JPH0580273B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、改良されたプラズマアーク溶射法
および装置に関するもので、従来のプラズマ溶射
システムよりも４倍のジエツト速度を有し、より
高い電流、電圧で動作し、伸長アークプラズマジ
エツト内の粒子のかなり小さな寿命（dwell
time）にかかわりなく粉末溶射粒子の加熱を促
進するためかなりの伸長したアークで動作するこ
とを特徴とするものである。

〔従来の技術〕

1950年代に表面被覆形成のための金属およびセ
ラミツクスのプラズマ溶射の出現以来、プラズマ
溶射法は商業的に非常に重要なものとなつてい
る。驚くべきことだが使われている装置（基本的
技術配列）は、本質的に変化しなかつた。

第１図に従来のプラズマ溶射トーチ１０ｂを示
す。説明を簡略にするため、水冷却手段は意図的
にこの図から省略している。円筒形でカツプ型の
電気絶縁ボデー１０ｂが陰極電極１２を同軸に支
持している。電気絶縁ボデー１０ｂは、陰極電極
１２を支持する側と反対側を第２ボデー１１によ
り閉じられており、陰極電極１２は第２ボデーに
向かつて接触しないように伸びている。第２ボデ
ー１１には、プラズマ溶射トーチノズル通路９を
形成する軸方向の穴１１ａが設けられている。陰
極電極１２と陽極となる第２ボデー１１の間に電
圧を加えることによりアーク１７が形成される。
アーク１７は、電極１２からノズル通路９の内壁
へおよんでいる。その長さは、ガス供給チユーブ
１５を通つて陰極電極１２のまわりの環状マニフ
オールド２４へ流入する、矢印Ｇで示されたプラ
ズマ形成ガスの流れにより長くなる。チユーブ１
５は、円筒形ボデー１０ｂの側面内の一直線にそ
ろえた放射状の穴１５ａを通つてボデー１０ｂ内
へつながつている。ボデー１０ｂと同様の絶縁体
からなる横断隔壁１３が電極１２を支持してい
る。隔壁１３には、電極１２の先細の先端１２ａ
のまわりに流れを有するノズル通路９へ通じる多
数の小径通路２３が設けられている。矢印Ｐで示
された溶射される粉末が、アーク１７の陽極端１
８を越えた点でアーク加熱されたガス中へ流入す
る。粉末は、チユーブ１６を通つて導入され、チ
ユーブに整列された通路１６′へ流入する。通路
１６′は、ノズル９の端からでてくる高温ガスジ
エツト２５にそつてできるだけ粉末流の中心がそ
ろうように穴１１ａへ開口している。

非常に明るい円錐形のアーク領域１９が、ノズ
ル９の出口を越えてわずかな距離に拡がつてお
り、この領域は、イオン化したガス種の拡張部を
形成している。この円錐形領域内では、熱伝達が
非常に大きい。高温ガスジエツト２５でイオン化
領域１９を越えて粒子Ｐにガス状の加熱が加えら
れることが理解できるであろう。さらに粒子は、
高速（音速以下）ジエツト２５内で速度を増し、
加工品２２の表面に当たり被覆２１を形成する。

代表的な従来のプラズマ溶射トーチ１０′は、
５／１６インチ口径のノズル通路９を使い100SCHF
の窒素ガスＧの流れを流し、動作電流750A、ア
ーク電圧80Vで動作する。イオン化ゾーンまたは
領域１９は、ノズルの先端９ａから約1/3インチ
伸びている。到達した総出力レベルは60Kwであ
る。陰極と陽極を合わせた損失は約30Vで、正味
の加熱能力（ガスのI²R加熱）は、37.5Kwであ
る。冷却水による熱損失を20％とすると、ガス加
熱は30Kwある。上記従来の動作パラメータで従
来システムにおけるプラズマガスのエンタルピー
増加は、約14500Btu／ポンドである。なお、Btu
は１ポンドの水をカ氏１度だけ暖めるのに要する
熱量である英国熱量単位をいう。

〔発明が解決しようとする課題〕

本出願人は、リツドトランスフアープラズマア
ークトーチの伸長した高温超音速フレームカツト
装置および方法の有益の効果の詳細な研究を行な
つてきた。この研究と結果は、たとえば本出願人
の最近の米国特許第4620648号に示されている。
ノントランスフアープラズマアークトーチ内のア
ークを伸長する有益な効果の考察と関連して、本
出願人は、伸長アークの形成を促進するものとし
て、トーチノズル通路を通るプラズマガスのうず
流の利用を考察した。その考察において、本出願
人は、過去において、ノントランスフアープラズ
マアークトーチ内のうず流は、動作の信頼性を損
なうことを知つた。音速以下のジエツト速度を用
いると、アーク柱は折れまがり、第１図の従来の
プラズマアーク溶射トーチの角度のついたもの
（たとえば第２ボデー１１）の端面に、ノズル９
ａの出口から放射状に十分はなれた点でぶつか
る。その結果、急速なトーチの腐食が生じる。

