WO2019065629A1 - 溶射ノズル、及びプラズマ溶射装置 - Google Patents

溶射ノズル、及びプラズマ溶射装置 Download PDF

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powder
thermal spray
fluid
main flow
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吉田　和弘
伸次 深尾
慧 東
秀次 谷川
匠 坊野
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三菱重工業株式会社
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    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F05D2230/311—Layer deposition by torch or flame spraying

Definitions

  • the present invention relates to a thermal spray nozzle and a plasma thermal spray apparatus.
  • Priority is claimed on Japanese Patent Application No. 2017-188771, filed September 28, 2017, the content of which is incorporated herein by reference.
  • One of the thermal spray devices is a plasma spray device using a thermal spray powder.
  • a working gas is plasmatized by an arc generated between an anode and a cathode, and a plasma flame is formed by the plasmatized working gas. Then, the thermal spraying powder is melted by the plasma frame, and the melted thermal spraying powder is sprayed to the object to form a thermal spray coating.
  • the plasma spray apparatus having such a configuration is used, for example, when forming a thermal barrier coating film or a wear resistant coating film on a gas turbine or an aircraft engine component.
  • thermal spray powders have variations in particle size. For this reason, when the thermal spray powder is supplied from a position above the main jet, the thermal spray powder with a small particle size (powder with a light weight) is repelled on the surface of the plasma frame or for thermal spray with a large particle size. Powder (heavy weight thermal spraying powder) could penetrate the plasma frame. When such a phenomenon occurs, only a part of the thermal spraying powder can be heated and melted among the thermal spraying powders charged into the plasma flame.
  • Patent Document 1 includes a fractionating unit for fractionating plasma in a thermal spray gun into a main flow jet and a side flow jet, and a powder formed between a jet of the main flow jet and a jet of a side flow jet.
  • a plasma spray apparatus is disclosed that sprays thermal spray powder in a direction from a supply hole (powder introduction port) toward a mainstream jet.
  • Patent Document 1 it has been difficult to sufficiently increase the rate at which the thermal spraying powder supplied from the powder introduction port is heated and melted.
  • an object of this invention is to provide the thermal spraying nozzle which can fully raise the rate by which the thermal spraying powder supplied from the powder introduction port is heated and melted, and a plasma spraying apparatus.
  • the thermal spraying nozzle concerning one mode of the present invention is a main channel in which a plasma frame is formed in the direction which goes to a downstream side from the upstream end arranged while extending along an axis.
  • a powder introduction port provided on a portion of the nozzle body located downstream of the upstream end of the nozzle body and introducing powder for thermal spraying from the radially outer side of the nozzle body to the plasma frame
  • the nozzle main body is provided at a position downstream of the formation position of the powder introduction port, or at the same axial position as the powder introduction port, and operates from the radially outer side of the nozzle main body to the main flow path
  • a fluid introduction port for introducing a fluid.
  • the fluid introduction port is provided downstream of the formation position of the powder introduction port, or at the same axial position as the powder introduction port, for introducing the working fluid from the radially outer side of the nozzle body into the main flow path.
  • the opening diameter of the fluid introduction port can draw the working fluid present outside the fluid introduction port into the main flow passage through the fluid introduction port. It may be of any size.
  • the thermal spraying powder having different particle sizes (weights) is held in the plasma frame or in the vicinity of the plasma flame by the working fluid introduced into the main flow path, and sufficiently heated and melted. Is possible. Thereby, the rate by which the thermal spraying powder supplied from the powder introduction port is heated and melted can be increased.
  • the thermal spray powder may have a particle size distribution.
  • the thermal spraying powder has a particle size distribution and different particle sizes, it is possible to sufficiently increase the rate at which the thermal spraying powder supplied from the powder introduction port is heated and melted.
  • the working fluid is air
  • an outer surface of the nozzle body exposing one end of the fluid introduction port is exposed to the air at atmospheric pressure. It is also good.
  • the ejector effect can be generated without separately providing a device for introducing the working fluid into the fluid introduction port.
  • the fluid introduction port is provided downstream of the formation position of the powder introduction port, and the fluid introduction port is orthogonal to the main flow path. It may be arranged.
  • the fluid introduction port downstream of the formation position of the powder introduction port, it is possible to make the shape of the fluid introduction port into a ring shape.
  • the working fluid can be introduced into the main flow path from the entire circumference of the main flow path in the radial direction, so that not only the thermal spraying powder with a large particle size (heavy weight thermal spraying powder) but also the particle size Small thermal spray powders (lighter thermal spray powders) can also be introduced into the plasma frame.
  • the working fluid flows in the direction toward the center of the plasma frame, so that the thermal spraying powder can be retained in the plasma frame.
  • the fluid introduction port is provided downstream of the formation position of the powder introduction port, and the fluid introduction port is disposed from the upstream end of the main flow path. It may be disposed to be inclined in the direction toward the downstream side of the main flow path.
  • the working fluid flowing into the main flow path through the fluid introduction port is less likely to collide with the plasma frame (It becomes easy to flow outside the plasma flame), so the plasma flame can be stabilized.
  • the fluid introduction port is provided inside a first introduction port portion provided on an outer peripheral portion of the nozzle main body and an outer peripheral portion of the nozzle main body. And a second introduction port communicating with the first introduction port and the main flow path, wherein the first introduction port is a plurality of introduction holes extending radially around the axis.
  • the second introduction port may be a ring-shaped introduction groove surrounding the main flow passage in a circumferential direction.
  • the ring is formed in a ring shape surrounding the main flow path in the circumferential direction, and by having the second introduction port which is an introduction groove communicating with the plurality of introduction holes, the ring in the direction from the circumferential direction outer side to the axis of the plasma frame It is possible to supply a working fluid of As a result, more thermal spraying powder can be retained in the plasma flame or in the vicinity of the plasma flame and heated and melted than when the working fluid is supplied from one direction.
  • the fluid introduction port is an introduction groove provided at the same axial position as the powder introduction port and below the powder introduction port, and the introduction groove May direct the working fluid in a direction orthogonal to the main flow path.
  • a powder for thermal spraying having a large particle diameter powder for thermal spraying having a large amount of momentum (initial momentum) when sprayed from the powder introduction port) It can be made to stay in the vicinity and be heated and melted.
  • the fluid introduction port is disposed on the outer surface side of the nozzle body, and an introduction port into which the working fluid is introduced and the working fluid are led out to the main flow path.
  • an outlet wherein the inlet is disposed at the same axial position as the powder introduction port, and the outlet is disposed downstream of the position where the inlet is formed.
  • the outlet of the fluid introduction port on the downstream side of the formation position of the inlet, the working fluid drawn out from the outlet of the fluid introduction port is less likely to collide with the plasma frame
  • the plasma flame can be stabilized because it is easy to flow outside.
  • the introduction groove may narrow in width from the outer peripheral surface of the nozzle body toward the axis in a state of viewing in the axial direction.
  • the introduction groove whose width is narrowed toward the main flow path from the outer peripheral surface of the nozzle body, the flow velocity of the working fluid flowing into the main flow path from the introduction groove is made faster. It is possible to As a result, the thermal spraying powder having a large particle diameter can be retained in the plasma frame or in the vicinity of the plasma frame and heated and melted by the working fluid flowing into the main flow path from the introduction groove.
