JPS58202062A - 熱スプレ−方法及び熱スプレ−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】 本光明は、一般的には被覆技術に係り、更に詳細には、
熱スプレー技術により被覆を形成することに係る。

被覆を形成するには、現在、三つの熱スプレー技術が用
いられており、即ら、火炎とプラズマと爆発によるスプ
レープロヒスである。これらのブ１］セスは全て高温の
ガス流を発生づることに依存しており、かかる高温ガス
流によってｔｎｉ物質を加熱し、微細に分割した被覆物
質を被■されるべき表面へ押付けることが行われる。

フレームスプレープロヒスに於ては、Ｍ素と７廿チレン
の如き混合ガスの爆発により必要な熱を与える。プラズ
マスプレー技術は爆発プ１ｊセスには依存せず、その代
りに通常アルゴンの如き不活性ガスが電気的に活性化さ
れ、高温プ）ズマを生ずる。爆発スプレープロセスに於
ては、酸素、アセチレン及び窒素の混合物の如きガスの
制御された爆発がｍ発ガン内にて行われ、これより衝撃
波に乗って粉末が押出される。

フレームガンのガス温度は勿論燃焼／【」セスによって
達成される部層によって決定され口限られている。爆発
スプレープロセスに於ては、ガスの温度は約３３１５℃
であり、その噴出速度は７５０−７秒であるのが普通で
ある。しかしプラズマガス温度は極めて＾く、１１０９
５℃程瓜まで達し、非常に＾いガス速度が得られる。各
プロセスパラメータ、特に温度及びガス速度に関し大き
な差異があるＩこめ、使用されるプロセスによって同じ
組成の粉末がスプレーされてｂ出来上った被覆に大きな
差がみられる。プラズマスプレーガンに（より高い温度
が得られた時は、ある被覆システムに於ては、揮発ガン
によって得られるものとは責った相構造の被覆が得られ
る。相構造に於けるかかる差は被覆の物理的性質に於Ｇ
）る差を生じ、多くの場合、かかる差によって意図づる
目的の被覆として訂容されるかされないかの問題を生ず
る。

スプレー操作によって沈着される一つの被覆組成は、一
般にゾラズマスプレー或いは揮発スプレーの場合、ニッ
ケル／アルミニウム材である。これは成るチタニウム合
金製ガスタービンエンジン部材に侵蝕や伽に対する抵抗
力を与えるために用いられる。経験によれば、従来のプ
ラズマスプレー技術により沈着された多くの被覆は良好
な理論密度をｌｔｌするが、高い応力状態にあり、特に
熱物撃を含む条件下に喝されると亀裂或いは本懐を生じ
易いという問題がある。より低い形成潟洩による爆発ス
プレーによって得られた被覆は、亀裂及び崩壊の点から
はより好ましいが、表面状態と経済性の観点から最良の
ものではない。

既存のプロセス及び装置によっては、多くの条件下にて
必要な組成と金属学的構造を有づるのみならず、所要の
被覆接着力と密度を有するスプレー被覆を形成４ること
は不司能である。また従来のスプレー操作に付随する幾
つかの生産しの問題を解決することも望まれる。例えば
、爆北プ［Ｉ　Ｌ？スは安全性の理由から、通常作業員
は被覆操作が行われる位置から隔たった位置におり、ぞ
のため被覆されるべき部品の注意深い再位置決め或いは
遠隔制御を必要とする。従来のプラズマスプレー技術は
注意深い表面の準備と予備被覆を必要とし、基質を加熱
する危険がある。

本発明は熱的スプレー被覆装置及び方法に於ける改良に
係る。°この改良は既存の装置及び方法に関連する欠点
の多くを除去するのみならず、多数の付加的利益を与え
る。

本発明の一つの主要な利点は、もし望むなら、種々の被
覆システムに於て最良の被覆構造を優れた接礪牲と密度
を伴って得ることができるところにある。史にかかる利
点は経済性と安全性に於（〕る改良をも同時に伴って達
成されるものである。

本発明は、熱スプレー装置内に高温のガス流を郭定りる
細長い通路を与え、この中へ成る予め定められた位置に
て冷温のガス流中へスプレーされるべき粉末が注入され
被覆粒子の滞留時間はかかる粒子に所望の加熱と速度を
うえるような長さとされる。

本発明の一つの実施例に於ては、従来のプラズマスプレ
ーガンに適合するよう構成された冷却ノズル組立体が空
気力学的に有効な通路を伴って構成されており、該通路
を通って高温プラズマが導かれ、この中へ被覆粉末が該
通路に沿う選択されたイｌ７ｉｌｉにて導入されて良い
。作動に於ては、プラスンガスとしてヘリウムが用いら
れる。

