JPWO2013008563A1 - アキシャルフィード型プラズマ溶射装置 - Google Patents

Abstract

溶融した溶射材料がプラズマ発生室内及び電極並びにプラズマジェット噴射孔に付着しないようにし、又、溶射材料噴射孔から噴出した溶射材料を熱効率よく溶融し、歩留まりを向上させ、更に、溶射材料の粒径や質量等の違いにより、プラズマ火炎外周部で反射したり、プラズマ火炎を突き抜け飛散することがない様にする。陰極電極８と陽極ノズル２は、一対配設し、前記陽極ノズル前面３には３個以上の複数のプラズマジェット噴出孔４を設けるとともに、前記噴出孔４に囲まれた中心に溶射材料噴出孔５を設ける。溶射材料を前記噴出孔５から噴出し、複合プラズマアーク３１、または複合プラズマジェット３２の軸芯に投入する。

Description

本発明は、アキシャルフィード型プラズマ溶射装置に関する。

（１）従来のプラズマ溶射装置における溶射材料の供給方法は、ノズルの前方に形成されたプラズマアークまたはプラズマジェットに対して直角方向から投入する外部供給方法が主流であったが、この方式は、溶射材料の粒径と質量が小さい場合には、プラズマアークまたはプラズマジェットの中心に到達する前に弾き飛ばされ、また、粒径と質量が大きい場合には、プラズマアークまたはプラズマジェットを突き抜けるために使用材料の歩留まりが悪いという問題があった。

最近は、サブミクロン粒子やナノ粒子の懸濁液材料や有機金属化合物の液体材料の利用が求められているが、従来の外部供給方法では歩留りが著しく悪くなるため、これらの材料は溶射材料として使用できないという問題があった。

また、溶射皮膜の緻密性や密着力を向上させる事を目的として、溶射材料粒子の飛行速度の高速化がプラズマ溶射装置に求められているが、従来の外部供給方法では、高速化すればする程、プラズマアークまたはプラズマジェットの中心に到達する前に弾き飛ばされる溶射材料粒子の割合が増えるため、高速化できないという問題があった。

（２）これら問題を解消する方式として、ノズル内のプラズマ発生室内において溶射材料を供給し、プラズマジェット噴出孔からプラズマジェットと一緒に溶融した溶射材料を噴出させるアキシャルフィード型プラズマ溶射装置が公知である（例えば、特許文献１、２参照）。

しかし、これら特許文献１、２の場合、溶射材料の溶融はノズル内のプラズマ発生室内において行われるため、溶融した溶射材料がプラズマ発生室内及び電極先端並びにプラズマジェット噴出孔に付着して連続安定運転が出来ないと共に、製品にスピットが付着するという問題があった。

また、プラズマジェット噴出孔から溶射材料が超高速で噴出するため、この噴出孔の摩耗が激しくなり、ノズルの消耗率が高くなるという問題があった。

更に、プラズマ発生室内に供給されたプラズマガスによりプラズマ発生室内は高圧化しているため、プラズマ発生室内に溶射材料を供給する場合は、溶射材料供給機に背圧が作用してしまい、材料供給機の耐圧設計が必要になるという問題があった。

なお、特許文献３には、プラズマジェット噴出孔を複数に分割すると共にこの分割した噴出孔を平行に配置することにより皮膜形成面積の拡大を図るプラズマ溶射装置が紹介されているが、このプラズマ溶射装置の場合も、上記したアキシャルフィード型プラズマ溶射装置と同じ問題がある。

（３）特許文献４、５、６には、２個〜４個の陰電極と、これと対となる２個〜４個の陽極ノズルを有すプラズマ溶射装置において、それぞれの陽極ノズルから出るプラズマ火炎（プラズマジェットとも言う）を１点に集中させることが開示されている。

しかし、前記特許文献４〜６のプラズマ溶射装置では、溶射時間とともに生ずる陰極ノズルおよび陽極ノズルの損傷具合のアンバランスや、作動ガス量のアンバランスによって、１点に集中した後のプラズマ火炎の方向と噴射された溶射材料の方向とにズレが生じ、熱交換が十分に行われず、溶融されない溶射材料が周囲に飛散し、歩留りが著しく低下するという問題がある。

また、複数の陰電極や陽極ノズルを冷却するため、冷却通路が複雑になり、そのため冷却水のエネルギーロスが大きくなり、また、メンテナンス作業にも非常に手間と時間がかかるという問題もある。

特開２００２−２３１４９８号公報 特開２０１０−０４３３４１号公報 特開平０７−０３４２１６号公報 特許第４４４９６４５号公報 特開昭６０−１２９１５６号公報 特公平０４−０５５７４８号公報

