JPS63252567A - プラズマアーク溶射法及び装置 - 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、改良されたプラズマアーク溶射法および装
置に関するもので、従来のプラズマ溶射システムよりも
４倍のジェット速度を有し、より高い電流、電圧で動作
し、伸長アークプラズマジェット内の粒子のかなり小さ
な寿命（ｄｗｅｌｌ　ｔｉＩｌｅ）にかかわりなく粉末
溶射粒子の加熱を促進するためかなりの伸長したアーク
で動作することを特徴とするものである。

〔従来の技術〕

１９５０年代に表面被覆形成のための金属およびセラミ
ックスのプラズマ溶射の出現以来、プラズマ溶射法は商
業的に非常に重要なものとなっている。驚くべきことだ
が、使われている装置（基本的技術配列）は、本質的に
変化したかった。

第１図に従来のプラズマ溶射トーチ１０ｂを示す、説明
を簡略にするため、水冷却手段は意図的にこの図から省
略している。円筒形でカップ型の電気絶縁ボデー１０ｂ
が陰極電極１２を同軸に支持している。電気絶縁ボデー
１０ｂは、陰極電極１２を支持する側と反対側を第２ボ
デー１１により閉じられており、陰極ＩＳ極１２は第２
ボデーに向かって接触したいように伸びている。第２ボ
デー１１には、プラズマ溶射トーチノズル通路９を形成
する軸方向の穴１１ａが設けられている。陰極電極１２
と陽極となる第２ボデー１１の間に電圧を加えることに
よりアー２１７が形成される。

アーク１７は、電極１２からノズル通路９の内壁へおよ
んでいる。その長さは、ガス供給チューブ１６を通って
陰極ｔｖｆ１１２のまわりの環状マニフォールド２４へ
流入する、矢印Ｇで示されたプラズマ形成ガスの流れに
より長くなる。チューブ１５は、円筒形ボデー１０ｂの
側面内の一直線にそろえた放射状の穴１５ａを通ってボ
デー１０ｂ内へつながっている。ボデー１０ｂと同様の
絶縁体からなる横断隔壁１３が電極１２を支持している
。隔壁１３には、１［１２の先細の先端！２ａのまわり
に流れを有するノズル通路９へ通じる多数の小径通路２
３が設けられている。矢印Ｐで示された溶射される粉末
が、アーク１７の陽極端１８を越えた点でアーク加熱さ
れたガス中へ流入する。粉末は、チューブ１６を通って
導入され、チューブに整列された通路１６′へ流入する
０通路１６′は、ノズル９の端からでてくる高温ガスジ
ェット２５にそってできるだけ粉末流の中心がそろうよ
うに穴１１ａへ開口している。

非常に明るい円錐形のアーク領域１９が、ノズル９の出
口を越えてわずかな距離に拡がっており、この領域は、
イオン化したガス種の拡張部を形成している。この円錐
形領域内では、熱伝達が非常に大きい、高温ガスジェッ
ト２５内でイオン化領域１９を越えて粒子Ｐにガス状の
加熱が加えられることが理解できるであろう、さらに粒
子は、高速（音速以下）ジェット２５内で速度を増し、
加工品２２の表面に当たり被覆２１を形成する。

代表的な従来のプラズマ溶射トーチ１０′は、５／１ロ
インチロ径のノズル通路９を使い１００ＳＣＨＦの窒素
ガスＧの流れを流し、動作な流７５０Ａ、アーク電圧８
０Ｖで動作する。イオン化ゾーンまたは領域１９は、ノ
ズルの先端９ａから約１／３インチ伸びている。到達し
た総出力レベルは６０Ｋｗである。陰極と陽極を合わせ
た損失は約３０Ｖで、正味の加熱能力（ガスのＩ”Ｒ加
熱）は、３７．５Ｋｗである。冷却水による熱損失を２
０％とすると、ガス加熱は３０Ｋｗある。

上記従来の動作パラメータで従来システムにおけるプラ
ズマガスのエンタルピー増加は、約１４．５００Ｂｔｕ
／ボンドである。なお、Ｂｔｕは１ボンドの水をカ氏１
度だけ暖めるのに要する熱量である英国熱量単位をいう
。

〔発明が解決しようとする課題〕

本出願人は、リッドトランスファープラズマアークトー
チの伸長した高温超音速フレームカット装置および方法
の有益の効果の詳細な研究を行なってきた。この研究と
結果は、たとえば本出願人の最近の米国特許第４．６２
０．６４８号に示されている。ノントランスファープラ
ズマアークトーチ内のアークを伸長する有益な効果の考
察と関連して、本出願人は、伸長アークの形成を促進す
゛るものとして、トーチノズル通路を通るプラズマガス
のうす流の利用を考察した。その考察において、本出願
人は、過去において、ノントランスファープラズマアー
クトーチ内のうす流は、動作の信頼性を損なうことを知
った。音速以下のジェット速度を用いると、アーク柱は
折れまがり、第１図の従来のプラズマアーク溶射トーチ
の角度のついたらのくたとえば第２ボデー１１）の端面
に、ノズル９ａの出口から放射状に十分はなれた点でぶ
つかる。その結果、急速なトーチの腐食が生じる。