この知識にもかかわらず、本出願人は、超音速
ジエツト速度で短い寿命（ドウエルタイム）を有
する粒子を被覆される基板に十分な溶融を保証
し、トーチは腐食させずに方向づけるために用い
ることのできる改良された高電圧、高電流拡張イ
オン化アーク柱ノントランスフアープラズマアー
クトーチを探求した。

〔課題を解決するための手段〕

上述した課題を解決するため本発明のプラズマ
アーク溶射法は、第１の陰極電極を収容するチヤ
ンバを通し、このチヤンバから、第２の陽極電極
を形成するとともに前記第１の電極と整列しかつ
間隔をおいて設けられた陽極ノズル通路を形成す
る溶射ノズルを通して加圧下でプラズマ生成ガス
を供給し、前記ノズル通路を出るプラズマフレー
ムジエツトを形成するため前記第１および第２電
極間に電気アークを生成し、ノズル出口の前面か
つ下流側に置かれた基板に当てて被覆するため前
記フレームジエツト内で物質を溶融加速するよう
に前記フレームジエツト中へ前記物質を供給する
プラズマアーク溶射方法において、陽極通路を通
つて伸長するガス流の低圧核を生成するためにプ
ラズマ生成ガスの渦流を形成し、陽極ノズル通路
全域に伸長したイオン化アーク柱を形成し、ノズ
ル通路径の約４倍の長さだけノズルの端部を越え
て拡がつている超音速の伸長したイオン化アーク
柱を形成するため陽極ノズル通路径に対しガス流
の速度とアーク電流を調節することを特徴とする
ものである。

また、本発明のプラズマアーク溶射装置は、陽
極ノズル通路を同軸に含み陽極電極を形成する第
１の導電性端壁と第２の反対側端壁を有するチヤ
ンバを形成する円筒形ケースと、この円筒形ケー
スの前記反対側端壁内に同軸に取り付けられ、前
記第１の端壁とは絶縁され、わずかに離れた陰極
電極と、前記陽極ノズル通路は、前記陰極電極に
面する端部で外側に開き円錐形に拡大しており、
前記円筒ケースと陰極電極と両端壁で画成される
チヤンバに加圧下でプラズマ生成ガスを導入する
手段と、前記陽極ノズル通路から出るプラズマア
ークフレームを生成するために前記陽極を構成す
る前記第１の端壁と前記陰極電極の間に電位差を
発生させる手段とを含むプラズマアーク溶射装置
において、前記チヤンバに加圧下でプラズマ生成
ガスの流れを供給する前記手段は、陽極ノズル通
路を通つて伸びた低圧核を示すガスの渦流を形成
するために前記陽極ノズル通路から離れた前記チ
ヤンバの端に接線方向で前記ガスを供給する手段
を含み前記核は前記陽極ノズル通路を通り外へ伸
びた小径アーク柱を形成し、前記陽極ノズル通路
は比較的小さな径を有し、前記装置は、さらに前
記ノズルの放電端をノズル通路径の約４倍の距離
だけ越えて伸びた超音速伸長イオン化アーク柱を
形成するため前記陰極と前記陽極間で前記アーク
のアーク電流とガス流を調節する手段を含むこと
を特徴とするものである。

〔作用〕

本発明は上記手段により、従来のプラズマ溶射
システムよりも数倍のジエツト速度を有し、より
高い電流、電圧で動作し、伸長アークプラズマジ
エツト内の粒子のかなり小さい寿命（dwell
time）にかかわりなく粉末溶射粒子の加熱を促
進するためかなり伸長したアークで動作すること
ができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を、第２ａおよび２
ｂ図を参照して説明する。改良されたプラズマ溶
射トーチ１０は、第１図の従来例のボデー１０ｂ
と同様の円筒形の電気絶縁ボデー３０を用いてい
る。ボデー３０は、一端を第２円筒形ボデー３１
でふさがれており、ボデー３０の他端は、同軸に
陰極電極３２を支持する横断壁３０ａを有してい
る。陰極３２電極の脚部３２ａは、トーチノズル
通路３４を形成する穴３１ａの円錐形縮小部３５
へ突きでている。この発明は、伸長イオン化アー
ク柱ゾーンを形成するための高うず強度プラズマ
ガス流に依存している。この場合、ガス供給パイ
プまたはチユーブ２６は、陰極３２のまわりの環
状室４１にかんして接線方向に設けられ、矢印Ｇ
で示されたガス流は、第２ｂ図に示されているよ
うに通路３３を通つて接線方向に室４１へ入り、
ノズル通路３４を形成し縮少された径の穴３１ａ
へ通じる円錐形縮小部３５を通つて出ていく。そ
のようなものとして、円錐形縮小部３５は、滑ら
かにうず流を縮少径ノズル通路３４へ通過させ
る。角運動量保存の法則により、ガス流の外側境
界径が減少すればうず強度はより大きくなる。こ
のうずの小径の核は、通路３４の壁近くのガス層
の圧力と比較して低い圧力を示す低圧核である。
伸長したアーク柱３７は、低圧核を通過する位置
に生じ、ノズル３４の出口３４ａを十分に越えて
伸びている。

