JPH07110983B2 - プラズマ溶射方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗、耐蝕、或はセラ
ミック固体電解質のような高機能を要求される溶射膜を
得るためのプラズマ溶射方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の発明は図５に示す如くプ
ラズマトーチ２１の陽極２３に近い部分に、材料供給ノ
ズル２５を介して粉粒状の溶射材料２６を供給して高温
微粒の液滴２７とし、これをプラズマトーチ２１の出口
２８から噴出するプラズマフレーム２４で搬送して加速
し、その液滴２７をプラズマフレーム２４の先方に配置
する母材２９に衝突させて、母材の表面に前記溶射材料
の溶射膜３０を形成するものである。

【０００３】この際、上記プラズマフレーム２４がプラ
ズマトーチ２１の出口から母材に至る空間でその周囲の
空気３１を誘引してプラズマフレーム２４が拡大して図
示の形状になり、その中の液滴２７の熱履歴がその経路
によって広範囲に変化し、又その液滴が母材２９に衝突
する際の速度が低下し、母材２９の表面に形成される溶
射膜３０の均一性を妨げると共に、その緻密性を低下す
る。

【０００４】この問題点を改良する為に、図６に示す如
く、プラズマトーチ２１の陰極２２の先端３２から陽極
２３の陽極点３３に至るまでの長さを、第５図のものよ
りも長くすると共に、該陰極２２の周囲のプラズマガス
通路３４の外側にそれと同心的に環状ガス通路３５を設
け、その両ガス通路３４、３５の間の円環状壁３６に切
線方向の通路３７を形成し、プラズマガスの入口３８か
ら入れたプラズマガス３９を陰極２２の周囲のプラズマ
ガス通路３４で旋回させながら出口２８に向かって流動
し、このガスをその間の陰極先端３２と陽極点３３間に
生ずる比較的長いアーク２０で充分加熱し、細長く延び
るプラズマフレーム２４を形成し、その中に含まれる液
滴２７のビームの集束と安定性を改善するプラズマ溶射
装置がある。

【０００５】しかしながらこのようにして、プラズマフ
レーム２４の長さＬ６をＬ５よりも充分長くすると、母
材２９に溶射材料の液滴が衝突する際、それを搬送する
プラズマフレームも亦母材に衝突して、母材２９をプラ
ズマフレームで過熱し、母材２９の材質を損傷するおそ
れがある。

【０００６】前記細長いプラズマフレーム２４による母
材の損傷を防止するために、プラズマフレーム２４にお
けるプラズマトーチ２１の出口２８から遠く離れた位置
に母材２９を配置して、プラズマフレーム２４をプラズ
マトーチの出口２８から母材２９の位置に至る間の空気
で、その温度を冷却することが考えられるが、これで
は、母材に衝突する際の液滴２７の速度が低下すると共
に、液滴２７が冷却されて形成される溶射膜の緻密性・
密着性などを低下させる。即ち、母材を損傷しないよう
にすることと溶射膜の性能を向上させることとは、上記
距離Ｌ５、Ｌ６の大小について矛盾した条件が必要にな
って、これらを両立させることが困難である。

【０００７】そこで、図８に示す如くプラズマフレーム
２４の通路４０に配置せる母材２９の直前にガス流４１
を交叉する形式のプラズマ分離装置４２を本願の共同発
明者の一部の発明者が発明し、（特開昭61−259778号参
照）プラズマトーチの出口２８と母材２９との距離Ｌ８
を今までのものより短くして、その母材２９をプラズマ
フレーム２４の熱によって損傷しないようにするものが
あるが、装置が大容量化するにつれ、プラズマ分離が困
難になり、多量のガス流４１を噴出するとプラズマフレ
ーム２４の流れ方向が不安定になったり、母材２９の表
面に形成する溶射膜の性能が低下したり、母材２９の焼
損を招く等の問題を生ずる。

【０００８】図８で示すプラズマ溶射装置は、小容量で
適切に運転されている場合には前記図５、６及び７に示
すプラズマトーチ２１が１個のトーチからなっているの
に対し、それが主トーチ２１ａといくつかの副トーチ２
１ｂとで構成されている。

【０００９】主トーチ２１ａの陰極２２と各副トーチ２
１ｂの陽極電極２３ｂとの間に電源４３、４４を接続
し、両電極２２、２３ｂの各先端間にアーク２０を発生
して、それによってここを流れるプラズマガスを加熱
し、プラズマフレーム２４を形成するものである。

【００１０】又、プラズマトーチ２１の出口付近の周囲
にガス流４１を噴出するノズル４２を複数個設けて、こ
こから噴出するガス流をプラズマフレーム２４と交叉さ
せて、プラズマを冷却してプラズマを分離し、残った液
滴２７を母材２９に衝突して溶射膜３０を形成するもの
である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的はプラ
ズマトーチの材料送入位置と母材との距離を、前記ガス
流によるプラズマ分離装置を用いた場合より、更に短く
しても、母材を傷めないようにすると共に、溶射膜の緻
密性等の品質を一層向上することである。

