズマ溶射ガンにおいて、前
記溶射粒子の供給通路を中央部に貫通状態で形成
した陰極ホルダーと、この陰極ホルダーの先端部
に取り付けられて当該陰極ホルダーの前記供給通
路に接続すると共に先端側が前記空間に臨むセラ
ミツクス製の内筒管と、この内筒管の周囲に間隙
を隔てて当該内筒管と同心状に前記陰極ホルダー
の先端部に取り付けられ且つ前記陰極として機能
する外筒管とを具えたことを特徴とするものであ
る。

次に、本考案の一実施例について説明する。

第３図は実施例のプラズマ溶射ガン（以下、単
に「実施例ガン」という。）の断面図を示す。実
施例ガン２００は、プラズマ空間２内に、一端に
フランジ部を有する炭化珪素（SiC）製の内筒管
２０１ａを中心軸とし、その外側に一定の間隙ｇ
を隔てて、内面を逆円錐状の凹所を有するように
形成したタングステン製（又はタングステン合金
製）の外筒管２０１ｂを配設した構造の陰極２０
１と、同心状にクロム銅合金製の環状陽極２０３
を配設し、プラズマ空間２０２の陰極２０１軸方
向先端に、発生したプラズマを空間２０２外へ噴
出させる貫通路２０４が形成されており、さらに
前記プラズマ空間２０２内へ図示しないガス供給
源から作動ガスを送給するガス供給路２０５が設
けられている。

前記の陰極２０１のプラズマ空間２０２側と反
対側端面には、セラミツクス製内筒管２０１ａと
同一内径の溶射物供給用貫通孔２０６を形成した
銅製（又は銅合金製）の良熱伝導性、良導電性の
材料からなる陰極ホルダー２０８が接続されてお
り、この陰極ホルダー２０８の外周を絶縁体２０
９で支持すると共に、絶縁体２０９は環状陽極２
０３の端部に密接し、陰極ホルダー２０８と環状
陽極２０３を電気的に絶縁している。

また、環状陽極２０３の壁面内に冷却水環流路
２１２ａが形成されており、冷却水環流路２１２
ａの前後端はそれぞれ、環状陽極２０３の外周に
設けた冷却水導入管２１０ａおよび排水口２１１
ａに接続している。

また、陰極ホルダー２０８の壁面内にも、冷却
水環流路２１２ｂが形成されており、ホルダ２０
８の外周面には、冷却水環流路２１２ｂの前およ
び後端に接続する冷却水導入管２１０ｂおよび排
水管２１１ｂが設けられている。

さらに、陰極２０１および陽極２０３はそれぞ
れ、図示しない直流電源と高周波電源に接続され
ている。

上記構造の実施例ガン２００を使用してプラズ
マ溶射を行う場合は、 ○イ先ず冷却水導入口２１０ａおよび２１０ｂか
らそれぞれ、冷却水環流路２１２ａおよび２１
２ｂを通して排出口２１１ａ，２１１ｂへ冷却
水を流し，プラズマ溶射ガン２００を冷却する
と同時に，ガス供給路２０５を通して図示しな
いガス供給源から，空間２０２内へ作動ガス
（Ar，He又はN₂ガスあるいはこれらの混合ガ
スが用いられ、場合によつてはH₂が添加され
る。）が導入される。

○ロ次いで、直流電源（図示せず。）から、環状
陽極２０３を正、陰極２０１に負の電圧を加え
ると共に、図示しない高周波電源から当該環状
陽極２０３と陰極２０１との間に火花放電を発
生させる。この火花放電により、陰、陽二電極
間に印加されている直流電圧によつて陽極２０
３と陰極２０１間にプラズマアークが発生す
る。

プラズマアークが発生した時点で、高周波電
圧の供給を停止する。陽極２０３と陰極２０１
側に発生したプラズマアークによつて空間２０
２に、高温高圧のプラズマが充満し、貫通路２
０４から高温高圧のプラズマジエツトが噴出さ
れる。

さらに、図示しない溶射物材料ホツパから溶
射物供給用貫通孔２０６内へ溶射物質を供給す
ると、この溶射物質はプラズマジエツト噴射路
２０４からプラズマジエツトにより昇温、加速
されて被覆部材２１５面に射出される。