  • the powder introduction port is disposed above the main flow channel, and the powder for thermal spray from a direction perpendicular to the plasma frame formed in the main flow channel. May be injected.
  • the thermal spraying powder having a large particle diameter is affected by the momentum (initial momentum) when it is ejected from the powder introduction port as compared to the thermal spraying powder having a small particle diameter. It is easy to receive.
  • the thermal spraying powder having a large particle size can be retained in the plasma frame or in the vicinity of the plasma frame to be heated and melted.
  • a spray nozzle provided on the other side in the axial direction of the nozzle main body, communicating with the main flow passage, and spraying the sprayed thermal spraying powder with the plasma frame. May be included.
  • the inner diameter of the injection port may be expanded from one axial side of the nozzle body toward the other axial side.
  • the plasma spray equipment concerning one mode of the present invention is a cathode electrode which has the 1st channel provided in the upper stream end side of the above-mentioned thermal spraying nozzle and the nozzle body, and communicating with the main channel. And an anode electrode provided on the upstream side of the cathode electrode and generating a discharge in the first flow path together with the cathode electrode, the cathode electrode and the anode electrode, and between the anode electrode and the anode electrode.
  • An electrode storage portion having a second flow path formed in the first flow path and communicating with the first flow path, and a gas introduction portion for introducing a gas for forming a plasma frame in the second flow path; Equipped with
  • the thermal spraying powder having different particle diameters is retained in the plasma frame or in the vicinity of the plasma frame by the working fluid supplied from the radial outer side of the nozzle body. It becomes possible to heat and melt it sufficiently. Thereby, the rate by which the thermal spraying powder supplied from the powder introduction port is heated and melted can be increased.
  • the present invention it is possible to increase the rate at which the thermal spraying powder supplied from the powder introduction port is heated and melted.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the thermal spray nozzle shown in FIG. 1 along the line B 1 -B 2 . It is sectional drawing which shows schematic structure of the plasma spraying apparatus which concerns on the 1st modification of the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows schematic structure of the plasma spraying apparatus which concerns on the 2nd modification of the 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows schematic structure of the plasma spraying apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line D 1 -D 2 of the nozzle body shown in FIG. 5; It is sectional drawing which shows schematic structure of the plasma spraying apparatus which concerns on the modification of the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 Ax is an axis of the plasma generation mechanism 11 and the thermal spray nozzle 14 (hereinafter referred to as “axis Ax”), C is a direction of flow of gas supplied through the gas introduction unit 26 (hereinafter referred to as “C direction”)
  • the Z direction indicates one of the directions perpendicular to the plasma frame 37, respectively.
  • the plasma spraying apparatus 10 has a plasma generating mechanism 11 and a spraying nozzle 14.
  • the plasma generation mechanism 11 has an electrode housing portion 16, an anode electrode 18 (positive electrode), a cathode electrode 19 (negative electrode), and a second flow passage 20.
  • the electrode storage unit 16 includes an electrode storage unit body 21, a cathode electrode storage unit 23, an anode electrode storage unit 25, and a gas introduction unit 26.
  • the electrode housing portion main body 21 is a cylindrical member extending in the axial direction (axial line Ax direction).
  • the electrode housing portion main body 21 has an end face 21 a disposed on the other side in the axial direction.
  • the end face 21 a is in contact with the flange portion 32 of the anode electrode 18.
  • the end surface 21 a is opposed to the end surface disposed on one side in the axial direction of the thermal spray nozzle 14 via the flange portion 32.
  • the cathode electrode housing portion 23 is provided in a portion of the electrode housing portion main body 21 located on the other side in the axial direction.
  • the cathode electrode housing portion 23 is a space corresponding to the outer shape of the electrode main portion 31 of the anode electrode 18 and extends in the axial direction.
  • the axis of the cathode electrode housing 23 coincides with the axis Ax.
  • a portion of the cathode electrode housing portion 23 disposed on one side in the axial direction is expanded in diameter from the other side in the axial direction toward one side in the axial direction.
  • the inner circumferential surface 21 b of the electrode housing portion main body 21 which partitions the cathode electrode housing portion 23 is in contact with the outer circumferential surface 31 a of the electrode main body portion 31.
  • the anode electrode housing portion 25 is provided in a portion of the electrode housing portion main body 21 located on one side in the axial direction. The end on the other axial end side of the anode electrode accommodating portion 25 communicates with the cathode electrode accommodating portion 23.
  • the anode electrode accommodating portion 25 is a columnar space whose diameter is larger than the diameter of the cathode electrode 19 and extends in the axial direction.
  • the axis of the anode electrode housing 25 coincides with the axis Ax.
  • the anode electrode accommodating portion 25 is a space in which the cathode electrode 19 is disposed, and the outer peripheral portion becomes the second flow path 20.
  • the gas introducing unit 26 is provided so as to penetrate a portion of the electrode accommodating unit main body 21 which divides the anode electrode accommodating unit 25. Thus, one end of the gas introduction unit 26 is in communication with the second flow passage 20. A plurality of gas introducing portions 26 are disposed in the circumferential direction of the electrode housing portion main body 21. The other end of the gas introduction unit 26 is connected to one end of the gas supply line 6. The other end of the gas supply line 6 is connected to a gas supply source 5 for supplying a gas to be plasmatized. Thus, the gas is supplied to the gas introduction unit 26.
  • the gas introduction hole 27 can be used as the gas introduction unit 26.
  • the gas introduction holes 27 are arranged to be inclined with respect to the second flow passage 20 so that the gas introduced into the second flow passage 20 can easily flow in the C direction.
  • the gas introduction part 26 shown in FIG. 1 is an example, Comprising: It is not limited to this.
  • the anode electrode 18 has an electrode main body portion 31, a flange portion 32, and a first flow path 34.
  • the electrode main body 31 is a tubular member and extends in the axial direction.
  • the electrode main body 31 is housed in the cathode electrode housing 23.
  • the axis of the electrode body 31 coincides with the axis Ax.
  • a portion of the electrode body 31 that constitutes one axial side is enlarged in diameter from the other axial side of the electrode housing 16 toward the axial one side.
  • the flange portion 32 is provided on the other side in the axial direction of the electrode main portion 31.
  • the flange portion 32 is a portion that extends in the radial direction from the other end of the electrode main portion 31 in the axial direction.
  • the flange portion 32 is disposed between the end face 21 a of the electrode housing portion main body 21 and the thermal spray nozzle 14.
  • the first flow path 34 is formed by penetrating the inside of the electrode body 31 and the flange 32 in the axial direction.
  • the axis of the first flow passage 34 coincides with the axis Ax.
  • the other axial end of the first flow passage 34 communicates with the main flow passage 48 of the thermal spray nozzle 14.
  • the first flow path 34 is expanded in diameter such that one axial side thereof corresponds to the outer shape of the electrode main body 31.
  • the cathode electrode 19 is an electrode extending in the axial direction.
  • the cathode electrode 19 is accommodated in the anode electrode accommodating portion 25 such that the axis coincides with the axis Ax.
  • the tip 19 A of the cathode electrode 19 is disposed on one side in the axial direction of the first flow path 34.