【００１２】他の目的はプラズマトーチの出口から噴出
するプラズマフレームの母材に衝突する際の速度を前記
ガス流による場合のそれより更に増加することである。

【００１３】又他の目的は通常のプラズマ溶射でヒュー
ムの発生による溶射膜の性能低下等の問題を解決するこ
とである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明はプラズマトー
チの出口付近におけるプラズマフレーム発生区域の周囲
にアトマイザを少なくとも１個配設し、そのアトマイザ
の噴出方向を前記プラズマフレームの噴出方向と交叉せ
しめ、プラズマフレームの中からプラズマを分離して、
その際残った溶射材料の液滴を、母材の表面に衝突し
て、そこに溶射膜を形成するプラズマ溶射方法及びその
装置である。

【００１５】

【作用】プラズマトーチの出口付近におけるプラズマフ
レームにその部分の周囲に設けられたアトマイザから噴
出される噴霧を交叉して、その噴霧と液体の気化熱によ
って、プラズマフレームの外周寄りの部分を能率的に冷
却して、プラズマを消滅させることにより、プラズマフ
レームからプラズマを分離する。

【００１６】また、上記プラズマフレームと噴霧の交叉
点の直後に配置した母材に衝突する液滴の速度を、プラ
ズマトーチの出口付近における速度を低下させることな
く、又その出口部における溶射材の液滴の温度をほとん
ど低下させることなく、高温に維持した状態でしかもヒ
ュームのない状態で母材に衝突させる。

【００１７】さらに噴霧中の液体が気化する際に瞬間的
に激しく膨張し、プラズマフレームの流れ方向に噴出
し、液滴を加速し、そのままの流速で母材に衝突させ
る。

【００１８】

【実施例】この発明の実施例を添付図面に基いて説明す
ると、主トーチ１の陰極２の軸方向と１個以上の副トー
チ３の陽極４の軸方向を互に交叉するように設けて、電
源１６、１７の電圧を陰極２と主トーチの外筒との間に
図示されていない起動スイッチを閉じて印加し、主トー
チを起動すると、主陰極２の先端から外筒の放出口に向
って、図示してない起動アークが形成され、これによっ
て主プラズマガスが加熱され、プラズマフレームとなっ
て主外筒の先端より、トーチの外部に向って放出され
る。次に陽極４と副トーチ４３の外筒との間に図示され
ていない起動スイッチを閉じ、電圧を印加し、図示して
いない副トーチ起動アークが発生し、副トーチの外筒の
先端の放出口よりプラズマが噴出する。このようにして
導電性を有する両プラズマは互いに交叉し、陰極２の先
端から陽極４の先端に至るプラズマガスによる導電路が
形成される。この状態で、前記両起動スイッチを切っ
て、両電極２、４間に電源１６、１７で電圧を印加して
陰極２から陽極４に向う定常ヘアピンアーク５を形成す
る。

【００１９】該主トーチ１のガス入口１ａから旋回流発
生装置１８を介して酸素、空気、アルゴン、或は窒素ガ
ス系のプラズマガスを供給して１００００℃以上の高温
ガスを発生すると共に、この高温ガスの中に材料供給ノ
ズル１ｃから金属又はセラミック等の溶射材料を供給し
て瞬間的に無数の液滴６を形成する。

【００２０】プラズマフレーム１０の外套７の出口８付
近におけるプラズマフレーム１０の通路１１に向けて、
水１２ａと空気１２ｂを供給するアトマイザの二流体ノ
ズル１２を１個以上交叉するように配設し、その二流体
ノズル１２からの水滴の噴霧をプラズマフレーム１０に
当てて、プラズマフレーム１０の先端の余分な部分を分
離し、液滴６の速度と温度を低下させないで母材１４に
衝突させて均一な厚さの溶射膜１５を形成する。

【００２１】またこの実施例ではノズル１２として、２
流体ノズルを用いたが、１流体ノズルを使用することが
できる。又噴霧の形状は必要に応じて円錐、扇形等任意
のものを使用することができる。噴霧する液体としては
蒸発の潜熱の大きさ、扱い易さ、有害物質の放出をのな
いこと等を考慮すると水が適切であるが必要に応じて他
の流体を使用してもよい。

【００２２】さらに上述実施例において水の噴霧を行わ
ないで１００ｋｗ運転した場合におけるプラズマフレー
ム１０の長さは図３の鎖線１０ａで示す如く、プラズマ
発生装置の出口８から、前方に向って１５０mm伸長し、
その間におけるプラズマフレーム１０ａの温度は２００
０°〜３０００℃であり、この間に母材１４をおいて溶
射した場合はその母材１４及び溶射膜１５に割れやクラ
ックを生じ、その溶射膜１５は使用が不可能である。

【００２３】そこで割れやクラックの発生を防止するた
めには、母材１４を鎖線１４ａで示す位置に遠ざければ
ならないが、このようにすると、液滴の速度と温度の低
下により高性能な溶射膜を得ることができない。

