JPS6246222B2 - - Google Patents

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JPS6246222B2
JPS6246222B2 JP55078882A JP7888280A JPS6246222B2 JP S6246222 B2 JPS6246222 B2 JP S6246222B2 JP 55078882 A JP55078882 A JP 55078882A JP 7888280 A JP7888280 A JP 7888280A JP S6246222 B2 JPS6246222 B2 JP S6246222B2
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JP
Japan
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plasma
temperature
average
powder
stream
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JP55078882A
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JPS562865A (en
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Suteiiun Sokoru Rarii
Kaataa Makoomasu Chaaruzu
Man Hanna Aaru
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RTX Corp
Original Assignee
United Technologies Corp
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Publication date
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Publication of JPS6246222B2 publication Critical patent/JPS6246222B2/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/22—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc
    • B05B7/222—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc
    • B05B7/226—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc the material being originally a particulate material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱スプレー法に係り、更に詳細には塑
性化された粉末を高速度にて被覆されるべき物質
に対し衝突させるプラズマスプレー法及び装置に
係る。
熱スプレー法は当技術分野に於て良く研究され
ており、耐久性のある被覆を金属基質に着装する
のに有用であることがわかつている。広範な種々
の金属合金やセラミツク組成材が従来技術の方法
により着装されている。多数のかかる合金や組成
材が従来技術の文献に記載されている。
上述の全ての熱スプレー法は高温の搬送媒体を
発生しその媒体の中に被覆材料の粉末を噴射する
ことを含んでいる。粉末は搬送媒体中にて熱によ
り軟化され或いは溶融され、被覆されるべき物質
の表面に対し衝突せしめられる。搬送媒体の温度
及び速度は非常に高く、又粉末が搬送媒体中に存
在する時間は短い。代表的な従来技術の被覆装置
が米国特許第2960594号、同第3145287号、同第
3851140号、同第3914573号に開示されている。
上述の全ての特許にかかる装置に於ては搬送媒
体は非常に温度の高いプラズマ流である。かかる
プラズマ流は通常電気アーク中に発生される。ア
ルゴン或いはヘリウムの如き不活性ガスが電気ア
ーク内を通して流され、これによりガス粒子のエ
ネルギ状態がプラズマ条件に上昇される。かくし
て非常に多量のエネルギが搬送媒体に付与され
る。かかる多量のエネルギは、ガス媒体を高速度
に加速し又後にプラズマ流内に噴射される被覆材
料の粉末を加熱するのに必要とされるものであ
る。
例えば前述の米国特許第3145287号に於ける如
き典型的な装置に於ては、プラズマ発生アークは
栓形の陰極より円筒形の陽極へ衝突せしめられ
る。陰極と陽極との間のアークは前述の米国特許
第3145287号に記載されている如く円筒形の陽極
へ向けて延びている。不活性ガスはかかるアーク
