JPS6219273A

JPS6219273A - フレ−ム溶射装置

Info

Publication number: JPS6219273A
Application number: JP61123860A
Authority: JP
Inventors: ジエームス　エイ．ブラウニング
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1986-05-30
Publication date: 1987-01-28
Also published as: US4634611A; EP0203556A2; EP0203556A3

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】イ、産業上の利用分野本発明は一般に、粒子状材料を加熱または融解するため
に熱いガス状燃焼生成物を利用し、そして被覆すべき基
面に向かって粒子を加速する、フレーム溶射装＠記かか
わる。さらに明確に述べると、本発明は、圧縮空気ノズ
ルと組み合わせた酸素と燃料の燃焼室の改良された設計
、および濃密な接着された被覆をつくるために、金属ま
たはセラミックの粉末を加工物の上にフレーム溶射する
装置を使用する方法にかかわる。

口２従来の技術溶射は、望ましいすなわち熱で融解する材料を溶かすか
、または少なくとも熱で軟化するために　　　　１加熱
地帯に送り、次いで金属または非金属の被覆を基面の上
に溶着させるために、一般に細分された形で加熱地帯か
らそれが推し進められることを含む、産業プロセスの一
群の包括的用語である。

溶射は、摩耗または破損し、または不適当に機械加工さ
れた部品を修理すなわち直すために金属を吹きつけるた
めに、その商業的開発の初期の段階で主として使用され
た。しかし最近、耐火合金、セラミック、サーメット、
カーバイド、および他の化合物を含む材料のはるかに広
範な群が、基本材料に摩耗、腐食、または酸化に対する
抵抗を与えるために使用される。ときどきなお一括して
金属被覆と呼ばれるこれらプロセスは、フレーム溶射、
電気アーク溶射、およびプラズマアーク溶射を広く含ん
でいる。

これら三つの基本的方式は、主として加熱地帯に使用さ
れる装置の型式で異なっている。フレーム溶射は、酸素
または空気と反応する可燃性の燃料ガス（アセチレン、
プロパン、天然ガス、またはときには水素のような）を
利用する。電気アークおよびプラズマアークは、もちろ
ん、加熱地帯を生ずるために電気エネルギーを利用する
。そのうえ、加熱された粒子を加速し、そしてそれらを
加熱地帯から被覆すべき表面に向かって准し進めるため
におよび／または加工物とその上につくられる被覆を冷
却するために噴射ガスが供給される。

溶射法のこれら三つの基本的方式の詳細な特徴、ならび
に利点と欠点は、参考としてここに取り入れた＆ｉ！ｌ
（１’！且ユｊの第５巻（ページ３６１〜３６８）に述
べられている。

最初に述べると、被覆材料は線または棒材料、または粉
末材料であることができる。もし線または棒の形であれ
ば、それは加熱地帯に送られて溶かされる。融解した材
料は次いで線または棒の端から取り除かれ、そして圧縮
空気または他のガスの高速度の流れによって微粒子にさ
れ、その流れは材料を用意された基面すなわち加工物の
上に推し進める。もし粉末の形であれば、材料は普通、
粉末送り装置またはホッパーによって圧縮空気またはガ
スの流れの中に調節して加えられ、その流れはそれを浮
かばせて加熱地帯に送り出す。適当なフレーム溶射粉末
の特徴は、米国特許第３，６１７．３５８号および第４
．１９２，６７２号に述べられ、そして参考としてここ
に引用されている。

本発明の目的のために、フレーム溶射は、燃焼過程の性
質または速度によって少なくとも三つのおもな商業的変
形にざらに再分され、それは次いで被覆特性に影響を与
える。

一つの極端には、スイスで１９００年代の初期に最初に
開発されたらしく（例えば米国特許第１゜１００．６０
２号および第１．１２８．０５８号参照）、そして今日
なお種々な商業的実施例に広く使用される、簡単な低速
度法がある。