  • a discharge is formed between the tip 19 A of the cathode electrode 19 and the anode electrode 18. By this discharge, the gas is plasmatized to form a high temperature plasma frame 37.
  • the second flow path 20 is formed between the cathode electrode 19 and the electrode housing portion main body 21 that divides the anode electrode housing portion 25.
  • the other end of the second flow passage 20 in the axial direction is in communication with the one end of the first flow passage 34 in the axial direction.
  • the second flow passage 20 guides the gas supplied through the gas introduction unit 26 in the C direction.
  • the plasma generation mechanism 11 described above is made of, for example, a metal material.
  • the plasma generation mechanism 11 may be cooled by, for example, cooling water.
  • the thermal spray nozzle 14 has a nozzle body 41, a powder introduction port 43, and a fluid introduction port 45.
  • the nozzle body 41 is a tubular member and extends along the axis Ax.
  • the surface 41 a disposed on one side in the axial direction of the nozzle main body 41 is in contact with the surface 32 a of the flange portion 32 exposed from the electrode housing portion main body 21.
  • the surface 41a is an upstream end 41A disposed on one side in the axial direction.
  • the axis of the nozzle body 41 coincides with the axis Ax.
  • the thermal spray nozzle 14 has a main flow passage 48 and an injection port 49.
  • the main flow path 48 is provided in the nozzle body 41 located between the flange portion 32 and the injection port 49.
  • the main flow passage 48 extends along the axis Ax.
  • the axis of the main flow passage 48 coincides with the axis Ax.
  • An elongated plasma frame 37 is formed in the main flow path 48 in a direction from the upstream end 41A disposed on one side in the axial direction by the action of the low temperature fluid 38 on the plasma frame 37 toward the downstream side. .
  • the injection port 49 is provided on the other side of the nozzle body 41 in the axial direction.
  • the axis of the injection port 49 coincides with the axis Ax.
  • One axial direction side of the injection port 49 is in communication with the main flow passage 48.
  • the injection port 49 injects the melted thermal spraying powder 36 toward the outside of the thermal spraying nozzle 14 (specifically, toward the film forming surface 7 a of the object 7 to be treated).
  • the inner diameter of the injection port 49 is configured to expand from one side in the axial direction of the nozzle body 41 toward the other side in the axial direction.
  • the powder introduction port 43 is provided at a portion of the nozzle body 41 located downstream of the upstream end 41A.
  • the powder introduction port 43 is disposed so as to penetrate the nozzle main body 41 located above the main flow path 48.
  • the powder introduction port 43 sprays the thermal spraying powder 36 (the thermal spraying powder 36 having different particle sizes (having a particle size distribution)) from the vertical direction (Z direction) to the plasma frame 37 formed in the main flow path 48.
  • the thermal spraying powder 36 injected from the powder introduction port 43 is conveyed to the downstream side of the main flow passage 48 while being heated and melted.
  • the thermal spraying powder 36 contains thermal spraying powder 36 of various sizes.
  • the powder for thermal spraying (hereinafter referred to as “powder for thermal spraying 36A”) having a particle size (weight) easily remaining in the plasma frame 37 is smaller than the powder for thermal spraying 36A (weight is Light)
  • Powder for thermal spraying (hereinafter referred to as “powder for thermal spraying 36B”) that is easily repelled on the surface of plasma frame 37, larger in particle size (heavy weight) than powder for thermal spraying 36A, plasma from upward to downward
  • thermal spray powder 36C a thermal spray powder that easily penetrates the frame 37.
  • the fluid introduction port 45 is provided downstream of the formation position of the powder introduction port 43 in the nozzle body 41.
  • the fluid inlet port 45 has a first inlet port 52 and a second inlet port 53.
  • the first introduction port portion 52 is provided on the outer peripheral portion of the nozzle body 41.
  • the first introduction port portion 52 is constituted by a plurality of introduction holes 55 which are disposed so as to extend radially about the axis Ax.
  • One end (one end of the first introduction port portion 52) of the plurality of introduction holes 55 is exposed from the outer surface 41 b of the nozzle body 41.
  • the other ends of the plurality of introduction holes 55 communicate with the second introduction port portion 53.
  • the second introduction port portion 53 is a ring-shaped introduction groove 57 surrounding the main flow passage 48 in the circumferential direction.
  • the introduction groove 57 is in communication with the main flow passage 48.
  • 36C dashed weight thermal spray powder
  • 36B light weight thermal spray powder
  • the opening diameter of the plurality of introduction holes 55 and the introduction groove 57 is, for example, an ejector effect that causes the fluid existing outside the fluid introduction port 45 to flow through the fluid introduction port 45
  • the size should be such that suction is possible within 48.
  • the ejector effect the dynamic pressure is increased by acceleration by plasma jet 37b, the pressure P 2 in the main channel 48 than the pressure P 1 of the outside of the nozzle body 41 is lowered, the nozzle body 41 by these two pressure differences
  • the phenomenon is that the working fluid (for example, gas (specifically, for example, air)) present outside the fluid flows into the main flow passage 48.
  • the working fluid introduced into the main flow passage 48 becomes the low temperature fluid 38 flowing outside the main flow passage 48.
  • the low temperature fluid 38 allows the thermal spraying powders 36A to 36C having different particle sizes (weights) to be retained in the plasma frame 37 or in the vicinity of the plasma frame 37 and sufficiently heated and melted.
  • the rate at which the thermal spraying powders 36A to 36C supplied from 43 are heated and melted can be increased.
  • the nozzle body 41 whose temperature is increased by the plasma frame 37 can be cooled.
  • the plasma frame 37 can alleviate the temperature rise of the nozzle body 41.
  • a gas can be used as the working fluid to be aspirated from the fluid introduction port 45.
  • the gas for example, air or an inert gas can be used.
  • the outer surface of the nozzle body 41 that exposes one end (one end of the fluid introduction port 45) of the plurality of introduction holes 55 may be exposed to air at atmospheric pressure, for example.
  • the fluid is separately introduced to the fluid introduction port 45 by exposing the outer surface of the nozzle body 41 exposing one end of the plurality of introduction holes 55 (one end of the fluid introduction port 45) to air at atmospheric pressure.
  • the ejector effect can be generated without providing any device.
  • the plasma spray apparatus 10 configured as described above causes the fluid flowing in the second flow passage 20 to be plasmatized by the discharge formed between the anode electrode 18 and the cathode electrode 19, and the plasma flamed by the plasmatized fluid Form 37. Then, the thermal spraying powder 36A to 36C supplied to the plasma frame 37 is disposed in the plasma frame 37 or in the vicinity of the plasma frame 37 by the fluid introduced into the main flow passage 48, and the thermal spraying powder 36A is melted.
  • the thermal spray coating 8 is formed by spraying ⁇ 36 C on the film forming surface 7 a of the object 7 with the plasma frame 37.
  • the thermal spray nozzle 14 of the first embodiment has the fluid introduction port 45 provided downstream of the formation position of the powder introduction port 43 and introducing the fluid from the radially outer side of the nozzle body 41 into the main flow path 48
  • the thermal spraying powders 36A to 36C having different particle sizes can be retained in the plasma frame 37 or in the vicinity of the plasma frame 37 by the fluid supplied from the radially outer side of the nozzle main body 41 and sufficiently heated and melted. It becomes. This makes it possible to sufficiently increase the rate at which the thermal spraying powders 36A to 36C supplied from the powder introduction port 43 are heated and melted.
