JPS6254060B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、プラズマスプレイ技術に関し、特
に、超音速プラズマ流中に移送アークを利用する
装置および方法に関するものである。

プラズマスプレイプロセスは高温度、摩耗、腐
食その他の条件に抵抗性のある金属やセラミツク
で精密部品を被覆するために商業的に使用され
る。プラズマスプレイ装置は加工物を高温度に加
熱しうる高エネルギレベルのイオン化ガスの流れ
を与えかつ選択されたコーテイング材料の粉体を
加工物上に沈着する。粉体はプラズマ流中へ射出
されかつ溶融または塑性状態に加熱されかつ衝撃
に際して好適には加熱された加工物に結合され
る。本技術分野の現状においては、理論密度の70
〜90％の密度を有するコーテイングを与えること
ができ、コーテイングと基体間の結合は化学的ま
たは冶金的性質のものではなく機械的性質のもの
である。平均コーテイング密度および結合強度を
増大しかつこのプロセスを使用する収率を向上す
ることが望ましい。プロセスの動力学は、流れ速
度、プラズマ温度および圧力条件のような、精密
には制御できないところの高エネルギレベルを含
む多数の変数に依存するため、収率は時には不確
実であり、一般的に満足できないものである。コ
ーテイングの密度および結合の強度はこれらの変
数に依存するのみでなく、加工物の清浄度および
状態にも依存する。

移送アーク形プラズマガンは粉体肉盛コーデイ
ングに使用されておりかつ最近になつて粉体スプ
レイコーテイングに使用されるようになつた。こ
の形式の装置においては、ガン内の一次陰極―陽
極アークがガス流をイオン化することによつてプ
ラズマを発生し、ガン自体と加工物間の電位差が
加工物を陽極として設定する働きをし、これにガ
ンからの移送アークが付着する。アークは通常加
工物上の非常に小さい区域内に付着し、表面を浸
食しかつ沈着速度を制限する傾向があるため、あ
る現代のプラズマスプレイ装置はアーク拡散シヨ
ツクパターンを生ずるように動作する。装置の囲
い内へ結合されるポンプ装置により、超音速プラ
ズマ流が発生されるが、流れの静圧は比較的低
い、ほぼ１気圧に保持される。マツハ２〜３の範
囲内のプラズマ流速度を使用すると、加工物上の
シヨツクパターンがアークを分布しかつ沈着中粉
体を広げる。高いガスおよび粉体速度、およびそ
の結果としてのコーテイング材料の運動エネルギ
および機械的衝撃エネルギの増大は、改良された
密度（理論密度の96〜99％の範囲内）および改良
された結合強度を有するコーテイングを生成す
る。動圧比に起因する流れの膨張もまたコーテイ
ングが沈着される加工物上の区域を実質的に増大
する。しかしながら、プロセスの動的性質に主と
して起因して、プロセスの制御はなお理想的なも
のからはほど遠い。プラズマ流で加工物を加熱す
るときには、たとえば、不均一な積層が起こりか
つある程度の酸化が起こり、結合の完全さを低減
しかつ材料の沈着速度に影響を及ぼす。部品上に
酸化物その他の不純物が存在すると品質が著しく
影響を受け、予清浄技術ではこの問題は解決され
ない。また、プラズマ装置に高価な精製ガスでは
なく市販のガスを使用することが望ましい。この
プロセスによつて典型的に被覆される、タービン
ブレードのような、部品にかけられる厳重な要件
および要求は、該部品が品質管理において拒絶さ
れなければならないことを意味するものである。

本発明に係る装置および方法においては、超音
速プラズマ流で加熱される加工物要求に応じて逆
転された移送アーク系において陰極として機能す
るように配置される。スパツタリング効果が発生
され、電子電流が加工物からプラズマガンに向つ
て流れ、表面材料の原子が励起されて表面から放
出され、反対電荷に向つて流れまたはガス流によ
つて掃きのけられる。かくして、加工物表面は酸
化物や不純物を清掃され、それにより界面層が露
出され、これを衝撃する金属または非金属粉体が
加工物の表面全体にわたつて冶金的に拡散され
る。ついで、加工物とプラズマガン間の電位差が
逆転されまたは同等にされ、それにより所望の深
さのコーテイングが得られるまで粉体が沈着され
続ける。

スパツタリング作用は加工物表面の領域に比較
的高いよどみ（stagnation）圧（２気圧以下
0.001気圧までの範囲内）が存在しても発生され
る。設定された超音速プラズマ流、移送アークお
よび圧力関係は、移送アークを拡散するのみでな
く、不純物を優先的に励起して表面から放出しつ
いで除去するところのシヨツク領域を生ずる。