ノズル径の減少、および／またはアーク電流の
増加が、ノズル３４を通つて大気へ到る通路にお
ける臨海圧力低下以上のものを生じ、音速以下の
場合におけるアークアノードスポツトの突然の変
化を除去する。超音速流では、アノード領域はよ
り分散し、ノズル出口近くのノズル３４内壁およ
びノズルの出口３４ａのまわりのボデー３１の薄
い周辺放射状領域にひろがる。伸長アーク３７
（イオン化区域）は、第１図の従来のトーチのイ
オン化区域とくらべて半径が小さい。ノズル出口
３４ａを越えて伸長しているその長さも、第１図
の装置のイオン化区域１９の長さよりかなり長
い。この発明の原理を用いた第２ａ，２ｂ図の改
良されたトーチ１０の１例と第１図の従来装置に
関し論じた例との比較は、改良されたトーチの従
来のトーチとの重要な差を区別する助けになる。
トーチ１０は、120SCFHの窒素を用い、陰極３
２電極と陽極３１間の〓間に200Vの電圧を加え、
400Aの電流で動作する。このサンプル装置では、
ノズル径3/16インチで上記動作パラメータのと
き、イオン化区域はノズル出口３４ａを越えて１
−1/4インチ伸びている。電極損失は同じく約
30Vで、正味のガス退出エンタルピーは（20％の
冷却損失後）27000Btu／ポンドに達つした。第
１図の従来装置のそれのほとんど２倍である。出
口のジエツト速度を計算または決定することは困
難だが、第２ａ，２ｂ図の改良されたプラズマ溶
射トーチ１０を用いた第２例のジエツト速度は、
第１図の従来のトーチ１０′と対照して、ガスエ
ンタルピーとノズル断面積に基づき比較できる。
この関係のもとで、トーチ１０を用いた第２例の
ガス流は、トーチ１０′を用いた第１例のそれの
1.2倍である。ノズル面積の逆関係を適用して、
第２例（あるガスエンタルピーで）のジエツト速
度は第１例の３−1/3倍である。エンタルピーの
比の平方根を適用して、付加速度増加1.4が生じ
る。従つて、プラズマフレームジエツト３８のジ
エツト速度は、従来例のフレームジエツト２５の
最大約４−1/2倍であることがわかる。

この発明の大きな加熱容量とジエツト速度の増
加が、プラズマ溶射におる大規模な技術的進歩を
生みだす。過去を考慮すると、プラズマ溶射にお
いて、濃密な被覆は高い粒子衝突速度を必要とす
る。しかし、さらに適当な粒子加熱が基板と衝突
するまえに物質の溶融または半溶融条件を保証す
るために必要である。出願人の方法と装置は、増
加したガスエンタルピーが、適当に粒子を加熱す
ることができ、粒子はその高速度によりジエツト
３８中に、被覆される基板に衝突する前ごく短時
間とどまる。本質的にこの発明は、ノズルを通過
するガスのより大きな臨界圧力低下を必要とす
る。そのような低下は、第２ａ図の装置のフレー
ムジエツト３８内のシヨツクダイアモンド４０の
存在を観察することにより視覚的に証明される。
また、イオン化区域（ノズル出口３４ａを越えて
伸長しているアークの長さ）は、最良のフレーム
溶射結果にたいし、ノズル口（穴３１ａ）径の小
くとも４倍あるべきである。

第２ａ，２ｂ図に示した装置は、第２ａ図の矢
印Ｐで示した粉末物質のフレーム溶射を含んでい
た。この発明は、高品質フレーム溶射被覆を形成
するため線状および棒状の物質を溶射することも
できる。事実、今日までプラズマ溶射において実
際的な線材の使用は、第１図の装置のジエツト２
５のような低速度プラズマジエツトによる線材の
噴霧化の不充分さのため不可能であつた。

第３ａ，３ｂ図は、二つの異なるプラズマジエ
ツト−線材配列を示すもので、大きく伸長したア
ーク状況のため使用できる。第３ａ図は、第２
ａ，２ｂ図の実施例の変形を示し、この発明の他
の実施例をなすものである。線材５０は、矢印で
示されたように駆動される一対のフイードロール
５１にはさまれており、ゆつくりと矢印２８の方
向にある角度θ₁でプラズマジエツト３７中へ供給
される。線材５０は、トーチ１０にたいしボデー
３１内のノズル３４のノズル出口３４ａに近くに
位置しており、全アーク陽極加熱を高比率でうけ
とる。非常に大きな溶融消散が生じる。多くの金
属にとつて、これは好ましい配列である。他の物
質にたいし、このような高加熱は、加熱しすぎで
あり、実際好ましくない蒸発を生じる。たとえ
ば、亜鉛線材を溶射すると、第３ａ図の配置では
白い酸化亜鉛の微粒子の大きな雲が生じる。臨界
的な成分比率を有する合金は、好ましくない損害
をこうむる傾向がある。

