JPH10102228A - Thermal spraying method by magnetic field controlled plasma - Google Patents

Thermal spraying method by magnetic field controlled plasma

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JPH10102228A
JPH10102228A JP8253352A JP25335296A JPH10102228A JP H10102228 A JPH10102228 A JP H10102228A JP 8253352 A JP8253352 A JP 8253352A JP 25335296 A JP25335296 A JP 25335296A JP H10102228 A JPH10102228 A JP H10102228A
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JP
Japan
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magnetic field
plasma
plasma jet
torch
jet
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Application number
JP8253352A
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Japanese (ja)
Inventor
Tadao Uyama
忠男 宇山
Masayoshi Nagata
正義 永田
Naoyuki Fukumoto
直之 福本
Kazuhiko Taniguchi
和彦 谷口
Akira Omori
明 大森
Noritaka Eguchi
法孝 江口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kinden Corp
Original Assignee
Kinden Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow a injected thermal spraying material to stick to the surface of a substrate at a high yield by directly controlling a plasma jet and thereby changing the shape of the plasma jet in accordance with the flow of spray particles. SOLUTION: While an operating container gas is fed to a plasma torch 26 at the inside of a vacuum container, d.c. under high voltage is applied to the space between an anode 31 and a cathode 32 to generate arc discharge, and the operating gas 45 is ionized and is jetted as a plasma jet 52 from a nozzle 34. A powdery thermal spraying material is fed therein from a feed port 38 and is metled under heating to form into the flow of spray particles, which is stuck to solidify to the surface of a substrate 48 to form coating 51. At this time, a d.c. under certain voltage is applied to an electromagnetic coil 25 in the direction clockwise from the view in the direction of the plasma jet 52 to generate the stationary magnetic field, and the magnetic field is operated to the plasma jet 52. In this way, the particles can be cramped to the magnetic field, so that the plasma jet having a shape in accordance with the coordination of the magnetic field can be formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、磁界制御プラズ
マによる溶射法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermal spraying method using a magnetic field control plasma.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から知られているプラズマ溶射法
は、図8に模式的に示すようなプラズマトーチを用いて
行われる。このプラズマトーチ1は基台2の中央に円錐
形の陰極3を設置すると共にその陰極3の周りにおい
て、上記基台2に取り付けた環状の絶縁体4を介して円
筒状の陽極5を取り付けている。上記の陽極5の内部に
冷却室6が設けられ、その冷却室6に冷却水入口7が設
けられる。また、冷却室6は絶縁体4の連通孔8及び基
台2の内部を経て、冷却水排出口9に連通している。
2. Description of the Related Art A conventionally known plasma spraying method is performed by using a plasma torch as schematically shown in FIG. In this plasma torch 1, a conical cathode 3 is provided at the center of a base 2, and a cylindrical anode 5 is attached around the cathode 3 via an annular insulator 4 attached to the base 2. I have. A cooling chamber 6 is provided inside the anode 5, and a cooling water inlet 7 is provided in the cooling chamber 6. The cooling chamber 6 communicates with the cooling water discharge port 9 through the communication hole 8 of the insulator 4 and the inside of the base 2.

【0003】上記の絶縁体4に作動ガス導入口10が設
けられ、また上記陽極5の出口部分、即ちノズル11の
前方に溶射材料送給筒12が設置される。
[0003] A working gas inlet 10 is provided in the insulator 4, and a sprayed material supply cylinder 12 is provided in the outlet of the anode 5, that is, in front of the nozzle 11.

【0004】上記の作動ガス導入口10から不活性がス
10を送給すると共に、両極5、3間に高電圧を印加す
ることによりアーク放電を生ぜしめ、上記不活性ガスを
アーク柱13に接触させてイオン化させる。イオン化さ
れたプラズマは、ノズル11から噴出されてプラズマジ
ェット14となる。
The inert gas is supplied from the working gas inlet 10 and an arc discharge is generated by applying a high voltage between the electrodes 5 and 3, and the inert gas is supplied to the arc column 13. Contact and ionize. The ionized plasma is ejected from the nozzle 11 and becomes a plasma jet 14.

【0005】上記のプラズマジェット14に粉末状の溶
射材料15が送給筒12から送給ガスによって注入され
る。溶射材料15はプラズマジェット14により加熱溶
融されると共に加速され、溶射粒子の流れとなって被溶
射基材16の表面に吹き付けられる。溶射粒子は、偏平
に変形しながら凝固して被溶射基材16の表面に皮膜1
7を形成する。
[0005] A powdered thermal spray material 15 is injected into the above-mentioned plasma jet 14 from a feed cylinder 12 by a feed gas. The thermal spray material 15 is heated and melted by the plasma jet 14 and accelerated, and is sprayed as a flow of thermal spray particles on the surface of the substrate 16 to be thermal sprayed. The thermal spray particles solidify while deforming flat and form a coating 1 on the surface of the substrate 16 to be thermal sprayed.
7 is formed.