本発明にかかるより特定的な実施例において、
密閉チヤンバ内に装着された加工物が走査機構上
に装着されたプラズマガンからのプラズマ流の通
路に配置される。密閉チヤンバに結合された真空
ポンプ系が、マツハ3.2を超えるガンからの超音
速プラズマ流にかかわらず、選択された低い周囲
圧力を維持する。流れ速度および流れ静圧ならび
にプラズマ密度は、加工物の所にシヨツクパター
ンを設定しかつ加工物上に所定サイズおよび形状
の拡散アーク付着を与えるように選択される。
100アンペアを超えかつ負極性の高移送アーク電
流が初めに加工物とプラズマガンとの間に使用さ
れてスパツタリングを開始する。この装置では、
加工物の自由端に対するプラズマ流の走査角およ
び衝撃区域に関係なく拡散パターンを維持するた
めに、ダミイ（dummy）加工物またはダミイ
「ステイング（sting）」が加工物に隣接して配置
される。プラズマヘツドを横方向に、横方向に垂
直および平行な横揺れ（yaw）運動方向におよび
上下方向に走査することが有利であり、この目的
のために信頼性のある汎用機構が設けられる。加
工物とダミイステイングもまたプラズマ流の衝突
中熱フラツクスを制限しかつ励起表面領域を制御
するために連続的に移動させられる。加工物に横
揺れ運動を導入することによつてコーテイングの
均一性がさらに改良される。これらの特徴を組合
せて使用することにより、加工物は、移送アーク
の存在または不在において、加工温度まで急速に
加熱され、所定間隔にわたる移送アームの逆転中
制御された速度で加工物から原子を除去すること
によつて清浄され、ついでコーテイング間隔とス
パツタリング間隔のオーバラツプの存在または不
在において被覆される。ついで、コーテイングは
所望ならば移送アークを使用してまたは熱エネル
ギ移送がそれにより過剰になる場合には移送アー
クを使用しないで完了される。

本発明のよりよい理解は添付図面と関連する以
下の説明を参照することによつて得られるであろ
う。

第１図の破除斜視図および第２図の側面断面図
に一般的に示されているように、本発明に係るプ
ラズマスプレイ装置は密封した真空維持かつ耐圧
性絶縁囲いを与えるプラズマチヤンバ１０から主
になつている。チヤンバ１０は円筒形本体部分１
２とこれに接合された上部ふた部分１３とによつ
て画成されている。プラズマチヤンバ１０の本体
部分１２はコレクタコーン１４を含み、このコレ
クタコーンは排出ガスおよび粒子を処理しかつ所
望の周囲圧力を維持するための関連ユニツト内へ
通じかつこれと連通している。下方に指向される
プラズマスプレイはチヤンバふた１３の内部に装
着されたプラズマガンまたはヘツド１６によつて
設定され、ガン１６の位置はプラスガン運動機構
１８によつて制御される。この機構については第
３，４図と関連して後で詳細に説明する。プラズ
マチヤンバ１０の両部品は有利には二重壁の水冷
囲いとして構成され、ふた１３は作動部分に接近
するために着脱可能になつている。ガン運動機構
１８は、後で詳述する要領で、チヤンバふた１３
の壁中にシールされたベアリングおよびカツプリ
ングを通してプラズマガン１６を支持かつ制御す
る。チヤンバふた１３に結合された粉体供給機構
２０は、プラズマ発出領域においてプラズマガン
１６に結合されたフレキシブルチユーブを介する
プラズマスプレイ内への加熱粉体の制御された供
給を与える。

下方に指向されたプラズマスプレイは内冷却導
電性加工物ステイングまたはホルダ２５上に支持
された加工物２４に衝突する。加工物２４は、第
５図と関連して後で詳述するように、操作中チヤ
ンバ本体１２を通つて外部加工物運動機構２６ま
で延在するシヤフトを介して配置かつ移動され
る。加工物２４の一端の近くにはこれから離間さ
れたダミー（dummy）加工物またはダミイステ
イング２８があり、ダミイステイング２８は同様
に内冷却されかつチヤンバ本体１２の側壁を通し
てダミイステイング運動機構３０に結合されてい
る。加工物ホルダ２５とダミイステイング２８は
チヤンバ１０の中心軸に対して挿入位置を調整す
ることができかつ導電性であり、それにより種々
の動作相中移送アーク発生のための選択電位レベ
ルに保持されうる。