第３ｂ図は、さらに他の実施例を示す。この実
施例は、基本的に第２ａ，２ｂ図のトーチ１０と
同じだが、粒子がパイプ２７、通路２７′を通し
て供給されるのでなく、線材または棒材５０が矢
印の方向に回転する一対の駆動フイードロール５
１により同じ圧力ではさまれ矢印２８の方向に供
給される。しかし、第３ａ図の大きな角度θ₁とく
らべて小さな鋭角θ₂を使うことにより、第３ｂ図
は多くの低融点物質および臨界的合金物質に対し
より好ましい線材供給モードを示している。さら
に、線材または棒材５０の先端の進入点は、イオ
ン化区域、すなわち伸長したアーク３７の端近く
であり、わずかに陽極加熱が生じるのみである。
第３ａ図の配列との比較で、第３ｂ図で示した配
列を用いた結果は、噴霧化溶融小滴のわずかな過
熱をともなう高温ガス加熱と似ている。これらの
条件では、亜鉛線材は、濃密な雲を生じることは
ない。

線材溶射の率を高めるため、伸長したイオン化
区域に一以上の線材を供給してもよい。たとえ
ば、第３ａ，３ｂ図に示された態様を同時に用い
てもよい。ある場合には、最大溶融率を達成する
ため、同時にジエツト中へ３以上の線材を供給す
ることが有利である。

イオン化区域、すなわち伸長したイオン化アー
ク柱３７に複数の線材を供給するかわりに、第２
図に示されたトーチ１０は、第４図では、金属ま
たは他の物質の細片６０を伸長したイオン化アー
ク柱３７に矢印の方向に斜めに供給するように変
形されている。細片６０は、第３ａ，３ｂ図と同
様に一対の確実に駆動されるローラーまたはホイ
ール（図示省略）ではさまれて駆動される。試験
の結果、溶融率は第３ａ，３ｂ図における線材に
対するよりもかなり大きいことが確かめられた。
アーク生成に用いうれる高電圧、高電流および生
じた利用可能な熱により、溶融率が大幅に改善さ
れることに注目すべきである。50Kwの出力レベ
ルでの一連のテスト試行において、ステンレス鋼
細片にたいし、最適の細片断面は、厚さ3/32イン
チ、幅3/4インチであつた。

この発明は、特に高電圧を用いており、その結
果、ある電力にたいしアンペア数が低いという利
点を有している。80Kwの時、400Aは1000Aの電
流よりも使用する際はるかに信頼性がある。特に
ノズル陽極の問題は、この発明の方法と装置を使
うことにより大いに減少する。達達成された高速
度で、フレームジエツト速度が線材噴霧化にたい
し適切である時、さらにトーチ出力の増加により
溶融率を増加させることにおける意味はほとんど
ない。

第５図は、第２ａ，２ｂ図のトーチ１０を用い
たこの発明の一実施例を示すものである。この実
施例においても、パイプ２７、通路２７′、およ
びＰ（第２ａ図）における粉末状の物質の供給は
用いられておらず、トーチ１０は、固定して二つ
の線材７１，７２を支持し、伸長したイオン化ア
ーク柱にそつ二つの異なる位置で伸長イオン化ア
ーク柱３７への通路へ供給する。さらに、低電圧
溶接機械の出力が、基板（図示略）へ溶融されて
溶融被覆される線材へ加えられる。図に示された
DC電源７０は、前述の低電圧溶接機械の出力を
構成し、二つの金属線材７１，７２間にリード線
７６，７７を通して加えられる。プラズマアーク
は、プラズマジエツトにそつてさらに遠くに位置
する設地電位線材７２まで通じている。さらに、
付加的アーク７３が伸長イオン化アーク柱３７の
近くで二つの線材７１，７２の近づきつつある先
端間に生じる。これは、電極損失を直接線材７
１，７２へ加え、その結果、さらに溶融率が増加
する。電気回路は、ノズル陽極３１と下流側線材
７２が共通の接地を構成するものである。なぜな
ら、導電性チユーブ７８が下流側線材７２のガイ
ドとして機能し、導電性のひもまたは支持体７９
でノズル陽極を構成するボデー３１へ機械的、電
気的に接続されるからである。線材７１は、第２
ａ図のトーチ１０の第二陰極（陰極３２にたい
し）となり、線材７１は、通過するボデー３１か
ら電気的に絶縁されていなければならない。この
点を考慮してノズルアノードボデー３１中に形成
された斜めの穴８０内に固定された絶縁チユーブ
７５により線材７１は摺動可能に支持される。再
び、線材は線材をはさみイオン化アーク柱３７へ
軸方向に動かす駆動ロール５１の回転により、確
実に矢印の方向に駆動される。伸長イオン化アー
ク柱３７は、この場合主アーク柱だが、線材７１
から線材７２への電子の流れを活性化するイオン
化通路を提供する。そのようなものとして、アー
ク３７がまず確立され、線材７１と７２がアーク
３７へ押しやられ、物理的に約1/4インチの間隔
がとられる。