内を強制的に通され、プラズマ流が形成される。
かかるプラズマ流はそのプラズマ流の中心部に最
高温度の部分を有する温度分布を有していること
を特徴としている。前述の米国特許第3145287号
及び同第3851140号に於ては夫々2.54cm及び0.635
cm程度の陽極長さが示されており、かかる長さは
最近のプラズマ発生装置に於て典型的なものであ
る。陽極に於ける最大プラズマ温度は11095℃或
いはそれ以上であり、従つて構造体が急激に熱的
に劣化するのを阻止する為に陽極材料を冷却する
必要がある。従来かかる目的で冷却水が陽極の周
りに循環されている。
着装されるべき被覆材料の粉末は、前述の米国
特許第3145287号及び同第3914573号に開示されて
いる如く陽極の一端に於て、或いは前述の米国特
許第3851140号に開示されている如く陽極の下流
側端部に於てプラズマ流内に噴射される。この場
合粉末は熱により軟化され或いは塑性化されるに
充分であるが液化或いは蒸発化される程長くない
時間の間プラズマ流内に存在するのが好ましい。
基質に接近する被覆材料の粉末を高速度に加速
することは望ましいことであることが知られてい
る。プラズマ粉末との間の相対的速度差を増大す
ること及び粉末がプラズマ流内に存在する時間を
増大することは上述した目的を達成する二つの方
法である。速度差を増大する一つの手段として、
多くの科学者やエンジニアがこれまで超音速のプ
ラズマ流内に粉末を噴射することを提案してい
る。前述の米国特許第3914573号はかかる概念の
代表的なものであり、プラズマの速度をマツハ１
〜３程度とすることを提案している。又高温のプ
ラズマ／粉末粒を陽極の下流側に於て管状部材内
に抑えることを提案しているものもある。前述の
米国特許第3851140号はかかる概念の代表的なも
のである。
上述した米国特許に開示された多くの方法や装
置は被覆工業界に於て有用なものであるが、かか
る被覆方法や装置を更に改善する為の研究、特に
より早い材料着装速度にて高品質の被覆を形成す
る為の研究が行われている。
本発明の主要な目的は、基質上に被覆材料を着
装する方法及び装置を提供することであり、高品
質の被覆及び迅速な被覆材料の着装が希求され
る。本発明の一つの詳細な目的は、粉末が塑性化
されるが溶融状態にはならない状態で被覆粉末を
プラズマ流中にて充分に加速し得るようにするこ
とである。粉末供給率は3.65Kg／ｈ或いはそれ以
上であるのが好ましい。
本発明によれば、プラズマスプレー装置のプラ
ズマ発生装置より発射されるプラズマ流を横切る
温度分布の最大温度の値は実質的に低下され、ま
たプラズマ流の平均温度も被覆粉末をプラズマ流
中に導入する前に大きく低下される。
本発明の一つの実施例によれば、プラズマスプ
レー装置は従来型のプラズマ発生装置にて構成さ
れており、このプラズマ発生装置にプラズマ冷却
ゾーン、プラズマ加速ゾーン、粉末噴射ゾーン、
プラズマ／粉末抑えゾーンを有するプラズマ処理
ノズル組立体が固定されている。
本発明の一つの主要な特徴は、ノズル組立体内
にプラズマ冷却ゾーンが設けられているというこ
とである。本発明の他の一つの特徴はプラズマ加
速ゾーンである。プラズマ冷却ゾーン及びプラズ
マ加速ゾーンは、被覆材料の粒子がプラズマ流中
に噴射される点の下流側にてノズル組立体内に配
置されている。一つの実施例に於ては、二つの直
径方向に対向した粒子噴射ポートが設けられてお
り、被覆粒子をプラズマ流に導入するようになつ
ている。プラズマ／粒子混合物は粒子噴射ポート
の下流側に設けられた混合物抑えゾーンを経てノ
ズル組立体より発射されるようになつている。細
長い通路がノズル組立体の各ゾーンを貫通してそ
の長手方向に延在している。水の如き冷却媒体が
前記通路を構成するノズル構造体の周りに循環さ
れるようになつている。一つの実施例に於ては、
加速ゾーンの前記通路の断面積は冷却ゾーンの通
路の断面積の約1/4に低減されている。逆に抑え
ゾーンに於ける前記通路の断面積は粉末噴射ポー
トが設けられた位置に於ける前記通路の断面積の
約６倍である。
本発明による装置及び方法の一つの主要な利点
は、迅速に高品質の被覆を施すことができるとい
うことである。粒子噴射ゾーンに於けるプラズマ
流の中央の最高温度の部分が実質的に除去される
ことにより、噴射導入された粒子が一様に加熱さ
れ、その結果塑性化された粒子の流れが均一なも
のとなる。またプラズマの平均温度を粒子噴射ゾ
ーンに於て6650℃程度に低下することにより、粉
末粒子がプラズマ流中に保持されこれにより粉末
が塑性化されるが溶融されない状態に維持され
る。かかる塑性化に要する時間以上の時間に亘つ
て粒子をプラズマ流中に存在させることにより、
粉末粒子は従来技術の装置の場合よりもプラズマ
速度により近い発射速度にまで加速される。種々
の被覆材料にて良好な材料付着性及び一様な密度
を有する最良の被覆構造体が得られる。冷却ゾー