加工物２４およびダミイステイング２８位置の
下方で、コレクタコーン１４はスプレイしぶき
（overspray）のガス状および粒子状物質をバツ
フル／フイルタモジユール３２内へ指向させるバ
ツフル／フイルタモジユール３２は初めにスプレ
イしぶきを冷却するための水冷バツフルセクシヨ
ン３３と、同伴粒子物質の大部分を抽出するため
のインラインフイルタセクシヨン３４とを持つて
いる。バツフル／フイルタモジユール３２を通過
した流出物はついで、別の水冷ユニツトでありう
るところの熱交換器モジユール３６を介して、真
空マニホルド３８内へ指向させられる。真空マニ
ホルド３８はスプレイしぶきフイルタ／コレクタ
ユニツト４０を内蔵し、このユニツトは流れ中に
残存する粒子の実質的に全部を抽出する。真空マ
ニホルド３８は真空ポンプ４２と連通し、この真
空ポンプはチヤンバ１０内に所望の周囲圧力を維
持するのに十分な容量を持つものである。典型的
には、この周囲圧力は0.6気圧から0.001気圧まで
の範囲内にある。バツフル／フイルタモジユール
３２および熱交換器モジユール３６ならびにスプ
レイしぶきフイルタ／コレクタ４０は好適には二
重壁水冷装置であり、プラズマスプレイ装置で広
く使用されている周知のタイプのうちの任意のも
のを使用することができる。装置全体は装置の異
なる部品の取扱いや修理を容易にするためにロー
ラ上に装着され、レールに沿つて移動させること
ができる。通常ののぞき窓、水冷出入ドアおよび
電気接続のためのフイードスループレートは簡明
にするために詳細には図示または説明されなかつ
た。しかしながら、加工物支持・運動制御装置は
有利にはチヤンバ本体１２のヒンジ付フロント出
入ドア４３に装着される。

電気エネルギはチヤンバふた１３の頂上に装着
された固定母線４４を介して装置の作動部分に供
給される。可撓性水冷ケーブル（第３，４図に示
す）が外部プラズマ電力供給源４６および高周波
電力供給源４８を母線４４を介してプラズマガン
１６内へ結合し、プラズマ流を発生する。特定実
施例では、プラズマ電力供給源４６は３つの
40KW直流源から構成された。この実施例ではま
た155ワツト高周波供給源４８が利用され、既知
の要領で高周波電圧放電をDC供給に重畳するこ
とによつてアークを発生する。切換え可能な移送
アーク電力供給源５０は、20KWDCユニツトか
らなり、母線４４を介してプラズマガン１６、加
工物ホルダ２５およびダミイステイング２８に結
合されている。印加制御信号によつて決定される
ように、移送アーク電位は、一方ではプラズマガ
ン１６と加工物ホルダ２５（および加工物２４）
との間に設定され、他方ではプラズマガン１６と
ダミイステイング２８との間に設定される。

プラズマガン１６の動作においては、プラズマ
ガン１６の内部を通る冷却水の適切な流れを与え
るために水ブースタポンプ５２を使用することが
必要である。プラズマガス源５４はプラズマ流を
発生するために適当なイオン化ガスを与える。

当業者には周知であるように、ここで使用され
るガスはアルゴン単独であるかまたはヘリウムあ
るいは水素を含有するアルゴンであるが、他のガ
スを使用することもできる。いずれにしても、ガ
スは通常の商業純度のものでよく、酸素を本質的
に完全に除去するためにさらに精製する必要はな
い。装置のシークエンスの制御、および各種運動
機構の運動の速度および振幅の制御は装置制御コ
ンソール５６によつて達成される。プラズマガン
１６はプラズマ制御コンソール５８の制御の下に
別個に作動させられる。

これらのコンソールおよびこれらに含まれる回
路によつて遂行される機能は良く理解されている
ので、それらについて詳細には図示または説明さ
れてない。しかしながら、移送アーク制御回路６
０は、移送アーク極性の切換えを制御するから、
一般的形態で別個に説明する。移送アーク制御回
路６０は、プラズマガン１６と加工物２４とダミ
イステイング２８との間で極性を選択的に逆転し
かつ移送アークのオン・オフ制御を与えるように
配置された通常のスイツチからなる。移送アーク
電力供給源５０は、この実施例では、母線４４に
印加される電力の極性を制御するためのリレイ回
路（詳示せず）を含む。

プラズマガンまたはヘツド１６およびプラズマ
ヘツド運動機構１８の詳細は第３，４図を参照す
ることによつてよりよく理解されるであろう。こ
の構造体はプラズマチヤンバふた１３内に装着さ
れ、ここでは３つの運動方向に４つの移動を与え
るように配置されている。プラズマガン１６は中
間機構を介してキヤリジアセンブリ７０から支持
され、一般にチヤンバ本体１２内へ下方に向くよ
うになつている。

