JPS61259777A - 単ト−チ型プラズマ溶射方法及び装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、気体中をながれる大電流いわゆるアークに
よって発生する高温度のプラズマによって、金属やセラ
ミック等の物質を溶融して、母材°に吹き付け、その表
面に強固な被膜を形成するための、いわゆるプラズマ溶
射の技術の改良に関するものである。

〔従、来の技術〕

第９図に示したものは、既に広く行われているいわゆる
プラズマ溶射の技術の主要な部分を図示したものである
。すなわち陰極１は、その先端が陽極ノズル２のノズル
管路２５の入口付近　　　゛に来るように、絶縁物１２
によって同心に保持されており、その上流には、プラズ
マガス送入口　　　□７よりプラズマガス８が送入され
るようになっている。

電源３の負側は導線５によって陰極１゛に接続されてお
り、電源３の正側は導線６によって、起動用電源４を通
して陽極ノズル２に接続されている。なお、１３は冷却
システムであって、通常　　　；陽極ノズル２の内部は
、図には示してないが、二重構造になっており、その内
部を配管１４及び１５を介して軟化した冷却水等により
常に冷却するようになっている。今、陽極ノズル２に矢
印８．９で示されたプラズマガス、通常はアルゴン等の
不活性ガスを流しながら、電源３により陰極と陽極の間
に直流電圧を印荷しつつ、起動用高周波電源４によって
高周波電圧を印荷すると、陰極１の先端から陽極ノズル
２のノズル管路２５の内面１０３に向かってアーク１１
が発生するこのような短いアーク１１は、陽極ノズル２
のノズル管路２５の内壁、ノズル管壁２６を損傷させや
すいので、アーク１１がなるべく長い距離にわたって、
ノズル管路２５内に形成され、陰極ノズル１の先端より
遠い陽極点１０を形成するように大量のプラズマガス８
が流される。このようにして形成されたアーク１１によ
って陽極ノズル２のノズル管路２５内を流れるプラズマ
ガスは強く加熱されて高温度になり、いわゆるプラズマ
１６状態になって陽極ノズル２の先端から噴出するが、
この時、材料送入管１７から溶射用材料１８を送入　　
　”すると、これらは矢印１９に示した如く、陽極ノ　
　　　１ズル２より噴出する高温度のプラズマ１６に混
入　　　（？して、瞬間的に溶融した材料２０となって
母材２２１に吹き付けられ、その表面に被膜２１を形成
する。　　　□なお、溶射用材料１８は、材料送入管１
７から、陽極ノズル２の出口の直後に供給される場合も
あ　　　　゛るが、矢印２３に示した如く、陽極ノズル
２の出口直前に設置されることもある。いずれにしても
、従来使用されているこの種のプラズマ溶射装置におい
ては、陽極ノズル２の中に長いアー　　　　゛り１１を
形成させ、陽極ノズル２の内壁２６の侵食　　　゛を防
止し、陽極ノズル２のノズル管壁２６をプラズマガスに
よって冷却するために、極めて多量のガスが使用され、
陽極ノズル２の先端におけ　　　　□るプラズマガスの
噴出速度は、通常マツハ〇、５゛から３の範囲という極
めて高速の状態に保たれ、　　　□このために在来の溶
射装置においては、陽極）　　　　゛グル２の先端付近
から１１０ホンから１２０ホン程　　　度の著しく強烈
な騒音が発生し、そのた−めにプ　　　□ラズマ溶射装
置は通常隔離された防音室の中でのみ運転が可能であり
、これを操作する操作員も騒音防護装置を着用しなけれ
ば、これの運転−もあたることができないという大きな
欠点を有している。更に通常、陽極ノズル２の先端から
噴出されるプラズマガスは、多量の紫外線を含む強烈な
光輝炎であるので、これを直視することは不可能であり
、これの操作員は、紫外線防護用の眼鏡を着用すること
を余儀なくされる。