双手に添付の図を参照して本発明を実施例について詳細
に説明する。

図示の／ラズマスプレー装置は本発明に従って被覆を沈
着させるために用いられるものである。

スプレーノズル組立体２はＧＰノズルを有するＭＥＴＣ
Ｏスペース３ＭＢプラズマガンの如き標準プラズマスプ
レーガン６のノズル４の周りに取付（Ｊられるよう構成
されている。このノズル組立体はそれを通って延びる通
路１０を有するフィン付管部４１８を有する。このフィ
ン付管部口は銅の如き＾い伝導性を有する材料から作ら
れ（おり、冷却水人口１６と出［１１８をｈする鋼製ウ
ォータージャケット１４によって囲まれている。氷室を
通って流れる冷却流体は前記フィン付管８Ｉｌｌ材を冷
却し、装置の作動中通路１０を通って流れる＾温プラズ
マによりこれが溶融し或いはその他の熱的損傷を受ける
ことを防ぐ。高温プラズマ自身はそれが冷却されたフィ
ン付管部材内の通路を通って流れる間にかなりの冷却を
受ける。

この装置に於ては、高いガス流速を維持するために通路
１０は入口部２０、ノズル２２び出口部２４を用いた空
気力学的に有効な形状に作られている。図示の特殊な実
施例に於ては、全長１６ＣＩであり、その入口部は１０
．０２ｘＯ，Ｆ）４５ｃｍぐあり、ノズル部は良さ約０
．６３ｃｅ＋、咽部直径０．３５Ｃ−であり、出口部は
直径０．３８ｃｍである。１かくしてノズルは先細で且
僅かに末広に作られ（いる。

般的には、粉末は被覆されるべき表面表面へ＾速にて且
加熱ぎれた状態で、しかも溶融状態ではく塑性化された
状態にて与えられるので好ましい。プラズマガスが前記
通路を通って流れる時、それが冷ｕ３されるので、その
下流位置に粉末を導入することによ、粉末は成る低減さ
れた度合にて１７１１熱される。何故ならば、プラズマ
の下流域の温度はに流域よりも下っているからである。

従って、ノズルはその中でプラズマの湿度を実質的に低
減するに十分な長さに構成されている。従ってここ（゛
［細長い１なる語が使われている時は、プラス？の実質
的な冷却を与えるに十分な長さを意味するしのと理解さ
れ佼い。以上のことから、本発明に於ては、被覆粉末は
従来のプラズマ操作に於ける高温／短詩ｍグイクルと具
って、比較的低温の良Ｂ＃副サイクルに騙されることが
理解されよう。

ノズル組立体は近接ボート４０及び４２を備えており、
これを通って粉末がプラズマガス中へ導入される。これ
らの近接ボートの位置はスプレーされる粉末及び用いら
れる特殊なプロセスパラメータ及び装置に依存する。し
かし基本的には、その位置は粉末の正しい加熱を与える
ように選択される。

この装置に於てニツウル／アルミニウムをスプレーする
時には、粉末は近接ボート４２を通って不活性キャリア
ガス内に導入される。近接ボート４２はノズル組立体の
入口より約９０−下流側の位瞳或いはノズル部の幽ぐ上
流の位置にて開口する０、１６ｃ−直径の孔である。

種々の組成の粉末を導入するＩこめに、より多くの数の
ポートが用いられていも良く、これらの粉末は同時的に
或いはシーケンス的にスプレーされて良く、またプロセ
スパラメータが変えられるべき時には、同じ組成の粉末
が同時的に或いはシーケンス的に導入されても良い。一
つの組成を徐々に増大させつつ導入し、他の一つの組成
を徐々に低減りる斂領によって段階的被覆を形成し、二
つの組成の１ｌｌｋ平面的場界面が形成されることを避
番」ることが容易に達成される、。

ト述の如く、高温ガス流中へ粉末を導入する位置を通路
に沿って適当に選択することにより、粉末温度を所定の
システムに於て容易に制御することかぐきる。この装置
はまた他の粉末温度制御装置へ容易に適用でできる。ま
たブラズン流中へ渇ｍ修ｉＦガスを導入するために近接
ボート或いはその他のボー１〜が用いられて良い。かか
る温度修正）ガスはプラズマガス組成の冷温ガス流であ
って良く、或いはまた、プラズマの熱伝達特性或いはそ
の伯の特性を変えるものであっても良い。

図示の如く、ノズル組立体はプラズマガスイれ白身と番
よ巽った装置を含んでいる。この特殊な構造は本発明を
既存のプラズマ装置に適用することを司能にするように
選択されているものである。