ふた１３の壁を通して外部粉体供給機構２０に
結合されたフレキシブルホース７２、７３はヘツ
ドに粉体を供給し、かつチヤンバ１０内の温度に
より粉体を予熱する。キヤリジアセンブリ７０と
係合するブラケツト７４は横方向水冷シヤフト７
６上を滑動するように装着され、シヤフト７６は
この例では水平であり、したがつて機構の横軸に
平行である。横運動はブラケツト７４に接合され
たボールケーブル７８によつて与えられ、ボール
ケーブル７８は一般に横軸に平行に延在しかつチ
ヤンバふた１３の一方の側ではドライブスプロケ
ツト８０を回り、他方の側ではアイドラスプロケ
ツト８１を回るようになつている。ドライブスプ
ロケツト８０はシールされたシリンダアセンブリ
８２を介して外部横歯車駆動機構８４およびDC
モータ８６に結合されている。これらは、第１図
の装置制御コンソール５６の制御下で、操作員の
選択に従つて毎秒０〜24インチ（61cm）の速度を
与えるように配置されている。装置の実施例で
は、全トラバースは36インチ（91cm）であり、こ
れにより広範囲の加工物サイズをカバーすること
ができた。横方向の運動限界は、アイドラスプロ
ケツト８１からシールシリンダを介して減速歯車
アセンブリ８８で駆動される、回転変換器８７の
ような、通常の手段によつて制御可能である。当
業者には明白であるように、制御可能な速度にお
ける往復運動は種々の他の手段によつて同様に与
えられうる。しかしながら、上記構成を使用すれ
ば、プラズマヘツド１６により複雑な走査運動を
与えることが容易になり、それによりすぐれた被
覆動作ならびに動作上の融通性を達成することが
できる。キヤリジ機構７０を、チヤンバふた１３
の各側部に１つずつ設けられた、揺動ロツカプレ
ート９４間に装着された一対のガイドロツド９
２、９３に沿つて横軸に対して滑動可能に配置す
ることにより、横軸に垂直な横揺れ運動が発生さ
れる。ロツカプレート９４は共通中心軸上に位置
するシールベアリング９６にピボツト装着され、
ベアリング９６の１つを通るシヤフトがチヤンバ
ふた１３の外部でクランクアーム９７に結合さ
れ、クランクアーム９７はDC横揺モータ１００
に結合された歯車箱９８から駆動される。歯車箱
９８シヤフトから延在するデフレクシヨンアーム
９９はクランクアーム９７のスロツトと係合する
偏心ピン１０１を担持し、ロツカアーム９４およ
び横揺キヤリジ機構７０を揺動させる。シヤフト
軸に対するピン１０１の半径方向位置は横揺角の
制御を可能にするために調整可能である（詳示せ
ず）。プラズマ流を横方向に垂直に横揺れさせる
とき、DC横揺モータ１００の作動は装置制御コ
ンソール５６で調整されて制御された速度を与え
る。この実施例では走査は30゜の角度にわたつて
毎秒０〜48インチ（122cm）である。

ジンバル（gimbal）機構１０３はプラズムヘ
ツド１６をキヤリジアセンブリ７０上に支持する
ために結合され、それにより横方向および垂直
（横軸に）横揺動作中往復上下運動および平行横
揺運動を付加することができる。ジンバル機構１
０３は垂直スプライン付シヤフト１０２を支持
し、シヤフト１０２はジンバル機構１０３に装着
されたスプラインガイド１０４に対して滑動可能
な関係において移動する。ジンバル機構１０３に
装着された駆動歯車１０６は両方向に回転させら
れ、それによりスプライン付シヤフト１０２した
がつてプラズマヘツド１６の上下運動を引起こ
す。この目的のために、第４図に最もよく見られ
るように、駆動歯車１０６軸上のユニバーサルカ
ツプリング１０７と、ふた１３にシール関係に装
着された別のカツプリング１０８とがテレスコー
プ式シヤフト機構１１０によつて結合されてい
る。ユニバーサルカツプリング１０８は歯車箱１
１２とDCモータ１１４からなる垂直駆動アセン
ブリに結合され、これらは所定垂直範囲（ここで
は24インチの範囲）にわたつて毎秒０〜20インチ
（51cm）の選択可能な垂直速度を与えるように配
置されている。DC垂直駆動モータ１１４も装置
制御コンソール５６から制御される。変換器１１
５は垂直駆動系に結合され、プラズマヘツド位置
を表わす信号を装置制御コンソールに与える。

横軸に平行な横揺れ運動は別個のテレスコープ
式シヤフト１１７によつて与えられ、このシヤフ
トは一方の側ではふた側壁からジンバル機構１０
３に結合され、他方の側ではチヤンバ１０の外側
の第二の横揺駆動機構１１８に結合されている。
テレスコープ式シヤフト１１７をそのピボツト軸
においてジンバル機構１０３に結合する歯車列１
１９は、第二横揺方向（横軸に平行）の選択され
たアーク内でプラズマヘツド１６の揺動運動を与
える。変換器フイードバツクは前述した要領で駆
動機構１１８の一部を形成する。第４図に部分的
に示された水冷ケーブル１１６はプラズマヘツド
１６に外部母線４４、ガスおよび水供給源を結合
するためにふた内に設けられている。