又、在来の溶射装置に使用されるプラズマガスは、通常
アルゴン、ヘリウム、水素等の高価な不活性ガスが使用
される。これは、プラズマガスとして空気や酸素等活性
度の強いガスを使用すると、ノズル管壁２６が特に陽極
点１０において急速に酸化されて消耗し、長期の連続運
転が不可能になるからである。これらの不活性ガスは高
価であるので、該ノズル内で高速を発生させるために大
量に消費されると、極めて高い運転費がかかるという大
きな欠点もある。又、在来のプラズマ溶射装置において
は、その先端から噴出されるプラズマガス１６が、その
著しい高速のために、極めて強力な乱流状態となってお
り、このために矢印２７に示した如く、噴出口付近の大
気を多量に巻き込み、プラズマガスの温度は急速に低下
する。従って適正な条件で溶射をするためには陽極ノズ
ル２の先端と母材２２との距離は、極めて正確に維持す
ることを要求され、これがずれると所望の被膜を適正に
構成することが極めて困難になり、従って被膜の品質管
理には極めて厳格な運転条件の管理が要求され、品質管
理が容易でない。又、以上ｌ詳細に述べたような事情に
よって、在来のプラズマ溶射装置においては、極めて多
量の高速ガスが母材に向かって強烈に吹き付けられるの
で、母材は強度の高いものに限定され、かつ微細な加工
には適しない。

３、発明が解決しようとする問題点 この発明は、従来のプラズマ溶射装置が、その広い普及
を妨げている強烈な音と、紫外線を含み、直視不可能な
強力な光の発生を防止し、運転によって消費される高価
なガスの量を節減し、装置と母材との距離等の運転条件
の管理がゆるやかですみ、部品の消耗が少なく、長期間
の連続運転が可能であり、比較的強度の弱い母材の加工
もでき、かつ微細な加工に適した新規なプラズマ溶射装
置を提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、溶射のためにプラズマトーチの陰極
の先端と、プラズマガス送入点との間に、プラズマガス
の整流装置を設ける。更にこれと並行して、プラズマガ
スの流量を小さな値におさえることによって、プラズマ
トーチ先端のノズル内におけるガス流を層流状態に保ち
、これによって発生するプラズマ炎を層流炎とすること
が、この発明の第一の大きな特徴である。

溶射用材料の送入に関しては、在来のプラズマ溶射とほ
ぼ同様であって、プラズマトーチの出口付近に溶射用材
料が送入される。この発明の第二番目の大きな特徴は、
その内部に溶融した溶射用材料の液滴を含み、処理対象
物に向かって進行するプラズマ炎の中から、処理対象物
の直前に設けられたプラズマ分離手段により、プラズマ
を分離し、その直後に溶融した溶射用材料の液滴を処理
対象物に衝突させて被膜を形成させる。このプラズマ分
離手段は、通常、プラズマ炎にガスを吹き込む方法、プ
ラズマ炎からプラズマを吸引排除する方法、ガス吹き込
みと、吸引排除とを併用する方法等、プラズマ炎中のプ
ラズマを分離するのに有効な方法が適用される。本発明
におけるプラズマ溶射においては、必要に応じて前述の
プラズマトーチ出口とプラズマ分離手段との間に、通常
は耐火物で出来たフレーム外套を設け、これによってプ
ラズマ炎を被覆して、輻射によって失われる熱損の防止
が達成される。この場合、フレーム外套にはその外部に
断熱装置冷却装置等が、用いられることが多く、又フレ
ーム外套を通してその内部に形成されているプラズマ炎
空間に、使用目的に応じたガスを供給する手段が適用さ
れる−ことがある、又、処理対象物に接近して設けられ
たプラズマ分離手段の直後に、雰囲気ガス稠整手段が設
けられることもある。なお、プラズマトーチ先端のノズ
ル部は、定常運転中には電気的に浮いた状態に保持され
る中間部を設け、これによってプラズマアークの伸長が
計られる。