勿論、かかるノズル組立体がガンそれ自身と一体に構成
され（いてはいｌｔない理由はない。またフィン付管部
材８は単一の部品として構成されＣいるが、その各部は
別個の部材により構成されているのが好ましく、これに
よって種々の被覆操作成いは装置にノズル組立体を適合
させることができ、またその各部が摩耗した時、そこを
補修或いは取替えることを容易にする。

形成された被覆内に於ける最良の相構造を得るために、
被覆されるべき面へ衝突する粉末粒子は塑性化状態にあ
りしかも可能な限り低温であるのが好ましい。しかし粒
子の温度が低い程、最大密度と接着力を得るために、衝
撃速度は高くなければならない。従って高い被覆粒子速
度を！Ｊえることができることによって看しい利益が得
られる。

粒子速度は元来使用される特定のシステムに於けるガス
速度によって限られている。爆Ｒスプレープロセスに於
ては、粒子速度は衝撃波速度によって限られ、７５０　
ｍ　、／’秒程度である。アルゴンを用いたプラズマス
プレーガンは１２００ｍ　／秒までのガス速度を達成す
ることができる。本発明の好ましい実施例に於ては、３
６００　ＩＩ　／秒或いはイれ以上のガス速度が可能で
ある。

（は、プラズマガスどしてヘリウムを用いることが好ま
しい。ヘリウムはプラズマスプレー操作に於て使用でき
ることが知られているが、それが軽いことと熱伝達性が
悪いことにより、従来ブラズンスプレー装置に於てはこ
れをＴ業的に用いることが躊躇されていた。本発明に於
ては、その使用かｔｉＪ能であるばかりでなく有利であ
る。

従来の装置に於ては、ゾラズマガンを出たガスは速やか
に拡散づる。かかるカス流中へ注入されｌこ粉末は極く
短時間のみイの中に停まる。このように短時間のみ滞留
する時は、ヘリウムを用いることはその熱伝達特性が悪
いことからアルゴン等に比して粉末へ所定量の熱を伝え
ることが困難となる。この短い滞留時間と急速にガスが
拡散することによって、粉末に速度成分を与えることに
大さな問題がある。

本発明に於て、ヘリウムを用いることの利点は、加熱を
制御し、高い流速を与えることにある。その他にも幾つ
かの利点がある。全ての被覆グロ廿スに於ては、被覆に
対する被覆成分とプ［ｊセスパラメータの影響のみでな
く、それが被覆される基質に及ぼづ影響を考量すること
も重要である。基質の性質は往々にして成る温度を越え
てはならないものである。ヘリウムが例えばアルゴンに
比してかなり低い熱伝達特性を有していることは、基質
への熱伝達を本質的に低減されることになる。

従来のプラズマスプレー操作に於ては、加熱さ、れたガ
スの拡散によって基質のかなり広い領域が熱を受け、し
かも被覆が要求されない領域も加熱されることとなり、
かかる領域はマスクを施されなければならない。本発明
に於ては、ガス流に関しより高度の集中性が得られる。

従って基質のより小さい領域のみが高温ガスに暉され、
その他の基質の多くの部分は低温状態に留っている。更
に他の一つの利点として、かかるガス流の東中度のより
良い制御によりマスクを必要とする度合が低減され、被
覆構造及び厚みに於ける変化がより良く制御され、粉末
の損失が少く経済性が改善されることがある。

他の一つのｈ法に於て６、本光明庖用いることにより被
覆操作は容易となる。爆発ガンを用いる場合、被覆作業
は安全上の理由から被覆操作が行われる位置より離れた
位置に作業翰が位置づることによって通常行われる。従
来のプラズマスプレーガンを用いる場合、排出されるガ
スは非常な高−であり、紫外線による目の損傷が起るの
で適当な目の保１装置が必要とされる。本発明に於ては
排刀スの温度は低減されており、目が損傷される１］］
能性は低減され、でいる。勿論何れにしても適当な安全
手段は必要である。

従来の１０廿スに於ては、被覆されるべき部品は先ず被
覆されるべき領域のみを露出させるようにマスクによっ
て被？１１る作業を行い、第二段階としてサンドブラス
トをかけ、第三段階としてサンドブラストの影響を除ム
寸べく清掃を行い、最後に再びンスクをかけることが行
われる。本発明は多くの場合かかる従来の工程に於ける
多くを省略することができる。ガスの轡中度が大幅に改
善されているので、マスクを施づ程度が大きく低減され
る。更に粒子の速度は非常に＾いので、サンドブラスト
をかけることとマスクを隔りこととこれらに関連した清
掃作業とを省略することが角能であることが見出されて
いる。フレオンによって脱脂するために単に表面を掃き
取るだｔｊで・十分なことが見出されている。