基本的に低速度法は、金属粉末を加熱して加工物に送っ
て摩耗または腐食に抵抗する被覆をつくるために、開い
たすなわち閉じ込められないフレーム（改変されたアセ
チレントーチのような）を有する小さい、しばしば手に
持たれる装置を利用する。粉末は、トーチの先端の近く
の燃えているフレームに加えられ、こうして装置を出た
のち加熱される。被覆は普通非常に穴が多いので、溶着
されたままの粉末をより滑らかで、より濃密な被覆に溶
かすためにもう一つのフレームがしばしば使用される。

この方式の方法は、米国特許第２゜５２６．７３５号、
第２，８００．４１９号、第４．２３０．７５０号に非
常に詳しく述べられ、そして参考としてここに引用され
ている。

他の極端には、粉末を加熱してガンの一端から推し進め
るために長い管（曲型的に長さ約１メートル）を通って
動く周期的煽ごう波を使用する、１９５０年代ににオン
カーバイドによって開発された複合超高速度法がある。

煽ごうの火炎伝搬速度は、単純燃焼のものより数百倍速
く、そして音速の幾倍もある。この方法のよい説明は米
国特許第２，７１４，５６３号および第２．７７４．６
２５号に見いだされる。

これら両極端の中間には、短い管またはダクトの中に周
期的でない、連続的燃焼によって生じた、音速に近い高
速度を利用するもつと最近開発された第三方式のフレー
ム溶射法がある。

この高速度法は、囲まれた燃焼室と、酸素と燃料のフレ
ームとその中に運ばれる粉末を、低速度法の閏じ込めら
れないフレームより約５倍または１０倍速い速度に加速
するために随意に出口ノズル（ロケットのような）有す
る、より大きな水冷の構造物を利用する。燃焼温度はす
べての方式の方法でほぼ同じであるように思われるが（
約３０００℃）、高速度法は、おそらく熱ガス地帯の中
の加熱に利用できる時間がより短いために、低速度法よ
り粉末の見掛は温度の増加が小さいように見える。しか
し、組み合わされた高速度と高温度は、加工物の上には
るかに濃密な高品質の溶着物を生じる。

酸素と燃料の燃焼装置のこの改良された型式は、米国特
許第２．９９０．６５３号、第４．３４２゜５５１号、
第４．３４３，６０５号、第４，３７０．５３８号、お
よび第４．４１６．４２１号にさらに詳しく記載されて
いる。

フレーム溶射装置のこれら三つのおもな変形は、おのお
のある利点と欠点を有している。

低速度法の装置は非常に費用がかからず、そして操作が
容易であるが、つくられる被覆は普通穴が多くて低品質
である。さらに、限られた数の材料が溶射されることが
でき、そして金属の溶着率は、燃焼するガスの低いエネ
ルギー人力によって低い。

超高速度煽ごう法の装置は複雑で費用がかかり、そして
普通販売のために利用できないが、被覆は高品質である
。さらに、多くの異なるタイプの材料が溶射されること
ができるが、これも溶着率は低い。

中間速度法は、コストと複雑さでも中間にある。

多くのタイプの金属の被覆材料が高溶着率と高密度で溶
着される。しかし、非常に高い燃料と酸素の消費量は、
毎時の作動コストをいくぶん＾くする。

プラズマアーク溶射装置の導入前は、溶射される材料と
して粉末を使用する８品質（すなわち濃密）な被覆は、
爆ごうガン法を利用してのみつくられることができた。

プラズマアーク溶射法は、いくぶん低品質の被覆をつく
り、そして装置の費用ならびに毎時の作動コストを比較
的高くする。

多くのフレーム溶射は、煽ごうガンの良品質の被覆を必
要としない。しかし、臨界速度または音速より以上で作
動する改良された酸素と燃料の装置の使用前は、利用で
きる低速度燃焼装置はプラズマアーク溶射よりもはるか
に低品質の被覆をつくった。

そんなわけで、本発明の一つの目的は、合理的コストで
良品質の被覆をつくることのできる酸素と燃料の燃焼装
置を得ることである。本発明のもう一つの目的は、水冷
装置よりもよい熱効率を有する簡単な空冷装置を得るこ
とである。