（作用〕 本発明によるプラズマ溶射においては、プラズマを発生
させるためのアークが、陰極先端より上流に設けた整流
手段の作用によって層流に保たれ、陽極ノズルの管壁に
向かう速度成分を有しないので、アークがノズル管路に
そって長く伸びることができ、・この長く伸びたアーク
によって電力が有効に消費されて、プラズマガスの加熱
に用いられ、そのために、ノ゛ズル管壁に形成されるア
ークの終点であるところの陽極点において、消費される
電力が少なくなり、陽極点にかけるノズル管壁の消耗を
著しく少なくすることができる。従ってノズル管壁の内
部を在来の墳射装置に見られる如く、プラズマガスを大
流量で流すことによって冷却する必要がなくなる。その
結果、プラズマガスが少ない流量で層流を形成しながら
有効に加熱されるので、発生するプラズマの゛温度とエ
ンタルピーが大きくなり、これによってトーチ出口でプ
ラズマ炎に送入される溶射用材料の溶融が、確実かつ急
速に行われ、溶融した溶射用材料の液滴の温度が高（な
る、又、プラズマトーチより噴出されるプラズマ炎が層
流炎を形成し、プラズマ炎の発生に伴って発生する騒音
を７０〜８０ホンの範囲の程度の低い値に保つことが容
易となった０本発明によるプラズマ溶射ではアーク電流
の値は、プラズマガスの流量が少ないのにもかかわらず
かなり大きな値で運転することができ、かつ、アークが
長いので、アークの始点と終点との間の電位差、すなわ
ちアーク電圧を大きくとることができ、結局、アーク電
流と電圧との積によってきまるところのアークによっ°
ζ、有効にン肖費される電力が大きくなり、その結果発
生ずるプラズマの温度とエンタルピーが著しく大きくな
る。このために溶射用材料の溶融が極めて確実に実現さ
れる。更に本発明による溶射において利゛用される層流
プラズマ炎は、飛行中に周囲のガスを巻き込んで、温度
が低下することが極めて少なく、溶融して液滴となった
溶射用材料は、この層流炎に乗ってまっすぐに溶射対象
に向かって進行するので、飛行につれて温度の低下する
ことが少ない。そして溶射対象物の直前でプラズマのみ
が分離され、以後、極めて短い飛行時間の後で温度が下
がらないうちに溶射対象物に衝突する。・′従って、飛
行速度が従来の溶射に比べて、数分の−の低速であるに
もかかわらず、前述の理由による溶射液滴の著しい高温
度によって、溶射材料の温度が極めて高い状態で被塗物
に衝突するので、そのために極めて強固な高　性能な被
膜を得ることができる。更に本発明による溶射において
は、溶射に使用されるプラズマ炎が層流炎であって、そ
の広がりが少なく、かつプラズマ炎の飛行速度が低いの
で、溶射対象物に大きな力を及ぼすことがなく、強度の
小さい溶射対象物にも容易に溶射を適用Ｊることができ
、かつ、プラズマ溶射によって比　　　□較的微細な加
工をも実施することができる。

本発明によるプラズマ溶射においては、トーチから溶射
対象物に向かって飛行するプラズマ炎の周囲には、必要
に応じて外套が設けられ、これによって、プラズマ炎か
ら発生する紫外線を含む強烈な光輝炎を遮断することが
でき、更に、プラズマ炎の輻射による熱損失も避けるこ
とができるので、プラズマ炎及び溶射用材料の温度低下
が防止されるので、これも高性能の被膜を得ることに極
めて大きな寄与をすることに□ なった。

本発明によるプラズマ溶射においては、溶射　　　゛用
材料が送入されるプラズマ炎のエンタルピー　　　（ン と温度が著しく高いために、溶射用材料の溶融　　　　
１、は極、５７短１間、、ゎゎ、ヵ、っ、や、）後。飛
□　　　：もプラズマが層流炎をなしているので、溶射
対象物に向か・て直線的に飛行し、かつ、プラグ　　　
１）１、＜・ マ分離を実施する点はトーチの出口がら２．５〜　　　
　′１゛３０ｃｍ程度までの距離の任意の点に設定する
ことができ、これは溶射対象物の形状及び要求される塗
膜の性能に応じて選定することができ、これによって溶
射適用の範囲を著しく広くとることができるようになっ
た。

又、プラズマ炎が層流で、プラズマ炎の進行方向と直角
の性分をほとんど有しないので、これにかぶせるフレー
ム外套は、直管状の細いものでよく、その内面の保護も
容易である。又、フレーム外套の内部に必要に応じて適
切な成分のガスを送入することにより、プラズマ炎のガ
ス成分の管理が極めて確実に実施できることになり、金
属などのように酸化等による溶射材料の変質を極端にき
らう材料の場合にも、被膜の品質管理を確実に実施する
ことができるようになった。又、プラズマ分離手段とし
て排気を適用する場合には、これによりプラズマ形成に
よって生成した有害ガスや、溶射対象物に付着しなかっ
た溶射用材料等の大部分を確実に回収することができる
ので、これは強烈な音響及び紫外線を含む強烈な輻射の
発生防止と共に、溶射作業環境ｐ改善に著しく貢献する
ことができ溶射を通常の工作機械と同等に生産工程に特
別な付加装置なしに導入ができることになった。

