JPH0973997A

JPH0973997A - レーザ熱プラズマ方法

Info

Publication number: JPH0973997A
Application number: JP7226804A
Authority: JP
Inventors: Susumu Tsukamoto; 進塚本; Giichi Asai; 義一浅井; Kazuo Hiraoka; 和雄平岡; Hirosada Irie; 宏定入江
Original assignee: National Research Institute for Metals
Current assignee: National Research Institute for Metals
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 1997-03-18
Anticipated expiration: 2015-09-04
Also published as: US5835519A; JP2796609B2

Abstract

(57)【要約】【構成】放電によって生成させたガスプラズマ（７）
中に、収束したレーザ（２）を照射し、レーザ（２）と
同軸方向のガス（５）流の空間に、前記プラズマとは独
立したレーザ熱プラズマ（６）を生成させる。【効果】極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極
の消耗や放電電極表面への他の元素の堆積によるプラズ
マ状態の変化、表皮効果を回避することが可能となり、
さらには、プラズマの形状および温度分布を自由に制御
することをも可能となる。新材料の創製における材料合
成や加工のプロセスとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ熱プラズ
マ方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明
は、材料創製のための反応手段等として有用な、レーザ
熱プラズマの生成とその反応への利用等を可能とする新
しい方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来から、材料創製のための
プロセスとして熱プラズマを利用しようとする試みが様
々になされてきている。このプロセスでは、熱プラズマ
が発生させる高温、高荷電粒子密度、大熱容量等の豊富
な活性粒子を材料合成や加工に利用しようとしている。

【０００３】従来、このような熱プラズマの発生方法と
しては、アーク放電や、高周波放電が用いられてもい
る。しかしながら、アーク放電の場合には、発生したプ
ラズマの両端に陽極および陰極の電極が存在するので、
その両極から極構成材料がプラズマ中に混入し、また、
放電時間の経過とともに、放電電極の消耗や放電電極表
面への他の元素の堆積により、プラズマの状態が変化し
てしまうという問題がある。また、アーク放電において
は、その発生するプラズマの形状は放電電極の構造に大
きく依存しているため、発生するプラズマの形状や温度
分布を自由に制御することが困難であった。

【０００４】一方、高周波放電の場合は、アーク放電の
場合のような極構成材料のプラズマ中への混入や、放電
電極の消耗や放電電極表面への元素の堆積によるプラズ
マ状態の変化といったアーク放電特有の問題点を回避す
ることができるが、高周波放電特有の表皮効果が発生
し、したがって、プラズマの表面で温度がもっとも高
く、プラズマの内部で温度が低いという問題点があっ
た。

【０００５】プラズマを用いた材料合成プロセスでは、
プラズマの高温部分で物質を分解し、低温部分で反応合
成を行うことになるため、プラズマの中心部が高温状態
にあり、その周辺のできるだけ広い領域で低温プラズマ
が存在することが望ましい。このような観点からは、高
周波放電を用いる場合、高周波放電特有の表皮効果によ
り、材料合成プロセス等に最適な温度分布のプラズマを
形成することが難しい。

【０００６】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであり、従来のプラズマ技術についての欠点
を解消し、極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極
の消耗や放電電極表面への元素の堆積によるプラズマ状
態の変化、あるいは表皮効果を回避することが可能であ
り、プラズマの形状や温度分布を自由に制御することの
できる、新しいレーザ熱プラズマ方法を提供することを
目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、放電によって生成させたガスプ
ラズマに収束したレーザを照射し、このレーザと同軸方
向のガス流空間に、前記プラズマとは独立したレーザ熱
プラズマを生成させることを特徴とするレーザ熱プラズ
マ方法を提供する。