ある先行技術はフレーム溶射法を改良するために努力し
たが、いずれもいままで問題の根源、すなわち本発明の
利点を認識しなかった。

最も早期から、圧縮空気の噴射は粒子の流れを形づくり
および／または加速することを助けることが知られてい
た。例えば、米国特許第２，１０８．９９８号、第２．
１２５．７６４号、および第２．４３６，３３５号を参
照されたい。

冷たい噴気を生じるより一般的な圧縮空気供給源の代わ
りに、熱い噴射ガスを生じる燃焼法を使用するいくつか
の装置もある。例えば米国特許第４．３５８，０５３号
および第４，３７０．５３８号を参照されたい。

ある先行装置はまた、ガンを冷却し、および／または粒
子をさらに加熱するために、冷たい噴射ガスまたは燃焼
空気を使用している。例えば米国特許第２，１２５，７
６４号、第４．１８７．９８４号、および第４，３４２
．５５１号を参照されたい。

しかしこれら先行装置はいずれも、加熱ガスと噴射ガス
の速度と温度の間の重要な関係を明らかにしていない。

ハ６問題点を解決するための手段本出願は、良品質の溶射された被覆をつくるために酸素
と燃料のフレームを利用する、新しい方　　　　１法と
改良された装置を説明している。本発明は前記米国特許
第４．３７０，５３８号にいくぶん似ているが、粒子状
材料の熱軟化のため、または連続的に送られる線材を融
解するための、亜音速のダクトで安定化されるフレーム
の原理に基づいている。ダクトから進入するそのように
加熱された材料は、燃焼の熱ガスの一次流と、例えば圧
縮空気供給源からの加熱された高速度ガスの追加の取り
囲む環状シースとの組み合わされた作用によって、ダク
トの先でより高速度に加速される。この二次空気流は、
−激流の中の大母の燃料と酸素の必要を減らす。

本出願人は、空気の外方シースと非常に熱いガスの内方
の流れとの間の関係が、きわめて重要であることを見い
だした。より冷たいシースは、熱ガスの流れの内方の円
柱状地帯の温度よりまだ感知できるほど低くない全体の
流れに、その運動エネルギーすなわち運１！ｉ１ｍを加
えねばならない。二つの流れの間の境界が激しく混ざら
ないように、内方の熱ガスの流れの速度にほぼ等しいか
、または少なくともそれに十分近い取り囲む噴流の速度
を与えるために、二次空気のシースのガスを加熱するこ
とによって、早すぎる混合は最小にされる。

熱い内方部分の超音速の流速とつり合うことは、より冷
たい外方シースによって達成できないので、少なくとも
内方の一次流は、装置を出たのちその亜音速地帯にとど
まることが重要である。

本川１８１は、本発明と思われる主題事項を詳しく指摘
し、そしてはっきりと要求する特許請求の範囲を含むが
、本発明、その目的、特徴、および利点は、添付図面に
ついて考えるとき、本発明を実施するための最良の方式
の次の詳しい説明によってよりよく理解されるであろう
。

二、実施例本発明の原理は、好ましいフレーム溶射装置の横断面図
からよりよく理解されるであろう。スプレーガン組立体
１０は、冷却溝３２を含みそして上は表面１２で終わり
そして下は出口２６で開く、軸線方向のダクト１１を囲
む円筒形本体９を含んでいる。燃焼用酸素は、管１３を
通って環状マニホルド１４にはいり、そして複合供給通
路１５を通ってダクト１１の中に通る。管１６からの燃
料ガスは、環状マニホルド１７によってインゼクタ−の
穴１８に分配される。酸素と燃料の両方は、供給通路１
５の一部を通って流れ、そして表面１２でダクト１１の
中に放出されるとき、前もって混合される。通路１５は
、搬送ガス（または代わりに針金）の中の粉末が管１９
から通る、軸線方向の粉末供給孔２０の回りに好ましく
も対称的に配列されている。酸素と燃料の反応体はダク
ト１１を通るとき燃焼し、ダクト１１の壁は円柱状燃焼
地帯すなわち燃焼室を形成している。出口２６に達する
までに、反応ガスおよび／またはそれらの燃焼生成物は
比較的高速になっている。正しい対称の流れのために、
粉末の流れはダクト１１の壁から遠ざかって置かれる細
い芯に保たれる。粉末材料は、軟化点に加熱されるか、
またはこの点で融解さえする。