この知識にもかかわらず、本出願人は、超音速ジェット
速度で短い寿命（ドウエルタイム）を有する粒子を被覆
される基板に十分な溶融を保証し、トーチは腐食させず
に方向づけるために用いることのできる改良された高電
圧、高電流拡張イオン化アーク柱ノントランスファープ
ラズマアークトーチを探求した。

〔課題を解決するための手段〕

上述した課題を解決するため本発明のプラズマアーク溶
射法は、第１の陰極電極を収容するチャンバを通し、こ
のチャンバから、第２の陽極電極を形成するとともに前
記第１の電極と整列しかつ間隔をおいて設けられた陽極
ノズル通路を形成する溶射ノズルを通して加圧下でプラ
ズマ生成ガスを供給し、前記ノズル通路を出るプラズマ
フレームジェットを形成するため前記第１および第２電
極間に電気アークを生成し、ノズル出口の前面かつ下流
側に置かれた基板に当てて被覆するため前記フレームジ
ェット内で物質を溶融加速するように前記フレームジェ
ット中へ前記物質を供給するプラズマアーク溶射方法に
おいて、陽極通路を通って伸長するガス流の低圧核を生
成するためにプラズマ生成ガスの渦流を形成し、陽極ノ
ズル通路全域に伸長したイオン化アーク柱を形成し、ノ
ズル通路径の約４倍の長さだけノズルの端部を越えて拡
がっている超音速の伸長したイオン化アーク柱を形成す
るため陽極ノズル通路径に対しガス流の速度とアーク電
流を調節することを特徴とするものである。

また、本発明のプラズマアーク溶射装置は、陽極ノズル
通路を同軸に含み陽極電極を形成する第１の導電性端を
と第２の反対側端壁を有するチャンバを形成する円筒形
ケースと、この円筒形ケースの前記反対１１１１１）ｌ
ｉ壁内に同軸に取り付けられ、前記第１の端壁とは絶縁
され、わずかに離れた陰極電極と、前記陽極ノズル通路
は、前記陰極電極に面する端部で外側に開き円錐形に拡
大しており、前記円筒ケースと陰極電極と両端壁で画成
されるチャンバに加圧下でプラズマ生成ガスを導入する
手段と、前記陽極ノズル通路から出るグラズマアークフ
レームを生成するために前記陽極を構成する前記第１の
端壁と前記陰極電極の間に電位差を発生させる手段とを
含むプラズマアーク溶射装置において、前記チャンバに
加圧下でプラズマ生成ガスの流れを供給する前記手段は
、陽極ノズル通路を通って沖びた低圧核を示すガスの渦
流を形成するために前記陽極ノズル通路から離れた前記
チャンバの端に接線方向で前記ガスを供給する手段を含
み前記該は前記陽極ノズル通路を通り外へ伸びな小径ア
ーク柱を形成し、前記陽極ノズル道路は比較的小さな径
を有し、前記装置は、さらに前記ノズルの放電端をノズ
ル通路径の約４倍の距離だけ越えて伸びた超音速伸長イ
オン化アーク柱を形成するため前記陰極と前記陽極間で
前記アークのアーク電流とガス流を調節する手段を含む
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明は上記手段により、従来のグラズマ溶射システム
よりも数倍のジェット速度を有し、より高い電流、電圧
で動作し、伸長アークプラズマジＪ、ヅト内の粒子のか
なり小さな寿命（ｄｗｅｌｌ　ｔｉｌｅ）にかかわりな
く粉末溶射粒子の加熱を促進するためかなり伸長じたア
ークで動作することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を、第２ａおよび２ｂ図を参
照して説明する。改良されたプラズマ溶射トーチ１０は
、第１図の従来例のボデー１０ｂと同様の円筒形の電気
絶縁ボデー３０を用いている。ボデー３０は、一端を第
２円筒形ボデー３１でふさがれており、ボデー３０の他
端は、同軸に陰極電極３２を支持する横断壁３０ａを有
している。陰極３２電極の脚部３２ａは、トーチノズル
通路３４を形成する穴３１ａの円錐形縮小部３５へ突き
でている。この発明は、伸長イオン化アーク柱ゾーンを
形成するための高うす強度プラズマガス流に依存してい
る。この場合、ガス供給パイプまたはチューブ２６は、
陰極３２のまわりの環状室４１にかんして接線方向に設
けられ、矢印Ｇで示されたガス流は、第２ｂ図に示され
ているように通路３３を通って接線方向に室４１へ入り
、ノズル通路３４を形成し縮少された径の六３１ａへ通
じる円錐形縮小部３５を通って出ていく、そのようなも
のとして、円錐形縮小部３５は、清らかにうず流を縮少
径ノズル通路３４へ通過させる。

角運動量保存の法則により、ガス流の外側境界径が減少
すればうず強度はより大きくなる。このうすの小径の核
は、通路３４の壁近くのガス層の圧力と比較して低い圧
力を示す低圧核である。伸長したアーク柱３７は、低圧
核を通過する位置に生じ、ノズル３４の出口３４ａを十
分に越えて伸びている。

