JPH04346649A - プラズマ溶射方法及びプラズマ溶射装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ溶射により保
護層等を製膜する場合、板厚ｔ＝０．２ｍｍ程度の薄い
被溶射基板に熱損傷を与えることなく、かつプラズマ溶
射トーチに入力されたエネルギーを有効に溶射粒子に伝
達するために、前記プラズマジェットがその粘性により
前記プラズマジェットの周囲に存在する保有エネルギー
の大きな気体分子を巻き込むことによる急激な温度の低
下を防ぎ、高融点でかつ低熱伝導率であるアルミナ等の
難溶射材料を効率よく溶射製膜する場合に用いるプラズ
マ溶射方法並びにその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、溶射技術は例えば、耐摩耗、
耐熱、耐環境等の性質を被溶射材に付与する表面改質手
法として古くから利用されてきており、燃焼ガスを溶射
材料の溶融、及び加速エネルギーとして使用するガス溶
射や、電気エネルギーを溶射材料の溶融、及び加速エネ
ルギーとして使用する電気式溶射等に分類される。さら
に電気式溶射ではアーク溶射やプラズマ溶射等が一般的
であり、特に最近では溶射皮膜の膜質等を向上させる目
的からプラズマ溶射法が注目されている。

【０００３】図３は、大気中におけるプラズマ溶射の従
来例を示したものである。水冷された陰極１と、水冷さ
れた陽極２の間に、電源３によって電力を供給し直流ア
ーク４を発生させ、安定に維持し、直流アーク４後方か
ら送給するプラズマ作動ガス５を直流アーク４によって
加熱、電離、膨張させ、プラズマジェット６としてノズ
ル７より噴出させる。この時、プラズマ作動ガス５とし
ては、アルゴンや窒素、あるいはこれらのガスに補助ガ
スとしてヘリウム、水素等を加える場合が多い。溶射材
料は粉末で、アルゴン等のキャリアガス８にのせて、プ
ラズマジェット６の中に搬送して加熱、溶融すると同時
に、加速して被溶射基板（母材）９の表面に高速で衝突
させて皮膜を形成するものである。

【０００４】この皮膜形成時に被溶射基板９には、溶融
溶射粒子１０及びプラズマジェット６によりかなりの量
の熱が伝達され、被溶射基板９がｔ＝０．２ｍｍ程度の
薄板の場合には、その熱容量が小さいために被溶射基板
９の温度はかなり上昇し、その結果被溶射基板９は膨張
する。

【０００５】しかしながら、溶射材料と基板の線膨張係
数の大きさが異なるため、被溶射基板９、及び皮膜の温
度が常温に戻った場合、被溶射基板９と皮膜界面に応力
が生じ被溶射基板９が大きく反ってしまう。そこで、冷
却ガス１１により被溶射基板９に、プラズマジェット６
及び溶融溶射粒子１０により伝達された熱を被溶射基板
９上部より取り除くか、或はプラズマジェット６の被溶
射基板９近傍に冷却ガス１１を吹き付けることにより被
溶射基板９に到達する熱量を低減することで、被溶射基
板９の熱蓄積を防ぐことにより、被溶射基板９の温度上
昇を防ぎ被溶射基板９に熱損傷を与える事なく溶射製膜
するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
プラズマ溶射装置により大気中で溶射製膜する場合、図
３に示すようにノズル７より噴出したプラズマジェット
６は粘性によりプラズマジェット周辺の窒素等のガスを
巻き込む。プラズマジェット６内に巻き込まれた窒素等
のガスは、プラズマジェット６よりエネルギーを受け取
り、運動エネルギーを増加したり解離及び電離するが、
アルゴン原子及び窒素分子が等量のエネルギーを与えら
れた場合、窒素の温度は作動ガス５であるアルゴンより
も図４に示すように低く、プラズマジェット６の温度は
急激に下がり、その高温領域の広がりが狭くなりプラズ
マ溶射トーチに入力されたエネルギーは効率よく溶射粒
子に伝達されずアルミナ等の高融点、低熱伝導率材料を
溶融させることが困難となりこの種の材料を用いた溶射
製膜は非効率的となる。