この構成により異なる方向の各運動は速度と振
幅において相互に無関係に制御することができ
る。プラズマヘツド１６が行なう三次元の４つの
運動はプラズマヘツド１６にガス、電気および動
力を供給するラインと干渉しないことに注目すべ
きである。

第１，２図に一般的形態で示された加工物運動
機構２６およびダミイステイング運動機構３０は
第５図に詳細に示されている。各機構はその内部
水冷を与えかつ関連する加工物２４およびダミイ
ステイング２８への電気接続を可能にするように
配置されている。第５図を参照すると、加工物運
動機構２６はダミイステイング運動機構３０より
も多くの特徴を持つているが、類似した両機構を
使用しうることが認識されるであろう。所望なら
ば、スプレイのために小形加工物を支持するため
にダミイステイング運動機構３０を使用しうるこ
とも認識されるであろう。加工物２４は主に装着
用フランジ１２０から支持され、フランジ１２０
は図示のようにチヤンバ上のフロント出入ドア４
３に便利に結合されている。導電性加工物ホルダ
シヤフト１２４（時にはステイングと呼ばれるこ
ともある）は真空チヤンバ１０の中心軸と交差す
る所定軸に沿つて配置されている。ダミイステイ
ング２８はシヤフト１２４と垂直なまたは同軸の
軸に沿つて配置され、同様に回転可能であるが、
その自由端は加工物２４から離間され、物理的接
触もまた電気的接続も存在しないようになつてい
る。導電性支持シヤフト１２４は、シヤフト１２
４およびドア４３内に配置されかつドアの外部へ
延在する包囲スリーブ１２６を移動させることに
より、加工物２４がチヤンバ１０の中心軸に対す
る所望位置にあるように挿入される。ダミイステ
イング２８はこれに対応して挿入され、その端が
加工物２４に近接して離間されるところの位置に
セツトされる。スリーブアセンブリ１２６は冷却
水の流れのための水通路と、中心シヤフト１２４
と同一回路にある導体と接触するブラシを含む電
気回路カツプリングとを組込んでおり、これらの
要素が詳示されていないのは、類似の構造が当該
技術分野で広く使用されているからである。スリ
ーブアセンブリ１２６内のシールベアリングおよ
びＯリングにより、スリーブアセンブリ１２６と
シヤフト１２４を出入のために滑動させかつガス
または水の漏れを生ずることなく回転させること
ができる。スリーブアセンブリ１２６の外部でシ
ヤフト１２４に結合された歯車モータ１２８は、
装置制御コンソール５６に結合されかつこの実施
例では０〜100rpmの速度における加工物２４の
回転を与えるように作動する。

加工物運動機構２６はまたチヤンバ１０の内部
にがん首形（gooseneck）カツプリングを含み、
これにより加工物２４をプラズマスプレイターゲ
ツト区域内に支持する。スリーブ１２６のがん首
形延長部１３０は水平軸に対して上方に傾いた端
アーム１３１で終わつている。シヤフト１２４の
延長部１３３，１３４はユニバーサルジヨイント
１３５で結合され、これにより末端延長部１３４
がスリーブ１２６およびがん首形延長部１３０の
運動と無関係に加工物２４を回転させることがで
きる。加工物に横揺運動を与えるために、スリー
ブ１２６は装置制御コンソールから信号を受ける
横揺駆動モータ１３８により制限された円弧にわ
たつて回転させられる。モータ１３８とスリーブ
１２６間の歯車カツプリング１４０はまた横揺位
置変換器１４２（たとえばポテンシヨメータ）を
駆動し、これにより横揺運動の限界位置を検知し
かつ既知の方法で可調整制御をすることができ
る。以上を要するに、加工物２４は、シヤフト延
長部１３１の自由端上に装着した後、プラズマ流
の通路の選択位置へ縦方向に挿入される。移送ア
ーク回路からの選択電位がシヤフト１２４および
その延長部１３３，１３４を介して加工物２４に
結合されかつ冷却水ががん首形延長部１３０内を
循環させられると、加工物２４はプラズマ流内で
回転させられかつ横揺運動をさせられる。運動は
同時に使用される必要がなく、またがん首形延長
部は多くの部品に使用される必要がない。

特実施例においてはシヤフト１２４の直径は２
インチ（50.8mm）である。ダミイステイング２８
は１インチ（25.4mm）直径のまつすぐなシヤフト
であり、スリーブ１４０およびチヤンバ本体１２
の壁に装着されたフランジ１４１を通つて延在
し、駆動モータ１４４により歯車列１４６および
ロツクフランジ１４８を介してスリーブ１４０内
で回転可能である。ロツクフランジ１４８はダミ
イステイング２８が選択位置へ挿入されうるよう
にゆるめられ、ついでモータ１４４の制御下の回
転を与えるために締めることができる。０〜
100rpmの選択可能な回転速度がダミイステイン
グ２８に使用され、ダミイステイング２８は冷却
水を受入れて循環させるための内部回路を含む
（ごく一般的に示されている）。加工物２４の場合
と同様に、ダミイステイング２８は移送アーク回
路から選択電位レベルに維持される。