  • the plasma spraying apparatus 10 provided with the said thermal spraying nozzle 14 can acquire the effect similar to the effect of the thermal spraying nozzle 14 mentioned above.
  • the powder introduction port 43 which is disposed above the main flow passage 48 and sprays the thermal spraying powder 36 in the vertical direction (Z direction) with respect to the plasma frame 37 is taken as an example.
  • the powder introduction port 43 is a portion of the nozzle body 41 located downstream of the upstream end 41A, and supplies the thermal spray powder 36 to the plasma frame 37 from the radially outer side of the nozzle body 41. It may be any possible position, and the formation position of the powder introduction port 43 is not limited to the formation position shown in FIG.
  • the direction for spraying the thermal spraying powder 36 may be a direction perpendicular to the plasma frame 37 (the radial direction of the plasma frame 37), and is not limited to the Z direction.
  • the thermal spraying powder 36 may be sprayed from the lateral direction to the plasma frame 37, or the thermal spraying powder 36 may be sprayed from below the plasma frame 37.
  • the thermal spraying powder 36 is supplied from one powder introduction port 43 is described as an example, but a plurality of powder introduction ports 43 may be provided.
  • the plasma spraying apparatus 58 which concerns on the 1st modification of the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
  • the plasma spraying apparatus 58 is configured in the same manner as the plasma spraying apparatus 10 except that it has a nozzle main body 59 in place of the nozzle main body 41 constituting the plasma spraying apparatus 10 of the first embodiment.
  • the inner diameter of the main flow passage 48 formed downstream of the fluid introduction port 45 is larger than the inner diameter of the main flow passage 48 formed upstream of the fluid introduction port 45. Is configured similarly to the nozzle body 41.
  • the plasma spray apparatus 58 having the nozzle main body 59 configured as described above increases the amount of suction of fluid (for example, air) from the fluid introduction port 45, so the plasma flame 36 is more likely to be used as the thermal spray powder 36 than the nozzle main body 41. It can be made easy to stay within 37. Further, the cooling effect of the nozzle body 59 by the low temperature fluid 38 can be enhanced. In addition, the low temperature fluid 38 can reduce the thermal influence exerted on the nozzle body 59 from the plasma frame 37.
  • fluid for example, air
  • FIG. 4 the plasma spraying apparatus 60 which concerns on the 2nd modification of 1st Embodiment is demonstrated.
  • FIG. 4 the same components as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
  • the plasma spraying apparatus 60 is configured in the same manner as the plasma spraying apparatus 10 except that it has a spraying nozzle 61 in place of the spraying nozzle 14 constituting the plasma spraying apparatus 10 of the first embodiment.
  • the thermal spray nozzle 61 is configured in the same manner as the thermal spray nozzle 14 except that it has a fluid inlet port 63 instead of the fluid inlet port 45 that constitutes the thermal spray nozzle 14.
  • the fluid inlet port 63 has a first inlet port 64 and a second inlet port 65.
  • the first introduction port portion 64 is provided on the outer peripheral portion of the nozzle body 41.
  • the first introduction port portion 64 is constituted by a plurality of introduction holes 67 inclined in a direction from the upstream end 41A of the main flow passage 48 to the downstream side of the main flow passage 48.
  • the plurality of introduction holes 67 are radially formed about the axis Ax. One end of the plurality of introduction holes 67 is exposed from the outer surface 41 b of the nozzle body 41.
  • the plurality of introduction holes 67 are configured such that the plurality of introduction holes 55 described in the first embodiment are inclined (including a curve).
  • the second introduction port portion 65 is formed of a ring-shaped introduction groove 68 which is inclined (including a curve) in a direction from the upstream end 41A of the main flow passage 48 toward the downstream side of the main flow passage 48.
  • the introduction groove 68 communicates with the plurality of introduction holes 67 and the main flow path 48.
  • the fluid introduction port 63 is inclined (including a curve) in the direction from the upstream end 41A of the main flow passage 48 to the downstream side of the main flow passage 48.
  • FIGS. 5 and 6 the same components as those of the structure shown in FIG. 6, the plasma frame 37 and the thermal spraying powders 36A to 36C shown in FIG. 5 are not shown.
  • the X direction shown in FIG. 6 indicates the Z direction and a direction orthogonal to the axis Ax.
  • FIG. 6 the same components as in the structure shown in FIG.
  • the plasma spraying apparatus 70 is configured in the same manner as the plasma spraying apparatus 10 except that it has a spraying nozzle 71 in place of the spraying nozzle 14 constituting the plasma spraying apparatus 10 of the first embodiment.
  • the thermal spray nozzle 71 is configured in the same manner as the thermal spray nozzle 14 except that it has a fluid introduction port 73 instead of the fluid introduction port 45 that constitutes the thermal spray nozzle 14 of the first embodiment.
  • the fluid introduction port 73 is provided in the nozzle main body 41 located at the same axial position as the powder introduction port 43 and below the powder introduction port 43.
  • the fluid introduction port 73 is constituted by an introduction groove 75 whose width in the X direction is narrowed as going from the outer surface 41 b of the nozzle main body 41 to the axis Ax in a state of viewing in the axial direction.
  • the fluid flowing into the main flow passage 48 from the introduction groove 75 by having the introduction groove 75 whose width is narrowed from the outer surface 41 b of the nozzle main body 41 toward the main flow passage 48 in the axial direction. It is possible to increase the flow velocity of As a result, the thermal spraying powder 36C having a large particle diameter can be retained in the plasma frame 37 or in the vicinity of the plasma frame 37 by using the fluid flowing into the main flow path 48 from the introduction groove 75. The powder 36C can be heated and melted.
  • the thermal spraying powder 36C having a large particle size (the thermal spraying powder having a large momentum (initial momentum) when injected from the powder introduction port) is retained in the plasma frame or in the vicinity of the plasma flame to heat and melt it. it can. That is, the rate at which the thermal spraying powders 36A to 36C supplied from the powder introduction port 43 are heated and melted can be increased.
  • FIG. 6 the same components as those shown in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals.
  • the plasma spraying apparatus 80 is configured in the same manner as the plasma spraying apparatus 70 except that it has a spraying nozzle 81 in place of the spraying nozzle 71 constituting the plasma spraying apparatus 70 of the second embodiment.
  • the thermal spray nozzle 81 has the same configuration as the thermal spray nozzle 71 except that it has a fluid inlet port 83 in place of the fluid inlet port 73 constituting the thermal spray nozzle 71.
  • the fluid introduction port 83 has a shape in which the introduction groove 75 described in the third embodiment is curved toward the injection port 49.
  • the fluid inlet port 83 has an inlet 83A into which the fluid is introduced and an outlet 83B from which the fluid is led to the main flow passage 48.
  • the inlet port 83 ⁇ / b> A is disposed at the same axial position as the powder inlet port 43 and below the powder inlet port 43.
  • the outlet port 83B is provided in the nozzle main body 41 located downstream of the formation position of the inlet port 83A.
  • the outlet port 83B of the fluid inlet port 83 is disposed downstream of the formation position of the inlet port 83A. Since the fluid derived from 83 B is less likely to collide with the plasma frame 37, the plasma frame 37 can be stably formed.