【０００７】また、図５はチャンバ内をアルゴン等の保
有エネルギーの小さいガスでパージし、かつ被溶射基板
或はプラズマジェットの冷却ガスとしてアルゴン等の保
有エネルギーの小さいガスを使用した場合の例である。 １２はチャンバ、１３はプラズマジェット、１４はアル
ゴン等の保有エネルギーの小さいパージガス、１５はア
ルゴン等の保有エネルギーの小さい冷却ガス、１６は被
溶射基板、１７は溶射膜、１８はプラズマ溶射トーチ、
１９はプラズマ溶射トーチ１８に電力を供給する直流電
源、２０はプラズマ溶射トーチ１８に溶射用パウダーを
供給するパウダー供給装置、２１はチャンバ１２内を減
圧するための排気系である。

【０００８】この図に於て、チャンバ１２内をアルゴン
等の保有エネルギーの小さいガス１４でパージし、かつ
被溶射基板１６あるいはプラズマジェット１３の除熱を
目的とした冷却ガスとしてアルゴン等の保有エネルギー
の小さいガス１５を用いることによりプラズマジェット
１３の高温領域が小さくなることを防ぐことができるが
、この場合チャンバ１２内のパージおよび被溶射基板１
６あるいはプラズマジェット１３の冷却ガスとしてアル
ゴン等の高価なガスを使用しなければならないなどの欠
点を有している。

【０００９】本発明はこの様な点を鑑み、プラズマジェ
ットの周辺部近傍のみをアルゴン等の保有エネルギーの
小さいガスで満たすことにより、プラズマジェットがそ
の周辺ガスを巻き込みエネルギーを前記ガス分子に伝達
することにより、プラズマジェットの温度が急激に低下
することを防ぎ高融点、低熱伝導率のアルミナ等の材料
をも低コストで効率よく溶射することを可能とするとと
もに、熱容量の小さい薄い被溶射基板に対しても減圧下
で熱損傷を与える事なく溶射製膜できるプラズマ溶射方
法並びにその装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、プラズマ溶射トーチの軸と同軸になるように配置さ
れ、溶射材料が溶融するのに必要な高温領域の長さと同
等以上の長さを有する外套の内面に設けられた複数のガ
ス噴射口より、アルゴン等の保有エネルギーの小さいガ
スを少量噴射し、プラズマジェット周辺近傍のみを前記
アルゴン等の保有エネルギーの小さいガスで満たし、ま
た被溶射基板近傍のプラズマジェットに安価で保有エネ
ルギーの大きな窒素等の冷却ガスを吹き付けるか、或は
被溶射基板に窒素等の安価で保有エネルギーの大きな冷
却ガスを直接吹き付ける。

【００１１】

【作用】上記の手段によれば、プラズマジェット周辺近
傍を取り囲むガスは、アルゴン等の保有エネルギーの小
さいガスであり、前記プラズマジェット内に粘性で前記
プラズマジェット周辺に存在する前記保有エネルギーの
小さいガスが巻き込まれても、気体原子（単原子分子）
間のエネルギー授受による前記プラズマジェットの温度
の低下は小さい。

【００１２】このため、前記プラズマジェットの周辺を
窒素等の保有エネルギーの大きなガスで取り囲んでいる
場合よりも、前記プラズマジェット周辺を保有エネルギ
ーの小さいガスにより取り囲んでいる場合は、同じトー
チ入力に対しても前記プラズマジェットの高温領域がよ
り広くなり、前記プラズマジェットから溶射材料へのエ
ネルギー伝達は効率よく行われ、高融点で低熱伝導率で
あるアルミナ等の難溶射材料を用いても効率よく溶射製
膜できる。