【0006】なお、溶射材料15は、図示のようにノズ
ル11の外部から送給する外部送給方式とノズル11の
内部から送給する内部送給方式がある。また、大気ガス
と溶射粒子の反応を防止したり、皮膜の気孔率を下げる
ために、上記のプラズマトーチ11及び被溶射基材16
を真空容器内に設置し、低圧雰囲気中で溶射を行なう、
いわゆる減圧溶射法(LPPS)も従来から知られてい
る。
As shown in the figure, there are an external feeding method in which the sprayed material 15 is fed from outside the nozzle 11 and an internal feeding method in which the sprayed material 15 is fed from inside the nozzle 11. Further, in order to prevent the reaction between the atmospheric gas and the spray particles and to reduce the porosity of the coating, the above-mentioned plasma torch 11 and the substrate 16 to be sprayed are used.
Is placed in a vacuum vessel and sprayed in a low-pressure atmosphere.
The so-called reduced pressure spraying (LPPS) is also conventionally known.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記のごときプラズマ
溶射によって被溶射基材の表面に皮膜を効率よく形成し
ようとする場合、注入した溶射材料を歩留りよく、望ま
しくは全量を基材表面に付着させる必要がある。
In order to efficiently form a film on the surface of a substrate to be sprayed by plasma spraying as described above, the injected sprayed material is deposited on the surface of the substrate at a good yield, preferably the whole amount. There is a need.

【0008】しかるに、従来の方法では溶射材料の注入
条件或いはプラズマ中に発生する衝撃波等の影響によ
り、注入された溶射材料がプラズマジェットの外部に飛
び出し、プラズマジェットの外周を流れて失速したり或
いは加熱溶融が不十分となるため、皮膜形成の歩留が上
がらない問題があった。
However, in the conventional method, the injected thermal spray material jumps out of the plasma jet due to the injection condition of the thermal spray material or the influence of a shock wave generated in the plasma and flows along the outer periphery of the plasma jet, causing a stall. There was a problem that the yield of film formation did not increase due to insufficient heat melting.

【0009】上記の問題を解決するために、プラズマジ
ェットの入熱や形状を変化させようとすると、トーチの
形状、トーチ電圧、トーチ電流、作動ガスの種類、ガス
流量、雰囲気圧力等を制御することにより間接的に制御
する方法しかなく、制御が複雑になる問題があった。
In order to solve the above problems, it is necessary to change the heat input and the shape of the plasma jet by controlling the shape of the torch, the torch voltage, the torch current, the type of working gas, the gas flow rate, the atmospheric pressure and the like. Therefore, there is only a method of indirect control, and there is a problem that control is complicated.

【0010】そこで、この発明は、プラズマジェットを
直接的に制御することにより、溶射粒子の流れに応じて
プラズマジェットの形状を変化させ、溶射効率を向上さ
せることを第1の目的とする。
Accordingly, a first object of the present invention is to directly control the plasma jet to change the shape of the plasma jet in accordance with the flow of the spray particles, thereby improving the spray efficiency.

【0011】また、前述の減圧溶射法においては、プラ
ズマジェットを低圧雰囲気中に噴出するため、断熱膨張
によりプラズマの温度が低下し、溶射材料の加熱効率が
低下する問題がある。そこで、この発明の第2の目的
は、前述の第1の目的と併せ、プラズマの再加熱を行う
ことにより溶射材料の加熱効率を向上させることにあ
る。
Further, in the above-mentioned low-pressure spraying method, since the plasma jet is jetted into a low-pressure atmosphere, there is a problem that the temperature of the plasma decreases due to adiabatic expansion, and the heating efficiency of the sprayed material decreases. Therefore, a second object of the present invention is to improve the heating efficiency of a thermal spray material by performing reheating of plasma, in addition to the first object.

【0012】また、溶射材料の完全溶融化を目指す場合
プラズマトーチの大容量化を図ることが必要となる。こ
の場合、トーチ電流は電極の許容電流密度により制限さ
れるため、トーチ電圧を上昇させる必要がある。そこ
で、この発明の第3の目的は、前記の第1の目的と併せ
てトーチ電圧を上昇させ、プラズマトーチの大容量化を
図ることにある。
Further, when aiming at complete melting of the sprayed material, it is necessary to increase the capacity of the plasma torch. In this case, since the torch current is limited by the allowable current density of the electrode, it is necessary to increase the torch voltage. Therefore, a third object of the present invention is to increase the torch voltage in addition to the first object, thereby increasing the capacity of the plasma torch.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記の第1の目的を達成
するために、この発明は、プラズマトーチで発生したプ
ラズマジェットに粉末状の溶射材料を給送し、上記プラ
ズマジェットにより上記溶射材料を加熱溶融すると共に
加速して溶射粒子の流れを作り、これを被溶射基材の表
面に吹き付けて皮膜を形成させるプラズマ溶射による皮
膜形成方法において、上記プラズマトーチの外周部に同
軸状に設置した電磁コイルによりプラズマジェットに磁
界を作用せしめ、上記磁界の磁界配置に従って上記溶射
粒子の流れをプラズマジェットの中に取り込むように該
プラズマジェットを制御するようにした。
In order to achieve the first object, the present invention provides a method for feeding a thermal spray material in powder form to a plasma jet generated by a plasma torch, and using the plasma jet to spray the thermal spray material. Is heated and melted and accelerated to form a flow of spray particles, and in a method of forming a film by plasma spraying in which this is sprayed onto the surface of the substrate to be sprayed to form a film, the flow is disposed coaxially around the outer periphery of the plasma torch. A magnetic field is applied to the plasma jet by an electromagnetic coil, and the plasma jet is controlled so that the flow of the spray particles is taken into the plasma jet according to the magnetic field arrangement of the magnetic field.