ンに於て低下した速度を回復し更にその初期の速
度以上にプラズマを加速することにより、プラズ
マ流と噴射導入された粉末との間の速度差が増大
される。更に本発明によれば、上述した如き利点
に加えて被覆工程の経済性及び安全性が向上され
る。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
ましい実施例について詳細に説明する。
添付の第１図に本発明によるプラズマスプレー
装置が詳細に図示されている。この装置は本明細
書の従来技術の説明に於て説明した形式の従来の
プラズマ発生装置１０と、ノズル組立体１２とを
含んでいる。プラズマ発生装置１０は高エネルギ
のプラズマの高速流を発生することができるよう
になつており、ノズル組立体１２は前記高速流に
作用してスプレーされるべき被覆材料の粉末粒子
を噴射するためのプラズマを形成するようになつ
ている。プラズマ発生装置１０の主要な要素には
栓形の陰極１４と陽極１６とがある。陽極１６の
筒状壁１８はその陽極を貫通する通路２０を郭定
している。また筒状壁１８は陰極より放射される
電気アークを受けるよう構成されている。プラズ
マ発生装置１０は更に高速且高エネルギのプラズ
マを発生すべく陰極と陽極との間の電気アークに
ヘリウム或いはアルゴンの如きガス媒体を流す手
段２２を含んでいる。図示の本発明による実施例
に於ては、プラズマ発生装置１０は平均流速が
610m／secでありその流れ内の平均プラズマ温度
が8315℃程度であるプラズマ流を発生し得るもの
でなければならない。Ｇノズルを取付けられた
Metco3MBプラズマ銃はかかるプラズマを発生し
得るものであることが当工業界に於て知られてい
る。他のプラズマ銃の中にも本発明の概念を達成
し得るものがある。これらの銃はMetcoプラズマ
銃によりプラズマとは性質の異なるプラズマを発
生するのであるが、これはノズル組立体の詳細な
構造が異なることによるものであると考えられ
る。しかしかかる修正されたノズル組立体には後
述する主要な特徴が含まれている。
ノズル組立体１２は直接プラズマ発生装置１０
に当接しており、プラズマ発生装置の陽極１６を
貫通する通路２０と整合した細長い通路２４を有
している。図示の如く、通路２４はフインのつい
た管状部材２５を貫通している。プラズマ発生装
置からの流体は直接ノズル組立体の通路２４内へ
吐出され得るようになつている。導管装置２６が
水の如き冷却媒体をノズル組立体を通して流すよ
う構成されている。プラズマ冷却ゾーン２８が通
路２４の上流側端部に配置されており、被覆材料
の粒子を噴射する前にプラズマの温度を低下する
ようになつている。冷却ゾーン２８に於ける通路
２４は約2.54cmの長さだけ軸線方向に延在してお
り、0.728cmの直径を有している。この冷却ゾー
ンに於ける通路２４の直径及びノズル組立体が整
合する陽極通路２０の直径は互いに対応するよう
定められている。図示の実施例に於ては冷却ゾー
ン２８に於ける通路２４の断面積は電気アークが
衝突する陽極の筒状壁１８により郭定される断面
積よりも小さなものである。他の幾何学的寸法及
びパラメータはかかる基本的な寸法を基本に定め
られている。
通路２４に沿うプラズマ加速ゾーン３０が冷却
ゾーン２８のすぐ下流側に設けられており、冷却
されたプラズマ流を加速するようになつている。
この実施例に於ては、加速ゾーン３０は冷却ゾー
ンに於て低減された速度を回復するのみならず、
ノズル組立体に流入するプラズマの速度以上に冷
却されたプラズマを加速するよう構成されてい
る。図示のノズルの加速ゾーン３０内に於ては通
路の直径は0.728cmである元の直径より約0.386cm
に低減されている。即ちかかる領域に於ける通路
の断面積は約1/4に低減されているわけである
が、これよりも幾分か大きい或いは小さな断面積
であつても同様に機能する。
加速ゾーン３０のすぐ下流側には通路２４に沿
つて粉末粒子導入ゾーン３２が設けられており、
被覆材料の粉末粒子を冷却され且つ加速されたプ
ラズマ流内へ導入或いは噴射するようになつてい
る。粒子は一つ或いはそれ以上の粉末ポート３４
を経て通路内に流入し得るようになつており、第
１図に於ては二つの直径方向に対向した粉末ポー
トが図示されている。図示の如く二つのポートが
存在するので、3.65Kg／ｈ程度の粉末供給率を達
成することができる。導入ゾーン３２内の通路２
４の直径は約0.386cmである。かかる導入ゾーン
３２へ流入するプラズマの速度は3353〜4267m／
secである。
粒子導入ゾーン３２の下流側には通路２４に沿
つてプラズマ／粒子抑えゾーン３６が設けられて
おり、粒子が装置より発射される前にプラズマ流
により粒子が加速されるようになつている。この
抑えゾーン３６は粉末導入点より下流側へ約2.54
cmの距離だけ延在している。抑えゾーン３６内の
通路２４はノズル組立体の一端に於て約0.939cm