本発明は、上記事情に鑑み、溶融した溶射材料がプラズマ発生室内及び電極並びにプラズマジェット噴出孔に付着しないようにすることを目的とする。他の目的は、溶射材料噴射孔から噴出した溶射材料を熱効率よく溶融し、歩留まりの向上を図ることである。更に他の目的は、溶射材料の粒径や質量等の違いにより、プラズマ火炎外周部で反射飛散したり、突き抜けて飛散することがないようにすることである。

（１）この発明は、陰極電極と陽極ノズル、並びにプラズマガス供給手段および溶射材料供給手段を有するプラズマトーチにおいて、前記陰極電極と前記陽極ノズルは、一対配設され、前記陽極ノズルには、その軸芯を中心点とする同心円線上に間隔をおいて３個以上のプラズマジェット噴出孔を設け、プラズマジェット及びプラズマアークを分岐するようにし、前記陽極ノズルの先端面であって、前記プラズマジェット噴出孔で囲まれた中心部には、溶射材料噴出孔を設けたことを特徴とする。

（２）この発明の前記プラズマジェット噴出孔は、前記ノズルの前方であって、このノズルの軸芯上の交点において前記各プラズマジェット噴出孔から噴出したプラズマジェットまたはプラズマアークが交わるようにするために、傾斜していることを特徴とする。

（３）この発明の前記各プラズマジェット噴出孔は、該プラズマジェット噴出孔から噴出されたプラズマジェットが、基材に到達するまでの間に、前記陽極ノズルの軸芯上の一点で交わらないようにするために、前記軸芯と平行、又は、ほぼ平行に形成されていることを特徴とする。

（４）この発明は、プラズマトーチ内のプラズマ発生室を前室と後室に区画し、それぞれにプラズマガス供給手段を設けてなることを特徴とする。この発明のプラズマガス供給手段は、プラズマ発生室内において、接線方向に傾けて設けることにより、前記プラズマガス供給手段から供給されたプラズマガスに旋回流が発生するように構成してなることを特徴とする。

（５）この発明の前記陽極ノズルの前方には、副プラズマトーチが、その軸芯線が主トーチの軸芯線に交差するように配設されていることを特徴とする。この発明の前記副プラズマトーチは、前記主トーチのプラズマジェット又はプラズマアークの交点、又は、この近傍で、副プラズマジェット又は副プラズマアークが交わる様に配設されていることを特徴とする。

（６）この発明の前記副プラズマトーチが、複数配設されていることを特徴とする。この発明の前記副プラズマトーチの配設個数は、主トーチのプラズマジェット噴出孔の数と同一であることを特徴とする。この発明の前記プラズマジェット噴出孔が、３個配設され、副プラズマトーチが、３個配設されていることを特徴とする。この発明の前記各プラズマジェット噴出孔から噴出される各プラズマアークは、直近の前記副プラズマトーチの副プラズマアークと連続してヘアピンアークを形成し、前記各ヘアピンアークは互いに交差することなく独立していることを特徴とする。

（７）この発明の前記副プラズマトーチの軸芯線が、主プラズマジェットの軸芯線に対して、垂直状、又は、後方に傾斜していることを特徴とする。この発明の前記陽極ノズルの先端に、超高速ノズルを設けたことを特徴とする。この発明の前記溶射材料供給手段が、複数の溶射材料供給孔を備えていることを特徴とする。この発明の前記陰極電極及び陽極電極の極性を、逆の極性にしたことを特徴とする。

上記した本発明の効果は、次の通りである。
（１）溶射材料をプラズマ発生室内に供給せず、ノズルの先端から先においてプラズマジェット又はプラズマアークの中心に供給（投入）するように構成したことにより、溶融した溶射材料がプラズマ発生室内及び電極並びにプラズマジェット噴出孔に付着しない。このため、連続安定運転が図れると共に、製品にスピットが付着しない。よって、連続安定運転が可能になると共にプラズマ発生室内に溶射材料噴出孔が位置しないことから溶射材料供給機側に背圧が作用せず、よって耐圧設計が必要でなくなると共に、ノズルの耐久性の向上を図ることができる。

（２）プラズマジェット又はプラズマアークをノズルの前方において一点で交わるようにプラズマ噴出孔に傾斜角をつけたことにより、溶射材料噴出孔から噴出した溶射材料は、このプラズマジェット又はプラズマアークに包み込まれ均一に加熱されて溶融するため、熱効率が高く、且つ、高歩留まりの溶射が可能である。