  • the present invention is applicable to a thermal spray nozzle and a plasma thermal spray apparatus.

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Abstract

軸線（Ａｘ）に沿って延びるとともに、軸線方向一方側に配置された上流端（４１Ａ）から下流側に向う方向にプラズマフレーム（３７）が形成される主流路（４８）を有するノズル本体（４１）と、ノズル本体（４１）のうち、上流端（４１Ａ）よりも下流側に位置する部分に設けられ、径方向外側からプラズマフレーム（３７）に対して溶射用粉末（３６）を導入する粉末導入ポート（４３）と、ノズル本体（４１）のうち、粉末導入ポート（４３）の形成位置よりも下流側の位置に設けられ、ノズル本体（４１）の径方向外側から主流路（４８）に作動流体を導入する流体導入ポート（４５）と、を備える。

Description

溶射ノズル、及びプラズマ溶射装置
　本発明は、溶射ノズル、及びプラズマ溶射装置に関する。
　本願は、２０１７年９月２８日に、日本に出願された特願２０１７－１８８７７１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　溶射装置のうちの１つとして、溶射用粉末を使用するプラズマ溶射装置がある。
　プラズマ溶射装置では、陽極と陰極間に発生させたアークによって作動ガスをプラズマ化させ、プラズマ化された作動ガスによってプラズマフレームを形成する。
　そして、プラズマフレームにより、溶射用粉末を溶融させ、溶融された溶射用粉末を被処理物に吹き付けることで溶射皮膜を形成する。
　このような構成とされたプラズマ溶射装置は、例えば、ガスタービンや航空エンジン部品に遮熱コーティング膜や耐摩耗コーティング膜を形成する際に使用される。
　一般的に、溶射用粉末には、粒径のばらつきがある。このため、主流ジェットよりも上方の位置から溶射用粉末を供給すると、粒径の小さい溶射用粉末（重さの軽い溶射用粉末）がプラズマフレームの表面ではじかれたり、粒径の大きい溶射用粉末（重さが重い溶射用粉末）がプラズマフレームを突き抜けたりする可能性があった。
　このような現象が発生すると、プラズマフレームに投入した溶射用粉末のうち、一部の溶射用粉末しか加熱溶融させることができない。
　このような課題を解決することを目的とした技術として、例えば、特許文献１がある。
　特許文献１には、溶射ガン内のプラズマを、主流ジェットと副流ジェットとに分留する分留部を備え、主流ジェットの噴出口と副流ジェットの噴出口との間に形成された粉末供給孔（粉末導入ポート）から主流ジェットに向かう方向に溶射用粉末を噴射させるプラズマ溶射装置が開示されている。
特開２０１６－４４３２０号公報
　しかしながら、特許文献１では、粉末導入ポートから供給された溶射用粉末が加熱溶融される割合を十分に高めることが困難であった。
　そこで、本発明は、粉末導入ポートから供給された溶射用粉末が加熱溶融される割合を十分に高めることが可能な溶射ノズル、及びプラズマ溶射装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る溶射ノズルは、軸線に沿って延びるとともに、軸線方向一方側に配置された上流端から下流側に向う方向にプラズマフレームが形成される主流路を有するノズル本体と、前記ノズル本体のうち、前記上流端よりも下流側に位置する部分に設けられ、前記ノズル本体の径方向外側から前記プラズマフレームに対して溶射用粉末を導入する粉末導入ポートと、前記ノズル本体のうち、前記粉末導入ポートの形成位置よりも下流側の位置、又は前記粉末導入ポートと同一の軸線方向位置に設けられ、前記ノズル本体の径方向外側から前記主流路に作動流体を導入する流体導入ポートと、を備える。
　本発明によれば、粉末導入ポートの形成位置よりも下流側、又は粉末導入ポートと同一の軸線方向位置に設けられ、ノズル本体の径方向外側から主流路に作動流体を導入する流体導入ポートを有することで、ノズル本体の径方向外側から供給される作動流体により、粒径の異なる溶射用粉末をプラズマフレーム内又はプラズマフレームの近傍に留めて、十分に加熱溶融させることが可能となる。
　これにより、粉末導入ポートから供給された溶射用粉末が加熱溶融される割合を十分に高めることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記流体導入ポートの開口径は、前記流体導入ポートを介して、前記流体導入ポートの外側に存在する前記作動流体を前記主流路内に吸引可能な大きさであってもよい。
　このような構成とすることで、主流路内に導入された作動流体により、粒径（重さ）の異なる溶射用粉末をプラズマフレーム内又はプラズマフレームの近傍に留めて、十分に加熱溶融させることが可能となる。
　これにより、粉末導入ポートから供給された溶射用粉末が加熱溶融される割合を高めることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記溶射用粉末は、粒度分布を有してもよい。
　このように、溶射用粉末が粒度分布を有し、異なる粒径とされている場合に、粉末導入ポートから供給された溶射用粉末が加熱溶融される割合を十分に高めることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記作動流体は、空気であり、前記流体導入ポートの一端を露出する前記ノズル本体の外面は、大気圧とされた前記空気に晒されていてもよい。
　このような構成とすることで、別途、作動流体を流体導入ポートに導入する機器を設けることなく、エゼクタ効果を発生させることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記流体導入ポートは、前記粉末導入ポートの形成位置よりも下流側に設けられており、前記流体導入ポートは、前記主流路に対して直交して配置されていてもよい。
　このように、粉末導入ポートの形成位置よりも下流側に流体導入ポートを設けることで、流体導入ポートの形状をリング形状とすることが可能である。
　これにより、主流路の径方向全周から主流路内に作動流体を導入させることが可能となるので、粒径の大きい溶射用粉末（重さが重い溶射用粉末）だけでなく、粒径の小さい溶射用粉末（重さの軽い溶射用粉末）もプラズマフレーム内に導くことができる。
　また、流体導入ポートを主流路に対して直交するように配置させることで、プラズマフレームの中心方向に向かう方向に作動流体が流れ込むため、溶射用粉末をプラズマフレーム内に留まらせることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記流体導入ポートは、前記粉末導入ポートの形成位置よりも下流側に設けられており、前記流体導入ポートは、前記主流路の上流端から該主流路の下流側に向かう方向に傾斜して配置されていてもよい。
　このように、主流路の上流端から主流路の下流端に向かう方向に対して流体導入ポートを傾斜させることで、流体導入ポートを介して主流路に流入する作動流体がプラズマフレームと衝突しにくくなる（プラズマフレームの外側を流れやすくなる）ため、プラズマフレームを安定させることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記流体導入ポートは、前記ノズル本体の外周部に設けられた第１の導入ポート部と、前記ノズル本体の外周部よりも内側に設けられ、前記第１の導入ポート部及び前記主流路と連通する第２の導入ポート部と、を有しており、前記第１の導入ポート部は、前記軸線を中心として放射状に延びる複数の導入孔で構成されており、前記第２の導入ポート部は、前記主流路を周方向から囲むリング形状とされた導入溝であってもよい。
