JPH0390554A - 減圧プラズマ溶射方法および装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、減圧雰囲気中でプラズマ中に溶射材料を投入
し、そのプラズマの熱で溶融された溶射材料を母材の表
面に積層する溶射方法及び装置に関する。

〔従来の技術］ 一般に、減圧プラズマ溶射は、部品材料表面に耐摩耗性
、耐熱性、耐食性を与えるための金属セラミック、ある
いはサーメットを被覆する方法として知られており例え
ば、「工業加熱」νｏ１．２５゜Ｎｏ、５．ｐ６〜ｐ１
４に具体的な説明がなされている。

プラズマ溶射は通常第２図に示す装置構成で、後述する
ような態様で行なわれている。第２図においてｌはプラ
ズマ溶射ガン本体で、土にカッ−１（以下タングステン
電極という）２と、アノード（以下水冷銅１極という）
３とプラズマガス供給口４および溶射材料供給口５，６
で構成される。

タングステン１極２と水冷銅電極３は絶縁体７によって
電気的に分離され、タングステン１極２は直流型′ａ８
の負極に、水冷銅電極３は正極にそれぞれ接続されてい
る。９はプラズマガス（通常はＡ　ｒ、　Ｈｅ、　Ｈｚ
、　Ｎ　ｚなと）を貯蔵し、プラズマガス供給口に送給
するガスボンベであり、１０及び１２ば溶射材料をため
ておく気密性のホッパー、ｎ　、　１３は溶射材料を、
それぞれの溶射材料供給口５．６へ送給するための搬送
ガス（Ａｒ等）ボンへである。ここで溶射材料には平均
粒径２０〜６０μｍのパウダーを用いる。まず、ボンへ
９からプラズマガス供給口４を通してプラズマガスを供
給し、直流電源８によりタングステン雷極２と水冷銅電
極３の間にプラズマアークを発生させる。このアークと
プラズマガスとの熱交換により、超音速のプラズマジェ
ット１５となってプラズマ溶射ガン１より噴出する。被
溶射母材１４は予めその溶射面をプラス１等を施し、所
定の位置に設置する。その後、溶射材料供給口５．６か
らは、ホッパー１０　、１２内の溶射材料を搬送ガスボ
ンへｕ、１３からのガスにより上記のプラズマジェット
１５中に供給し、被溶射母材１４に溶射されて、被膜１
９が積層される。ここで満足できる溶射被膜の品質を達
成するためには、供給口から投入された溶射材料１８が
プラズマジェノｈの中央を飛行しかつ十分溶融する必要
がある。

なぜならプラズマジェットの温度は中心軸部分か一番高
く周辺部に行くにつれて急激に低下するために中心軸部
分から外れて周辺部を飛行した溶射材ｔミ１は未溶融の
まま被溶射母材上に積層され、未溶融粒子として被膜内
に残存することで被膜密度、被膜と母材の密着強度が低
下してしまう問題が発生するためである。先ず溶射材料
がプラズマの中心軸部分に入る様に搬送ガス量を調節す
る。搬送ガス量が適切に決められて溶射材料がプラズマ
ジェットの中心軸部分に投入された時に投入後から被溶
射母材１４に達するまで溶射材料１８がプラズマの中心
軸部分を飛行し続けるか否かは、プラズマジェットの流
れ場の状態と密接に関連している。

プラズマジェットのような超音速でノズル出口から噴出
する圧縮性の流れ場は、第３図に示すようにノズル出口
での圧力Ｐｅ（静圧）と低圧室の圧力Ｐｃ（静圧）との
関係で３種類に分類され、（ａ）Ｐｅ　＞Ｐｃの特は不
足膨張流れ場、（ｂ）Ｐｃ　＝ＰｃＯ時は適正膨張流れ
場、（ｃ）Ｐｅ　＜Ｐｃ０時は過膨張流れ場と叶ばれる
。不足膨張流れ場と過膨張流れ場の場合はＰｅとＰｃの
圧力差を解消するために流れ場の途中にｉｆｊ　”１１
波が発生ずる。衝撃波部分では流れ場の密度、圧力、速
度が急激に変化するために内部を飛行する溶射材料の飛
行方向が曲げられてプラズマジェットの径方向に広げら
れることになる。よって衝撃波を伴う不足膨張流れ場と
過膨張流れ場では、温度の高いプラズマジェット中心部
を飛行する溶射材料が温度の低いプラズマジェットの周
辺部へ分散されてしまい、溶射材料の溶融度が不足して
しまう。