ノズル径の減少、および／またはアーク電流の増加が、
ノズル３４を通って大気へ到る通路における臨海圧力低
下以上のものを生じ、音速以下の場合におけるアークア
ノードスポットの突然の変化を除去する。超音速流では
、アノード領域はより分散し、ノズル出口近くのノズル
３４内壁およびノズルの出口３４ａのまわりのボデー３
１の薄い周辺放射状領域にひろがる。伸長アーク３７（
イオン化区域）は、第１図の従来のトーチのイオン化区
域とくらべて半径が小さい、ノズル出口３４ａを越えて
伸長しているその長さも、第１図の装置のイオン化区域
１９の長さよりかなり長い。

この発明の原理を用いた第２ａ、２ｂ図の改良されたト
ーチ１０の１例と第１図の従来装置に関し論じた例との
比較は、改良されたトーチの従来のトーチとの重要な差
を区別する助けになる。トーチ１０は、１２Ｏ３ＣＦＨ
の窒素を用い、陰極３２電極と陽極３１間の隙間に２０
０Ｖの電圧を加え、４００Ａの電流で動作する。このサ
ンプル装置では、ノズル径３／１６インチで上記動作パ
ラメータのとき、イオン化区域はノズル出口３４ａを越
えて１−１／４インチ伸びている。電極損失は同じく約
３０Ｖで、正味のガス退出エンタルピーは（２０％の冷
却損失後）２７，０００Ｂｔｕ／ポンドに達っした、第
１図の従来装置のそれのほとんど２倍である。出口のジ
ェット速度を計算または決定することは困難だが、第２
ａ。

２ｂ図の改良されたプラズマ溶射トーチ１０を用いた第
２例のジェット速度は、第１図の従来のトーチ１０′と
対照して、ガスエンタルピーとノズル断面積に基づき比
較できる。この関係のもとで、トーチ１０を用いた第２
例のガス流は、トーチ１０′を用いた第１例のそれの１
．２倍である。

ノズル面積の逆関係を適用して、第２例（あるガスエン
タルピーで）のジェット速度は第１例の３−１／３倍で
ある。エンタルピーの比の平方根を適用して、付加速度
増加１．４が生じる。従って、プラズマフレームジェッ
ト３８のジェット速度は、従来例のフレームジェット２
５の最大的４−１／２倍であることがわかる。

この発明の大きな加熱容量とジェット速度の増加が、プ
ラズマ溶射における大規模な技術的進歩を生みだす。過
去を考慮すると、プラズマ溶射において、濃密な被覆は
高い粒子衝突速度を必要とする。しかし、さらに適当な
粒子加熱が基板と衝突するまえに物質の溶融または半溶
融条件を保証するために必要である。出願人の方法と装
置は、増加したガスエンタルピーが、適当に粒子を加熱
することができ、粒子はその高速度によりジェット３８
中に、被覆される基板に衝突する前ごく短時間とどまる
０本質的にこの発明は、ノズルを通過するガスのより大
きな臨界圧力低下を必要とする。そのような低下は、第
２ａ図の装置のフレームジェット３８内のショックダイ
アモンド４０の存在を観察することにより視覚的に証明
される。

また、イオン化区域（ノズル出口３４ａを越えて伸長し
ているアークの長さ）は、最良のフレーム溶射結果にな
いし、ノズル口（穴３１ａ）径の小くとも４倍あるべき
である。

第２ａ、２ｂ図に示した装置は、第２ａ図の矢印Ｐで示
した粉末物質のフレーム溶射を含んでいた。この発明は
、高品質フレーム溶射被覆を形成するため線状および棒
状の物質を溶射することもできる。事実、今日までプラ
ズマ溶射において実際的な線材の使用は、第１図の装置
のジェット２５のような低速度プラズマジェットによる
線材の噴霧化の不充分さのため不可能であった。

第３ａ、３ｂ図は、二つの異なるプラズマジエヅトー線
材配列を示すもので、大きく伸長したアーク状況のため
使用できる。第３ａ図は、第２ａ。

２ｂ図の実施例の変形を示し、この発明の他の実施例を
なすものである。線材５０は、矢印で示されたように駆
動される一対のフィードロール５１にはさまれており、
ゆっくりと矢印２８の方向にある角度θ１でプラズマジ
ェット３７中へ供給される。線材５０は、トーチ１０に
ないしボデー３１内のノズル３４のノズル出口３４ａに
近くに位置しており、全アーク陽極加熱を高比率でうけ
とる。非常に大きな溶融消散が生じる。多くの金属にと
って、これは好ましい配列である。他の物質にないし、
このような高加熱は、加熱しすぎであり、実際好ましく
ない蒸発を生じる。たとえば、亜鉛線材を溶射すると、
第３ａ図の配置では白い酸化亜鉛の微粒子の大きな雲が
生じる。臨界的な成分比率を有する合金は、好ましくな
い損害をこうむる傾向がある。