　このように、主流路を周方向から囲むリング形状とされ、複数の導入孔に連通する導入溝である第２の導入ポートを有することで、プラズマフレームの周方向外側から軸線に向かう方向にリング状の作動流体を供給させることが可能となる。
　これにより、一方向から作動流体を供給させる場合よりも多くの溶射用粉末をプラズマフレーム内又はプラズマフレームの近傍に留まらせて、加熱溶融させることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記流体導入ポートは、前記粉末導入ポートと同一の軸線方向位置で、かつ前記粉末導入ポートの下方に設けられた導入溝であり、前記導入溝は、前記主流路に対して直交する方向に前記作動流体を導いてもよい。
　このような構成とされた導入溝を有することで、粒径の大きい溶射用粉末（粉末導入ポートから噴射されたときの運動量（初期運動量）が大きい溶射用粉末）をプラズマフレーム内又はプラズマフレームの近傍に留まらせて、加熱溶融させることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記流体導入ポートは、前記ノズル本体の外面側に配置され、前記作動流体が導入される導入口と、前記作動流体を前記主流路に導出する導出口と、を有しており、前記導入口は、前記粉末導入ポートと同一の軸線方向位置に配置されており、前記導出口は、前記導入口の形成位置よりも下流側に配置されていてもよい。
　このように、流体導入ポートの導出口を導入口の形成位置よりも下流側に配置させることで、流体導入ポートの導出口から導出される作動流体がプラズマフレームと衝突しにくくなる（プラズマフレームの外側を流れやすくなる）ため、プラズマフレームを安定させることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記導入溝は、軸線方向視した状態において、前記ノズル本体の外周面から前記軸線に向かうにつれて幅を狭くしてもよい。
　このように、軸線方向視した状態において、ノズル本体の外周面から主流路に向かうにつれて幅が狭くなるような導入溝を有することで、導入溝から主流路内に流入する作動流体の流速を速くすることが可能となる。
　これにより、導入溝から主流路内に流入する作動流体により、粒径の大きい溶射用粉末をプラズマフレーム内又はプラズマフレームの近傍に留まらせて、加熱溶融させることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記粉末導入ポートは、前記主流路の上方に配置されており、前記主流路に形成された前記プラズマフレームに対して垂直方向から前記溶射用粉末を噴射させてもよい。
　このような構成とされた粉末導入ポートを用いる場合、粒径の大きい溶射用粉末は、粒径の小さい溶射用粉末と比較して粉末導入ポートから噴射されたときの運動量（初期運動量）の影響を受けやすい。
　しかし、このような構成とされた粉末導入ポートを用いた場合でも粒径の大きい溶射用粉末をプラズマフレーム内又はプラズマフレームの近傍に留まらせて、加熱溶融させることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記ノズル本体の軸線方向他方側に設けられ、前記主流路と連通するとともに、前記プラズマフレームとともに、溶融させた前記溶射用粉末を噴射する噴射口を有してもよい。
　このような構成とされた噴射口を有することで、プラズマフレームとともに、溶融させた溶射用粉末を噴射させることができる。
　また、本発明の一態様に係る溶射ノズルにおいて、前記噴射口の内径は、前記ノズル本体の軸線方向一方側から軸線方向他方側に向うにつれて拡大してもよい。
　このような構成とすることで、エゼクタ効果を高めることができる。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るプラズマ溶射装置は、上記溶射ノズルと、前記ノズル本体の上流端側に設けられ、前記主流路に連通する第１の流路を有するカソード電極と、前記カソード電極の上流側に設けられ、前記カソード電極とともに前記第１の流路に放電を発生させるアノード電極と、前記カソード電極及び前記アノード電極を収容しており、前記アノード電極との間に形成され、前記第１の流路と連通する第２の流路と、前記第２の流路にプラズマフレームを形成するためのガスを導入するガス導入部と、を有する電極収容部と、を備える。
　本発明のプラズマ溶射装置によれば、上記溶射ノズルを備えることで、ノズル本体の径方向外側から供給される作動流体により、粒径の異なる溶射用粉末をプラズマフレーム内又はプラズマフレームの近傍に留めて、十分に加熱溶融させることが可能となる。
　これにより、粉末導入ポートから供給された溶射用粉末が加熱溶融される割合を高めることができる。
　本発明によれば、粉末導入ポートから供給された溶射用粉末が加熱溶融される割合を高めることができる。
本発明の第１の実施形態に係るプラズマ溶射装置の概略構成を示す断面図である。 図１に示す溶射ノズルのＢ１－Ｂ２線方向の断面図である。 本発明の第１の実施形態の第１変形例に係るプラズマ溶射装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の第２変形例に係るプラズマ溶射装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプラズマ溶射装置の概略構成を示す断面図である。 図５に示すノズル本体のＤ１－Ｄ２線方向の断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るプラズマ溶射装置の概略構成を示す断面図である。
　以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。
　（第１の実施形態）
　図１及び図２を参照して、第１の実施形態のプラズマ溶射装置１０について説明する。
　図１では、ガス供給源５、ガス供給ライン６、及びアソード電極１９以外の構成要素を断面で図示する。図１において、Ａｘはプラズマ発生機構１１及び溶射ノズル１４の軸線（以下、「軸線Ａｘ」という）、Ｃはガス導入部２６を通じて供給されたガスが流れる方向（以下、「Ｃ方向」という）、Ｚ方向はプラズマフレーム３７に対して垂直な方向のうちの一方向をそれぞれ示している。
　プラズマ溶射装置１０は、プラズマ発生機構１１と、溶射ノズル１４と、を有する。
　プラズマ発生機構１１は、電極収容部１６と、アノード電極１８（正電極）と、カソード電極１９（負電極）と、第２の流路２０と、を有する。
　電極収容部１６は、電極収容部本体２１と、カソード電極収容部２３と、アノード電極収容部２５と、ガス導入部２６と、を有する。
　電極収容部本体２１は、軸線方向（軸線Ａｘ方向）に延びる筒状の部材である。電極収容部本体２１は、軸線方向他方側に配置された端面２１ａを有する。端面２１ａは、アノード電極１８のフランジ部３２と接触している。端面２１ａは、フランジ部３２を介して、溶射ノズル１４の軸線方向一方側に配置された端面と対向している。