低圧室圧Ｐｃは溶射材料の融点や粒径によって少しずつ
異なり、溶射材料の融点が高い場合と粒径が大きい場合
は低圧室圧Ｐｃを高く設定する。

なぜなら低圧室圧が高まることでプラズマジェ、。

トの長さが短くなりプラズマ密度が高められ溶射材ｆ４
の溶融度が高まるからである。またノズル出口圧Ｐｅに
ついてもプラズマガスの流星で異なり、プラズマガス流
量が多い場合はノズル出口圧が高くプラズマガス流量が
少ない場合低くなる。これまではプラズマジェット中に
発生ずる衝撃波が；容射材料の溶融度に与える影響につ
いては考慮してなかったために、単にプラズマジェ・ノ
ドの温度を上げるために、プラズマガスとしてアルゴン
に１１ｉ離エネルギーの高いヘリウムか水素を添加し、
更に高い投入電力を加えてプラズマジェットの保有エネ
ルギー星を高めた状態で溶射を行なっていた。

その為にＰｃとＰｃが一敗することがなく流れ場が過膨
張か不足膨張になりプラズマジェット中に衝撃波を伴う
ことが多かった。

（発明が解決しようとする課題） 上記溶射法においては、プラズマガスとしてアルゴン以
外に、価（３の高いヘリウムや水素を多種に必要とする
とともに、高い値の重力を投入しなければならず溶射に
要する費用が多大なものとなってしまう問題点があった
。またそれに付随してタングステン電極と水冷銅電極の
ｉｆｉ　ｊｌ［が激しく寿命が短いという問題点があっ
た。更に径方向に曲げられた溶射材料がプラズマジェッ
トから飛び出すことによって歩留まり（？８　Ｂｔ　ｔ
オ料の没入総量に対する溶射母材への付着割合）が低下
するという問題点があった。

本発明はこのような問題点を解決し、極めて安価なコス
トにて減圧プラズマ溶射を実施することが可能な方法と
装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ すなわち、本発明は上記目的を達成するために、低圧室
内のアノードとカソードで発生したプラズマアークとプ
ラズマガスによりプラズマジェットを生成し、このプラ
ズマジェット中に溶射材料を投入して、プラズマ熱で溶
融された溶射材料を母材の表面に積層する溶射方法にお
いて、前記アットの出口部の圧力と低圧室の圧力を検出
して、両方の圧力を等しく調整する減圧プラズマ溶射方
法及び装置を提供するものである。

［作　用］ 本発明の作用を第１図を用いて説明する。プラズマジェ
ット発生時の水冷銅電極のノズル出口圧Ｐｅは圧力セン
サー２０で計測される。また低圧室内Ｐｃは圧力センサ
ー２７で計測される。計測されたＰｅとＰｃの値が等し
くなるように真空ポンプ１７の０１段に取り付けられた
正調弁１６とプラズマガス供給経路の途中に取り付けら
れた流調弁２８を手動で開閉する。または制御装置２１
がＰｅとＰｃの値を取り込み、それらの値が等しくなる
ように正調弁１Ｇと流調弁２８の開閉を制？ｉ［Ｉする
。ＰｅとＰｃの値が１しくなることでプラズマジェット
が衝撃波の無い適正膨張流れ場となり、その流れ場を保
った状態で溶射を行なう。

〔実施例］ 以下に本発明の実施の一例を図面に基づいて説明する。

第１図に示すように、プラズマジエン１〜１５発生時に
水冷銅電極のノズル出口での流れ場の圧力Ｐｅ（静圧）
を計測する為に水冷銅電極３の先端部に圧力測定孔２６
を設ける。圧力測定孔２６の直径はノズル内部の流れ場
を乱さない為に１　ｍｍφ以下が望ましい。又、計測値
に動圧を含まないように、計測孔２６の開花角度はプラ
ズマジェットの流れに対して９０’方向、つまりノズル
面に対して乗直にする事が望ましい。プラズマジェット
発生時のノズル出口の圧力Ｐｅは圧力センサー２０で計
測される。又、低圧室２２内は真空ポンプ【７を用いて
減圧される。その時の圧力Ｐｃ（静圧）は、圧力センサ
ー２７で計測される。低圧室圧力の調整は正調弁１６の
開閉で行われる。