【0014】上記の第2の目的を達成するために、上記
の磁界を定常的に作用させるか、或は時間的に変化させ
て作用させることにより、上記プラズマトーチで発生し
たプラズマを再加熱するようにした。
In order to achieve the second object, the above-mentioned magnetic field is made to work constantly or is made to change with time, so that the plasma generated by the plasma torch is reheated. I did it.

【0015】また、上記の第3の目的を達成するため
に、上記の磁界をプラズマトーチの陽極と陰極間に生じ
るアーク柱にも作用させることにより、トーチ電圧を上
昇させ、これにより上記プラズマトーチの出力を上昇さ
せるようにした。
In order to achieve the third object, the magnetic field is also applied to an arc column generated between the anode and the cathode of the plasma torch to increase the torch voltage, thereby increasing the plasma torch. Output was increased.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1はプラズマ溶射装置を示すも
のである。この場合のプラズマ溶射は減圧溶射法によ
る。上記の装置は脚台20の上に真空容器21が設置さ
れ、その真空容器21の内部において調節脚22により
基台23を支持している。また基台23上に水平方向の
中心穴を有する巻枠24が設置され、その巻枠24に電
磁コイル25が巻かれる。
FIG. 1 shows a plasma spraying apparatus. The plasma spraying in this case is based on a reduced pressure spraying method. In the above-described apparatus, a vacuum vessel 21 is installed on a footrest 20, and a base 23 is supported by adjusting legs 22 inside the vacuum vessel 21. A winding frame 24 having a center hole in the horizontal direction is installed on the base 23, and an electromagnetic coil 25 is wound around the winding frame 24.

【0017】上記巻枠24の中心穴にプラズマトーチ2
6が同軸状に固定される。上記のプラズマトーチ26
は、図2に示すように、導体でなる外筒27内に円筒状
の絶縁体28を介して導体でなる内筒29を挿入一体化
してあり、上記外筒27と絶縁体28の先端に円筒状の
陽極31が取り付けられ、また、絶縁体28と内筒29
の先端に砲弾形の陰極32が取り付けられる。上記の陰
極32の先端部分が上記陽極31の中心穴33の後端部
に所要の放電間隙おいて臨む。陽極31の先端に、その
中心穴33と同軸状のテーパ状開口30を有するノズル
34が取り付けられる。
A plasma torch 2 is provided in the center hole of the winding frame 24.
6 is fixed coaxially. The above plasma torch 26
As shown in FIG. 2, a conductor inner cylinder 29 is inserted and integrated into a conductor outer cylinder 27 via a cylindrical insulator 28, and the outer cylinder 27 and the tip of the insulator 28 A cylindrical anode 31 is attached, and an insulator 28 and an inner cylinder 29 are provided.
A bullet-shaped cathode 32 is attached to the tip of the. The front end of the cathode 32 faces the rear end of the center hole 33 of the anode 31 with a required discharge gap. A nozzle 34 having a tapered opening 30 coaxial with the center hole 33 is attached to the tip of the anode 31.

【0018】上記外筒27の端部に作動ガスの送給口3
5が設けられ、その送給口35が上記絶縁体28の外周
面と外筒27の内周面との間に形成された送給通路36
に連通している。上記送給通路36の先端部は、陰極3
2の周りにおいて、その陽極31と陰極32間に介在さ
れた環状のノズル部材37に達し、陰極32の外周部を
経て陽極31の中心穴33に開放される。
A working gas supply port 3 is provided at the end of the outer cylinder 27.
5 is provided, and a feed port 35 is provided between the outer peripheral surface of the insulator 28 and the inner peripheral surface of the outer cylinder 27.
Is in communication with The tip of the feed passage 36 is connected to the cathode 3
Around 2, it reaches an annular nozzle member 37 interposed between the anode 31 and the cathode 32, and is opened to the center hole 33 of the anode 31 via the outer periphery of the cathode 32.

【0019】また、上記の陽極31には半径方向の溶射
材料の送給口38が設けられ(内部送給方式)、その供
給口38は中心穴33の内周面に開放される。
The above-mentioned anode 31 is provided with a feed port 38 for sprayed material in the radial direction (internal feed system). The feed port 38 is opened to the inner peripheral surface of the center hole 33.