【０００８】そしてこの発明は、上記のレーザ熱プラズ
マを材料の合成や加工に利用する方法をも提供する。

【０００９】

【発明の実施の形態】この発明は、上記の通りの新しい
レーザ熱プラズマ方法を提供するものであるが、この発
明の方法は、レーザ光と蒸発粒子および雰囲気ガスとの
相互作用により形成されるレーザ誘起プラズマの現象解
析を行っている過程で、従来のレーザ加工にとって重要
な研究課題にもかかわらず、時間的な変動が激しく、発
光分光法などによる計測が困難であったレーザ誘起プラ
ズマを安定して形成する方法を模索し、その結果として
完成されたものである。

【００１０】この方法によって、たとえば非平衡材料な
どの創製をも可能とする新しい材料合成プロセスとして
の発展も可能になる。この発明においては、まず、放電
によって生成させるガスプラズマを得る手段としては、
たとえばアーク放電などを用いることができ、生成させ
たガス熱プラズマは、その放電を停止しても、レーザビ
ームを照射する限り、安定して持続する。

【００１１】この発明において使用するプラズマ生成の
ためのガスとしては、アルゴンガス、アルゴン−ヘリウ
ム混合ガス、窒素ガスなどを用いることができ、また、
これらのプラズマ生成ガスとともに、材料の合成、加工
等のための反応性ガスを用いることができる。たとえ
ば、反応性ガスとしては、酸素、酸素化合物、窒素、窒
素化合物、硫黄化合物、ハロゲン化合物、炭化水素その
他の有機化合物、有機金属化合物等のガスが用いられ
る。

【００１２】レーザとしては、大出力のものが好ましく
使用され、たとえば大出力・赤外レーザが好適に使用さ
れる。レーザ熱プラズマの生成については、上記の通
り、放電により生成させたガスプラズマに、収束したレ
ーザを照射し、レーザと同軸方向のガス流空間に、安定
したレーザ熱プラズマを生成させることを特徴としてい
る。

【００１３】つまり、この発明では、たとえばアーク放
電を用いる場合でも、その放電により生成させたプラズ
マとは独立した空間域に、安定した熱プラズマを独立し
て生成させる。このため、たとえばアーク放電特有の極
構成材料のプラズマ中への混入、放電電極の消耗や放電
電極表面への元素の堆積によるプラズマ状態の変化を回
避することが可能となる。

【００１４】また、この発明においては、レーザが照射
されているプラズマ中心部で温度が高く、周囲に向かう
ほど温度が低下し、またその温度分布やプラズマ形状
は、レーザの出力、レーザ照射方法およびプラズマ生成
ガスの流量とにより制御することができる。表皮効果を
原因とするプラズマの温度分布に関する高周波放電の問
題点をも解決することができる。

【００１５】以下実施例を示し、さらに詳しくこの発明
の実施の形態について説明する。

【００１６】

【実施例】図１は、この発明のレーザ熱プラズマの生成
について例示したものであって、収束レンズ（１）によ
ってレーザ（２）を放電電極（８）付近に収束させる。
プラズマ生成ガス導入口（３）からはプラズマ生成ガス
をレーザに向かって導入し、ノズル（４）からレーザ
（２）と同軸方向にプラズマ生成ガス（５）を流す。そ
して、あらかじめ放電電極（８）間で生成させたプラズ
マ（７）に対して、収束レンズ（１）により収光したレ
ーザ（２）を照射する。

【００１７】プラズマ生成ガスの流量とレーザ出力とを
制御することにより、放電電極（８）の上方にレーザ熱
プラズマ（６）が安定して独立に生成される。このプラ
ズマは放電電極（８）間の放電を停止して電極間のプラ
ズマ（７）を消滅させた後においても、レーザ（２）を
照射している限り、持続する。そして、生成されたレー
ザ熱プラズマ（６）は、収束レーザ（２）とこれと同軸
上のプラズマ生成ガス（５）の流れの移動、たとえば水
平方向、上下方向への移動にともなって移動し、適宜な
位置において安定したレーザ熱プラズマとして材料合成
や材料加工に使用することができる。