（３）溶射材料をプラズマジェット又はプラズマアークの軸芯高温域に投入するため、溶射材料の粒径や質量の違いによって、プラズマ火炎外周部で反射飛散したりプラズマ火炎を突き抜け飛散する事がないので、溶射材料の製造工程での造粒や分級の必要が減り、安価な溶射材料を使用できるようになる。また、粉体に限らず、液体状の溶射材料も任意で使用することが出来る。

（４）各プラズマジェット噴出孔は、該プラズマジェット噴出孔から噴出されたプラズマジェットが、基材に到達するまでの間に、前記陽極ノズルの軸芯上の一点で交わらないようにするために、前記軸芯と平行、又は、ほぼ平行に形成されているので、該プラズマジェット噴出孔から噴出されたプラズマジェットは円筒状になりながら基材に向かって進行する。そのため、溶射材料噴出孔から噴射された溶射材料は、噴射直後に、直接プラズマジェットに接触することなく、分岐したプラズマジェットによって包み込まれた空間で、大気との接触を抑制されながら基材に向かうことができる。

本発明の実施例１を示す断面図である。 本発明の実施例２を示す断面図である。 本発明の実施例３を示す断面図である。 本発明の実施例４を示す断面図である。 本発明の実施例５を示す断面図である。 前記実施例５の複合トーチの側面図である。 前記実施例５の主トーチのプラズマガス供給手段である噴射孔の拡大断面図である。 前記実施例５の陽極ノズルのプラズマジェット噴出孔の拡大縦断面図である。 本発明の実施例６を示す断面図である。 前記実施例６の側面図である。 本発明の実施例７を示す縦断面図である。 前記実施例７の複合トーチの側面図である。 本発明の実施例８を示す縦断面図である。 本発明の実施例９を示す縦断面図である。

実施例１
本発明の実施例１は、一段式単トーチと称される溶射装置に関するものである。図１において、符号の１は本発明に係るアキシャルフィード型プラズマ溶射装置としてのトーチであって、一対の陰極電極と陽極ノズル、即ち、１個の陰極電極８と１個の陽極ノズル（陽極電極）２と、を備えている。前記陰極電極８は、該トーチ１の後端部に形成され、前記陽極ノズル２は、その先端部に形成されている。

そして、この陽極ノズル２の先端面３には、同心円線上に間隔をおいて３ヶ所にプラズマジェット噴出孔４が設けられていると共に、このプラズマジェット噴出孔４には、前記同心円の中心を通る軸芯の一点（交点）Ｐにおいて、前記プラズマジェット噴出孔４から噴出したプラズマジェット１２が交わるようにそれぞれ傾斜角がつけてある。

５は、前記プラズマジェット噴出孔４が配置された同心円の中心に設けられた溶射材料噴出孔であって、この溶射材料噴出孔５へは溶射材料供給機（図示せず）に結ばれた溶射材料供給孔６から溶射材料が供給される。

７は、前記陽極ノズル２内において、前記プラズマジェット噴出孔４の後方に形成されたプラズマ発生室であって、このプラズマ発生室７内の中心には陰極電極８が設けられていて、スイッチ１３を閉成すると電源１０から陽極ノズル２と陰極電極８間に高電流・低電圧が印加されることにより、陰極電極８の前方にプラズマアーク１１が形成され、このプラズマアーク１１は、前記複数のプラズマジェット噴出孔４に分割（分岐）されて侵入し、前記噴出孔４より噴出して該噴出孔４の先の交点Ｐで交わるプラズマジェット１２を形成する。

９は、前記プラズマ発生室７内にプラズマガス（例えば不活性ガス）を供給するプラズマガス供給手段であって、本実施例１ではプラズマ発生室７内において噴射孔９ａを接線方向に傾斜させることにより、プラズマ発生室７内に旋回流を発生させて安定したプラズマアーク１１を形成するように工夫されている。符号の１５は絶縁スペーサ、３３は溶融した溶射材料の噴射方向である。

なお、本実施例１において、同一形状のプラズマジェット噴出孔４が３個形成されているが、この数は３個以上８個位が実用的であるが、特に限定されない。また、前記噴出孔４の傾斜角は交点Ｐをノズル先端面３より前方のどの位置とするかにより設計で決まる。更に、前記噴出孔４は、同心円線上に等間隔で配置されているが、この間隔は、必要に応じて適宜変更することができる。

実施例２
本実施例２は、図２に示すように、陽極ノズル２内に形成したプラズマ発生室７内を、中心部を除いて前室７ａと後室７ｂの二室に区画し、それぞれの室７ａ、７ｂ内にプラズマガス供給手段の噴出孔９ａ、９ｂを設けると共に、陰極電極８を前室７ａ側に設けた例である。