さらにこの発明の利点は、線材と粉末の両者を
同時に溶射する装置の能力である。そのようなも
のとして、トーチ１０は、パイプまたはチユーブ
２７と通路２７′を残し、同時に第３ａ図の線材
５０を伸長したイオン化アーク柱３７へ供給する
対のロールを用いてもよい。したがつて、各タイ
プの溶射モードはそれ自身の特性をもち、説明し
た実施例の組合せは、特意な結果を生じうる。溶
射される線材は、完全な溶融粒子または単に熱で
軟化した粒子を生じなければならない。線材は、
よりより強度と被覆密度を生じるかもしれない。
しかし、高温度レベルは、不利な酸化または他の
損失を物体へもたらす傾向がある。

非常に高出力レベルを要求されるところでは、
第６図に示される実施例の配列を使うことが必要
である。このより複雑な配列の理由は、第２ａ，
２ｂ図の第１実施例をみると一番よくわかる。高
出力をうるためには、アークの電流または電圧を
増加しなければならない。電流が増加すると、陽
極結合点はノズル通路３４内へ後退し軸方向に電
圧を減少させる。増加した電圧は、ガス流の増加
でえられるかもしれない。しかし、トーチ１０内
のガス圧は、この実施例の陰極３２の急速の減退
をもたらすかもしれない。第６図の実施例では、
改良されたプラズマ溶射トーチ１０″は、第２ａ，
２ｂ図のトーチ１０と同じように動作する。カツ
プ型円筒形の電気絶縁ボデー３０′が陰極電極６
０をこの発明の第１実施例と同様に同軸方向に支
持し、ボデー１０が閉じられたこの発明の第１実
施例と同様に、トーチ１０″の陽極を構成する第
２ボデー６１で閉じられている。第６図で、陽極
６０はDC電源５９にリード線５７で接続し、一
方リード線５８が第２ボデー６１へ通じている。
なお、第６図の実施例は第１図の先行技術のトー
チを含めてすべてのトーチの陰極、陽極間に電位
差を供給する方法を説明している。さらに、第２
ａ，２ｂ図の実施例と同様、主ガスＧは、チユー
ブ２６から接線方向に設けられた通路３３を通つ
て陰極６０と絶縁ボデー３０′の内壁間に整列し
た環状室４１内へ流入する。円錐形の縮小部３５
は、再びなめらかにガスのうず流を、トーチ１
０″にたいし陽極として使用する第２ボデー６１
の上流端で、通路５５の減少した径のノズルへ連
通させる。第２ボデー６１は、二つの軸方向に分
離した導電性構成品、上流側構成品６１ａと下流
側構成品６１ｂとからなる。環状溝６４がボデー
６１の周面に形成され、プラズマ溶射トーチ１
０″の第１ボデー３０′を形成する電気絶縁体と同
様の物質からなる短かいリング５２がはめられ
る。リング５２は、電気的に第２ボデー６１の構
成品６１ａを６１ｂから絶縁する。それゆえ、技
術的な意味で、リード線５８は、電源から陽極側
で、第２ボデー６１の下流側構成品６１ｂに接続
する。円錐形縮小部３５は、第一ノズル定義する
ボデー６１の構成品６１ａの第１上流側ノズル通
路５５を形成する軸方向穴６２へ通じている。ボ
デー６１の第２構成品６１ｂは、第２ノズルを形
成し、第２ノズル通路５６を形成するやや小さな
径の穴６３が設けられている。第２ノズル通路５
６の上流側端は、ガス流通路の円錐径縮小部６５
を形成するように外側に開いている。したがつ
て、第２ボデー６１の下流側構成品６１ｂは、第
１上流側ノズル６１ａと軸方向に離れた第２ノズ
ルを形成する。このトーチのアノード領域５３
は、多くのノズル通路径と等しい長さで大気中に
伸長したイオン化アーク柱３７を有する通路５６
の出口５６ａに近接している。

第１ノズル６１ａは、電気的に浮遊していて、
単にイオン化アーク柱３７を長くすることにより
アーク電圧を増加させる働きをする。多くの場
合、第１ノズル通路５５を限度する第１ノズル構
成品の穴６２は、第２ノズル通路５６を限定する
穴６３より径が大きい。

この装置と方法は、上流側および下流側ノズル
６１ａ，６１ｂおよびこれら二つのノズルをたが
いに結合し分離している電気絶縁リング５２で限
定される円筒形室６６へ供給される。矢印G′で
示される第２ガスを用いていることに注意するこ
とは重要である。第２ガスは、第２ガス室６６へ
接線方向に開口している小径の接線方向通路６８
へ入れられるチユーブ６７によつて供給される。
第２ガスG′は主ガスＧは、伸長イオン化アーク
柱を支え流出する、二つのガスを有する装置内の
単に二つの異なる点で供給される同じガスであつ
てもよい。粒子はプラズマガス流に上流で供給さ
れてもよいし、従来例のように、伸張したイオン
化アーク柱３７で供給されてもよい。