〔実施例〕

第１図は本発明による単トーチ型プラズマ溶射装置の実
施状況を示す第一の例である０図において陰極１は、そ
の先端が陰極を囲むノズル管路２５を有する陽極ノズル
２と、絶縁物１２によって同心に保持されており、陽極
ノズル２に設けられたプラズマガス送入ロアより、矢印
に示される如く、プラズマガス８が送入される。この場
合、プラズマガス８としては、アルゴン、ヘリウム、窒
素、水素等の不活性ガスが用いられ、陽極ノズル２は熱
伝導率のよい銅などの金属による二重構造となっており
、その内部は水などによって冷却されるようになってい
るが、本発明ではこれを省略し、他の説明においても陽
極ノズル２の冷却に適用される手段ないしは装置は、こ
れをすべて省略する。又、陰極１と陽極ノズル２の間に
は第９図に示した在来の溶射装置における実施例と同様
の構成で、電源システムが接続されているが、これも在
来のシステムと同様であるので、これを省略する。本発
明の重要な特徴の一つをなすプラズマガスの整流装置は
、第１図において２８で示されるものであり、これは通
常、多孔質板、ないしは網等の気体の整流作用を有する
部材から出来ており、それによりプラズマガス８は矢印
２９に示した如く整流作用を受け、これによって陰極１
の先端に同心に構成されている陽極ノズル２のノズル管
路２５に向かって層流をなして流入する。

このようにして陽極ノズル２のノズル管路２５の中に形
成されたプラズマガスの層流の中に形成される陰極１の
先端より始発するアーク１１−ｌは、プラズマガス中に
ノズル管壁２６に使う速度成分がないので、ノズル管路
２５の中心を層流の流線に沿って長く伸び、アーク１１
−βの表面で加熱されたガスがプラズマ１６となって、
それが徐々に成長し、管壁と接触して導電路を形成する
に至って、はじめてノズル管壁に接触してアークの終点
を形成する。

このようにしてプラズマガスの上流に設置した整流装置
２８の作用により、層流となってノズル管路゛２５に流
入するプラズマガスの中で形成されるアーク１１は、そ
の電力の極めて大きな部分が　　　゛長いアーク長に沿
ってプラズマガスの加熱のた　　　゛めに消費されるの
で、アークの終点、陽極点１０−１を損傷することが少
なく、在来のプラズマ溶射装置の如く、ノズル管路２５
内に無駄なガスを多量に流して、ノズル管路内壁２６を
冷却しなくても、長期間、安定に運転を継続することが
でき、かつ、プラズマガスの流量が比較的少ないのに対
して、これを加熱するためのアーク長を充分長くとれる
ので、これによって発生するプラズマの温度及びエンタ
ルピーは極めて太きな値をとることができる。

このようにして、トーチ４８の先端より外部に向かって
放出されるプラズマ炎５１は層流炎をなし、−−チ４８
を噴出後もプラズマ炎５１に同伴空気を　　　　゛巻き
込むことがほとんどないので第６図に示した如く、プラ
ズマ炎５１の長さは長大となり、がっ、プラズマ炎５１
の広がりが極めて少ない。

在来型のプラズマトーチ５２から発生するプラズマ炎５
３は１１０〜１２０ホン程度の強烈な騒音を発生するの
に対し、本発明による層流プラズマ炎５１は７０〜８０
ホン程度の低い騒音しか発生しないという大きな特徴を
有している。第６図において、入カフ００アンペア、プ
ラズマガス流量２．５１ｔ　１０Ｉｉｎ、直径６．４ｍ
ｍのノズルの場合、空気中に放出された層流炎の長さは
約４Ｑｃｍに達するのに対して、はぼ同じ入力の場合に
おける在来型の同じ直径を有する溶射装置のプラズマ炎
は広がりが大きく、かつ長さは１０ｃ１１１以下となり
、これらの事から明らかなように本発明によって発生す
るプラズマは、温度が高く、極めて高いエンタルピーを
育するので、このプラズマ炎５１に送入された溶射用材
料１８．１９は急速に高温度に加熱され、かつ、同伴気
体を巻き込まないので、飛行中におけるプラズマ炎温度
の低下が著しく少ない。これも大きな特徴である。しか
しながら、プラズマ１６の噴出速度はトーチ４８の先端
において最も高速であり、飛行距離が増すにつれて速度
が低下し、同伴して飛行する溶射用材料１８．１９も飛
行速度が低下するので、いたずらに長距離の飛行の後に
部材に吹き付けるのは良好な被膜を形成させるために得
策ではない。この矛盾を解決するための手段が、本発明
の重要な構成要素をなすプラズマ分離手段であって、本
発明においては第１図に示した如く、陰極ｌの先端より
上流の部分に、プラズマガス８に層流を形成させるため
の整流手段２８を有するトーチを用いて安定、かつ低速
のプラズマフレームを発生させ、これを溶射用材料１８
．１９の溶融に利用するという第一の構成要件と共に、
第二の構成要件として、この放置すれば長大になる層流
　　　□プラズマ炎５１を任意の点でプラズマ１６のみ
を分離し、その直後に溶融した液滴状溶融材料２０のみ
を、処理対象物である母材２２に吹き付けるという手段
を導入することによって、本発明の主　　　□要な部分
が完成されたのである。