【００２４】次にこの実施例においてアトマイザによる
水の噴霧を行うとプラズマフレーム１０は図３及び図４
の実線１０ｂでなす如く切断されて円錐状に形成され
る。この円錐状のプラズマフレーム１０は溶融した溶射
材料の液滴６の冷却を最小限にするトンネル状のジャケ
ットとして作用し、母材１４と溶射膜１５に対する余分
な熱負荷をアトマイザによって噴霧された水の気化熱で
事前に除去し、その熱負荷による悪影響を防止できる。

【００２５】又、この際の水の爆発的な膨張に伴って、
そのガスがプラズマガスに沿って急速に噴射され、液滴
６を加速し、その結果緻密な溶射膜を形成する。

【００２６】次にこの実施例による実験例を示すと次の
通りである。アトマイザのノズル１２から空気圧３kgｆ
／cm2 で最大水噴出量２００cc／minの水を、プラズマ
フレーム１０の出口８から１５mm下流に噴出し、トーチ
の出口８から多孔質セラミックの母材１０までの溶射距
離が４０mmのところにおける温度測定を、 その母材にＣ
Ａ熱電対をつけて溶射しながら行ったところ、母材１４
の温度は２５０〜３００℃であった。この温度は母材１
４が充分耐熱できる温度である。

【００２７】又、この実施によって溶射されたＹＳＺ溶
射膜の緻密性を示す窒素ガス透過率は７×１０-7cm4 ／
gsであり、この緻密性は従来の大気圧プラズマ溶射によ
って得られたＹＳＺ溶射膜の緻密性の１０倍を示してお
り、この値は高度な設備を要する減圧プラズマ溶射法に
よって得られるＹＳＺ膜の緻密性に相当するものであ
る。

【００２８】更に、この実施例の方法によって耐摩耗性
膜として用いられるＣｒ2 Ｏ3 （１０〜４４μｍ）の溶
射を行ったところ、Ｃｒ2 Ｏ3 は昇華し易く通常の溶射
では大量のヒュームが発生し、これが製品の美観を損な
うと共に、その溶射膜中にとり込まれて溶射膜の性能を
著しく低下させるものであるが、本発明によれば、ヒュ
ームの発生がないので極めて高性能のＣｒ2 Ｏ3 の溶射
膜を形成することが可能になった。

【００２９】以上本発明を添付図面の実施例に基づいて
説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものでな
く、本発明の要旨内に於いて部分的変更及び付加を行っ
て実施することが可能である。

【００３０】例えばアトマイザの二流体ノズル１２の位
置は前記液滴の加速効果を有効に活用するために、図１
のごとく外套７の内側であることが好ましいが、プラズ
マフレームの分離を目的とする場合は外側であってもよ
い。

【００３１】又図７、図６のごときトーチを用いて本発
明を実施する場合は、溶射の目的に対して溶射材料の溶
融と速度が適切な条件に達する点を選んで、材料ノズル
２６と母材２９の間にアトマイザのノズル１２を設置す
ることでプラズマ分離効果を得ることができる。

【００３２】更に主トーチ及び副トーチの内面を二重構
造にして、その内部に水等を循環して夫々のトーチを冷
却することができる。

【００３３】

【発明の効果】この発明は上述の通りであるので、プラ
ズマフレームの高熱によって母材を損傷しないようにす
るとともに緻密性、密着性及び均一性等において高性能
な溶射膜を得ることができる。又その溶射膜の性能をプ
ラズマ溶射の際に発生するヒュームによって低下させる
ことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のプラズマ溶射方法とその装置及びそ
の方法を用いた溶射膜の実施例を示す縦断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線部の断面図である。

【図３】第１図の実施例の要部の概略図である。

【図４】第３図の右側面図である。

【図５】従来技術の縦断面図である。

【図６】他の従来技術の縦断面図である。

【図７】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線部の断面図であ
る。

【図８】更に他の従来技術の縦断面図である。

【図９】図８のＶＩＩＩＩ−ＶＩＩＩＩ線部の断面図で
ある。

【符号の説明】

１ プラズマトーチ １ａ ガス入口 １ｃ 材料供給ノズル ２ 陰極 ３ 副トーチ ４ 陽極 ５ アーク ６ 液滴 ７ 外套 ８ 出口 １０ プラズマフレーム １１ 通路 １２ 二流体ノズル １４ 母材 １５ 溶射膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマトーチの出口付近におけるプラ
   ズマフレームに向けてアトマイザからの噴霧を交叉させ
   ることを特徴とするプラズマ溶射方法。
2. 【請求項２】 プラズマトーチの出口付近におけるプラ
   ズマフレームの通路に向けて、それと交叉するようにア
   トマイザのノズルを配設することを特徴とするプラズマ
   溶射装置。
3. 【請求項３】 プラズマトーチの出口付近におけるプラ
   ズマフレームに向けてアトマイザからの噴霧を交叉せし
   め、該プラズマフレームにおける前記交叉する部分より
   下流に配置した母材に溶射膜を形成することを特徴とす
   るプラズマ溶射方法。