第３ｂ図は、さらに他の実施例を示す、この実施例は、
基本的に第２ａ、２ｂ図のトーチ１０と同じだが、粒子
がパイプ２７、通路２７′を通して供給されるのでなく
、線材または棒材５０が矢印の方向に回転する一対の駆
動フィードロール５１により同じ圧力ではさまれ矢印２
８の方向に供給される。しかし、第３ａ図の大きな角度
θ１とくらべて小さな鋭角θ２を使うことにより、第３
ｂ図は多くの低融点物質および臨界的合金物質に対しよ
り好ましい線材供給モードを示している。

さらに、線材または棒材５０の先端の進入点は、イオン
化区域、すなわち伸長したアーク３７の端近くであり、
わずかに陽極加熱が生じるのみである。第３ａ図の配列
との比較で、第３ｂ図で示した配列を用いた結果は、噴
霧化溶融小滴のわずかな過熱をともなう高温ガス加熱と
似ている。これらの条件では、亜鉛線材は、濃密な雲を
生じることはない。

線材溶射の率を高めるため、伸長したイオン化区域に一
以上の線材を供給してもよい、たとえば、第３ａ、３ｂ
図に示された態様を同時に用いてもよい、ある場合には
、最大溶融率を達成するため、同時にジェット中へ３以
上の線材を供給することが有利である。

イオン化区域、すなわち伸長したイオン化アーク柱３７
に複数の線材を供給するかわりに、第２図に示されたト
ーチ１０は、第４図では、金属または他の物質の細片６
０を伸長したイオン化アーク柱３７に矢印の方向に斜め
に供給するように変形されている。細片６０は、第３　
ａ　＋　３　ｂ図と同様に一対の確実に駆動されるロー
ラーまたはホイール（図示省略）ではさまれて駆動され
る。試験の結果、溶融率は第３ａ、３ｂ図における線材
に対するよりもかなり大きいことが確かめられた。

アーク生成に用いられる高電圧、高電流および生した利
用可能な熱により、溶融率が大幅に改善されることに注
目すべきである。５０Ｋｗの出力レベルでの一連のテス
ト試行において、ステンレス鋼細片にないし、最適の細
片断面は、厚さ３／３２インチ、幅３／４インチであっ
た。

この発明は、特に高電圧を用いており、その結果、ある
電力にないしアンペア数が低いという利点を有している
。８０Ｋｗの時、４００Ａは１．０ＯＯＡの電流よりも
使用する際はるかに信頼性がある。特にノズル陽極の問
題は、この発明の方法と装置を使うことにより大いに減
少する。

遅達成された高速度で、フレームジェット速度が線材噴
霧化にないし適切である時、さらにトーチ出力の増加に
より溶融率を増加させることにおける意味はほとんどな
い。

第５図は、第２ａ、２ｂ図のトーチ１０を用いたこの発
明の一実施例を示すものである。この実施例においても
、パイプ２７１通路２７′、およびＰ（第２ａ図）にお
ける粉末状の物質の供給は用いられておらず、トーチ１
０は、固定して二つの線材７１．７２を支持し、伸長し
たイオン化アーク柱にそって二つの異なる位置で伸長イ
オン化アーク柱３７への通路へ供給する。さらに、低電
圧溶接機械の出力が、基板（図示時）へ溶融されて溶射
被覆される線材へ加えられる０図に示されたＤＣ電源７
０は、前述の低電圧溶接機械の出力を構成し、二つの金
属線材７１．７２間にリード線７６．７７を通して加え
られる。プラズマアークは、プラズマジェットにそって
さらに遠くに位置する設置電位線材７２まで通じている
。さらに、付加的アーク７３が伸長イオン化アーク柱３
７の近くで二つの線材７１．７２の近づきつつある先端
間に生じる。これは、′ｒｈ極損大損失接線材７１゜７
２へ加え、その結果、さらに溶融率が増加する。

電気回路は、ノズル陽極３１と下流側線材７２が共通の
接地を構成するものである。なぜなら、導電性チューブ
７８が下流側線材７２のガイドとして機能し、導電性の
ひもまたは支持体７９でノズル陽極を構成するボデー３
１へ機械的、電気的に接続されるからである。線材７１
は、第２ａ図のトーチ１０の第二陰極（陰極３２にない
し）となり、線材７１は、通過するボデー３１から電気
的に絶縁されていなければならない、この点を考慮して
ノズルアノードボデー３１中に形成された斜めの六８０
内に固定された絶縁チューブ７５により線材７１は摺動
可能に支持される。再び、線材は線材をはさみイオン化
アーク柱３７へ軸方向に動かす駆動ロール５１の回転に
より、確実に矢印の方向に駆動される。伸長イオン化ア
ーク柱３７は、この場合主アーク柱だが、線材７１から
線材７２への電子の流れを活性化するイオン化通路を提
供する。そのようなものとして、アーク３７がまず確立
され、線材７１と７２がアーク３７へ押しやられ、物理
的に約１／４インチの間隔がとられる。