【0020】また、上記の陽極31の内部には冷却水通
路39が設けられ、陽極31とノズル34間の環状冷却
水通路40で折り返して設けられる。上記冷却水通路3
9の入側は、内筒29の内部及び絶縁体28の内部に設
けられた供給通路41と連通しており、また出側は外筒
27の内部に設けられた冷却水排出通路42に連通され
る。
A cooling water passage 39 is provided inside the anode 31, and is provided by being folded back in an annular cooling water passage 40 between the anode 31 and the nozzle 34. Cooling water passage 3
The inlet side of 9 communicates with a supply passage 41 provided inside the inner cylinder 29 and the insulator 28, and the outlet side communicates with a cooling water discharge passage 42 provided inside the outer cylinder 27. Is done.

【0021】上記の外筒27と内筒29は外部の直流電
源43に接続され、また電磁コイル25も外部の他の直
流電源44に接続される。また作動ガス45及び冷却水
もそれぞれ外部から供給される。
The outer cylinder 27 and the inner cylinder 29 are connected to an external DC power supply 43, and the electromagnetic coil 25 is also connected to another external DC power supply 44. The working gas 45 and the cooling water are also supplied from outside.

【0022】上記構成のプラズマトーチ26のノズル3
4の前方において、図1に示すように基台23上に6軸
多関節ロボット47が設置され、そのロボット47によ
り、被溶射基材48を把握せしめ、遠隔操作によりその
基材48をノズル34の前方の所定位置に静止させる。
The nozzle 3 of the plasma torch 26 having the above configuration
1, a six-axis articulated robot 47 is installed on the base 23 as shown in FIG. 1, and the robot 47 grasps the substrate 48 to be sprayed. At a predetermined position in front of the

【0023】その他、図1において、49は減圧排気
口、50は覗き窓である。
In FIG. 1, reference numeral 49 denotes a vacuum exhaust port, and reference numeral 50 denotes a viewing window.

【0024】以上のごとき装置において、被溶射基材4
8に皮膜51を形成させる方法は、真空容器21内の空
気を真空ポンプを用いて減圧排気口49から排気するこ
とにより内部を減圧し、作動ガス45を送給しつつ陽極
31と陰極32との間に直流の高電圧を印加することに
よりアーク放電を生ぜしめる。そのアーク柱に接触する
ことにより作動ガス45がイオン化され、ノズル34か
らプラズマジェット52として噴出される。
In the above apparatus, the substrate 4 to be sprayed is
8, a film 51 is formed by exhausting air in a vacuum vessel 21 from a vacuum exhaust port 49 using a vacuum pump to reduce the pressure inside the vacuum vessel 21 and supply a working gas 45 to the anode 31 and the cathode 32. During this time, an arc discharge is generated by applying a high DC voltage. The working gas 45 is ionized by contacting the arc column, and is ejected from the nozzle 34 as a plasma jet 52.

【0025】一方、溶射材料の送給口38から粉末状の
溶射材料を上記のプラズマジェット52中に供給する。
溶射材料はプラズマジェット52中に注入され、加熱溶
融されて溶射粒子の流れとなり、これが基材48の表面
に面状に付着凝固して皮膜51を形成する。
On the other hand, a powdery spray material is supplied into the above-mentioned plasma jet 52 from a spray material supply port 38.
The thermal spray material is injected into the plasma jet 52 and heated and melted to form a stream of thermal spray particles, which adhere to the surface of the substrate 48 in a planar manner and solidify to form a film 51.

【0026】上記のごときプラズマ溶射において、電磁
コイル25に一定電圧の直流をプラズマジェット52の
方向に見て右回りの方向に加えて定常磁界を生ぜしめ、
その磁界をプラズマジェット52に作用させる。そうす
ると、プラズマ中の電子やイオンの荷電粒子は、プラズ
マの温度と磁界の磁束密度に応じた半径(ラーマ半径)
で磁力線の周りにら旋運動を行い、他の粒子と衝突しな
い限り磁力線に拘束されて磁界の垂直方向に移動するこ
とはない。このため、他の粒子との衝突の程度を表わす
平均自由行程よりもラーマ半径を小さくすることによ
り、粒子を磁界に拘束させることができる。その結果、
磁界配位に応じた形状のプラズマジェットを形成でき、
また同時に磁力線の方向にプラズマジェットの流れを制
御することができる。
In the plasma spraying as described above, a constant voltage direct current is applied to the electromagnetic coil 25 in the clockwise direction as viewed in the direction of the plasma jet 52 to generate a stationary magnetic field.
The magnetic field acts on the plasma jet 52. Then, the charged particles of electrons and ions in the plasma have a radius (Rama radius) corresponding to the plasma temperature and the magnetic flux density of the magnetic field.
Makes a spiral motion around the magnetic field lines, and does not move in the vertical direction of the magnetic field due to the magnetic field lines unless it collides with other particles. Therefore, the particles can be constrained by the magnetic field by making the radius of the Rama smaller than the mean free path indicating the degree of collision with other particles. as a result,
A plasma jet of a shape corresponding to the magnetic field configuration can be formed,
At the same time, the flow of the plasma jet can be controlled in the direction of the line of magnetic force.