あるアークノズル長と径に対し、最適のガス流
を決定することは、比較的簡単である。このガス
流は、実験により、イオン化アーク柱３７をノズ
ル出口を十分越えて伸長するものとして見られる
もので、さらに、ノズル穴（第３ｂ図の実施例
で、３４で示されたような）内のアノードアーク
状況の大部分を保持するものである。ノズル出口
を越えた第２ボデー６１の開放面上の陽極作用の
割合が大き過ぎると、急速な摩損を生じる。ノズ
ル出口のすぐまわりのある陽極作用は、最適動作
を示す。

最適ガス流を決める方法は、ガス圧力に関して
アーク電圧変化を測定することである。第７図の
プロツトは、3/16インチ径のノズル穴６３を有す
る下流側ノズル６１ｂに対する代表的なケースを
説明している。この曲線は、ガス圧力とともに電
圧が増加することを示している。ガス圧力は、ガ
ス流の基準である。第７図のプロツトで示された
例では使用したガス窒素であつた。電圧は、この
曲線の点Ａ，Ｂ間では、着実、一様に増加する。
Ｂを越えると、即ち、曲線の点Ｂ，Ｃ間では、わ
づかな流れの増加が急速な電圧の増加を引き起こ
す。点Ｂを越えた条件では、アークの陽極はノズ
ル穴６３を出はじめる。点Ｂの近くでは、大部分
のアノード動作は、まだノズル穴内である。最適
条件は、第７図のプロツトでガス圧力が165〜
170psiのオーダーである斜線で示した領域内で生
じる。

この簡単な最適動作の指標は、強力な設計上の
道具である。たとえば、電源（シリコン整流器）
は、最大動作電圧が200Vである。最大規定電流
は400Aである。最大100％のデユーテイ比での出
力は80Kwある。これらの最大条件下で動作さ
せ、さらに超音速退出ジエツト速度を生成させな
がらノズル寿命を最大にすることは困難な仕事で
ある。第１に、正当なノズル径と長さが選択され
る。１例として、ノズル径は5/32インチ、長さは
１インチが選択された。窒素流が増加すると、ア
ーク電圧の増加率は減少し、最大160Vに達した。
陽極点は、ノズル出口を越える方向に向けられな
かつた。１つ利用可能な選択は、ノズルの長さを
減らすことであろう。他の選択は、一方は一定に
して、ノズル径をわずかに増加させることであ
る。後者の変化が選択され、その結果は第７図に
示されている。

この発明は、好ましい実施例に関して詳細に説
明してきたが、この分野の当業者にとつて、形
態、細部の様々な変更がこの発明の精神と範囲か
ら離れることなくなしうることが理解されるであ
ろう。

〔発明の効果〕

以上、実施例の説明から明らかなように、本発
明によれば、従来のプラズマアーク溶射法及び装
置に比較して数倍のジエツト速度を得ることがで
きるとともに、アーク生成に用いられる電圧、電
流が大きく、加熱容量を大きくすることができ
る。