第１図において、材料送入管１７よりプラズマ炎に向か
って送入された溶射材料１８は、高温で著しく高いエン
タルピーをもつ、強力な層流プラズマ１６によって、直
ちに高温に加熱されて溶融材料２０となり、プラズマ炎
５１に同伴されながら、あまり広がらないで、母材２２
に向かって進行する。この溶融材料２０を含むプラズマ
炎５１は、処理対象２２の直前Ａにおいて設けられたプ
ラズマ分離手段４９によってプラズマ１６のみが分離さ
れ、その直後に溶融した溶融材料２０は処理対象物であ
る母材２２に衝突し、強固な被膜２１を形成する。プラ
ズマ分離手段４９は種々な方法が可能であるが、最も簡
単な方法は、プラズマ分離給気口３１であって、ここか
らプラズマ分離用給気３２を、プラズマ炎５１に交叉し
て送入する。この給気３２の量を適切に選定することに
よって、溶融した液滴状溶融材料２０を含むプラズマ炎
５１の中からプラズマ１６が分離され、しかも溶融状態
にある溶融材料はほとんど冷却されずに、その直後に母
材２２に衝突して被膜２１を形成するということを見出
して、この発明を完成するに至ったちのである。プラズ
マ１６を分離する手段としでは、母材２２の直前でプラ
ズマ分離排気口３３から、プラズマ分離用排気３４を行
うことによって、プラズマ１６を分離し、母材２２の損
傷を防ぐことも可能であり、又、吸気３２と排気３４を
併用する　　　　□ことによってプラズマ１６の分離を
行うことも可能である。

本発明によれば、高エンタルピーをもち、かつ低騒音の
層流プラズマにより、被膜材料を充分に熔融させるので
、在来の乱流プラズマジェットによる溶射の如く、マツ
ハ０．５〜３という超高速の吹き付は速度を利用する必
要がなく、在　　　来のプラズマ溶射と同程度、あるい
はそれ以上の被膜の接着強度、ないしは被膜自体の強度
を達成することが容易である。又、本発明によれば、層
流プラズマの内部における温度分布は比較的均一性がよ
く、あまり大きく広がらないので、溶融粒子の飛石によ
ってさらされる一温度が　　　１：著しく異なることが
なく、極めて均一性の高い被膜を形成することができる
。更に本発明による層流プラズマ炎は、通常はあまり大
きく広がることがないので、第１図の３０に示した如く
耐火物等をもってフレーム外套３０を設け、飛行するプ
ラズマ炎を包み込むことによって、プラズマから失う熱
を少なくし、かつ、プラズマ炎から発生する強い紫外線
を含む強烈な光を遮断して、著しい作業環境の改善を実
現することが可能となった。又第１図において、フレー
ム外套で覆い、その間の空間に矢印４２で示した如く、
フレーム外套３０を通してプラズマ炎５１の空間にガス
を送入し、フレーム外套３０の冷却ないしは内部のガス
成分の調整を行うことができる。ただし、小型の本発明
による溶射装置の場合等においては、フレーム外套３０
及びそれに付属する各種の装置は必ずしもこれを使用す
る必要がない場合もある。

本発明の基本的構成要素をなす、プラズマトーチ内に設
置されたプラズマガスの整流手段は、第１図に示した如
く、陽極ノズル２の内部に設置された多孔質円板状の整
流装置２８に限定されるものでなく、第３図に示した如
く陰極１をとり囲む透気性部材で構成され、矢印２９に
示した如き整流作用を有する円筒状の整流装置２８ａを
用いてもよい。又、第４図に示した如く、陰極１の先端
に沿ってプラズマガス８を層流状に流出させるように誘
導するための、誘導口３６を備えた絶縁物によって構成
される整流装置２８ｂを用いることもでき、この他、ノ
ズル管路２５に向かって、この中を流れるプラズマガス
８が層流を形成するために、有効なあらゆる手段を通用
することができ、これらはすべてこの発明の範囲に属す
る。