さらにこの発明の利点は、線材と粉末の両者を同時に溶
射する装置の能力である。そのようなものとして、トー
チ１０は、パイプまたはチューブ２７と通路２７′を残
し、同時に第３ａ図の線材５０を伸長したイオン化アー
ク柱３７へ供給する対のロールを用いてもよい。したが
って、各タイプの溶射モードは、それ自身の特性をもち
、説明した実施例の組合せは、特異な結果を生じうる。

溶射される線材は、完全な溶融粒子または単に熱で軟化
した粒子を生じなければならない、線材は、よりよい強
度と被覆密度を生じるかもしれない。

しかし、高温度レベルは、不利な酸化または他の損失を
物体へもたらす傾向がある。

非常に高出力レベルを要求されるところでは、第６図に
示される実施例の配列を使うことが必要である。このよ
り複雑な配列の理由は、第２ａ。

２ｂ図の第１実施例をみると一番よくわかる。高出力を
つるためには、アークの電流または電圧を増加したけれ
ばならない、電流が増加すると、陽極結合点はノズル通
路３４内へ後退し軸方向に電圧を減少させる。増加した
電圧は、ガス流の増加でえられるかもしれない、しかし
、トーチ１０内のガス圧は、この実施例の陰極３２の急
速の減退をもたらすかもしれない、第６図の実施例では
、改良されたプラズマ溶射トーチ１ＯＮは、第２ａ。

２ｂ図のトーチ１０と同じように動作する。カップ型円
筒形の電気絶縁ボデー３０′が陰極電極６０をこの発明
の第１実施例と同様に同軸方向に支持し、ボデー１０が
閉じられたこの発明の第１実施例と同様に、トーチ１０
″の陽極を構成する第２ボデー６１で閉じられている。

第６図で、陰極６０はＤＣ電源５９にリード線５７で接
続し、一方リード線５８が第２ボデー６１へ通じている
。

なお、第６図の実施例は第１図の先行技術のトーチを含
めてすべてのトーチの陰極、陽極間に電位差を供給する
方法を説明している。さらに、第２ａ、２ｂ図の実施例
と同様、主ガスＧは、チューブ２６から接線方向に設け
られた通路３３を通って陰極６０と絶縁ボデー３０′の
内壁間に整列した環状室４１内へ流入する０円錐形の縮
小部３５は、再びなめらかにガスのうす流を、トーチ１
０″にないし陽極として作用する第２ボデー６１の上流
端で、通路５５の減少した径のノズルへ連通させる。第
２ボデー６１は、二つの軸方向に分離した導電性構成品
、上流側構成品６１ａと下流ｒＭ構成品６１ｂとからな
る。環状溝６４がボデー６１の周面に形成され、プラズ
マ溶射トーチ１０″の第１ボデー３０′を形成する電気
絶縁体と同様の物質からなる短かいリング５２がはめら
れる。リング５２は、電気的に第２ボデー６１の構成品
６１ａを６１ｂから絶縁する。それゆえ、技術的な意味
で、リード線５８は、電源から陽極側で、第２ボテ−６
１の下流側構成品６１ｂに接続する０円錐形縮小部３５
は、第一ノズルを定義するボデー６１の構成品６１ａの
第１上流側ノズル通路５５を形成する軸方向穴６２へ通
じている。

ボデー６１の第２構成品６１ｂは、第２ノズルを形成し
、第２ノズル通路５６を形成するやや小さな径の六６３
が設けられている。第２ノズル通路５６の上流側端は、
ガス流通路の円錐形縮小部６５を形成するように外側に
開いている。したがって、第２ボデー６１の下流側構成
品６１ｂは、第１上流側ノズル６１ａと軸方向に離れた
第２ノズルを形成する。このトーチのアノード領域５３
は、多くのノズル通路径と等しい長さで大気中に伸長し
たイオン化アーク柱３７を有する通路５６の出口５６ａ
に近接している。

第１ノズル６１ａは、電気的に浮遊していて、皐にイオ
ン化アーク柱３７を長くすることによりアーク電圧を増
加させる働きをする。多くの場合、第１ノズル通路５５
を限定する第１ノズル構成品の穴６２は、第２ノズル通
路５６を限定する六６３より径が大きい。

この装置と方法は、上流側および下流側ノズル６１ａ、
６１ｂおよびこれら二つのノズルをたがいに結合し分離
している電気絶縁リング５２で限定される円筒形室６６
へ供給される、矢印Ｇ′で示される第２ガスを用いてい
ることに注意することは重要である。第２ガスは、第２
ガス室６６へ接線方向に開口している小径の接線方向通
路６８へ入れられるチューブ６７によって供給される。

第２ガスＧ′は主ガスＧは、伸長イオン化アーク柱を支
え流出する、二つのガスを有する装置内の単に二つの異
なる点で供給される同じガスであってもよい０粒子はプ
ラズマガス流に上流で供給されてもよいし、従来例のよ
うに、伸張したイオン化アーク柱３７で供給されてもよ
い。