次に、実施例ガン２００と従来のプラズマ溶射
ガン（以下、従来ガンと略称する）１００を使用
し、プラズマ溶射粒子を射出したときの溶射距離
100mmでのプラズマジエツトの速度分布図（プラ
ズマジエツトと直交する方向における速度）を示
すと、第４図のごとき結果を得る。第４図の横軸
はプラズマジエツトの中心Ｏから直交方向の計測
位置（mm）を示し、縦軸は溶射粒子の平均速度
（ｍ／秒）を示し、曲線ａは実施例ガン２００か
ら射出された溶射粒子の平均速度分布曲線を示
し、曲線ｂは従来ガン１００から射出された溶射
粒子の平均速度分布曲線である。ただし、測定条
件は、流速測定器波長0.5145μのArレーザを使用し、レーザビ
ーム交差角3.四十九deｇ、干渉縞間隔8.448μｍ
で測定した。

放電条件アーク電流：800A，アーク電圧：35V，作動ガス：Ar（50／mm）＋He（20／mm）溶射物 Ni（80重量％）＋Cr（20重量％）合金粉末（ただし、粒度：40〜100μｍ）第４図の速度分布曲線から、実施例ガン２００
から射出した溶射粒子の速度分布は従来ガン１０
０から射出した溶射粒子に比べて、明らかに均一
化していることが判る。この傾向は溶射物をNi
（80重量％）＋Cr（20重量％）の合金粉末の場合だ
けでなくZrO₂粉末等の他の溶射物を使用した場
合にも同じ結果を示す。

また、実施例ガン２００と従来ガン１００を用
いて、上述の溶射条件の下で溶射粒子を射出し、
飛行する溶射粒子を光電増倍管で検出し、溶射距
離（mm）対平均輻射光強度（相対）を測定したと
ころ、第５図に示す特性図が得られた。第５図の
曲線は実施例ガン２００から射出された溶射粒
子の特性を示し、曲線は従来ガン１００から射
出された溶射粒子の特性である。第５図の特性曲
線から、実施例ガン２００から射出された溶射粒
子の方が従来ガン１００から射出された溶射粒子
よりも温度が高いことが判る。

また、実施例ガン２００および従来ガン１００
を使用し、前記比較試験の場合と同じ溶射条件、
溶射物条件により溶射粒子を射出し、18Cr−8Ni
ステンレス鋼（φ15×100mm）の表面に、厚さ
0.3mmの溶射皮膜を形成された後、さらにその溶
射皮膜皮膜上にZrO₂−８重量％Y₂O₃溶射粒子を
射出して溶射皮膜を形成し、８個の試験片を作製
した。

得られた各試験片を、それぞれ常温から1000℃
間の熱サイクルを繰り返し、試験片の皮膜状態
を調査したところ第６図に示す結果が得られた。

第６図において、縦軸は各試験片の熱サイクル
の繰り返し回数を、横軸は各試験片の所属グルー
プを示す（ただし、Ａグループは実施例ガン２０
０から射出された溶射粒子による皮膜のものを、
Ｂグループは従来ガン１００から射出された溶射
粒子による皮膜によるものを示す。また、図中に
示す矢印は該当する熱サイクル回数によつては皮
膜に異常が認められなかつたものであり、「×」
印は皮膜に割れが認められたものを示し、「▲」
印は皮膜が剥離したものを示す。

第６図の結果から、実施例ガン２００から射出
された溶射粒子によつて形成された溶射皮膜は、
従来ガン１００から射出された皮膜によつて形成
された溶射皮膜よりも耐熱、剥離性に対し極めて
優れていることが判る。

実施例に示すプラズマ溶射ガンは、陰極の内筒
管に炭化珪素だけでなく、Si₃N₄，ZrO₂等のセラ
ミツクスを使用することができる。また、プラズ
マ空間内へ導入する作動ガスもAr，He又はN₂な
どの不活性ガスあるいはこれらの混合ガスが用い
られ、また、H₂ガスを添加してもよい。