また、本発明によれば、ノズル出口より長く伸
長したイオン化アーク柱を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、基板の溶射被覆に用いられる従来の
プラズマ溶射トーチの縦断面図、第２ａ図は、こ
の発明の好ましい一実施例をなす改良されたノン
トランスフアープラズマアークトーチの縦断面
図、第２ｂ図は、第２ａ図のトーチを線２ｂ−２
ｂで切断した横断面図、第３ａ図は、フレーム溶
射される物質を棒状に伸長した長さのアーク柱に
供給する第２ａ図の改良されたノントランスフア
ープラズマアークトーチの１部を示す縦断面図、
第３ｂ図は、フレーム溶射される物質を棒状で伸
長アーク柱の軸に十分小さな鋭角で供給するよう
に変形された第２ａ図の装置の１部を示す縦断面
図、第４図は、フレーム溶射される物質が伸長ア
ーク柱に比較的薄い平らな板として供給される第
２ａ図の装置の一部断面一部斜視図、第５図は、
棒状のフレーム溶射される物質に対し２つの別々
の物質供給を行ない、伸長したアーク柱に異なる
角度で物質を供給し、縦方向に分離した位置でア
ーク柱にぶつかるようにした第２ａ図の装置の１
部変形例を示す縦断面図、第６図は、この発明の
他の実施例をなす伸長したアーク柱を有する改良
されたノントランスフアープラズマアークトーチ
の縦断面図、第７図は、第２ｂ図の伸長したアー
ク柱型ノントランスフアープラズマアークトーチ
の最適動作条件を示すガス圧力と電圧の関係を示
す図である。 １０……溶射トーチ、２６……チユーブ、２７
……パイプ、３０，３１……ボデー、３２……陰
極、３３……通路、３４……ノズル、３５……円
錐形縮小部、３７……イオン化アーク柱、３８…
…フレームジエツト、４０……シヨツクダイアモ
ンド、４１……環状室、５０……線状、５１……
フイードロール、５２……リング、５３……アノ
ード領域、５５……第１ノズル通路、５６……第
２ノズル通路、５７，５８……リード線、５９…
…DC電源、６０……陰極、６１……第２ボデー、
６２……軸方向穴、６３……穴、６４……環状
溝、６５……円錐形縮小部、６６……円筒形室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の陰極電極を収容するチヤンバを通し、
   このチヤンバから、第２の陽極電極を形成すると
   ともに前記第１の電極と整列しかつ間隔をおいて
   設けられた陽極ノズル通路を形成する溶射ノズル
   を通して加圧下でプラズマ生成ガスを供給し、前
   記ノズル通路を出るプラズマフレームジエツトを
   形成するため前記第１および第２電極間に電気ア
   ークを生成し、ノズル出口の前面かつ下流側に置
   かれた基板に当てて被覆するため前記フレームジ
   エツト内で物質を溶融加速するように前記フレー
   ムジエツト中へ前記物質を供給するプラズマアー
   ク溶射方法において、陽極通路を通つて伸長する
   ガス流の低圧核を生成するためにプラズマ生成ガ
   スの渦流を形成し、陽極ノズル通路全域に伸長し
   たイオン化アーク柱を形成し、ノズル通路径の約
   ４倍の長さだけノズルの端部を越えて拡がつてい
   る超音速の伸長したイオン化アーク柱を形成する
   ため陽極ノズル通路径に対しガス流の速度とアー
   ク電流を調節することを特徴とするプラズマアー
   ク溶射法。 ２ 溶射される物質を有害なほど過熱せず溶射率
   を最大とするため、ノズルの端を越えて伸長した
   イオン化アーク柱に沿つたある点で前記物質を導
   入する段階を含むことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のプラズマアーク溶射法。 ３ 伸長したイオン化アーク柱に溶射される物質
   を導入する前記段階は、噴霧化および溶射のた
   め、ガス流の方向に、伸長したイオン化アーク柱
   に斜めに前記物質で形成された少くとも１つの線
   材を供給することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のプラズマアーク溶射法。 ４ 前記陽極ノズル通路を通つてガス流中へ粉末
   状の物質の少なくとも１つの別の流れを同時に供
   給する段階を含むことを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載のプラズマアーク溶射法。 ５ フレーム溶射される物質の少くとも１つの線
   材を供給する段階は、２つの線材を前記陽極ノズ
   ル通路の下流で伸長したイオン化アーク柱へ斜め
   に供給することを含み、前記線材は導電性の物質
   で形成され、前記方法はさらに、伸長したイオン
   化アーク柱へ供給される２つの線材の端部間に第
   ２のアーク柱を形成するために前記２つの線材に
   電位差を加える段階を含み、前記第２のアーク
   は、プラズマトーチ陽極ノズル通路から放出する
   伸長したイオン化アーク柱と同時に強制的に流れ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   プラズマアーク溶射法。 ６ 前記粉末の粒子を前記伸長したイオン化アー
   ク柱と接触する前に湿気のある物質の薄層であら
   かじめ被覆し、続けて前記被覆された粉末粒子
   を、この粒子が前記線材を構成する物質から形成
   された溶融小滴に付着するのに必要な程度にのみ
   加熱するステツプを含むことを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載のプラズマアーク溶射法。 ７ プラズマアーク溶射ジエツトを形成し、非安
   定粉末物質の粒子に湿気のある物質の薄い被覆を
   形成し、前記被覆された粒子を前記プラズマアー
   ク溶射フレームジエツトに供給し、前記粒子を前
   記フレームジエツト中で他の粒子へ付着が有効と
   なるだけの温度に加熱し、前記被覆された粒子の
   物質と類似または同一の物質から成る粒子を、前
   記被覆されたフレーム溶射粒子への付着を有効と
   するように加熱軟化または溶融するためにプラズ
   マアーク溶射フレームジエツトへさらに別に供給
   する段階を含む、非安定粉末物質をフレーム溶射
   することを特徴とするプラズマアーク溶射法。 ８ 前記粒子は、ニツケルを含む物質で被覆され