本実施例２において、プラズマ発生室７を前室７ａと後室７ｂに分けて形成することにより、プラズマアーク１１の出力を高めることができると共に、後室７ｂに供給するプラズマガスに安価な圧縮空気や窒素ガス等を使用できる特徴がある。本実施例２では、陽極ノズル２は、前室７ａ側のノズル部２ａと後室７側のノズル部２ｂとから構成されている。

なお、図２において、図１と同一の符号は同一の構成と作用を奏するものにつき、重複を避けるためにここでの説明は省略する。

実施例３
本実施例３は、図３に示すように、実施例１で説明したトーチ１の前方であって、主プラズマジェット１２ａの交点Ｐに対して直角方向から副プラズマジェット６２が合流するように副プラズマトーチ（単に、副トーチ、ということもある）５１を配置した複合トーチの例であって、この副トーチ５１のノズル６４は陰極（陰極電極）に設定され、副トーチ電極５６は陽極（陽極電極）に設定されていると共にこの副トーチ５１を設けることにより、主プラズマトーチ（単に、主トーチ、ということもある）１ａ側からの主プラズマアーク１１ａと副プラズマアーク６１とにより複合プラズマアーク３１を交点Ｐ及びこの前方（近傍）に形成することができる。

なお、副トーチ５１は、交点Ｐに対して直角方向以外に、副トーチ５１を少し後方に傾けても良い。また、副トーチ５１から噴出した副プラズマアーク６１は、交点Ｐで主プラズマアーク１１ａに合流するように設定するのが最良であるが、前後方向に多少ズレても構わない。

上記した副トーチ５１の場合、溶射材料供給手段は無く、更に副プラズマジェット噴出孔５４は中心（軸芯）に１個のみである。

この複合トーチにおいては、主トーチ１ａの陽極ノズル２の前方に形成された主プラズマアーク１１ａに、副トーチ５１で形成された副プラズマアーク６１が連続することにより複合プラズマアーク３１が形成され、この複合プラズマアーク３１の軸芯に直接、溶射材料を供給できるため、該材料が長い時間、前記プラズマアーク３１の中心に留まる事になり、溶融率が高くなる。

図３において、符号の１３ｂ、１３ｃはスイッチ、３２は複合プラズマジェット、５０は副電源、５３はスイッチ、５７はプラズマ発生室、５９はプラズマガス供給手段、６５は絶縁スペーサー、である。

本実施例３を示す図３において、図１と同一の符号は同一の構造と作用を奏するものにつき、重複を避けるためにここでの説明は省略する。

実施例４
本実施例４は、実施例２で説明した二段式単トーチに実施例３で説明した副トーチ５１を組み合わせた複合トーチの例であって、実施例２、３で説明した作用効果の相乗を狙っている。

図４において、図１〜図３の符号と同一の符号は、同一の構造と同一の作用を奏するにつき、重複を避けるためにここでの説明は省略する。

運転例
以上で説明した実施例１〜４の運転例を次に示す。
（１）実施例１の運転例
図１ 単段、単トーチの場合
溶射皮膜： セラミック溶射皮膜
電流、電圧、出力：８００Ａ×９０Ｖ＝７２ｋｗ
ガス種、ガス量： アルゴン（２５Ｌ／ｍｉｎ）、水素（６０Ｌ／ｍｉｎ）

（２）実施例２の運転例
図２ ２段、単トーチの場合
溶射皮膜： セラミック溶射皮膜
電流、電圧、出力：４８０Ａ×１５０Ｖ＝７２ｋｗ
ガス種、ガス量： アルゴン（２５Ｌ／ｍｉｎ）、水素（６０Ｌ／ｍｉｎ）

（３）実施例３の運転例
図３ 単段、副トーチ有りの複合トーチの場合
溶射皮膜： セラミック溶射皮膜
電流、電圧、出力：３６０Ａ×２００Ｖ＝７２ｋｗ
ガス種、ガス量： アルゴン（８０Ｌ／ｍｉｎ）

（４）実施例４の運転例
図４ ２段、副トーチ有りの複合トーチの場合
溶射皮膜： セラミック溶射皮膜
電流、電圧、出力：２４０Ａ×３００Ｖ＝７２ｋｗ
ガス種、ガス量： アルゴン（２５Ｌ／ｍｉｎ）、圧縮空気（７５Ｌ／ｍｉｎ）