あるアークノズル長と径に対し、最適のガス流を決定す
ることは、比教的簡単である。このガス流は、実験によ
り、イオン化アーク柱３７をノズル出口を十分越えて伸
長するものとして見られるもので、さらに、ノズル穴（
第３ｂ図の実施例で、３４で示されたような）内のアノ
ードアーク状況の大部分を保持するものである。ノズル
出口を越えた第２ボテ−６１の開放面上の陽極作用の割
合が大き過ぎると、急速な摩損を生じる。ノズル出口の
すぐまわりのある陽極作用は、最適動作を示す。

ｉＴｌガス流を決める方法は、ガス圧力に関してアーク
電圧変化を測定することである。第７図のプロットは、
３７１６インチ径のノズル穴６３を有する下流側ノズル
６１ｂに対する代表的なケースを説明している。この曲
線は、ガス圧力とともに電圧が増加することを示してい
る。ガス圧力は、ガス流の基準である。第７図のプロッ
トで示された例では使用したガス窒素であった。電圧は
、この曲線の点Ａ、Ｂ間では、着実、一様に増加する。

Ｂを越えると、即ち、曲線の点Ｂ、Ｃ間では、わづかな
流れの増加が急速な電圧の増加を引き起こす。点Ｂを越
えた条件では、アークの陽極はノズル穴６３を出はじめ
る９点Ｂの近くでは、大部分のアノード動作は、まだノ
ズル穴内である。最適条件は、第７図の１０ツトでガス
圧力が１６５〜１７０ｐｓｉのオーダーである斜線で示
した領域内で生じる。

この簡単な最適動作の指標は、強力な設計上の道具であ
る。たとえば、電源（シリコン整流器）は、最大動作電
圧が２００Ｖである。ｉ＆大大室定電流４００Ａである
。最大１００％のデユーティ比での出力は８０Ｋｗある
。これらの最大条件下で動作させ、さらに超音速退出ジ
ェット速度を生成させながらノズル寿命を最大にするこ
とは困難な仕事である。第１に、正当なノズル径と長さ
が選択される。１例として、ノズル径は５／３２インチ
、長さは１インチが選択された。窒素流が増加すると、
アーク電圧の増加率は減少し、最大１６０■に達した。

陽極点は、ノズル出口を越える方向に向けられなかった
。１つ利用可能な選択は、ノズルの長さを減らすことで
あろう、他の選択は、一方は一定にして、ノズル径をわ
ずかに増加させることである。後者の変化が選択され、
その結果は第７図に示されている。

この発明は、好ましい実施例に関して詳細に説明してき
たが、この分野の当業者にとって、形態、細部の様々な
変更がこの発明の精神と範囲から離れることなくなしう
ろことが理解されるであろう。

〔発明の効果〕

以上、実施例の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、従来のグラダマアーク溶射法及び装置に比較して数
倍のジェット速度を得ることができるとともに、アーク
生成に用いられる電圧、電流が大きく、加熱容量を大き
くすることができる。