   たダイヤモンドからなることを特徴とする特許請
   求の範囲第７項記載のプラズマアーク溶射法。 ９ 前記本質的に熱非安定な物質は、シリコンカ
   ーバイドであることを特徴とする特許請求の範囲
   第７項のプラズマアーク溶射法。 １０ 前記非安定な粉末物質は、溶射の方向と斜
   めにプラズマアーク溶射ジエツト中に供給される
   連続供給金属板の核としてプラズマアーク溶射フ
   レームジエツト中へ供給され前記プラズマアーク
   溶射フレームジエツトの軸と同一平面上の前記板
   は前記ジエツトを切断することを特徴とする特許
   請求の範囲第７項記載のプラズマアーク溶射法。 １１ 陽極ノズル通路を同軸に含み陽極電極を形
   成する第１の導電性端壁と第２の反対側端壁を有
   するチヤンバを形成する円筒形ケースと、この円
   筒形ケースの前記反対側端壁内に同軸に取り付け
   られ、前記第１の端壁とは絶縁され、わずかに離
   れた陰極電極と、前記陽極ノズル通路は、前記陰
   極電極に面する端部で外側に開き円錐形に拡大し
   ており、前記円筒ケースと陰極電極と両端壁で画
   成されるチヤンバに加圧下でプラズマ生成ガスを
   導入する手段と、前記陽極ノズル通路から出るプ
   ラズマアークフレームを生成するために前記陽極
   を構成する前記第１の端壁と前記陰極電極の間に
   電位差を発生させる手段とを含むプラズマアーク
   溶射装置において、前記チヤンバに加圧下でプラ
   ズマ生成ガスの流れを供給する前記手段は、陽極
   ノズル通路を通つて伸びた低圧核を示すガスの渦
   流を形成するために前記陽極ノズル通路から離れ
   た前記チヤンバの端に接線方向で前記ガスを供給
   する手段を含み、前記核は前記陽極ノズル通路を
   通り外へ伸びた小径アーク柱を形成し、前記陽極
   ノズル通路は比較的小さな径を有し、前記装置
   は、さらに前記ノズルの放電端をノズル通路径の
   約４倍の距離だけ越えて伸びた超音速伸長イオン
   化アーク柱を形成するため前記陰極と前記陽極間
   で前記アークのアーク電流とガス流を調節する手
   段を含むことを特徴とするプラズマアーク溶射装
   置。 １２ 前記ノズルの出口の前面、下流側に置かれ
   た基板へ打ち当てるため物質を溶融し加速するた
   め前記フレームジエツト中へ物質を供給する手段
   を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１１項
   記載のプラズマアーク溶射装置。 １３ フレームジエツト中へ物質を供給する前記
   手段は、溶射物質の有害な加熱を生じることな
   く、溶射率を最大とするため前記ノズルの出口の
   下流で前記伸長イオン化アーク柱へ前記物質を供
   給する手段を含むことを特徴とする特許請求の範
   囲第１１項記載のプラズマアーク溶射装置。 １４ 前記物質供給手段は、前記ノズルの出口か
   ら離れた伸長イオン化アーク柱の端へ物質を粉
   末、線材または棒状で供給する手段を含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１２項記載のプラズ
   マアーク溶射装置。 １５ 前記物質導入装置は、前記物質の線材をは
   さみ、前記線材を、フレームジエツトの方向に前
   記伸長イオン化アーク柱の通路中へ斜めに移動さ
   せる１対の反対方向に駆動されるローラを含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１４項記載のプ
   ラズマアーク溶射装置。 １６ 前記物質は第１および第２の線材を含み、
   前記導入手段は前記ノズルの出口を越えた前記イ
   オン化アーク柱に沿つて縦方向に離れた点で前記
   アーク柱と接触するように前記アーク柱の通路へ
   前記伸長イオン化アーク柱と斜めの角度で軸方向
   に線材を供給する手段と、前記線材の一方を前記
   陽極電極へ接地する手段と、前記線材間に電位差
   を生成する手段を含み、第２アーク柱が伸長イオ
   ン化アーク柱の近くの線材の端部間を横切つて生
   成され、前記第２のアーク柱は、プラズマアーク
   トーチから出る主アークと同時に流れるように拘
   束され、前記装置によるフレーム溶射される物質
   の割合を増加させることを特徴とする特許請求の
   範囲第１４項記載のプラズマアーク溶射装置。 １７ 前記第１の端壁は第１、第２構成品を含
   み、前記構成品は、前記陰極電極と整列した同軸
   穴を含み、前記第１、第２構成品は軸方向に離れ
   ており、電気的に絶縁されていて、前記同軸穴の
   径より大きな径を有する円筒形第２ガス室がその
   間に形成され、前記第１端壁構成品内の前記同軸
   穴は整列した第１上流側および第２下流側ノズル
   通路を構成し、前記装置はさらに、前記第１およ
   び第２ノズル通路の中間の前記第２ガス室へ接線
   方向に第２ガスを供給する手段を含み、前記陰極
   電極と前記陽極電極間に電位差を与える前記手段
   は、電源を、前記陰極電極と、前記陰極電極から
   離れた前記第１端壁の前記陽極電極を形成する前
   記構成品との間に接続する手段を含み、前記第１
   の上流側ノズル通路を形成する前記端壁の構成品
   は、陰極電極と陽極電極間に形成されるアーク柱
   を長くすることによりアーク電圧を上昇させるた
   めの働きをしている間、電気的に絶縁されてお
   り、前記下流側ノズルのノズル通路径の数倍の距
   離だけ大気中に伸びている伸長イオン化アーク柱
   が生じることを特徴とする特許請求の範囲第１１
   項記載のプラズマアーク溶射装置。 １８ 前記第１端壁の構成品は、互いに向き合う
   端面と、この端面上の外周内に環状溝を含んでお
   り、電気絶縁性物質のリングがそれぞれの端部で
   前記溝内に嵌合されており、前記構成品間の軸方
   向間隔を保持し、第２のガスパイプが前記リング
   へ結合されており、前記リングは内周に接線方向
   に開口した通路手段を含み、第２ガスの渦流を有
   効にし、前記第２構成品の陽極ノズル通路と前記
   第１端壁の前記浮遊第１構成品のノズル通路を通
   つて拡がる前記低圧核の生成を促進することを特
   徴とする特許請求の範囲第１７項記載のプラズマ
   アーク溶射装置。