本発明において、ノズル管路２５の中でなるべく長いア
ークを安定に発生させるためには、プラズマガスが層流
をなして、ノズル管路２５の中を済れるように、その上
流に整流手段２８を用いることが最も大切であるが、そ
の他に、この目的に対しては、第５図に示した如く、定
常運転中、起動時にのみ用いられ、定常運転中は電気的
には浮いた状態に保持される部分をノズル管路の中途に
形成し、この部分には定状運転中にはアークが終端する
ことがないように構成することも、本発明を実施する場
合に、極めて有効な手段である。

第５図において陽極は絶縁物スペーサー３９．を介して
、直列をなす三つの陽極部分２−１．２−２．２−３か
ら構成されており、電源３はその負端子が陰極１に結合
されており、正端子はスイッチ手段３７−１．３７−２
．３７−３を介して、それぞれ陽極の各部分２−１．２
−２．２−３に結合されている。第５図に示した装置の
起動にあたっては、まずスイッチ手段３７−１のみを閉
じた状態にして、電源３を投入すると、陰極１の先端か
ら陽極２−１に向かって、図示した如（起動アーク１１
−１が形成される。この状態において、プラズマガスは
加熱されて、このア一り１１−１によりプラズマを形成
し、ノズル管路２５を通って外部に放出される。そこで
スイッチ手段３７−２を閉じると同時にスイッチ３７−
１をあけると、この起動プラズマ１１−１によって形成
されたプラズマによって、起動アーク１１−２が形成さ
れ、前述の起動アーク１１−１は消失する。

更にこの状態においてスイッチ手段３７−３を閉じ、同
時にスイッチ手段３７−２を開くと、起動アーク１１−
３が形成され、起動アーク１１−２は消失し、この状態
において、このノズル管路において最も長いプラズマが
形成された状態が完成する。この状態においては、陽極
２−１、及び２−２は何れもスイッチ手段３７−１．３
７−２が開いた状態になっているので、電気的には浮い
た状態となり、陰極ｌの先端から出発したアークは、こ
れらの二つの電極に終端すること　　　　□ができない
ので、アークは常に第三番目の陽極２−３にのみ固定さ
れて、安定なアークを形成し、これがこのノズル管路２
５を流れるプーラズマ炎５１が層流をなしていることと
相俟って、ノズル管路２５の中に安定で長いアークの形
成をより確実に実現することが可能となるのである。

なお、第５図では通常運転中に２個の電極部分２−１．
２−２が電気的に浮いた状態にあるが、本発明は必ずし
も２個に限定されるものではない。

第７図は、第１図に示した本発明によるプラズマ溶射装
置において、処理対象２２に接近して設置されるプラズ
マ分離手段の詳細の一例を示したものである。プラズマ
分離手段においては、プラズマ分離用給気３２は、第１
図に示した如く、必ずしもプラズマ炎の中心軸に対して
直角に吹き込むだけではなく、プラズマ進行方向に関し
て角度を持たせて吹き込んだ方が有効なこともあり、こ
れはプラズマ炎の大きさ、プラズマガスの量等によって
決定される。又、第７図に示した如く、プラズマ分離用
給気３２を処理対象２２に接近して設けられたプラズマ
分離用給気環状室４３に一旦吹き込み、これからプラズ
マ炎と接線方向の成分を有する給気口４５を通してプラ
ズマ炎の外周の部分に、特にプラズマ分離作用が有効に
作用するようにプラズマ分離用給気３２を吹き込むと有
効な場合があり、これは特にプラズマ”炎外周部の溶融
温度の低い溶射用材料の液滴や、未溶融の溶射用材料を
プラズマと共に分離するのに好適である。この場合、プ
ラズマ分離用、給気口４５の下流にプラズマ分離排気環
状室４４を設け、この環状室４４によって、プラズマ分
離用排気３４を矢印方向に行うことによって、未溶融の
溶射用材料やプラズマガスの排気等を系外に排出するこ
とな（運転をすることができる。