の直径に拡径している。このことは通路の断面積
が噴射ゾーンのそれの約６倍に増大していること
を示している。かかる装置によれば610m／sec程
度の粒子速度が得られる。
上述の如くノズル組立体が作用した流体は高エ
ネルギ状態にある。陰極と陽極との間に生じる電
気アークによりガス分子の構造が破壊され、イオ
ン、電子、中性子、分子を含有するプラズマ流が
形成される。このプラズマ流はその中心部にその
平均温度値を1/3以上上回る最高温度値を有して
いることを特徴としている。プラズマ流を横切る
温度分布が第２図に図示されており、その最高温
度は図に於てプラズマ冷却ゾーン２８の上流側端
部に存在していることがわかる。プラズマ流が冷
却ゾーン２８を通過するとその平均温度は1110℃
程度即ち8315℃から7205℃まで10〜15％低下され
る。同様にプラズマ流の中心部に於ける温度が
11095℃或いはそれ以上の温度より8315℃程度
に、即ち約1110℃だけ若しくはその領域に於ける
平均プラズマ温度の約15％以下だけ大きく低下さ
れる。プラズマ流が加速ゾーン３０を経る時には
プラズマ流は6650℃程度のほぼ一様な温度とな
る。かくして粉末噴射点に於てほぼ一様なプラズ
マ流温度分布を与えるべくその最高温度の部分を
なくして実質的に均一な温度分布とすることは重
要なことである。上述したプラズマ流温度の均一
化が第２図に図示されている。
粉末はポート３４を経てプラズマ流内に噴射さ
れ且そのプラズマにより加熱される。粒子はプラ
ズマにより加速される。第３図に於て曲線Ａはプ
ラズマ或いはガスの速度に対応しており、曲線Ｂ
は粒子の速度に対応している。粒子がノズル組立
体内を下流側へ進行すると粉末粒子は塑性状態に
加熱される。プラズマ温度分布がほぼ一様である
ので全ての粒子は同一の軟化状態となるまで加熱
され、ノズルより発射される粒子は均一な流れと
なる。ノズル組立体へ到る流れの冷却速度は、被
覆されるべき物体上に衝突する点に於てその流れ
内に塑性化された粉末を生ずるよう制御される。
ノズル組立体より発射されるプラズマの平均温
度の値は5537℃程度或いは元の平均温度の値の2/
３程度である。
上述の装置は、特にクロム14〜20wt％，アル
ミニウム11〜13wt％，イツトリウム0.10〜0.70wt
％，コバルト最大2wt％，残部ニツケルなる
NiCrAlY組成であることを特徴とするものの如き
ニツケル合金或いはコバルト合金粉末を着装する
ために開発されたものである。５〜45μ程度の寸
法を有する粒子が使用されその結果は良好であつ
た。更に本発明によるノズル組立体は、アメリカ
合衆国インジアナ州、ココモ所在のCabot
CorporationのStellite Divisionより調達し得る硬
質合金であるHaynes Stellite Alloy No.6を着装
するのに特に適したものである。前記Stellite
Alloy No.6は例えば内燃機関の弁の耐摩耗性を改
善する被覆材料として自動車工業界に於て使用さ
れている。
本発明の概念によれば、通路内に於てプラズマ
流を加速する場合に高エネルギレベルがまずプラ
ズマ流に与えられるのを可能にする。通路に沿う
プラズマ温度の低下はプラズマ流発生装置への入
力を低減することによつても達成されるが、その
場合プラズマ流内のエネルギもそれに対応して低
下しプラズマが粉末を加速する加速効果も低下し
てしまう。プラズマ流発生装置内に於てプラズマ
が粉末を迅速に加速する能力はノズル組立体内に
於けるプラズマ温度を低下することによつて影響
を受けることはない。
プラズマ流内の温度や速度を実験的に正確に測
定することは現状では不可能である。従つて本願
発明者等は、本発明の概念を理解する上での手助
けとなるよう、プラズマ流内の条件や状態を解析
により求めた。従つて実際の温度や速度の条件は
本発明の基本的な概念を逸脱しない限り上述した
温度や速度とは異なつていてもよいものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の概念を実施する装置を一部破
断して示す解図である。第２図はノズル組立体を
通る通路に沿う種々の位置に於けるプラズマの温
度分布を示す解図である。第３図はノズル組立体
を通る通路に沿う種々の位置に於けるプラズマ及
び粉末粒子の速度を示す解図的グラフである。 １０〜プラズマ発生装置、１２〜ノズル組立
体、１４〜陰極、１６〜陽極、１８〜筒状壁、２
０，２４〜通路、２５〜管状部材、２６〜導管装
置、２８〜プラズマ冷却ゾーン、３０〜プラズマ
加速ゾーン、３２〜粉末粒子導入ゾーン、３４〜
粉末ポート、３６〜プラズマ／粒子抑えゾーン。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 着装されるべき材料を高エネルギプラズマ流
    中にて基質へ搬送して耐高温性材料を基質に着装