実施例のプラズマ溶射ガンは陰極２０１の内筒
管２０１ａに耐熱性のよいセラミツクスを使用
し、プラズマを発生する外筒管２１０ｂと間隙ｇ
だけ離れている構造となつているため、溶射物粉
末が溶射物供給用貫通孔２０６出口に詰まり、溶
射能率を低下させることを防止できる。また、内
筒管２０１ａ出口ポートを熱衝撃による割れを防
止する効果もある。

以上の説明から明らかなように、本考案にかか
るプラズマ溶射ガンは、溶射物がプラズマジエ
ツト流と並行に、ジェット中に送給されるので、
プラズマジエツト流の中心からはずれた方向に飛
行する溶射粒子が極めて少くなる。溶射物粒子
が、プラズマジエツトの発生部分に近接した空間
に送り込まれるため、溶射物粒子は十分に昇温、
加速され、高エネルギーの溶射粒子として放射さ
れる。この結果、被覆部材表面の溶射皮膜中の未
溶融粒子は殆んとなくなり、被覆部材と溶射皮膜
との密着性も高い。また、溶射皮膜を形成する溶
射粒子間結合力も高い上、密着性、粒子間結合力
のばらつきも著るしく小さくすることができ、優
れた品質の溶射皮膜を形成させることができた。
プラズマ空間に臨む溶射粒子供給用貫通孔の先
端に耐摩耗性及び高温安定性に優れたセラミツク
ス製内筒管を段差なく接続したことにより、溶射
粒子供給用貫通孔の目詰まりを防止できると共
に、陰極である外筒管が溶射粒子供給用貫通孔に
対して隔離されていることと相俟つて、高温で加
速状態の溶射粒子による損傷を最小限に抑えるこ
とが可能となり、従来のものよりもプラズマ溶射
ガンの耐久性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマ溶射ガンの構造を示す断面
図、第２図は第１図のプラズマ溶射ガンから射出
された溶射粒子の飛行状態を示す説明図、第３図
は実施例のプラズマ溶射ガンの構造を示す断面
図、第４図は実施例のプラズマ溶射ガンと従来の
プラズマ溶射ガンから射出された溶射粒子の平均
速度分布図、第５図は実施例のプラズマ溶射ガン
と従来のプラズマ溶射ガンから射出された溶射粒
子による皮膜の熱サイクルに対する耐久力を示す
特性図、第６図は実施例のガンと従来のガンによ
り形成された皮膜の繰り返し熱サイクルに対する
耐久性を示す特性図である。図面中、１００は従来のプラズマ溶射ガン、２
００は実施例のプラズマ溶射ガン、１０１，２０
１は陰極、２０１ａはセラミツクス製内筒管、２
０１ｂは陰極外筒管、１０２，２０２はプラズマ
空間、１０３，２０３は陽極、１０４，２０４は
プラズマジエツト噴射路、１０５，２０５は作動
ガス送給路、１０６，２０６は溶射物供給用貫通
孔、１０８，２０８は陰極側導電体、１０９，２
０９は絶縁体、１１２，２１２ａ，２１２ｂは冷
却水環流路。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

プラズマジエツト噴射路に接続する空間に作動
ガスを供給すると共にこの空間に間隙を隔てて配
設された陰極と陽極との間に電圧を印加し、これ
により前記空間にて発生するプラズマをプラズマ
ジエツトとして前記プラズマジエツト噴射路から
外部に噴出させる一方、前記プラズマジエツト中
に溶射粒子を供給してこの溶射粒子を昇温及び加
速し、高エネルギー状態の当該溶射粒子を前記プ
ラズマジエツト噴射路から外部に噴射させるよう
にしたプラズマ溶射ガンにおいて、前記溶射粒子
の供給通路を中央部に貫通状態で形成した陰極ホ
ルダーと、この陰極ホルダーの先端部に取り付け
られて当該陰極ホルダーの前記供給通路に接続す
ると共に先端側が前記空間に臨むセラミツクス製
の内筒管と、この内筒管の周囲に間隙を隔てて当
該内筒管と同心状に前記陰極ホルダーの先端部に
取り付けられ且つ前記陰極として機能する外筒管
とを具えたことを特徴とするプラズマ溶射ガン。