また、本発明によれば、ノズル出口より長く仲良したイ
オン化アーク柱を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、基板の溶射被覆に用いられる従来のプラズマ
溶射トーチの縦断面図、第２ａ図は、この発明の好まし
い一実施例をなす改良されたノントランスファープラズ
マアークトーチの４［面図、第２ｂ図は、第２ａ図のト
ーチを線２ｂ−２ｂで切断した横断面図、第３ａ図は、
フレーム溶射される物質を棒状に伸長した長さのアーク
柱に供給する第２ａ図の改良されたノントランスファー
プラズマアークトーチの１部を示す縦断面図、第３ｂ図
は、フレーム溶射される物質を棒状で伸長アーク柱の軸
に十分率さな鋭角で供給するように変形された第２ａ図
の装置の１部を示す’１ＪＩＩＲ面図、第４図は、フレ
ーム溶射される物質が伸長アーク柱に比較的薄い平らな
板として供給される第２ａ図の装置の一部断面一部斜視
図、第５図は、棒状のフレーム溶射される物質に対し２
つの別々の物質供給を行ない、伸長したアーク柱に異な
る角度で物質を供給し、縦方向に分離した位置でアーク
柱にぶつかるようにした第２ａ図の装置の１部変形例を
示す縦断面図、第６図は、この発明の他の実施例をなす
伸長したアーク柱を有する改良されたノントランスファ
ープラズマアークトーチの縦断面図、第７図は、第２ｂ
図の伸長したアーク柱型ノントランスファープラズマア
ークトーチの最適動作条件を示すガス圧力と電圧の関係
を示す図である。 １０・・・溶射トーチ、２６・・・チューブ、２７・・
・パイプ、３０．３１・・・ボデー、３２・・・陰極、
３３・・・通路、３４・・・ノズル、３５・・・円錐形
縮小部、３７・・・イオン化アーク柱、３８・・・フレ
ームジェット、４０・・・シミ・ｙクダイアモンド、４
１・・・環状室、５０・・・線材、５１・・・フィード
ロール、５２・・・リング、５３・・・アノード領域、
５５・・・第１ノズル通路、５６・・・第２ノズル通路
、５７．５８・・・リード線、５９・・・ＤＣ電源、６
０・・・陰極、６１・・・第２ボデー、６２・・・軸方
向穴、６３・・・穴、６４・・・環状溝、６５・・・円
錐形縮小部、６６・・・円筒形室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の陰極電極を収容するチャンバを通し、このチ
   ャンバから、第２の陽極電極を形成するとともに前記第
   １の電極と整列しかつ間隔をおいて設けられた陽極ノズ
   ル通路を形成する溶射ノズルを通して加圧下でプラズマ
   生成ガスを供給し、前記ノズル通路を出るプラズマフレ
   ームジェットを形成するため前記第１および第２電極間
   に電気アークを生成し、ノズル出口の前面かつ下流側に
   置かれた基板に当てて被覆するため前記フレームジェッ
   ト内で物質を溶融加速するように前記フレームジェット
   中へ前記物質を供給するプラズマアーク溶射方法におい
   て、陽極通路を通って伸長するガス流の低圧核を生成す
   るためにプラズマ生成ガスの渦流を形成し、陽極ノズル
   通路全域に伸長したイオン化アーク柱を形成し、ノズル
   通路径の約４倍の長さだけノズルの端部を越えて拡がつ
   ている超音速の伸長したイオン化アーク柱を形成するた
   め陽極ノズル通路径に対しガス流の速度とアーク電流を
   調節することを特徴とするプラズマアーク溶射法。 ２、溶射される物質を有害なほど過熱せず溶射率を最大
   とするため、ノズルの端を越えて伸長したイオン化アー
   ク柱に沿ったある点で前記物質を導入する段階を含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズマア
   ーク溶射法。 ３、伸長したイオン化アーク柱に溶射される物質を導入
   する前記段階は、噴霧化および溶射のため、ガス流の方
   向に、伸長したイオン化アーク柱に斜めに前記物質で形
   成された少くとも１つの線材を供給することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のプラズマアーク溶射法。 ４、前記陽極ノズル通路を通ってガス流中へ粉末状の物
   質の少くとも１つの別の流れを同時に供給する段階を含
   むことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のプラズ
   マアーク溶射法。 ５、フレーム溶射される物質の少くとも１つの線材を供
   給する段階は、２つの線材を前記陽極ノズル通路の下流
   で伸長したイオン化アーク柱へ斜めに供給することを含
   み、前記線材は導電性の物質で形成され、前記方法はさ
   らに、伸長したイオン化アーク柱へ供給される２つの線
   材の端部間に第２のアーク柱を形成するために前記２つ
   の線材に電位差を加える段階を含み、前記第２のアーク
   は、プラズマトーチ陽極ノズル通路から放出する伸長し
   たイオン化アーク柱と同時に強制的に流れることを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載のプラズマアーク溶射
   法。 ６、前記粉末の粒子を前記伸長したイオン化アーク柱と
   接触する前に湿気のある物質の薄層であらかじめ被覆し
   、続けて前記被覆された粉末粒子を、この粒子が前記線
   材を構成する物質から形成された溶融小滴に付着するの
   に必要な程度にのみ加熱するステップを含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第４項記載のプラズマアーク溶射
   法。 ７、プラズマアーク溶射ジェットを形成し、非安定粉末
   物質の粒子に湿気のある物質の薄い被覆を形成し、前記
   被覆された粒子を前記プラズマアーク溶射フレームジェ
   ットに供給し、前記粒子を前記フレームジェット中で他
   の粒子へ付着が有効となるだけの温度に加熱し、前記被
   覆された粒子の物質と類似または同一の物質から成る粒
   子を、前記被覆されたフレーム溶射粒子への付着を有効
   とするように加熱軟化または溶融するためにプラズマア
   ーク溶射フレームジェットへさらに別に供給する段階を
   含む、非安定粉末物質をフレーム溶射することを特徴と