実施例５
本実施例５は、図５〜図８に示すように、前記実施例４における１個の副トーチ５１を、３個に増やして配設した複合トーチの例であって、プラズマアーク及びプラズマジェットの直進性、安定化を狙っている。図５〜図８において、図４の符号と同一の符号は、同一の構造と同一の作用を奏するにつき、重複を避けるためにここでの詳細な説明は省略する。なお、図５において、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、それぞれトランジスタ電源、Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃は、それぞれスイッチ、を示す。

本実施例５では、陽極ノズル２ｂには、周方向に等間隔をおいて３個のプラズマジェット噴出孔４が設けられているが、この噴出孔４の数及び配設間隔は、必要に応じて適宜選択することができる。

前記各噴出孔４は、図８に示すように、陽極ノズル２の軸芯２Ｃに対して角度θ、傾斜しているが、この傾斜角度θは、必要に応じて適宜選択される。例えば、この傾斜角度θとして、４°、又は、６°が採用される。前記噴出孔４は、逆円錐台状の入口４ａと、該入口４ａに連続する直管状の出口４ｂにより構成されているので、主プラズマアーク１１ａ及び主プラズマジェット１２ａは、容易に該噴出孔４に入ることができる。溶射材料噴出孔５には、溶射材料供給孔６が１個、配設されているが、この供給孔６の数は、必要に応じて複数設けることができる。例えば、前記供給孔６を点対称に一対配設し、各供給孔６から互いに異なる溶射材料を供給して混合するようにしても良い。

主トーチ１ａの噴射孔９ａは、図７に示すように、接線方向に複数、穿孔されている。そのため、該噴射孔９ａに供給されたプラズマガスＧは、プラズマ発生室７ａ内壁に案内されながら矢印Ａ９方向に流れて旋回流となるとともに、他の噴射孔９ｂからプラズマ発生室７ｂに供給されたプラズマガスも同様な要領で旋回流となる。前記旋回流は、分岐されて各プラズマジェト噴出孔４に入り、該噴射孔４内を旋回しながら前進した後、交点Ｐに向かって噴射される。

副トーチ５１は、主トーチ１ａのプラズマジェット噴出孔４と同数、即ち、３個設けられている。各副トーチ５１は、周方向に等間隔をおいて配設されており、かつ、主トーチ１ａの軸芯線と前記各副トーチ５１の軸芯線が交差するように配設されている。各副トーチ５１の副プラズマアーク６１は、スイッチ５３ａ、５３ｂ、５３ｃを閉じる（オン）ことにより発生するが、これらの各副プラズマアーク６１は、それぞれ直近の主トーチ１ａのプラズマア-ク１１ａと連続してヘアピン状のアーク、所謂ヘアピンアーク、を形成するので、主トーチ１ａの陰極電極８の先端から副トーチ５１の副トーチ電極５６の陽極点に至る導電路が形成される。なお、前記各スイッチ５３ａ、５３ｂ、５３ｃは、前記ヘアピンアークが形成された後に、開かれる（オフ）。

溶射材料供給孔６から供給された溶射材料は、溶射材料噴出孔５から前記交点Ｐに向かって噴射され、高温に加熱されて溶融しながら主プラズマジェット１２ａに包まれる様にして進行するとともに、溶融された溶射材料の粒子、即ち、溶融粒子は、基材（被塗装物）８０に衝突して溶射皮膜７０を形成する。このとき、前記３本のヘアピンアークが、交点Ｐで交差し一体となるので、複合プラズマアーク３１及び複合プラズマジェット３２は、副トーチが１個の場合（前記実施例４）に比べ、より安定させることができる。

実施例６
本実施例６は、図９、図１０に示すように、前記実施例２（図２）における各プラズマジェット噴出孔４を平行、又は、穏やかな傾斜角度に傾斜させた（ほぼ平行）、単トーチの例であって、各噴出孔４Ａから噴出されたプラズマジェット１２Ａが、基材８０に到達するまでの間に、トーチ１の陽極ノズル２ａ、２ｂの軸芯線２Ｃ上の一点で交わらないようにすることを狙っている。なお、前記陽極ノズル２ａ，２ｂの軸芯（軸芯線)２Ｃは、主トーチ１ａの軸芯（軸芯線）上に位置している。図９、図１０において、図２の符号と同一の符号は、同一の構造と同一の作用を奏するにつき、重複を避けるためにここでの詳細な説明は省略する。

プラズマジェット噴出孔４Ａは、図１０に示すように、溶射材料噴出孔５を囲む円周上に間隔をおいて６個配設されている。前記噴出孔４Ａの間隔及び配設個数は、必要に応じて適宜選択することができ、例えば、等間隔で、４個設けてもよい。