装置の操作において、各運動制御機構は同時に
作動させられかつ、それらは別個に調整可能では
あるが特定加工物２４に対する最適関係の条件が
選択されるという意味において、相関関係的に作
動させられる。たとえば、加工物２４がタービン
ブレードである場合には、それは中心軸に対する
所定関係で配置され、ついでそのサイズ、使用材
料および所望のコーテイング深さに依存する速度
で回転させられる。ダミイステイング２８は関連
速度で回転させられる。プラズマヘツド１６は電
力供給源４６，４８で付勢されてプラズマを開始
するように操作され、その間ガス流および冷却水
流が維持される。プラズマヘツド運動機構１８の
運動もまた垂直往復運動および横揺運動と同時に
横軸に沿つて開始される。

プラズマチヤンバ１０内に設定される動作条件
はプラズマ流と真空環境の相互関係を含み、重要
である。プラズマチヤンバ内の周囲圧力は真空ポ
ンプ４２によつて0.6〜0.001気圧の範囲に保持さ
れる。金属タービンブレード上のコーテイングの
沈着に関連する特定実施例では、周囲圧力はほぼ
0.05気圧である。プラズマガン１６の上流側圧力
は、特定ノズル設計に対しほぼマツハ3.2速度を
超える超音速プラズマ流を設定するためほぼ５気
圧である。プラズマ流の静圧は流れに垂直の方向
に測定され、周囲圧力以下ではなく、この場合に
はそれよりやや高い。したがつて、プラズマ流は
約15゜より大きくない発散角内でより大きい横断
面積に発散する。プラズマ流のよどみ
（stagnation）圧は流れ内上流側へ見たときの圧
力であり、事実上プラズマ流の運動エネルギによ
つて増大された静圧である。したがつてよどみ圧
は流れ速度および流れ密度によつて大きく決定さ
れ、0.001〜２気圧の範囲内にあるべきである
が、いずれにしても静圧より高い。これらの条件
下では、第６図にグラフ形態で示すように、プラ
ズマ流は装置に使用される移送アークに大きな影
響を持つシヨツク領域を発生する。

スプレイコーテイングのために加工物を調整す
る工程は、コーテイング材料を施す前に加工物２
４を適切に高い温度に加熱するために、移送アー
クの存在または不在において、走査プラズマ流を
使用することによつて開始される。たとえば、タ
ービンブレードの場合には、ほぼ900〜1100℃の
実質的に均一な温度範囲が加工物において得られ
る。予熱は有用ではあるが必須工程ではなく、そ
の使用は加工物、基体材料およびコーテイングに
依存する。タービンブレードの場合には予熱はか
なり重要であることが見出された。すなわち、予
熱は熱膨張の不整合に起因する過応力を回避す
る。このスパツタリング工程は第１図の粉体供給
機構２０からの予熱粉体の供給前に開始されかつ
ほぼ完了される。上記動作条件下で、加工物表面
に衝突するプラズマイオンは加工物表面のマクロ
スペースすなわちエネルギ降下領域の原子を励起
する。ついで、加工物２４が陰極として接続され
るように切換えられた移送アーク電力供給源５０
によつて移送アークが印加される。使用される移
送アーク電流はこの実施例では50〜500アンペア
の範囲内にあり、30〜80ボルトの電圧降下を与え
る。かくして、陰極性加工物は電子放出体として
作用し、加工物２４表面の励起をさらに増大し、
加工物からイオンの形態の励起金属原子と遊離す
る。いつたん遊離されると、イオンはプラズマ流
の電荷および衝撃流の動力に従つて伝搬する傾向
になる。シヨツクパターンと高エネルギ密度の移
送アークとの間の相互作用は相当な面積にわたる
移送アームの拡散を生ずるとともに、加工物表面
からの原子の高速除去に寄与する。残留物として
存在するまたは先行処理および初期加熱で発生さ
れた酸化物皮膜その他の不純物はかくして加工物
表面から数秒のうちに除去され、この除去は、ス
パツタリング作用と呼ばれうる清浄工程が完了さ
れるまでごく短時間存在するところの可視点放射
の間欠的パターンの形態で、チヤンバ１０ののぞ
き口を通して観察することができる。