　カソード電極収容部２３は、電極収容部本体２１のうち、軸線方向他方側に位置する部分に内設されている。カソード電極収容部２３は、アノード電極１８の電極本体部３１の外形に対応した空間であり、軸線方向に延在している。
　カソード電極収容部２３の軸線は、軸線Ａｘと一致している。カソード電極収容部２３のうち、軸線方向一方側に配置された部分は、軸線方向他方側から軸線方向一方側に向かうにつれて拡径されている。
　カソード電極収容部２３を区画する電極収容部本体２１の内周面２１ｂは、電極本体部３１の外周面３１ａと接触している。
　アノード電極収容部２５は、電極収容部本体２１のうち、軸線方向一方側に位置する部分に内設されている。アノード電極収容部２５の軸線方向他端側の端がカソード電極収容部２３と連通している。アノード電極収容部２５は、カソード電極１９の径よりも拡径された柱状空間であり、軸線方向に延在している。
　アノード電極収容部２５の軸線は、軸線Ａｘと一致している。アノード電極収容部２５は、カソード電極１９が配置される空間であるとともに、外周部が第２の流路２０となる。
　ガス導入部２６は、電極収容部本体２１のうち、アノード電極収容部２５を区画する部分を貫通するように設けられている。これにより、ガス導入部２６の一端は、第２の流路２０に連通している。ガス導入部２６は、電極収容部本体２１の周方方向に複数配置されている。
　ガス導入部２６の他端は、ガス供給ライン６の一端と接続されている。ガス供給ライン６の他端は、プラズマ化させるガスを供給するガス供給源５と接続されている。これにより、ガス導入部２６には、ガスが供給される。
　ガス導入部２６としては、例えば、ガス導入孔２７を用いることが可能である。ガス導入孔２７は、第２の流路２０内に導入されたガスがＣ方向に流れやすくなるように、第２の流路２０に対して傾斜して配置されている。なお、図１に示すガス導入部２６は、一例であって、これに限定されない。
　アノード電極１８は、電極本体部３１と、フランジ部３２と、第１の流路３４と、を有する。
　電極本体部３１は、筒状とされた部材であり、軸線方向に延在している。電極本体部３１は、カソード電極収容部２３に収容されている。
　電極本体部３１の軸線は、軸線Ａｘと一致している。電極本体部３１のうち、軸線方向一方側を構成する部分は、電極収容部１６の軸線方向他方側から軸線方向一方側に向うにつれて拡径されている。
　フランジ部３２は、電極本体部３１の軸線方向他方側に設けられている。フランジ部３２は、電極本体部３１の軸線方向他方側の端部から径方向に広がった部分である。フランジ部３２は、電極収容部本体２１の端面２１ａと溶射ノズル１４との間に配置されている。
　第１の流路３４は、電極本体部３１及びフランジ部３２の内部を軸線方向に貫通して形成されている。第１の流路３４の軸線は、軸線Ａｘと一致している。
　第１の流路３４の軸線方向他方側の端は、溶射ノズル１４の主流路４８に連通している。第１の流路３４は、軸線方向一方側が電極本体部３１の外形に対応するように拡径されている。
　カソード電極１９は、軸線方向に延在する電極である。カソード電極１９は、軸線が軸線Ａｘと一致するように、アノード電極収容部２５内に収容されている。
　カソード電極１９の先端１９Ａは、第１の流路３４の軸線方向一方側に配置されている。カソード電極１９の先端１９Ａとアノード電極１８との間には、放電が形成される。
　この放電により、ガスがプラズマ化され、高温のプラズマフレーム３７が形成される。
　第２の流路２０は、カソード電極１９とアノード電極収容部２５を区画する電極収容部本体２１との間に形成されている。第２の流路２０の軸線方向他方側の端部は、第１の流路３４の軸線方向一方側の端部と連通している。第２の流路２０は、ガス導入部２６を通じて供給されたガスをＣ方向へと導く。
　上記説明したプラズマ発生機構１１は、例えば、金属材料で構成されている。プラズマ発生機構１１は、例えば、冷却水で冷却してもよい。
　溶射ノズル１４は、ノズル本体４１と、粉末導入ポート４３と、流体導入ポート４５と、を有する。
　ノズル本体４１は、筒状の部材であり、軸線Ａｘに沿って延びている。ノズル本体４１の軸線方向一方側に配置された面４１ａは、電極収容部本体２１から露出されたフランジ部３２の面３２ａと接触している。面４１ａは、軸線方向一方側に配置された上流端４１Ａである。ノズル本体４１の軸線は、軸線Ａｘと一致している。
　溶射ノズル１４は、主流路４８と、噴射口４９と、を有する。
　主流路４８は、フランジ部３２と噴射口４９との間に位置するノズル本体４１に設けられている。主流路４８は、軸線Ａｘに沿って延びている。主流路４８の軸線は、軸線Ａｘと一致している。
　主流路４８には、低温流体３８がプラズマフレーム３７に作用することによって軸線方向一方側に配置された上流端４１Ａから下流側に向う方向に、細長い形状とされたプラズマフレーム３７が形成されている。
　このような形状とされたプラズマフレーム３７を形成することで、粉末導入ポート４３から噴射された溶射用粉末３６を長時間加熱することが可能となるので、溶射用粉末３６を十分に溶融させることができる。
　噴射口４９は、ノズル本体４１の軸線方向他方側に内設されている。噴射口４９の軸線は、軸線Ａｘと一致している。
　噴射口４９の軸線方向一方側は、主流路４８に連通している。噴射口４９は、溶融させた溶射用粉末３６を溶射ノズル１４の外部（具体的には、被処理物７の皮膜形成面７ａ）に向けて噴射する。
　噴射口４９の内径は、ノズル本体４１の軸線方向一方側から軸線方向他方側に向うにつれて拡大するように構成されている。このような形状とされた噴射口４９を有することで、エゼクタ効果を高めることができる。
　粉末導入ポート４３は、ノズル本体４１のうち、上流端４１Ａよりも下流側に位置する部分に設けられている。粉末導入ポート４３は、主流路４８の上方に位置するノズル本体４１を貫通するように配置されている。
　粉末導入ポート４３は、主流路４８に形成されたプラズマフレーム３７に対して垂直方向（Ｚ方向）から溶射用粉末３６（粒径の異なる（粒度分布を有する）溶射用粉末３６）を噴射させる。
　粉末導入ポート４３から噴射された溶射用粉末３６は、加熱溶融されながら、主流路４８の下流側に運ばれる。
　溶射用粉末３６には、様々な大きさの溶射用粉末３６が含まれている。具体的には、プラズマフレーム３７内に留まりやすい粒径（重さ）とされた溶射用粉末（以下、「溶射用粉末３６Ａ」という）、溶射用粉末３６Ａよりも粒径が小さく（重さが軽く）プラズマフレーム３７の表面ではじかれやすい溶射用粉末（以下、「溶射用粉末３６Ｂ」という）、溶射用粉末３６Ａよりも粒径が大きく（重さが重く）上方から下方に向かう方向にプラズマフレーム３７を突き抜けやすい溶射用粉末（以下、「溶射用粉末３６Ｃ」という）がある。
　流体導入ポート４５は、ノズル本体４１のうち、粉末導入ポート４３の形成位置よりも下流側の位置に設けられている。流体導入ポート４５は、第１の導入ポート部５２と、第２の導入ポート部５３と、を有する。
　第１の導入ポート部５２は、ノズル本体４１の外周部に設けられている。第１の導入ポート部５２は、軸線Ａｘを中心として放射状に延びるように配置された複数の導入孔５５で構成されている。
　複数の導入孔５５の一端（第１の導入ポート部５２の一端）は、ノズル本体４１の外面４１ｂから露出されている。複数の導入孔５５の他端は、第２の導入ポート部５３に連通している。
　第２の導入ポート部５３は、主流路４８を周方向から囲むリング形状とされた導入溝５７である。導入溝５７は、主流路４８に連通している。