    する方法に於て、 プラズマ流を横切る平均温度を有し且該平均温
    度よりも約1/3高い最高温度をプラズマ流の中心
    部に有することを特徴とする高温プラズマ流を与
    えることと、 プラズマ流の平均温度を約10〜15％低下し且最
    高温度の値を前記低下された平均温度の値の約15
    ％以下だけ低下することと、 前記耐高温性材料の粉末を前記温度を低下され
    たプラズマ流内へ導入することと、 前記プラズマ流及び前記導入された粉末を細長
    い通路内に抑えることと、 前記導入された粉末を前記細長い通路内にて加
    速し且加熱することと、 前記細長い通路内の前記プラズマ流の平均温度
    を元の平均温度の約2/3に更に低下することと、 前記加速され且加熱された粉末を前記細長い通
    路より発射し且前記粉末を被覆されるべき基質に
    対し導くことと、 を含んでいることを特徴とする方法。 ２ 被覆材料の粒子を基質上に着装し且被覆材料
    の粒子がプラズマ発生スプレー装置内に於て発生
    されたプラズマ流により加熱され且加速される方
    法を実施するためのプラズマ発生スプレー装置に
    於て、 約610m／secの平均プラズマ速度及び約8315℃
    の平均プラズマ温度にて円柱形のプラズマ流を発
    生することのできるプラズマ発生装置と、 約610m／secの平均速度と約8315℃の平均温度
    とを有する前記プラズマ流を受けるよう構成され
    内部に細長い通路を有する冷却可能なノズルと、
    を含み、前記ノズルは前記通路の上流側端部に設
    けられ前記プラズマ流の平均温度を低下する温度
    低下手段と、該温度低下手段のすぐ下流側に前記
    通路に沿つて設けられ前記温度を低下されたプラ
    ズマを前記温度低下手段の上流側端部に於ける前
    記プラズマの平均速度以上の平均速度に加速する
    加速手段と、該加速手段のすぐ下流側に前記通路
    に沿つて設けられ被覆材料の粒子を前記冷却され
    且加速されたプラズマ内に導入する粒子導入手段
    と、該粒子導入手段のすぐ下流側に前記通路に沿
    つて設けられ前記粒子が加熱され塑性状態となる
    に充分な時間の間前記粒子を前記冷却され且加速
    されたプラズマ流内に抑える抑え手段とを有して
    いることを特徴とする装置。
JP7888280A 1979-06-11 1980-06-10 Plasma spraying method and its device Granted JPS562865A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/047,437 US4256779A (en) 1978-11-03 1979-06-11 Plasma spray method and apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS562865A JPS562865A (en) 1981-01-13
JPS6246222B2 true JPS6246222B2 (ja) 1987-10-01

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ID=21948973

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7888280A Granted JPS562865A (en) 1979-06-11 1980-06-10 Plasma spraying method and its device

Country Status (20)

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US (1) US4256779A (ja)
JP (1) JPS562865A (ja)
KR (2) KR850000597B1 (ja)
AU (1) AU530584B2 (ja)
BE (1) BE883632A (ja)
BR (1) BR8003383A (ja)
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CH (1) CH647814A5 (ja)
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DK (1) DK151046C (ja)
EG (1) EG14994A (ja)
FR (1) FR2458973A1 (ja)
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IT (1) IT1167452B (ja)
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