いつたん加熱かつ清浄されると、加工物２４は
ただちにプラズマ流中のコーテイング材料を受取
ることができ、加工物２４上の負極性は初めて終
止される。しかしながら、加工物表面に冶金的に
拡散した連結状態を設定するために、５秒までの
範囲内の短時間加工物上の負極性を維持すること
が有利である。この連結状態が生ずるのは、プラ
ズマスプレイ中の入来粉体集団が予熱された加工
物の高度に励起された陰極性表面のイオンおよび
遊離原子と反応するためである。表面の連結状態
は従来装置に比較して適用コーテイングの密着性
を実質的に改良することができる。しかし、この
技術を使用しなくても少なくとも信頼性において
顕著な改良が得られる。

その後、各機構の走査その他の運動中必要な時
間予熱粉体をプラズマスプレイ中へ射出しなが
ら、加工物表面上の所望の深さのコーテイングの
沈着が進行する。初めの短い接合間隔後、先に沈
着したコーテイング粒子が新材料の沈着と同時に
スパツタリングされるのを防止するために、移送
アークが逆転されて加工物２４をプラズマヘツド
１６に対して陽極性にする。移送アークの印加は
加工物に熱フラツクスを添加し、過剰の熱流入が
ある場合には移送アークは使用されない。高電流
密度、アークの拡散適用および加工物の予清浄
は、急速な沈着を与えるのみでなく、従来既知の
装置では達成できなかつたレベルのかつ均一性を
有する結合特性も達成する。これらの能力は大形
加工物および重大な要件を満たさなければならな
い加工物に特に有利なものである。たとえば、ほ
ぼ３インチ（76.2mm）直径の区域にわたつて毎秒
１ミル（0.0254mm）の平均沈着速度が利用され
る。しかし、この速度を実質的な範囲にわたつて
増減するために装置のパラメータを変えることが
できる。生成されるコーテイングは酸化物を含ま
ず、密度が高くかつ基体に対するすぐれた結合を
発輝する。CoCrAlYで被覆されたタービンブレ
ードを、タービンブレードの長さに沿つた異なる
点で取られた断面において詳細に分析した結果、
コーテイングの厚さの変動は2.8〜3.7ミル（0.071
〜0.094mm）の範囲にすぎないことが判明した。
走査機構の運動を制御するための装置の能力によ
り、タービンブレードのフオイルセクシヨンの前
縁と後縁におけるように、１つの特定領域の層を
別の領域の層より厚くすることができる。上記ブ
レードと同一のブレードにこの方法を使用して、
前縁には７ミル（0.18mm）を超えるコーテイング
厚さを与え、後縁に向う方向に厚さを減小させ、
エアフオイルの凸面に沿つて３ミル（0.08mm）の
最小厚さを与え、後縁にはほぼ７ミルのコーテイ
ング厚さを再び与えることができた。

かくして、このプロセスは良好な延性および表
面平滑性を有する均質なコーテイング構造を与え
る。引張応力、破壊、熱疲労または低・高サイク
ル疲労のような、基体の機械的性質の劣化は起こ
らない。特定応用に対して表面仕上を向上するた
めに、研摩、スクラツビング（scrubbing）およ
びハーパライジング（harperizing）のような仕
上処理を使用することができる。コーテイングの
構造は高密度のものであり、典型的には0.5〜１
％の多孔度を有し、細孔は連絡されずかつ一様に
分布されている。このプラズマスプレイ装置を利
用して適用されたコーテイングには次のものがあ
る。すなわち、CoCrAlY、CoCrAlHf、
CoCrAlY／NiAlCr、CoCrAlY／NiCrAl、
CoCrAlY／Al₂O₃、CoCrNiTaAlY（S57および
67）、NiAlCr、NiCoCrAlY、NiCrAlY／Al₂O₃、
NiCrSiB、1N100、NiCr、NiAl、WC―Co、316
ステンレス鋼、ステライト１、Al、Cu、Co、
Mo、Ni₀被覆すべき加工物はグリツトブラストま
たは酸エツチングまたはこれらの組合せあるいは
他の方法で初めに清浄してもよい。加工物はプラ
ズマスプレイを使用して加熱する必要はなく、他
の通常の手段を使用して予熱してもよい。本発明
により清浄作用が可能になつたので、純アルゴン
源または脱水素工程あるいはゲツター法は要求さ
れない。しかしながら、このような技術は、特定
の仕上製品に必要な特殊要件によつて経済的に正
当化されるところのプロセスでは両立しがたいも
のではない。

加工物、ダミイステイングおよびプラズマヘツ
ドに導入される運動は信頼性のある操作に寄与す
ることも注目すべきである。共働する不変の運動
は局部的な加熱を防止し、かつ加工物の落下領域
におけるイオンおよび電子集団の濃度を変える。
加工物が内部コーナのような形態を有し、弱く結
合される偏向溶融粒子を受けやすい場合には、が
ん首形機構をプラズマヘツドと同期に横揺れさ
せ、それにより直接に衝突する粒子のみが沈着さ
れるようにすることもできる。さらに、加工物の
全長にわたつて被覆作用の均一性が維持される。
すなわち、ダミイステイングの隣接端がプラズマ
流シヨツクパターンの別の衝突領域を与え、シヨ
ツク現象によつて制御されないおそれのある付着
アークの拡散を続行する。