【0027】この場合、前記のような電磁コイル25の
配置及びこれに流す電流の方向により、プラズマジェッ
ト52を末拡がり状に変形させたり(図3a参照)、ま
た、図3(b)、(c)に示すように、前記の電磁コイ
ル25の前方に所要の間隔をおいて第2の電磁コイル2
5’を配置し、これに上記電磁コイル25と反対方向の
電流を流したり(b図の場合)、同方向の電流を流した
り(c図の場合)することにより磁界配位を変化させる
と、それぞれの磁界配位に応じてプラズマジェット52
の形状を変えることができる。
In this case, depending on the arrangement of the electromagnetic coil 25 as described above and the direction of the current flowing therethrough, the plasma jet 52 can be deformed in a divergent shape (see FIG. 3A), or FIGS. As shown in (c), the second electromagnetic coil 2 is provided at a predetermined interval in front of the electromagnetic coil 25.
5 'is arranged, and a current in the opposite direction to the above-mentioned electromagnetic coil 25 is passed (in the case of FIG. 5B) or a current in the same direction is passed (in the case of FIG. 10C) to change the magnetic field configuration. , The plasma jet 52 depending on the respective magnetic field configuration
Can be changed.

【0028】一方、溶射材料は上記のプラズマジェット
52により加熱溶融され、かつ加速されるが、溶融され
た溶射粒子の流れを上記の磁界によって制御することは
できない。このため、プラズマジェット52の外に飛び
出すものもあるが、その溶射粒子の流れの全体を包含す
るような磁界配位となる電磁コイル25、25’の配置
を選定することにより、ほとんどの溶射粒子をプラズマ
ジェット52の中に取り込むことができる。このため、
磁界を作用させない従来のプラズマ溶射に比べ、効率よ
く皮膜51を形成することができる。
On the other hand, the thermal spray material is heated and melted by the plasma jet 52 and accelerated. However, the flow of the thermal spray particles cannot be controlled by the magnetic field. For this reason, some of the spray particles may jump out of the plasma jet 52, but by selecting the arrangement of the electromagnetic coils 25 and 25 'having a magnetic field configuration that encompasses the entire flow of the spray particles, most of the spray particles Into the plasma jet 52. For this reason,
The film 51 can be formed more efficiently than conventional plasma spraying without applying a magnetic field.

【0029】上記のように、プラズマジェット52に定
常的又は時間的に変化する磁界を作用させるとプラズマ
ジェット54の形状を直接的に制御することができるほ
か、定常磁界の場合プラズマジェット52がある速度u
で半径方向に磁束密度Bの磁界を半径方向に横切ること
により、円周方向の起電力u×Bが生じて電流が発生す
る。また、時間的に変化する磁界の場合、起電力(−r
/2×dBz/dt、但し、rはプラズマ中心軸から半
径方向の距離、dBz/dtは距離rの位置における中
心軸方向の磁束密度Bzの変化率)による電流も発生す
る。
As described above, when a stationary or time-varying magnetic field is applied to the plasma jet 52, the shape of the plasma jet 54 can be directly controlled. In the case of a steady magnetic field, the plasma jet 52 is used. Speed u
Traverses the magnetic field of the magnetic flux density B in the radial direction in the radial direction, a circumferential electromotive force u × B is generated, and a current is generated. In the case of a time-varying magnetic field, the electromotive force (-r
/ 2 × dBz / dt, where r is a distance in the radial direction from the plasma center axis, and dBz / dt is a change rate of the magnetic flux density Bz in the center axis direction at a position of the distance r.

【0030】これらの電流が電気抵抗をもったプラズマ
中に流れることによりジュール加熱が発生してプラズマ
中の電子の温度が上昇し、同時に他のプラズマ中の粒子
との衝突も活発となり、イオンと中性粒子の励起や電離
が促進され、プラズマ全体が再加熱される。
When these currents flow into the plasma having electric resistance, Joule heating occurs, and the temperature of the electrons in the plasma rises. At the same time, collision with particles in other plasma becomes active, and ions and ions are generated. Excitation and ionization of neutral particles are promoted, and the whole plasma is reheated.

【0031】前述のように、減圧溶射法においては、真
空容器21内に噴射されたプラズマジェット52は断熱
膨張により温度が低下するが、上記のごとき磁界との相
互作用によりプラズマ全体が再加熱されることにより、
断熱膨張による温度低下を補うことができる。これによ
り、溶射材料の溶融不足を解消することができる。
As described above, in the vacuum spraying method, the temperature of the plasma jet 52 injected into the vacuum vessel 21 decreases due to adiabatic expansion. However, the interaction with the magnetic field as described above reheats the entire plasma. By doing
The temperature drop due to adiabatic expansion can be compensated. As a result, it is possible to eliminate insufficient melting of the thermal spray material.

【0032】更に上記の磁界はプラズマジェット52に
作用するが、これと同時に陽極31と陰極32との間に
生起するアーク柱にも作用する。磁界による磁気力はア
ーク柱の中心軸方向に作用するためアーク柱が収縮し、
断面積を縮小させる(磁界のピンチ効果)。このため、
アーク柱の電位傾度が大きくなってトーチ電圧が増大す
る。その結果、トーチ電流を増すことなくプラズマトー
チ26の出力を増大させ、溶射粒子の完全溶融を図るこ
とができる。
Further, the above-mentioned magnetic field acts on the plasma jet 52, but also acts on the arc column generated between the anode 31 and the cathode 32 at the same time. Since the magnetic force due to the magnetic field acts in the direction of the central axis of the arc column, the arc column contracts,
Reduce cross-sectional area (pinch effect of magnetic field). For this reason,
The potential gradient of the arc column increases and the torch voltage increases. As a result, the output of the plasma torch 26 can be increased without increasing the torch current, and the sprayed particles can be completely melted.