流出する熱ガスは、比較的高速度であるが低密度を有し
、そして臨界より大きい圧力低下が起こらなければ、そ
れら自体で、加熱された粒子を望みの高速度に加速する
ことは完全にはできない。

あとで述べる理由で、ダクト１１を通る大きい圧力低下
は望ましくない。

熱い一激流２７の運動量を補足するために、加熱された
ガスの外方シース２８が内方の熱ガスの流れの速度に近
い速度で、（例えば、図示しない圧縮ガス供給源から）
供給される。二次空気のシース２８は、理想的に、出口
２６の先の延びた距離で、できるだけ少ない混合でその
運動エネルギーすなわち運動量を粒子の流れに伝達しな
ければならない。延びた熱い地帯２７は、粒子が熱を受
は続けて加速する出口２６の先、数インチのあいだ維持
される。二次の外方シース２８は最後に（はぼ点２９で
）、−次ガスの熱い流れと乱れて結合し、そしてその残
った運動量を加速作用に加える。粒子は、加工物３１に
ぶつがって被覆３゜をつくるために高速度に加速される
。

噴射空気は管２１を通して環状マニホルド２２に供給さ
れ、そして端のキャップ２４と本体の間につくられた環
状ノズル２３を通して、または端のキャップ２４の中の
狭い間隔の一連の吐出孔（図示せず）を通して吐出され
ることによって、シース２８をつくる。

本出願人は、熱い内方ガスと冷たい外方シースとの混合
を減らすために二つの流れはほぼ同じ速度でなければな
らないことを見いだした。熱ガスは、ダクト１１を通る
毎平方インチ数ボンドより低い圧力低下でさえ、毎秒約
６００メートル（毎秒的１．８００フイート）の速度に
なる。これは、空気の音速が毎秒３７０メートル（毎秒
１．１゜Ｏフィート）よりやや大きい、誘過の大気温度
（約２０℃すなわち７０下）で可能な速度よりも大きい
。二つの流れの間の毎秒約２３０メートル（毎秒約７０
０フイート）の違いは、大きいせん断と急速な混合を生
じる。正しい速度のつり合いは、超音速のシース２８の
速度を使用して得ることができる。これは、きわめて大
きな空気の流れを必要とするので望ましくなく、モして
シースの流れの上にむりにつくられる一様でない境界は
、急速な混合に導く。

しかし、空気を予熱する（図示しない抵抗加熱器による
ように）ことによって、毎秒６００メートル（毎秒１．
８００フイート）の内方の熱い流れの速度（例えば）に
つり合うガスのシースの速度が容易に得られる。空気は
約５１０℃（９５０°「）に予熱されねばならない。こ
の温度における空気の音速は毎秒約５５２メートル（１
，８１０フイート）である。こうして、シースのガスの
高いが亜音速の流れは、熱ガスの速度にほぼつり合うよ
うにされる。

ホ６発明の動き要するに、本発明によれば、短いダクトの先に延び、そ
して溶射される粒子がなお加熱されて加速される、−次
熱ガスの円柱状流れが得られる。

この内方の熱い流れを囲む加熱された二次空気の外方シ
ースは、追加の運動口を熱ガスの運動量に与えて粒子を
高速度に加速することを助けるために、ダクトのかなり
先でなお内方の熱い流れに混入する。

正しく選ばれた空気の流山と温度のために、トーチの出
口の先の加熱地帯は、目に見えていっそう集中して延び
るようになる。粒子の加工物にぶつかる速度は大きく増
加して、従来プラズマアークまたは他の外来技術を使用
してのみ得られた被覆の品質にする。

本出願人が外部の熱源によって空気を加熱すると述べた
点で、低ダクト膨張比にするためのより簡単な方法は、
空気の流れそのものを使用してダクトを冷却することで
ある。空気は望みの温度に加熱されることができ、そし
て冷却水は使用する必要がない。