【００１３】また、被溶射基板或はプラズマジェットの
冷却ガスとして窒素等の保有エネルギーの大きなガスを
使用しても、プラズマジェットのノズル出口付近での温
度低下は小さく効率よく溶射粒子を溶融出来ると共に、
前記被溶射基板或はプラズマジェット先端部を冷却する
ことが出来る。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の実施例を示すガス冷却を用
いたプラズマ溶射装置の縦断面図である。２１はプラズ
マ溶射トーチ、２２はプラズマ溶射トーチ２１にパワー
を供給する直流電源、２３はプラズマ溶射トーチ２１に
溶射材料を供給するパウダー供給装置、２４はチャンバ
、２５は排気系、２６はプラズマジェット、２７は溶射
皮膜、２８は被溶射基板、２９は陰極、３０は陽極、３
１は直流アーク、３２はプラズマジェット２６あるいは
被溶射基板２８を冷却するために用いられる保有エネル
ギーの大きい窒素等の冷却ガス、３２ａは冷却ガス噴射
冶具、３３はプラズマジェット２６周辺近傍のみを保有
エネルギーの小さいガスで覆うための内部に複数のガス
噴射口を有し溶射トーチ２１と同軸になるように設けら
れた外套、３４はプラズマジェット周辺近傍のみを覆う
保有エネルギの小さいアルゴン等のガス、３４ａは保有
エネルギーの小さいガス３４の導入間、３５は溶射パウ
ダー投入口である。

【００１５】以上の様に構成されたこの実施例のプラズ
マ溶射装置について、以下にその動作を説明する。

【００１６】まず、チャンバ２４内を排気系２６によっ
て所定圧まで減圧する。次に、プラズマ溶射トーチ２１
と同軸になるように設けられた外套３３の内部が保有エ
ネルギーの小さいアルゴン等のガス３４で満たされるよ
うにする。

【００１７】次に、別置または直流電源２２に内臓され
たパルス電流発生機等によって陰極２９、陽極３０間の
空隙に直流アーク３１を発生させ、引き続いて電源２２
から低電圧で高電流の電力を供給し直流アーク３１を安
定に維持する。この時、プラズマ溶射トーチ２１内に供
給されているアルゴン等の作動ガスは、直流アーク２１
より熱エネルギーを受け取ることにより励起、電離及び
膨張し、プラズマ溶射トーチ２１先端部のノズルより高
速で噴出する。

【００１８】同時に、ノズル内部に設けられたパウダー
投入口３５より溶射材料が超高温、高速のプラズマジェ
ット内に投入され、ある時間をこの高温領域内に滞留す
ることにより溶融して加速される。プラズマジェット２
６は、ノズル外に吹き出すとその粘性によりプラズマジ
ェット周辺のガスを巻き込み、巻き込んだガスに対して
エネルギーの伝達を行うが、巻き込まれたガスが窒素等
の保有エネルギーの大きなガスの場合にはプラズマジェ
ット２６の温度は急激に低下し、高融点で低熱伝導率で
あるアルミナ等の溶射材料に熱エネルギーを伝達し溶融
する能力を失う。

【００１９】そこで、ノズル出口から溶射材料が溶融す
るのに必要とされる高温領域の広がりが得られるように
、アルゴン等の保有エネルギーの小さいガス３４でプラ
ズマジェット２６の周囲を覆う。このことにより、プラ
ズマジェット２６の周囲が窒素等の保有エネルギーが大
きいガスで取り囲まれアルミナ等の溶射材料が溶融させ
ることが出来ない場合でも、等量のプラズマ溶射トーチ
に対する入力エネルギーにより、アルミナ等の難溶融材
料をも溶融させることを可能とする。