次に具体的な溶射手１１１！′￥を説明する。低圧室２
２内に被溶射母材１４を設置した後に低圧室２２を密閉
し、正調弁１６を開いた状態で真空ポンプ１７を動作さ
せ、低圧室内部の圧力Ｐｃを減圧する。減圧室圧力が１
０Ｔｏｒｒ以下に到達後、プラズマガス供給口４からプ
ラズマガスを供給し、直流１源８を用いてプラズマジェ
ット１５を発生ずる。ここで、プラズマジェット発生時
の低圧室２２の圧力は低圧室内部の酸素を派らし溶射時
の溶射被膜の酸化を仰えるために、１０Ｔｏｒｒ以下に
する。普通、プラズマジェット発生直後はノズル出口圧
Ｐｅと低圧室圧Ｐｃが兵なっている為に、超音速となっ
てノズル出口から噴出するプラズマガスソ）１５中には
衝撃波が発生ずる。ノズル出口のプラズマジェットの圧
力Ｐ　ｅは圧力センサー２０により、又、低圧室の圧力
Ｐｃは圧力センサー２７により計測され、それぞれの値
が数値で表示される。この計測結果を見ながら真空ポン
プの前段に取り付けられた正調弁１６並びにプラズマガ
ス供給経路の途中に取り付けられた流調弁２８を手動で
開閉し、ノズル出口圧Ｐｅと低圧室圧Ｐｃが等しくなる
ように調整する。その際ノズル出口圧Ｐｅはプラズマガ
ス流量の増減に比例して増減し、低圧室圧Ｐｃは正調弁
の開で減少し正調弁の閉で増大する。ＰｅとＰｃＯ差が
１０Ｔｏｒｒ以下となると、プラズマジェットはほぼ適
正膨張流れ場となり衝撃波が消滅する。この圧力差を保
った状態で、溶射材料供給口５，６から溶射材料をプラ
ズマジェット１５中に投入し、その熱により溶射材料１
８が溶融し、被溶射母材１４の表面に溶射被膜１９が積
層する。

正調弁１６と流調弁２８の開閉を行なう方法としては、
圧力センサー２０で計測されたＰｅと圧力センサー２７
で計測されたＰｃの値を制御装置２１が取り込み、両方
の値が等しくなるように正調弁１６と流調弁２８に開閉
信号を与えて制御することでも可能である。

衝撃波の伴わないプラズマジェットで溶射を行なった場
合、従来の衝撃波が行った時と比較して、プラズマガス
に添加するヘリウムと水素の使用量を１／２に、また投
入毒力を４７５に低下させることが可能となった。また
それに付随して水冷銅電極とタングステン電極の寿命が
１．５倍に延びることが６’ｆｌＬΣされた。更に溶射
材料の歩留まりが１０％程度向上することも確認された
。

〔発明の効果］ 以上に説明したように、本発明によりプラズマガスに添
加するヘリウムや水素の使用量と投入する電力を従来よ
り下げることが出来ることで費用の削減が可能となった
。またそれに（＝Ｊ随して電極寿命が延長された。更に
溶射材料の歩留まりが向上する事による費用の削減も可
能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の一部断面説明図である。第
２図は従来技術の一部断面説明図である。 第３図はプラズマジェットの流れ場を説明する図である
。 １・・・？容射ガン、　　　　２・・・タングステン′
爪極、３・・・水冷銅電極、　　　４・・・プラズマガ
ス供給口、５．６・・・溶射材料供給口、 ７・・・絶縁体、　　　　　８・・・直流電源、９・・
・プラズマガスボンベ、 １０　、１２・・・溶射材料ホッパー ｌｔ　、　１３・−・搬送ガスボンベ、１４・−・被溶
射母材、　　１５・・・プラズマジェット、１６・・・
正調弁、　　　　１７・−・真空ポンプ、１８・・・溶
射材料、　　　１９・・・溶射被膜、２０　、２７・・
・圧力センサー、 ２１・・・制御装置、　　　２２・・・低圧室、２５・
・・衝撃波、　　　　２６・・・圧力計測孔、２８・−
・流調弁。 ２ 第 図 Ｐｅ）Ｐｃ （ａ） Ｐｅ　＝　Ｐｃ （ｂ） 第 図 ９Ｑに− Ｐｅ　＜　Ｐｃ （Ｃ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．　低圧室内のアノードとカソードで発生したプラズ
   マアークとプラズマガスによりプラズマジェットを生成
   し、このプラズマジェット中に溶射材料を投入して、プ
   ラズマ熱で溶融された溶射材料を母材の表面に積層する
   溶射方法において、前記アノードの出口部の圧力と低圧
   室の圧力を検出して、両方の圧力を等しく調整すること
   を特徴とする減圧プラズマ溶射方法。
2. ２．　前記アノードの出口部の圧力と低圧室の圧力を検
   出し、この検出値を制御装置に入力して、プラズマガス
   供給用流調弁と低圧室圧用圧調弁を調整する請求項１記
   載の方法。
3. ３．　真空ポンプ流路に圧力センサーを設けた低圧室に
   、アノードとカソードを配置し、該両電極とプラズマガ
   スにより発生したプラズマジェット中に溶射材料を投入
   し、該プラズマ熱で溶融された溶射材料を母材の表面に
   積層する溶射装置に於て、前記アノードのノズル先端部
   に圧力計測孔を設けると共に該圧力計測孔の流路に圧力
   センサーを設けたことを特徴とする減圧プラズマ溶射装
   置。
4. ４．　前記アノードノズル先端部の圧力計測孔の流路に
   設けた圧力センサーをプラズマガス供給用流調弁に、ま
   た前記真空ポンプ流路に設けた圧力センサーを低圧室圧
   用圧調弁にそれぞれ制御装置を介して連絡した請求項３
   記載の装置。