粉末の使用を説明したが、本発明の原理は線または棒を
送る装置に等しく適用できる。

本発明を特にその好ましい一実施例について詳しく説明
したが、前掲特許請求の範囲に明らかにした本発明の趣
旨と意図する範囲内で有効でありうる、多くの変形と修
正が前記の教えに照らして可能であると考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本的概念を示す装置の概略断面図
、そして第２図は、本発明のもう一つの実施例の断面図である。図面の符号１０は「フレーム溶射装置」または「スプレ
ーガン」、１１は「燃焼室」または「ダクト」、１２は
「表面」、１３は「酸素管」、１４．１７．２２は「ｙ
Ａ状マニホルド」、１５は「複合供給通路」、１６は「
燃料ガス管」、１８は「インゼクターの穴］、１９は「
粉末管」、２０は「粉末供給孔」、２１は「空気管」、
２３は「環状ノズル」、２４は「端のキャップ」、２６
は「出０．１．２７は「円柱状火炎噴流」、２８は「環
状シース」、３０は「被覆」、３１は「基面」または「
加工物」、３２は「冷却溝」を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸素と燃料の混合気を圧力の下に高圧力燃焼室（
１１）に連続的に供給してその中で燃焼させるためにガ
ス装置（１３−１８）に通じる前記室（１１）、前記室
の中で加熱するために固体材料をそこに導入する装置（
２０）、および加熱された粒子状材料を含む熱ガスを高
速度で吐出す出口装置（２６）を有する型式のフレーム
溶射装置にして、前記粒子状材料を前記出口装置から推
し進めることを助けるために、そこから流れる燃焼した
ガスを囲んでそれと平行に流れる暖かい高速度ガスの環
状シースをつくる装置（２１−２３）を包含する、こと
を特徴とするフレーム溶射装置。
（２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
高速度ガスを暖めると同時に、前記燃焼室の壁を冷却す
る装置をさらに含む、ことを特徴とするフレーム溶射装
置。
（３）特許請求の範囲第１項記載の装置において、固体
材料を導入する前記装置は、搬送ガスの中の粉末を前記
室の中に、その中心軸線に沿つて前記出口装置と反対の
位置に流す装置を含む、ことを特徴とするフレーム溶射
装置。
（４）特許請求の範囲第１項記載の装置において、固体
材料を導入する前記装置は、金属の線を前記室の中に送
る装置を含み、その室で前記金属の線は燃焼の熱ガスに
よつて微粒子にされる、ことを特徴とするフレーム溶射
装置。
（５）固体材料を加熱してダクトから基面に向かつて推
し進めるために使用される高温度と高速度の円柱状火炎
噴流を生じるために、酸素と燃料の混合気が前記ダクト
の中で燃焼される方式のフレーム溶射の方法にして、前
記酸素と燃料の混合気とは別の圧縮空気の流れを供給し
、前記空気の流れを周囲温度より以上に加熱し、そして
前記火炎噴流の流出速度を亜音速に保つと同時に、広が
つた圧縮空気の同軸のシースと前記噴流との最初の混合
がほとんど起こらないように、前記火炎噴流の速度に十
分に近い速度を有する前記シースで前記円柱状火炎噴流
を囲む、諸段階を包含する、ことを特徴とするフレーム
溶射の方法。
（６）特許請求の範囲第５項記載の方法において、前記
圧縮空気の流れを加熱する前記段階は、前記流れを前記
ダクトの外面に沿つて流すと同時に、そこから熱を吸収
することを含む、ことを特徴とするフレーム溶射の方法
。
（７）特許請求の範囲第５項記載の方法において、前記
火炎噴流と前記広がつた圧縮空気のシースの速度は、そ
れらの高温度のためのみで亜音速であり、それらの速度
は基準大気温度における音速より大きい、ことを特徴と
するフレーム溶射の方法。
（８）特許請求の範囲第５項記載の方法において、固体
粒子状材料を前記ダクトに導入し、そこで加熱し、そし
てそこから前記高速度の火炎噴流の中で基面に向かつて
推し進める、ことを特徴とするフレーム溶射の方法。
（９）特許請求の範囲第５項記載の方法において、固体
の線を前記ダクトに導入し、そこで微粒子にし、そして
そこから前記高速度の火炎噴流の中で基面に向かつて推
し進める、ことを特徴とするフレーム溶射の方法。