これはこの発明の重要な特徴である。又、本発明におい
ては、プラズマ分離手段の直後に極めて短い飛行距離の
後に溶射用材料が処理対象２２に衝突して強固な被膜２
１を構成するので、フレーム外套３０及びフレーム外套
のシール作用によ　　　　□って、プラズマ炎への不純
ガスの混入を確実に防止することができるのが、この発
明による方法の特徴であり、更に、プラズマが層流炎を
なしているために、フレーム外套３０も比較的細かくす
ることができるので、運転操作上も極めて有利なのであ
るが、それでもなお、溶射装置の先端と処理対象との間
においての空気等の混入によって起こる酸化を更に確実
に防止するためには、処理対象２２に接近して、保護ガ
ス環状室４７を設け、これから矢印４６によって示され
る不活性ガス等を送入して処理対象に向かって飛行する
溶融した溶射材料に空気等が接触して酸化等の望ましく
ない反応を起こしたりすることを防止することができる
。

この発明の実施の様態は第１図、第２図、第３図、第４
図、第５図、第７図、第８図に示した実施例だけに限定
されるものではなく、この発明の技術思想に基づくあら
ゆる実施が可能である。プラズマ分離手段に関しては、
給気口のみでプラズマの分離が可能の場合もあり、その
プラズマ分離のための給気の方向も本発明の技術思想に
基づいて適当にこれを定めることができる。又、プラズ
マ分離手段として、排気システムのみを用いることもで
き、又、プラズマ分　　　　□離手段として給気と排気
を併用することもでき、これらの何れを選択するかは、
その使用目的や　　　　□プラズマ炎の大きさガス量等
に応じて適宜定めればよい。フレーム外套は、装置が小
型の場合　　　　□などには必ずしも使用しなくてもよ
い場合もあるが、大型の装置においては、通常はこれを
使用することによって、プラズマ炎から発生する紫外線
を含む強烈な光を遮蔽することができると同時に、プラ
ズマ炎の温度低下を一層有効に　　　　；防ぐこともで
きる。又、フレーム外套は、通常　　　　′□その外側
に断熱層または冷却装置を用いた方がよい場合が多いが
、これは図に示してない。

本発明による装置は、プラズマ炎が濁流を形成　　　　
”する範囲において運転される場合に、低騒音、高強度
、低運転費等の優れた特徴を発暉するが、運転条件を変
えることによって、多孔質被膜を　　　゛高速度で形成
させたいような場合には、−流領域を多少越えた、亜乱
流領域で運転することも可能である。

〔発明の効果〕

この発明は上述の通りであるので、その第一の効果は、
作業環境の改善である。在来の溶射装置では、１１０〜
１２０ホン程度の騒音を発生していたのに対し、この装
置では、通常、７０〜８０ホン程度しか騒音を発生しな
い。又、在来の溶射装置では、強烈な紫外線を含む強烈
な光輝炎を発生して゛いたが、本発明による装置では、
光輝炎が外部に出てこないので、はとんどの場合、保護
眼鏡を着用せずに操作することが可能となった。更にプ
ラズマ分離手段として、プラズマ分離排気口を使用する
場合には、プラズマ溶射によって発生したガスや未溶融
の被膜用材料を装置の出口で直接回収してしまうので、
排気や未溶融分の飛散による周囲環境の汚染がなく、極
めて良好な環境で溶射を実施することができるようにな
り、通常の工作機械と同程度の周囲環境においてプラズ
マ溶射を実施することができるようになった。従って、
在来のプラズマ溶射装置では、装置を防音隔離室の中に
設置し、防音手段及び遮光眼鏡を装備した操作員にしか
運転ができず、通常の生産ラインに溶射装置を用いるこ
とは不可能であったが、この発明によって通常の生産ラ
インにおいて、特別な隔離室等の設備を必要としないで
、溶射を通常の加工機として設置できる。

この発明によるプラズマ溶射方法及び装置によって得ら
れるプラズマ溶射被膜は、在来のプラズマ溶射装置によ
って得られる被膜に比較して、強度において同等ないし
は、１．５倍程度の強度が得られ、この点でも著しい改
善がなされた。