【００２０】このことにより、溶融し加速された高速粒
子は、被溶射基板２８に衝突、偏平化し所望の皮膜を形
成する。またこの時、無冷却状態ではｔ＝０．２ｍｍの
薄い被溶射基板２８の温度は上がり被溶射基板２８と溶
射材料の線膨張係数の差のために被溶射基板２８を常温
に戻したとき反りが生じるため、窒素等の保有エネルギ
ーの大きなガス３２を被溶射基板２８あるいはプラズマ
ジェット２６に吹き付け被溶射基板２８の温度上昇を防
ぐ。このことにより、プラズマジェット２６の溶射粒子
の溶融に必要な領域の温度を下げる事なく高融点、低熱
伝導率なアルミナ等の溶射材料を被溶射基板２８に熱損
傷を与える事なく効率よく溶射処理することができる。

【００２１】図２は、本発明の他の実施例である、ガス
冷却を用いたプラズマ溶射装置の縦断面図である。３６
はプラズマ溶射トーチ、３７はプラズマ溶射トーチ３６
にパワーを供給する直流電源、３８はプラズマ溶射トー
チ３６に溶射材料を供給するパウダー供給装置、３９は
チャンバ、４０はプラズマ溶射トーチ３６の軸延長線と
の交点を中心とした穴を有しチャンバ３９内を二槽に分
ける仕切り板、４１ａ、４１ｂはチャンバ内の各槽を所
定圧力に引く排気系、４２はプラズマジェット、４３は
チャンバ３９内のプラズマ溶射トーチが３６設置されて
いる槽に導入される保有エネルギーの小さいガス、４４
は溶射皮膜、４５は被溶射基板、４６はプラズマジェッ
ト４２あるいは被溶射基板４５を冷却するために用いら
れる保有エネルギーの大きい窒素等の冷却ガスである。

【００２２】以上の様に構成されたこの実施例のプラズ
マ溶射装置について、以下にその動作を説明する。

【００２３】まず、排気系４１ａ、４１ｂによりチャン
バ３９内をバック圧まで引き、その後保有エネルギーの
小さいガス４３、及び保有エネルギーの大きなガス４６
を導入することによりチャンバ３９内各槽を所定圧とし
、溶射製膜中はチャンバ３９内各槽の圧力が一定となる
ようにする。

【００２４】引き続いて直流電源３７により電力をプラ
ズマ溶射トーチに供給しプラズマジェット４２を点火す
ると同時に、ノズル内部に設けられたパウダー投入口（
図示せず）より前記溶射材料が超高温、高速のプラズマ
ジェット内に投入し、ある時間をこの高温領域内に滞留
させることにより前記溶射材料は溶融して加速される。

【００２５】プラズマジェット４２は、ノズル外に吹き
出すとその粘性によりプラズマジェット４２周辺のガス
を巻き込み、巻き込んだガスに対してエネルギーの伝達
を行うが、巻き込まれたガスが窒素等の保有エネルギー
の大きなガスの場合にはプラズマジェット４２の温度は
急激に低下し、高融点で低熱伝導率であるアルミナ等の
溶射材料に熱エネルギーを伝達し溶融する能力を失う。

【００２６】チャンバ３９内を仕切り板４２で上下槽に
分割し、プラズマ溶射トーチが設置されている側をアル
ゴン等の保有エネルギーの小さいガス４３でパージし、
プラズマジェット４２の周囲をアルゴン等の保有エネル
ギーの小さいガス４３で覆う。

【００２７】このことにより、プラズマジェット４２の
周囲が窒素等の保有エネルギーが大きいガスで取り囲ま
れ、アルミナ等の溶射材料を溶融させることが出来ない
場合でも、等量のプラズマ溶射トーチに対する入力エネ
ルギーにより、アルミナ等の難溶融材料をも溶融させる
ことを可能とする。

【００２８】このことにより、溶融し加速された高速粒
子は、被溶射基板４５に衝突、偏平化し所望の皮膜を形
成する。またこの時、無冷却状態では、ｔ＝０．２ｍｍ
の薄い被溶射基板４５の温度は上がり被溶射基板４５と
溶射材料の線膨張係数の差のために被溶射基板４５を常
温に戻したとき反りが生じるため、窒素等の保有エネル
ギーの大きなガス４６を被溶射基板４５２８あるいはプ
ラズマジェット４２に吹き付け被溶射基板４５の温度上
昇を防ぐ。このことにより、プラズマジェット４２の溶
射粒子の溶融に必要な領域の温度を下げる事なく高融点
、低熱伝導率なアルミナ等の溶射材料を被溶射基板４５
に熱損傷を与える事なく効率よく溶射処理することがで
きる。