【0033】(試験例1)上記の実施形態に示した装置
を用い、次の諸元及び条件で皮膜形成試験を行った。 陰極(タングステン) φ8mm 陽極(銅) 内径φ8mm〜φ12mm トーチ電流 600A 容器圧力 13kPa 電磁コイル 内径70mm,長さ157mm,1000ター ン 最大磁界密度 B=0.84T 磁界配位 印加可能なコイル中心軸上の図3(a)に示す 末拡がり形 作動ガス アルゴン(その他、ヘリウム、窒素、水素が使 用できる。) ガス流量 60l/min 溶射材料 NiCrALY粉末 送給量 20g/min 基材 ブラスト処理を施した軽鋼(SS400) 150mm×150mm×3.2mm 溶射距離 150mm 溶射時間 30秒。
(Test Example 1) Using the apparatus described in the above embodiment, a film formation test was performed under the following specifications and conditions. Cathode (tungsten) φ8 mm Anode (copper) Inner diameter φ8 mm to φ12 mm Torch current 600 A Container pressure 13 kPa Electromagnetic coil Inner diameter 70 mm, length 157 mm, 1000 turns Maximum magnetic field density B = 0.84 T Magnetic field arrangement Applicable coil center axis 3 (a) Spreading type Working gas Argon (Other helium, nitrogen, and hydrogen can be used.) Gas flow rate 60 l / min Thermal spray material NiCrALY powder Feed rate 20 g / min Base material Light blasted Steel (SS400) 150 mm x 150 mm x 3.2 mm Spray distance 150 mm Spray time 30 seconds.

【0034】(試験例1の結果) (1) 皮膜の形状に対する磁界の影響を知るため、電
磁コイルの中心軸上の最大磁界密度BをB=0、B=
0.3T,B=0.6Tに変化させた。
(Results of Test Example 1) (1) In order to know the effect of the magnetic field on the shape of the coating, the maximum magnetic field density B on the center axis of the electromagnetic coil is B = 0, B =
0.3T and B = 0.6T were changed.

【0035】図4(a)〜(c)は皮膜の形状を示すも
のであり、縦線Lと水平線Hの交点は、トーチの中心軸
を示す。この結果から、磁界印加前(B=0)の場合に
比べ、磁界印加後(B=0.3T 0.6T)において
皮膜の面積が増大していることがわかる。また、図5
(a)は縦線L方向の皮膜の厚さ分布、図5(b)は横
線H方向の皮膜の厚さ分布を示す。
FIGS. 4A to 4C show the shape of the film, and the intersection of the vertical line L and the horizontal line H indicates the center axis of the torch. From this result, it can be seen that the area of the film increases after the application of the magnetic field (B = 0.3T 0.6T) as compared to the case before the application of the magnetic field (B = 0). FIG.
(A) shows the film thickness distribution in the vertical line L direction, and FIG. 5 (b) shows the film thickness distribution in the horizontal line H direction.

【0036】図5(a)の縦線L方向の皮膜の厚さにお
いて、磁界印加前は中心軸付近と中心軸を通る縦線Lの
下方30mmの位置にピークを示し、中心軸より下の部
分の方が大きい値を示す。しかし、磁界印加後ではトー
チ中心軸に膜厚のピークが移動している。
In FIG. 5A, the thickness of the coating in the direction of the vertical line L shows a peak near the central axis and at a position 30 mm below the vertical line L passing through the central axis before the application of the magnetic field, and below the central axis. The part shows a larger value. However, after the application of the magnetic field, the peak of the film thickness moves to the center axis of the torch.

【0037】このことから、磁界印加前は中心軸を通る
縦線上の上部から注入している溶射粉末の送給ガスの影
響により、プラズマジェットの流れが中心軸方向と、中
心軸になってやや下向きの2つになっているが、磁界印
加後にプラズマが中心軸から半径方向に広がる磁界に沿
って運動するため、プラズマジェットの流れも中心軸方
向のみに制御される。
Therefore, before the application of the magnetic field, the flow of the plasma jet is slightly shifted to the central axis direction and the central axis due to the effect of the gas supplied from the upper part of the vertical line passing through the central axis. Although the direction is downward, the plasma moves along the magnetic field that spreads radially from the central axis after the application of the magnetic field, so that the flow of the plasma jet is also controlled only in the central axis direction.

【0038】上記のように、プラズマジェットを磁界に
よって制御すると共に、その広幅化を図ることにより、
溶射粒子の流れをそのプラズマの流れに取り込み、効率
のよい皮膜形成を行うことができる。
As described above, by controlling the plasma jet by the magnetic field and widening the plasma jet,
The flow of the thermal spray particles is taken into the flow of the plasma, and an efficient film formation can be performed.