本発明による溶射方法及び、装置においては、母材に吹
き付けるプラズマガスの速度が著しく遅く、更に、母材
に直接衝突するのはプラズマガスの掻く一部、及び溶融
した液滴だけであるので、母材に強力な力が加わること
がなく、強度的に弱い母材にも溶射を適用することがで
き、更にプラズマビームをしぼることが可能であるので
、プラズマ溶射によって微細な加工を実施することがで
きる。本発明によるプラズマ溶射装置においては、直接
アークが終端される部分が保護ガスによって確実に保護
水冷されるので、装置の消耗が少なく、長期間の連続運
転が容易であり、又、装置の起動特性も長期間にわたっ
て安定で、起動停止を確実かつ容易に実施することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施°例を示す単トーチ型プラズマ溶
射装置の縦断面図、第２図は第１図のｎ−ｎ線部の断面
図、第３図は第１図における一部分の他の実施例の縦断
面図、第４図は第３図の部分の他の実施例の縦断面図、
第５図は第１図の他の部分における他の実施例の縦断面
図、第６図は本発明の作用と、従来例の作用を比較する
ための図表、第７図は第１図の更に他の部分における他
の実施例の縦断面図、第８図は第２−−−−一　陽極ノ
ズル ３−−−−一　電源 ４−−−−一　起動用電源 ７−−−−−　プラズマガス送入口 ８．９−−−−−　プラズマガス １０．１０−５．ｌ０ｌ−−−−一　陽極点１１−−−
−−　アーク １２−−−−一　陰極支持絶縁体 １６−−−−−　プラズマ １７−−−−一　材料送入管 １８．１９−−−一　溶射材料 ２０−−−−一　溶融材料 ２１−−−−一　被膜 ２２−−−−一　母材 ２８−−−−一　整流装置 ３０−−−−−　フレーム外套 ３１−−−−−　７°汀”分離給気口　　　　　　　　
　、７３２−−−−−　プラズマ分離用給気　　　　　
　　　　・で ３３−−−−−　プラズマ分離排気口 ３４−−−−−　プラズマ分離用排気 ４８−−−−−　プラズマトーチ ５１−−−−一　本発明によるプラズマ炎５２−−−−
一　在来型トーチ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマガスを、プラズマ炎発生用アークトーチの
   陽極ノズルの上流側に設けたプラズマガス整流手段に供
   給し、その陽極ノズルから処理対象に向けて層流プラズ
   マ炎を発生させ、該陽極ノズルの出口付近における層流
   プラズマ炎に溶射材料を送入して、溶融し、又処理対象
   の直前における層流プラズマ炎からプラズマを分離して
   、溶融状態の溶射用材料を処理対象に付着させることを
   特徴とする単トーチ型プラズマ溶射装置。 ２、プラズマガス送入口と、陰極と陽極ノズルとより成
   るプラズマ炎発生用アークトーチ において、その陰極の先端より上流に、前記陽極ノズル
   から流れでるプラズマ炎を、層流にするためのプラズマ
   ガス整流手段を有し、該アークトーチの出口付近におけ
   るプラズマ炎に溶射用材料を送入する手段を有し、又、
   処理対象の直前におけるプラズマ炎の下流にプラズマ分
   離手段を設けたことを特徴とする単トーチ型プラズマ溶
   射方法。 ３、陰極と陽極ノズルとがそれらの間に、少なくとも定
   常運転中は、電気的に浮いた状態に保持される部材が、
   設けられていることを特徴とする特許請求の範囲２項記
   載の単トーチ型プラズマ溶射装置。 ４、プラズマ分離手段がプラズマ炎にガスを吹込むため
   の給気口であることを特徴とする特許請求の範囲２項又
   は３項記載の単トーチ型プラズマ溶射装置。 ５、プラズマ分離手段がプラズマ炎からガスを吸込むた
   めの排気口であることを特徴とする、特許請求の範囲２
   項又は３項に記載の単トーチ型プラズマ溶射装置。 ６、プラズマ分離手段として、ガス給気口とガス排気口
   を併用したことを特徴とする特許請求の範囲２項又は３
   項に記載の単トーチ型プラズマ溶射装置。 ７、アークトーチの出口と、プラズマ分離手段との間に
   おけるプラズマ炎が、フレーム外套で囲まれていること
   を特徴とする特許請求の範囲２項乃至７項の何れか一項
   に記載の単トーチ型プラズマ溶射装置。 ８、フレーム外套の少なくとも一部が多孔質材又は多孔
   部材より成り、これを通して気体を供給する手段を有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲７項に記載の単トー
   チ型プラズマ溶射装置。 ９、フレーム外套がその内面を耐火質材料で形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲７項又は８項に記
   載の単トーチ型プラズマ溶射装置。 １０、プラズマ分離手段がその下流にガス供給手段を有
   することを特徴とする特許請求の範囲２項乃至９項の何
   れか一項に記載の単トーチ型プラズマ溶射装置。