前記各噴出孔４Ａは、前記陽極ノズル２ａ、２ｂの軸芯２Ｃと平行に配設されているが、必ずしも平行にする必要はなく、ほぼ平行に配設しても良い。即ち、各噴出孔４Ａから噴出されるプラズマジェット１２Ａが、基材８０に到達するまでの間に、前記陽極ノズル２ａ、２ｂの軸芯２Ｃ上の一点で交わらない様に、緩やかな傾斜角度をつけても良い。この穏やかな傾斜角度は、前記陽極ノズル２ａ、２ｂの軸芯２Ｃに対してほぼ平行になるように、例えば、＋２°〜−２°が選択される。

本実施例では、溶射材料噴出孔５から噴出した溶射材料は、プラズマジェット１２Ａによって溶融され、溶融粒子となって基材８０に衝突し、溶射皮膜７０を形成する。この時、溶射材料噴出孔５は、プラズマジェット噴出孔４が配設されている円の中心（軸芯）に設けられ、プラズマジェット噴出孔４Ａは、前記同一円周上に間隔をおいて配設されているので、各噴出孔４Ａから噴出するプラズマジェット１２Ａは、全体として縦断面円筒状になりながら基材８０に向かって進行する。

又、前記溶射材料噴出孔５から噴射される溶射材料は、前記円筒状のプラズマジェット内を基材８０に向かって直進する。そのため、前記溶射材料が、噴射直後に、直接プラズマジェットに接触しないようにし、分岐したプラズマジェット１２Ａによって包み込まれた空間で、大気との接触を抑制することができる。これにより、低融点や微粒子のため小さな溶融熱しか必要としない溶射材料、及び高い溶融熱があると酸化や変態により機能劣化したり、昇華して溶射皮膜を形成しない溶射材料、でも所望の溶射皮膜を形成することが可能となる。

実施例７
本実施例７は、図１１、図１２に示すように、前記実施例５（図５〜図８）における各プラズマジェット噴出孔を、前記実施例６（図９、図１０）の様に、平行、又は、穏やかな傾斜角度に傾斜させた（ほぼ平行）、複合トーチの例であって、各噴出孔４Ａから噴出されたプラズマアーク１１ａ及びプラズマジェット１２ａが、基材８０に到達するまでの間に、トーチ１ａの陽極ノズル２ａ、２ｂの軸芯２Ｃ上の一点で交わらないようにすることを狙っている。図１１、図１２において、図５〜図１０の符号と同一の符号は、同一の構造と同一の作用を奏するにつき、重複を避けるためにここでの詳細な説明は省略する。

図１２に示すように、主トーチ１ａのプラズマジェット噴出孔４Ａは、円周方向に等間隔をおいて３個配設されているが、これらの噴出孔４Ａは、前記実施例６と同様の要領で形成されている。又、副トーチ５１は、主トーチ１ａの前記噴出孔４Ａの数に対応して３個配設されている。

本実施例では、各副トーチ５１の副プラズマアーク６１は、プラズマジェット噴出孔４Ａから噴出される直近の主プラズマア−ク１１ａと連続してそれぞれヘアピンアークを形成するので、主トーチ１ａの陰極電極８の先端から各副トーチ５１の副トーチ電極５６の陽極点に至る導電路が形成される。

この様に前記各ヘアピンアークは、別個独立に形成され、各プラズマジェット噴出孔４Ａから噴出する各主プラズマアーク１１ａが互いに交差しないように形成されている。また、前記噴出孔４Ａから噴出される各プラズマジェット１２ａも基材８０に衝突するまでは、互いに交差しないように形成される。

本実施例では、溶射材料供給孔６から供給された溶射材料は、直接、主プラズマジェット１２ａ及び主プラズマアーク１１ａに入らないようにし、また、前記主プラズマジェット１２ａ及び前記主プラズマアーク１１ａによって包み込まれた空間で、大気との接触を抑制できるようになっている。この様にすることにより、前記実施例６と同様な効果を得ることができる。

実施例８
本実施例８は、図１３に示すように、前記実施例４(図４)における副トーチ５１を、後方に傾斜させて配設した複合トーチの例であって、プラズマアーク及びプラズマジェットの直進性、安定化を狙っている。図１３において、図４の符号と同一の符号は、同一の構造と同一の作用を奏するにつき、重複を避けるためにここでの詳細な説明は省略する。

この実施例では、副トーチ５１は、交点Ｐに対して後方、即ち、副トーチ電極５６が主トーチ１ａから離れる方向、に傾けられており、その傾斜角度、即ち、各主トーチ１ａの軸芯線と副トーチ５１の軸芯線との交差角度は、４５°に形成されている。この傾斜角度は、必要に応じて適宜選択することができ、例えば、３５°〜５５°の範囲内で選択採用される。