【0039】(2) プラズマトーチの出力の増加を磁
界のピンチ効果によるプラズマトーチ電圧の上昇により
行った場合、プラズマトーチからプラズマジェットへの
入熱も増加し、トーチの熱効率も上昇する。図6に磁束
密度B=0とB=0.6Tにおけるプラズマトーチの電
流電圧特性を示す。磁界印加前において、トーチ電圧は
トーチ電流の増加と共に上昇している。また、磁界印加
後においても同様にトーチ電圧はトーチ電流の増加と共
に上昇し、磁束密度が増大するほど大きな値を示してい
る。
(2) When the output of the plasma torch is increased by increasing the plasma torch voltage due to the pinch effect of the magnetic field, the heat input from the plasma torch to the plasma jet also increases, and the thermal efficiency of the torch also increases. FIG. 6 shows current-voltage characteristics of the plasma torch at magnetic flux densities B = 0 and B = 0.6T. Before the application of the magnetic field, the torch voltage increases with an increase in the torch current. Even after the application of the magnetic field, the torch voltage similarly increases with an increase in the torch current, and shows a larger value as the magnetic flux density increases.

【0040】(試験例2)また、次の諸元及び条件で磁
界による加熱の効果を調べた。 陰極(タングステン) φ8mm 陽極 内径φ6mm〜φ10mm トーチ電流 300A〜500A 容器圧力 2700Pa 電磁コイル 内径103mm、長さ60mm、8ターン コイル電流は印加後3.5msで最大値ICmax =24kAとなるパルス状である。
Test Example 2 The effect of heating by a magnetic field was examined under the following specifications and conditions. Cathode (tungsten) φ8 mm Anode Inner diameter φ6 mm to φ10 mm Torch current 300 A to 500 A Container pressure 2700 Pa Electromagnetic coil Inner diameter 103 mm, length 60 mm, 8 turns The coil current is pulse-shaped with a maximum value of IC max = 24 kA in 3.5 ms after application. .

【0041】 このときのコイル中心軸の最大磁束密度B=0. 84T 磁界配位 図3(c)に示す配位 作動ガス アルゴン。At this time, the maximum magnetic flux density B = 0. 84T Magnetic field configuration The configuration shown in FIG. 3 (c) Working gas argon.

【0042】(試験例2の結果) (1) プラズマジェットの可視光の発光強度(プラズ
マの温度と密度に比例)の中心軸分布を図7に示す。ま
た、磁界(ICmax =24kA)印加後τ=3.5ms
と同じ程度のトーチ出力となる磁界を印加しないI=4
50Aの場合も同時に示す。I=300Aの磁界印加前
の発光強度の中心軸分布において、40mm、65mm
付近の発光が強くなり、大きな衝撃波が発生している。
またI=450Aの場合も同様に大きな衝突波が発生し
て出力が増大しているのに流れ方向の発光強度はほぼ同
じである。しかし、I=300Aの磁界印加後における
発光強度は、磁界印加前に比べ2倍程度の強さの発光強
度が観測され、その分布は流れ方向に緩やかに減少し、
流れ方向に均一に加熱されている。
(Results of Test Example 2) (1) FIG. 7 shows the central axis distribution of the emission intensity of the visible light of the plasma jet (proportional to the temperature and density of the plasma). After applying a magnetic field (IC max = 24 kA), τ = 3.5 ms
I = 4 without applying a magnetic field that produces the same torch output as
50A is also shown. In the central axis distribution of the emission intensity before applying a magnetic field of I = 300 A, 40 mm, 65 mm
The light emission in the vicinity becomes strong, and a large shock wave is generated.
In the case of I = 450 A, similarly, a large collision wave is generated and the output is increased, but the emission intensity in the flow direction is almost the same. However, the emission intensity after application of a magnetic field of I = 300 A is about twice as high as that before the application of the magnetic field, and the distribution gradually decreases in the flow direction.
Heated uniformly in the flow direction.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、溶射
粒子の流れに沿わせ、その流れを取り込むようにプラズ
マジェットの流れの方向や拡がり形状を磁界配位の選定
により制御するようにしたものであるから、歩留りよく
皮膜を形成できる効果がある。
As described above, according to the present invention, the flow direction and spread shape of the plasma jet are controlled by selecting the magnetic field configuration so as to follow the flow of the thermal spray particles and take in the flow. Therefore, there is an effect that a film can be formed with good yield.

【0044】なお、上記の磁界は、同時にプラズマジェ
ットの再加熱及びプラズマトーチの大容量化の働きをな
し、溶射材料の溶融を促進させる効果も併せて発揮す
る。
The above-mentioned magnetic field simultaneously serves to reheat the plasma jet and increase the capacity of the plasma torch, and also has the effect of promoting the melting of the thermal spray material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施形態の装置の断面図FIG. 1 is a cross-sectional view of an apparatus according to an embodiment.