【００１８】当然、この場合にも、プラズマ生成ガス
（５）とともに反応性ガスを流すことができ、また、プ
ラズマ生成ガス（５）の流れとは別に雰囲気として反応
性ガスを供給することもできる。このような様々な態様
によって、たとえば薄膜形成、表面加工、粉体形成等の
材料の合成・加工が可能となる。

【００１９】実際に、プラズマ生成ガスとしてアルゴン
ガスを、レーザとして炭酸ガスレーザを用い、直径１０
ｍｍのガスノズルから、レーザと同軸方向に毎分１５リ
ットルでアルゴンガスを噴出させ、アルゴン雰囲気下
で、アーク放電により形成したアークプラズマの中心
に、収束した炭酸ガスレーザ光を照射した。その結果、
レーザ出力が１ｋＷ以上の領域で、放電電極の約５０ｍ
ｍ上方のレーザ軸上に、安定した独立のレーザ熱プラズ
マが生成された。このレーザ熱プラズマは、アーク放電
を停止しても、レーザビームを照射する限り、安定して
持続した。

【００２０】また、出力３．５ｋＷの炭酸ガスレーザを
用い、アルゴン流量２０ｌ／ｍｉｎ（ガスノズル１０ｍ
ｍ径）についても同様にレーザ熱プラズマを生成させ
た。図２は、（ａ）銅板とＴＩＧＬ−４とからなる電極
による放電アークプラズマのみの生成、（ｂ）レーザ照
射によるレーザ熱プラズマの生成、（ｃ）アーク放電停
止後のレーザ熱プラズマの生成、持続の状態を示してい
る。

【００２１】次に、プラズマ生成ガスに窒素を用い、前
記の同一の方法で、レーザ熱プラズマを生成させた。こ
の場合、プラズマ生成ガス流量が毎分１０リットル、レ
ーザ出力が２ｋＷ以上において、安定したレーザ熱プラ
ズマが生成された。このレーザ熱プラズマの場合も、ア
ーク放電を停止しても、レーザビームを照射する限り、
安定して持続した。

【００２２】最後に、プラズマ生成ガスとして、混合比
５０対５０のアルゴン−ヘリウムを用い、前記と同一の
方法で、レーザ熱プラズマを生成させた。この場合、プ
ラズマ生成ガス流量が毎分１０リットル、レーザ出力が
３ｋＷ以上において安定したレーザ熱プラズマが生成さ
れた。レーザ熱プラズマは、アーク放電を停止しても、
レーザビームを照射する限り、安定して持続した。

【００２３】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極の消
耗や放電電極表面への他の元素の堆積によるプラズマ状
態の変化、および、表皮効果を回避することが可能とな
り、さらには、プラズマの形状および温度分布を自由に
制御することをも可能となる。

【００２４】新材料の創製における材料合成や加工のた
めの新しい手段が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法の概略図である。

【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、アークプラズマとレー
ザ熱プラズマの生成、持続の状態を示した図面に代わる
写真である。

【符号の説明】

１収束レンズ２レーザ３プラズマ生成ガス導入口４ガスノズル５プラズマ生成ガス６レーザ熱プラズマ７プラズマ８放電電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者入江宏定茨城県つくば市千現１丁目２番１号科学技術庁金属材料技術研究所筑波支所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電によって生成させたガスプラズマに
収束したレーザを照射し、このレーザと同軸方向のガス
流空間に、前記プラズマとは独立したレーザ熱プラズマ
を生成させることを特徴とするレーザ熱プラズマ方法。
【請求項２】請求項１のレーザ熱プラズマ方法におい
て、レーザ熱プラズマの生成後に、レーザを照射したま
ま放電を停止するレーザ熱プラズマ方法。
【請求項３】請求項１または２のレーザ熱プラズマに
より材料合成または材料加工を行うことを特徴とするレ
ーザ熱プラズマ方法。