なお、この実施例は、前記第３実施例（図３）などにも適用することができることは、勿論である。

実施例９
本実施例９は、図１４に示すように、前記実施例２における単トーチの陽極ノズル２の先端面３に超高速ノズル９０を連結した単トーチの例であって、プラズマジェットを超高速にすることを狙っている。図１４において、図２の符号と同一の符号は、同一の構造と同一の作用を奏するにつき、重複を避けるためにここでの詳細な説明は省略する。

本実施例の超高速ノズル９０は、絞り部９１から入口側に向かって放射状に広がる上流側漏斗部９３と、該絞り部９１から出口側に向かって放射状に広がる下流側漏斗部９５とから構成されている。前記上流側漏斗部９３と下流側漏斗部９５の軸方向の長さはほぼ同一であるが、その開口端の大きさは、後者９５の方が大きく形成されている。図１４において、Ｗは冷却部に供給される冷却媒体、１２Ｓは超音速プラズマジェット、をそれぞれ示す。

本実施例では、プラズマジェット噴出孔４から噴出されたプラズマジェット１２は、上流側漏斗部９３に入り、絞り部９１で絞られた後、下流側漏斗部９５に放出されて急速に広がるので、プラズマジェット１２Ｓを超音速にすることができる。そのため、溶融した溶射材料の溶融粒子の飛行速度を超音速、例えば、音速の３〜５倍、にすることができるので、より緻密で密着力の高い高性能な、溶射皮膜を形成することができる。

なお、この超高速ノズルは、本実施例のみならず、前記実施例１などにも利用できることは、勿論である。

その他の実施例
本発明の実施例は、上記に限定されるものではなく、例えば、次のようにしても良い。
（１）上記実施例における単トーチ、複合トーチの陰極電極及び陽極電極の極性を逆、即ち、単トーチにおける陰極電極８・陽極ノズル２、複合トーチにおける主トーチの陰極電極８・陽極ノズル２、副トーチの副トーチ電極５６・ノズル６４の極性を、逆にしても良い。

（２）上記実施例の陽極ノズル２の先端面３に、単数（１個）の同心円線上に間隔をおいて３ヶ所にプラズマジェット噴出孔４を設ける代わりに、間隔をおいて形成された複数（２個以上）の同心円線上に、周方向に間隔をおいて複数個のプラズマジェット噴出孔４を形成する。この様にすると、プラズマ火炎がリング状に近くなるので、大気の進入を防止することができる。なお、前記各噴出孔４は、千鳥状になる様に配設されているが、その配列の仕方は、必要に応じて適宜選択することができる。

この発明は、表面改質処理技術等として広く産業に利用され、例えば、液晶・半導体製造装置部品、静電チャック、印刷用フイルムロール、航空機用タービンブレード、焼成冶具、太陽電池用発電素子、燃料電池用電解質、などに利用される。

１ トーチ
１ａ 主トーチ
２ 陽極ノズル
４ プラズマジェット噴出孔
５ 溶射材料噴出孔
７ プラズマ発生室
８ 陰極電極
９ プラズマガス供給手段
１１ プラズマアーク
１２ プラズマジェット
３１ 複合プラズマア−ク
３２ 複合プラズマジェット
５１ 副トーチ
５６ 副トーチ電極
６４ ノズル

（１）この発明は、陰極電極と陽極ノズル、並びにプラズマガス供給手段および溶射材料供給手段を有するプラズマトーチにおいて、前記陰極電極と前記陽極ノズルは、一対配設され、前記陽極ノズルには、その軸芯を中心点とする同心円線上に間隔をおいて３個以上のプラズマジェット噴出孔を設け、プラズマジェット及びプラズマアークを分岐するようにし、前記陽極ノズルの先端面であって、前記プラズマジェット噴出孔で囲まれた中心部には、溶射材料噴出孔を設けるとともに、前記プラズマジェット噴出孔は、前記ノズルの前方であって、このノズルの軸芯上の交点において前記各プラズマジェット噴出孔から噴出したプラズマジェットまたはプラズマアークが交わるようにするために、傾斜していることを特徴とする。

（２）この発明は、プラズマトーチ内のプラズマ発生室を前室と後室に区画し、それぞれにプラズマガス供給手段を設けてなることを特徴とする。この発明のプラズマガス供給手段は、プラズマ発生室内において、接線方向に傾けて設けることにより、前記プラズマガス供給手段から供給されたプラズマガスに旋回流が発生するように構成してなることを特徴とする