種々の形態や改変が示唆されたが、本発明はこ
れらに限定されず、特許請求の範囲以内にあるす
べての手段や変化を包含するものであることが理
解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置のブロツク線図と一
部破除した斜視図の組合せ図である。第２図は第
１図の装置の詳細を示す略式側面断面図である。
第３図は装置に使用されるプラズマガン運動制御
機構を示す、第２図の装置の一部分の斜視図であ
る。第４図は第３図の構成の側面斜視図である。
第５図は加工物およびダミイステイング機構の詳
細を示す、第１，２図の構成の一部分の側面図で
ある。第６図はプラズマ流、シヨツクパターンお
よびアーク拡散効果を示す、本発明に係るプラズ
マスプレイ装置の一部分の理想化かつ簡素化した
略図である。 １０…プラズマチヤンバ、１２…本体部分、１
３…ふた部分、１４…コレクタコーン、１６…プ
ラズマガン（ヘツド）、１８…ガン運動機構、２
０…粉体供給機構、２４…加工物、２５…ホル
ダ、２６…加工物運動機構、２８…ダミイステイ
ング、３０…ダミイステイング運動機構、３２…
バツフル／フイルタモジユール、３３…バツフル
セクシヨン、３４…フイルタセクシヨン、３６…
熱交換器モジユール、３８…真空マニホルド、４
０…フイルタ／コレクタユニツト、４２…真空ポ
ンプ、４３…ドア、４４…母線、４６…プラズマ
電力供給源、４８…高周波電力供給源、５０…移
送アーク電力供給源、５２…水ブースタポンプ、
５４…プラズマガス源、５６…装置制御コンソー
ル、５８…プラズマ制御コンソール、６０…アー
ク制御回路、７０…キヤリジアセンブリ、７２，
７３…フレキシブルホース、７４…ブラケツト、
７６…シヤフト、７８…ボールケーブル、８０…
ドライブスプロケツト、８１…アイドラスプロケ
ツト、８２…シリンダアセンブリ、８４…歯車駆
動機構、８６…DCモータ、８７…変換器、８８
…歯車アセンブリ、９２，９３…ガイドロツド、
９４…ロツカプレート、９６…ベアリング、９７
…クランクアーム、９８…歯車箱、９９…デフレ
クシヨンアーム、１００…DCモータ、１０１…
ピン、１０２…シヤフト、１０３…ジンバル機
構、１０４…ガイド、１０６…駆動歯車、１０
７，１０８…ユニバーサルカツプリング、１１０
…テレスコープ式シヤフト、１１２…歯車箱、１
１４…DCモータ、１１５…変換器、１１６…ケ
ーブル、１１７…テレスコープ式シヤフト、１１
８…横揺駆動機構、１１９…歯車列、１２４…シ
ヤフト、１２６…スリーブアセンブリ、１２８…
DCモータ、１３０…がん首形延長部、１３１…
アーム、１３３，１３４…延長部、１３５…ユニ
バーサルジヨイント、１３８…モータ、１４０…
カツプリング、１４２…横揺位置変換器、１４４
…モータ、１４６…歯車列、１４８…ロツクフラ
ンジ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加工物に対して作動的に配置されて、実質的
   に不活性ガスの超音速プラズマ流を提供するプラ
   ズマガンと； プラズマガンおよび加工物の周囲に低静圧環境
   を与える囲い手段と； 加工物に連結されてプラズマガンに対する加工
   物の陰極関係と陽極関係の両方を設定すると共
   に、該陰極関係と陽極関係を選択的に切換える手
   段を含む手段と； スプレイ粉体をプラズマ流中へ噴射して該粉体
   を加工物上へ溶着させる手段からなることを特徴
   とするプラズマコーテイング用装置。 ２ 囲い手段内で少なくとも２つの移動軸におい
   て、プラズマガンを運動させるために連結された
   プラズマガン配置手段と、プラズマガンにガス流
   を与える手段をさらに含み、前記プラズマガンに
   対する加工物の陰極および陽極関係を設定する手
   段が、プラズマガンの陽極および陰極に接続され
   たDC電力供給手段と、囲い手段に結合されかつ
   加工物を囲い内の所望位置に支持するために結合
   された導電性の加工物支持手段と、加工物とプラ
   ズマガンとの間にどちらかの極性の電位差を設定
   するためにプラズマガンおよび加工物支持手段に
   接続された可逆DC電力供給手段とを含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のプラズ
   マ・コーテイング用装置。