【図2】同上のプラズマトーチ部分の拡大断面図FIG. 2 is an enlarged sectional view of a plasma torch part according to the first embodiment;

【図3】(a)〜(c) 磁界配位とプラズマジェット
の形状の関係を示す概念図
FIGS. 3A to 3C are conceptual diagrams showing a relationship between a magnetic field configuration and a shape of a plasma jet.

【図4】(a)〜(c) 皮膜形状の正面図FIGS. 4A to 4C are front views of a film shape.

【図5】(a) 皮膜の縦方向の厚さ分布図 (b) 皮膜の水平方向の厚さ分布図FIG. 5 (a) A vertical thickness distribution diagram of a coating (b) A horizontal thickness distribution diagram of a coating

【図6】プラズマトーチの電流電圧特性図FIG. 6 is a diagram showing a current-voltage characteristic of a plasma torch.

【図7】プラズマジェットの発光強度分布図FIG. 7 is an emission intensity distribution diagram of a plasma jet.

【図8】従来のプラズマトーチの概念図FIG. 8 is a conceptual diagram of a conventional plasma torch.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 脚台 21 真空容器 22 調節脚 23 基台 24 巻枠 25、25’ 電磁コイル 26 プラズマトーチ 27 外筒 28 絶縁体 29 内筒 30 開口 31 陽極 32 陰極 33 中心穴 34 ノズル 35 作動ガス供給口 36 送給通路 37 ノズル部材 38 送給口 39 冷却水通路 40 環状冷却水通路 41 冷却水供給通路 42 冷却水排出通路 43 直流電源 44 直流電源 45 作動ガス 46 冷却水 47 ロボット 48 被溶射基材 49 減圧排気口 50 覗き窓 51 皮膜 52 プラズマジェット Reference Signs List 20 leg stand 21 vacuum vessel 22 adjusting leg 23 base 24 winding frame 25, 25 'electromagnetic coil 26 plasma torch 27 outer cylinder 28 insulator 29 inner cylinder 30 opening 31 anode 32 cathode 33 center hole 34 nozzle 35 working gas supply port 36 Supply passage 37 Nozzle member 38 Supply port 39 Cooling water passage 40 Annular cooling water passage 41 Cooling water supply passage 42 Cooling water discharge passage 43 DC power supply 44 DC power supply 45 Working gas 46 Cooling water 47 Robot 48 Sprayed substrate 49 Decompression Exhaust port 50 Viewing window 51 Coating 52 Plasma jet

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大森 明 尼崎市道意町7丁目1番地の8 財団法人 近畿高エネルギー加工技術研究所内 (72)発明者 江口 法孝 尼崎市道意町7丁目1番地の8 財団法人 近畿高エネルギー加工技術研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Akira Omori 7-1-8 Doimachi, Amagasaki City Inside Kinki High Energy Processing Technology Research Institute (72) Inventor Noritaka Eguchi 7-1 Doimachi, Amagasaki City Address 8 Kinki High Energy Processing Technology Laboratory

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プラズマトーチで発生したプラズマジェ
ットに粉末状の溶射材料を給送し、上記プラズマジェッ
トにより上記溶射材料を加熱溶融すると共に加速して溶
射粒子の流れを作り、これを被溶射基材の表面に吹き付
けて皮膜を形成させるプラズマ溶射法において、上記プ
ラズマトーチの外周部に同軸状に設置した電磁コイルに
よりプラズマジェットに磁界を作用せしめ、上記磁界の
磁界配位に従って上記溶射粒子の流れをプラズマジェッ
トの中に取り込むように、該プラズマジェットを制御す
ることを特徴とする磁界制御プラズマによる溶射法。
1. A powdery thermal spray material is fed to a plasma jet generated by a plasma torch, and the thermal spray material is heated and melted by the plasma jet and accelerated to form a flow of thermal spray particles. In the plasma spraying method in which a film is formed by spraying the surface of the material, a magnetic field is applied to the plasma jet by an electromagnetic coil installed coaxially on the outer periphery of the plasma torch, and the flow of the spray particles according to the magnetic field configuration of the magnetic field. Spraying by a magnetic field control plasma, wherein the plasma jet is controlled so as to be taken into the plasma jet.
【請求項2】 上記の磁界を定常的に作用させるか、或
は時間的に変化させて作用させることにより、上記プラ
ズマトーチで発生したプラズマを再加熱することを特徴
とする請求項1に記載の磁界制御プラズマによる溶射
法。
2. The method according to claim 1, wherein the plasma generated by the plasma torch is reheated by operating the magnetic field constantly or by changing the magnetic field over time. Spraying method using magnetic field controlled plasma.
【請求項3】 上記の磁界をプラズマトーチの陽極と陰
極間に生じるアーク柱にも作用させることにより、トー
チ電圧を上昇させ、これにより上記プラズマトーチの出
力を上昇させることを特徴とする請求項1又は2に記載
の磁界制御プラズマによる溶射法。
3. The plasma torch according to claim 1, wherein the magnetic field also acts on an arc column generated between the anode and the cathode of the plasma torch, thereby increasing the torch voltage and thereby increasing the output of the plasma torch. 3. A thermal spraying method using the magnetic field controlled plasma according to 1 or 2.
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