【００２９】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の主旨に基づいて種々の変形が可能
である。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、プラズマジェット周辺雰囲気を保有エネルギー
の小さいアルゴン等のガスで覆うためにプラズマジェッ
トの温度低下が防げ効率よくプラズマ溶射トーチ入力エ
ネルギーを溶射材料に伝達でき、また安価な窒素等の保
有エネルギーの大きなガスを冷却ガスとして使用できる
ため、高融点で低熱伝導率である溶射材料をも効率よく
被溶射基板に熱損傷を与える事なく溶射製膜することが
でき、きわめて生産性に優れたプラズマ溶射装置を提供
するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ溶射装置の実施例の構成を示
す縦断面図

【図２】本発明のプラズマ溶射装置の他の実施例の構成
を示す縦断面図

【図３】従来のプラズマ溶射装置の縦断面図

【図４】ア
ルゴンと窒素の温度と各々の保有エネルギーの関係図

【図５】従来のプラズマ溶射装置において、減圧下でガ
スにより基板冷却を行なう説明図。

【符号の説明】

６　　プラズマジェット １０　　溶融粒子 ３３　　外套 ３２　　冷却ガス ４０　　仕切り板

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　プラズマジェット噴出口の下流周囲を
   、少量の保有エネルギーの小さい気体で取り囲み、被溶
   射基板近傍のプラズマジェットと被溶射基板を前記気体
   よりも保有エネルギーの大きな気体で冷却しつつ、溶射
   製膜することを特徴とするプラズマ溶射方法。
2. 【請求項２】　　保有エネルギーの小さい気体としてア
   ルゴンを用い、保有エネルギーの大きな気体として空気
   、或は窒素を用いたことを特徴とする請求項１記載のプ
   ラズマ溶射方法。
3. 【請求項３】　　プラズマ溶射トーチと、前記プラズマ
   溶射トーチの噴出口と同軸でプラズマジェットを所定長
   で取り囲み、その内面より前記プラズマジェットに向か
   う内部に複数の小孔を有する外套と、被溶射基板近傍に
   設けられた前記被溶射基板及び前記プラズマジェットに
   冷却ガスを吹き付ける冷却ガス噴射冶具とを具備したこ
   とを特徴とするプラズマ溶射装置。
4. 【請求項４】　　減圧溶射用チャンバ内で、溶射が行な
   われることを特徴とする請求項３記載のプラズマ溶射装
   置。
5. 【請求項５】　　複数の小孔から噴出する気体はアルゴ
   ンであり、冷却ガス噴出冶具から噴出する気体はアルゴ
   ンより保有エネルギーの大きな気体であることを特徴と
   する請求項３記載のプラズマ溶射装置。
6. 【請求項６】　　減圧用チャンバと、排気系と、プラズ
   マ溶射トーチと、前記プラズマ溶射トーチのノズル出口
   に対向する位置に設けられた被溶射基板と、前記被溶射
   基板と前記プラズマ溶射トーチの間に設けられた前記プ
   ラズマ溶射トーチの軸延長線との交点を中心とした穴を
   有しチャンバ内を二層に区切る仕切り板と、チャンバ内
   各層を所定圧に排気する排気系とを具備したことを特徴
   とするプラズマ溶射装置。
7. 【請求項７】　　仕切り板で区切られたチャンバ内のプ
   ラズマ溶射トーチ側を保有エネルギーの小さいガスで満
   たし、被溶射基板あるいはプラズマジェットに対して保
   有エネルギーの大きな冷却ガスを吹き付けることを特徴
   とする請求項６記載のプラズマ溶射装置。