   するプラズマアーク溶射法。 ８、前記粒子は、ニッケルを含む物質で被覆されたダイ
   アモンドからなることを特徴とする特許請求の範囲第７
   項記載のプラズマアーク溶射法。 ９、前記本質的に熱非安定な物質は、シリコンカーバイ
   ドであることを特徴とする特許請求の範囲第７項のプラ
   ズマアーク溶射法。 １０、前記非安定な粉末物質は、溶射の方向と斜めにプ
   ラズマアーク溶射ジェット中に供給される連続供給金属
   板の核としてプラズマアーク溶射フレームジェット中へ
   供給され前記プラズマアーク溶射フレームジェットの軸
   と同一平面上の前記板は前記ジェットを切断することを
   特徴とする特許請求の範囲第７項記載のプラズマアーク
   溶射法。 １１、陽極ノズル通路を同軸に含み陽極電極を形成する
   第１の導電性端壁と第２の反対側端壁を有するチャンバ
   を形成する円筒形ケースと、この円筒形ケースの前記反
   対側端壁内に同軸に取り付けられ、前記第１の端壁とは
   絶縁され、わずかに離れた陰極電極と、前記陽極ノズル
   通路は、前記陰極電極に面する端部で外側に開き円錐形
   に拡大しており、前記円筒ケースと陰極電極と両端壁で
   画成されるチャンバに加圧下でプラズマ生成ガスを導入
   する手段と、前記陽極ノズル通路から出るプラズマアー
   クフレームを生成するために前記陽極を構成する前記第
   １の端壁と前記陰極電極の間に電位差を発生させる手段
   とを含むプラズマアーク溶射装置において、前記チャン
   バに加圧下でプラズマ生成ガスの流れを供給する前記手
   段は、陽極ノズル通路を通って伸びた低圧核を示すガス
   の渦流を形成するために前記陽極ノズル通路から離れた
   前記チャンバの端に接線方向で前記ガスを供給する手段
   を含み、前記核は前記陽極ノズル通路を通り外へ伸びた
   小径アーク柱を形成し、前記陽極ノズル通路は比較的小
   さな径を有し、前記装置は、さらに前記ノズルの放電端
   をノズル通路径の約４倍の距離だけ越えて伸びた超音速
   伸長イオン化アーク柱を形成するため前記陰極と前記陽
   極間で前記アークのアーク電流とガス流を調節する手段
   を含むことを特徴とするプラズマアーク溶射装置。 １２、前記ノズルの出口の前面、下流側に置かれた基板
   へ打ち当てるため物質を溶融し加速するため前記フレー
   ムジェット中へ物質を供給する手段を含むことを特徴と
   する特許請求の範囲第１１項記載のプラズマアーク溶射
   装置。 １３、フレームジェット中へ物質を供給する前記手段は
   、溶射物質の有害な加熱を生じることなく、溶射率を最
   大とするため前記ノズルの出口の下流で前記伸長イオン
   化アーク柱へ前記物質を供給する手段を含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第１１項記載のプラズマアーク溶
   射装置。 １４、前記物質供給手段は、前記ノズルの出口から離れ
   た伸長イオン化アーク柱の端へ物質を粉末、線材または
   棒状で供給する手段を含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第１２項記載のプラズマアーク溶射装置。 １５、前記物質導入装置は、前記物質の線材をはさみ、
   前記線材を、フレームジェットの方向に前記伸長イオン
   化アーク柱の通路中へ斜めに移動させる１対の反対方向
   に駆動されるローラを含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第１４項記載のプラズマアーク溶射装置。 １６、前記物質は第１および第２の線材を含み、前記導
   入手段は前記ノズルの出口を越えた前記イオン化アーク
   柱に沿って縦方向に離れた点で前記アーク柱と接触する
   ように前記アーク柱の通路へ前記伸長イオン化アーク柱
   と斜めの角度で軸方向に線材を供給する手段と、前記線
   材の一方を前記陽極電極へ接地する手段と、前記線材間
   に電位差を生成する手段を含み、第２アーク柱が伸長イ
   オン化アーク柱の近くの線材の端部間を横切つて生成さ
   れ、前記第２のアーク柱は、プラズマアークトーチから
   出る主アークと同時に流れるように拘束され、前記装置
   によるフレーム溶射される物質の割合を増加させること
   を特徴とする特許請求の範囲第１４項記載のプラズマア
   ーク溶射装置。 １７、前記第１の端壁は第１、第２構成品を含み、前記
   構成品は、前記陰極電極と整列した同軸穴を含み、前記
   第１、第２構成品は軸方向に離れており、電気的に絶縁
   されていて、前記同軸穴の径より大きな径を有する円筒
   形第２ガス室がその間に形成され、前記第１端壁構成品
   内の前記同軸穴は整列した第１上流側および第２下流側
   ノズル通路を構成し、前記装置はさらに、前記第１およ
   び第２ノズル通路の中間の前記第２ガス室へ接線方向に
   第２ガスを供給する手段を含み、前記陰極電極と前記陽
   極電極間に電位差を与える前記手段は、電源を、前記陰
   極電極と、前記陰極電極から離れた前記第１端壁の前記
   陽極電極を形成する前記構成品との間に接続する手段を
   含み、前記第１の上流側ノズル通路を形成する前記端壁
   の構成品は、陰極電極と陽極電極間に形成されるアーク
   柱を長くすることによりアーク電圧を上昇させるための
   働きをしている間、電気的に絶縁されており、前記下流
   側ノズルのノズル通路径の数倍の距離だけ大気中に伸び
   ている伸長イオン化アーク柱が生じることを特徴とする
   特許請求の範囲第１１項記載のプラズマアーク溶射装置
   。 １８、前記第１端壁の構成品は、互いに向き合う端面と
   、この端面上の外周内に環状溝を含んでおり、電気絶縁
   性物質のリングがそれぞれの端部で前記溝内に嵌合され
   ており、前記構成品間の軸方向間隔を保持し、第２のガ
   スパイプが前記リングへ結合されており、前記リングは
   内周に接線方向に開口した通路手段を含み、第２ガスの
   渦流を有効にし、前記第２構成品の陽極ノズル通路と前
   記第１端壁の前記浮遊第１構成品のノズル通路を通って
   拡がる前記低圧核の生成を促進することを特徴とする特
   許請求の範囲第１７項記載のプラズマアーク溶射装置。