（３）この発明の前記陽極ノズルの前方には、副プラズマトーチが、その軸芯線が主トーチの軸芯線に交差するように配設されていることを特徴とする。こお発明の前記副プラズマトーチは、前記主トーチのプラズマジェット又はプラズマアークの交点、又は、この近傍で、副プラズマジェット又は副プラズマアークが交わる様に配設されていることを特徴とする。

（４）この発明の前記副プラズマトーチが、複数配設されていることを特徴とする。この発明の前記副プラズマトーチの配設個数は、主プラズマトーチのプラズマジェット噴出孔の数と同一であることを特徴とする。この発明の前記プラズマジェット噴出孔が、３個配設され、副プラズマトーチが、３個配設されていることを特徴とする。

（５）この発明の前記副プラズマトーチの軸芯線が、主プラズマトーチの軸芯線に対して、垂直状、又は、後方に傾斜していることを特徴とする。この発明の前記陽極ノズルの先端に、超高速ノズルを設けたことを特徴とする。この発明の前記溶射材料供給手段が、複数の溶射材料供給孔を備えていることを特徴とする。この発明の前記陰極電極及び陽極電極の極性を、逆の極性にしたことを特徴とする。

Claims (15)

1. 陰極電極と陽極ノズル、並びにプラズマガス供給手段および溶射材料供給手段を有するプラズマトーチにおいて、
   前記陰極電極と前記陽極ノズルは、一対配設され、
   前記陽極ノズルには、その軸芯を中心点とする同心円線上に間隔をおいて３個以上のプラズマジェット噴出孔を設け、プラズマジェット及びプラズマアークを分岐するようにし、
   前記陽極ノズルの先端面であって、前記プラズマジェット噴出孔で囲まれた中心部には、溶射材料噴出孔を設けたことを特徴とするアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
2. 前記プラズマジェット噴出孔は、前記ノズルの前方であって、このノズルの軸芯上の交点において前記各プラズマジェット噴出孔から噴出したプラズマジェットまたはプラズマアークが交わるようにするために、傾斜していることを特徴とする請求項１記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
3. 前記各プラズマジェット噴出孔は、該プラズマジェット噴出孔から噴出されたプラズマジェットが、基材に到達するまでの間に、前記陽極ノズルの軸芯上の一点で交わらないようにするために、前記軸芯と平行、又は、ほぼ平行に形成されていることを特徴とする請求項１記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
4. プラズマトーチ内のプラズマ発生室を前室と後室に区画し、それぞれにプラズマガス供給手段を設けてなることを特徴とする請求項１、２、又は、３記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
5. プラズマガス供給手段は、プラズマ発生室内において、接線方向に傾けて設けることにより、前記プラズマガス供給手段から供給されたプラズマガスに旋回流が発生するように構成してなることを特徴とする請求項１、２、又は、３記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
6. 前記陽極ノズルの前方には、副プラズマトーチが、その軸芯線が主トーチの軸芯線に交差するように配設されていることを特徴とする請求項１、２、又は、３記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
7. 前記副プラズマトーチは、前記主トーチのプラズマジェット又はプラズマアークの交点、又は、この近傍で、副プラズマジェット又は副プラズマアークが交わる様に配設されていることを特徴とする請求項６記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
8. 前記副プラズマトーチが、複数配設されていることを特徴とする請求項６記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
9. 前記副プラズマトーチの配設個数は、主プラズマトーチのプラズマジェット噴出孔の数と同一であることを特徴とする請求項８記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
10. 前記プラズマジェット噴出孔が、３個配設され、副プラズマトーチが、３個配設されていることを特徴とする請求項９記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
11. 前記各プラズマジェット噴出孔から噴出される各プラズマアークは、直近の前記副プラズマトーチの副プラズマアークと連続してヘアピンアークを形成し、前記各ヘアピンアークは互いに交差することなく独立していることを特徴とする請求項８、９、又は、１０記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
12. 前記副プラズマトーチの軸芯線が、主プラズマトーチの軸芯線に対して、垂直状、又は、後方に傾斜していることを特徴とする請求項８、９、又は、１０記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
13. 前記陽極ノズルの先端に、超高速ノズルを設けたことを特徴とする請求項１、２、３、６、７、８、９、又は、１０記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
14. 前記溶射材料供給手段が、複数の溶射材料供給孔を備えていることを特徴とする請求項１、２、３、６，７、８、９、又は、１０記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
15. 前記陰極電極及び陽極電極の極性を、逆の極性にしたことを特徴とする請求項１、２、３、６、７、８、９、又は、１０記載のアキシャルフィード型プラズマ溶射装置。
    

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