例 装置 プラズマガン　　Ｇ　、Ｐノズルを有するＭＥＴＣＯ３
’ＭＢ パワーサプライ　ＰＬＡＳＭＡＤＹＮＥ３５０Ｄ、Ｃ，
アーク７ンブ ５（Ｌ−５６Ｄ、　Ｃ，アークボルト パワーフィーダ　Ｓ、Ｓ、Ａ　Ｉ　ＲＡＢＲ，Ａ−８Ｉ
ＶＥ　　ユニット （ミニチュア・サンＩ〜ブラ スト） パワーフィード・レート １　６２　Ｋ（１／ｈｒ。

ノズル組立体　　図示の通り 粉末（ＭＥＴＣＯ４５０） 組成〈重量％）　９５パーセン１へニッケル５バー廿ン
トアルミニウム 粒　　径　　　　　　　　　　０．０８９■ｒｎ　　＋
０．０４３ｍｍ（ＡＳｒＭ　　Ｂ　　２１４） １０廿スパラメータ プラズマガス　　　ヘリウム 流　１　　　　　７７８７リツトル、７分カンと基質の
距離　５５−７．６ｃｍ 焦点の大きさ　　　０．９５ｃｍｍ 基　質　　　　　　チタン合金 被　覆　部　　　　扁平座金 沈着 ノズル組立体を取付４Ｊた手持式の被覆ガンを用いて犀
さ０．０２０〜０．０２５Ｇ−の被覆が扁平座金の一方
の面に亀裂及び崩壊に対づる抵抗性をうえるべく施され
た。

結果 理論密唯の９９％を１分越える被覆密度が達成された。

これは、従来のプラズマプロセスによって達成されるも
のを越えたものである。接養性は非常に優れていた。高
温からの熱衝撃を繰返した結果、亀裂或いはフレークの
発生は何ら見られなかつ　Ｉこ　。

以トに於ては本発明を特定の例及び好ましい実施例につ
いて説明したが、本発明がこれらの詳細に限られるもの
ではなく、本発明の範囲内にで種々の修正が可能である
ことは当業考にど−〕で明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

添付の図は本発明に従って構成されたｌラズ７スプレー
装置を示す。 ２・・・ノズル組立体、４・・・ノズル、６・・・ＩＩ
プラズマスプレーガン、８・・・フィン角管部材、１０
・・・通路、１４・・・ウォータージャケット、１６・
・・冷却水入口、１８・・・冷却水出口、１９・・・水
室、２０・・・入口部、２２・・・ノズル部、２４・・
・出口部、４０．４２・・・近接ポート Ｌ’＋　ｈ出願人　　ユナイテッド・テクノ［］シーズ
・］−ポレイション 代　　理　　人　　　　弁　　理　　−１明　　６　　
昌　　毅　１８−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラスｌを生成することと、前記／ラズマを細長
   いノズルを通ってプラズマガス流として導くことと、前
   記プラズマガス流中ヘスル−さけるべき被覆用材料の粉
   末を導入することと、前記粉末を前記プラズマガス流と
   共に被覆されるべき表向へ導き該表面上に所要の厚みの
   被覆を形成することとを含む熱スプレ一方法に於て、前
   記粉末が丁度塑性化される程度に加熱され且該粉末に高
   い速度が付与されるよう前記細長いノズルにより前記プ
   ラズマガス流は実質的に冷却されまた加速されることを
   特徴とする熱スプレ一方法。
2. （２）高温のプラズマガスを与えるプラズマスプレーガ
   ンと、一端にて前記プラズマスプレーガンよりブラズφ
   ガスの流れを受けこれを通過させ且これを他端より放射
   づる通路にして途中に断面積の変化により流体を加速す
   る加速ノズル部を有する通路と前記通路の途中（前記加
   速ノズル部より１流側の位置を除く）にスル−されるべ
   き材料の粉末を導入する粉末ポー１〜と前記通路を郭定
   する壁面を冷却りることにより前記通路内を流れるａ温
   ガスに実質的な冷却効果を与える冷却手段とを４４する
   ノズル装置とを含み、前記冷却手段の強さと前記通路に
   沿う前記粉末ポートの位置は前記粉末ボートより前記通
   路中を流れるプラズマガス中へ導入され該プラズマガス
   によって加熱され該プラズマガスと共に噴射される粉末
   が、溶解状態には至らず塑性化された状態に留まるよう
   に定められ（いることを特徴とづる熱スプレー装置。