　このように、導入溝５７の形状をリング形状とすることで、主流路４８の径方向全周から主流路４８内に作動流体を導入させることが可能となるので、粒径の大きい溶射用粉末３６Ｃ（重さが重い溶射用粉末）だけでなく、粒径の小さい溶射用粉末３６Ｂ（重さの軽い溶射用粉末）もプラズマフレーム３７内に導くことができる。
　複数の導入孔５５及び導入溝５７の開口径（流体導入ポート４５の開口径）は、例えば、エゼクタ効果により、流体導入ポート４５を介して、流体導入ポート４５の外側に存在する流体を主流路４８内に吸引可能な大きさにするとよい。
　ここで、エゼクタ効果が発生する原理について説明する。
　エゼクタ効果とは、プラズマジェット３７ｂによる加速によって動圧が増加し、ノズル本体４１の外側の圧力Ｐ１よりも主流路４８内の圧力Ｐ２が低下して、これら２つの圧力差によってノズル本体４１の外側に存在する作動流体（例えば、気体（具体的には、例えば、空気））が主流路４８内に流れ込む現象のことをいう。
　このような構成とすることで、主流路４８内に導入された作動流体は、主流路４８の外側を流れる低温流体３８となる。この低温流体３８により、粒径（重さ）の異なる溶射用粉末３６Ａ～３６Ｃをプラズマフレーム３７内又はプラズマフレーム３７の近傍に留めて、十分に加熱溶融させることが可能となるので、粉末導入ポート４３から供給された溶射用粉末３６Ａ～３６Ｃが加熱溶融される割合を高めることができる。
　また、主流路４８の外側を低温流体３８が流れることで、プラズマフレーム３７により温度が上昇するノズル本体４１を冷却することができる。
　また、主流路４８の外側を低温流体３８が流れることで、プラズマフレーム３７によりノズル本体４１の温度が上昇することを緩和できる。
　流体導入ポート４５から吸引させる作動流体としては、例えば、気体を用いることが可能である。気体としては、例えば、空気や不活性ガス等を用いることが可能である。
　流体が空気の場合、複数の導入孔５５の一端（流体導入ポート４５の一端）を露出するノズル本体４１の外面は、例えば、大気圧とされた空気に晒されていてもよい。
　このように、複数の導入孔５５の一端（流体導入ポート４５の一端）を露出するノズル本体４１の外面を大気圧とされた空気に晒すことで、別途、流体を流体導入ポート４５に導入する機器を設けることなく、エゼクタ効果を発生させることができる。
　上記構成とされたプラズマ溶射装置１０は、第２の流路２０を流れる流体を、アノード電極１８とカソード電極１９との間に形成された放電によりプラズマ化させ、プラズマ化された流体によってプラズマフレーム３７を形成する。
　そして、プラズマフレーム３７に対して供給された溶射用粉末３６Ａ～３６Ｃを主流路４８内に導入された流体により、プラズマフレーム３７内又はプラズマフレーム３７の近傍に配置させ、溶融された溶射用粉末３６Ａ～３６Ｃをプラズマフレーム３７とともに被処理物７の皮膜形成面７ａに吹き付けることで、溶射皮膜８を形成する。
　第１の実施形態の溶射ノズル１４によれば、粉末導入ポート４３の形成位置よりも下流側に設けられ、ノズル本体４１の径方向外側から主流路４８に流体を導入する流体導入ポート４５を有することで、ノズル本体４１の径方向外側から供給される流体により、粒径の異なる溶射用粉末３６Ａ～３６Ｃをプラズマフレーム３７内又はプラズマフレーム３７の近傍に留めて、十分に加熱溶融させることが可能となる。
　これにより、粉末導入ポート４３から供給された溶射用粉末３６Ａ～３６Ｃが加熱溶融される割合を十分に高めることができる。
　また、上記溶射ノズル１４を備えたプラズマ溶射装置１０は、上述した溶射ノズル１４の効果と同様な効果を得ることができる。
　なお、第１の実施形態では、一例として、主流路４８の上方に配置され、プラズマフレーム３７に対して垂直方向（Ｚ方向）から溶射用粉末３６を噴射させる粉末導入ポート４３を例に挙げて説明したが、粉末導入ポート４３は、ノズル本体４１のうち、上流端４１Ａよりも下流側に位置する部分で、かつノズル本体４１の径方向外側からプラズマフレーム３７に対して溶射用粉末３６を供給可能な位置であればよく、粉末導入ポート４３の形成位置は図１に示す形成位置に限定されない。
　また、溶射用粉末３６を噴射させる方向は、プラズマフレーム３７に対して垂直な方向（プラズマフレーム３７の径方向）であればよく、Ｚ方向に限定されない。例えば、プラズマフレーム３７に対して横方向から溶射用粉末３６を噴射させてもよいし、プラズマフレーム３７の下方から溶射用粉末３６を噴射させてもよい。
　また、第１の実施形態では、一例として、１つの粉末導入ポート４３から溶射用粉末３６を供給させる場合を例に挙げて説明したが、粉末導入ポート４３を複数設けてもよい。
　ここで、図３を参照して、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係るプラズマ溶射装置５８について説明する。
　プラズマ溶射装置５８は、第１の実施形態のプラズマ溶射装置１０を構成するノズル本体４１に替えてノズル本体５９を有すること以外は、プラズマ溶射装置１０と同様に構成されている。
　ノズル本体５９は、流体導入ポート４５よりも上流側に形成された主流路４８の内径よりも流体導入ポート４５の下流側に形成された主流路４８の内径の方が大きく形成されていること以外は、ノズル本体４１と同様に構成されている。
　このような構成とされたノズル本体５９を有するプラズマ溶射装置５８は、流体導入ポート４５からの流体（例えば、空気）の吸込み量が増加するため、ノズル本体４１よりも溶射用粉末３６をプラズマフレーム３７内に留まらせやすくすることができる。
　また、低温流体３８によるノズル本体５９の冷却効果を高めることができる。
　また、低温流体３８によって、プラズマフレーム３７からノズル本体５９へ与える熱影響を緩和できる。
　ここで、図４を参照して、第１の実施形態の第２変形例に係るプラズマ溶射装置６０について説明する。図４において、図１及び図２に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
　プラズマ溶射装置６０は、第１の実施形態のプラズマ溶射装置１０を構成する溶射ノズル１４に替えて、溶射ノズル６１を有すること以外は、プラズマ溶射装置１０と同様に構成されている。
　溶射ノズル６１は、溶射ノズル１４を構成する流体導入ポート４５に替えて、流体導入ポート６３を有すること以外は、溶射ノズル１４と同様に構成されている。
　流体導入ポート６３は、第１の導入ポート部６４と、第２の導入ポート部６５と、を有する。第１の導入ポート部６４は、ノズル本体４１の外周部に設けられている。
　第１の導入ポート部６４は、主流路４８の上流端４１Ａから主流路４８の下流側に向かう方向に傾斜した複数の導入孔６７で構成されている。複数の導入孔６７は、軸線Ａｘを中心として放射状に形成されている。複数の導入孔６７の一端は、ノズル本体４１の外面４１ｂから露出されている。
　複数の導入孔６７は、第１の実施形態で説明した複数の導入孔５５を傾斜（湾曲も含む）させた構成とされている。
　第２の導入ポート部６５は、主流路４８の上流端４１Ａから主流路４８の下流側に向かう方向に傾斜（湾曲も含む）したリング状の導入溝６８で構成されている。導入溝６８は、複数の導入孔６７、及び主流路４８に連通している。
　第１の実施形態の第２変形例に係るプラズマ溶射装置６０によれば、主流路４８の上流端４１Ａから主流路４８の下流側に向かう方向に傾斜（湾曲も含む）する流体導入ポート６３を有することで、流体導入ポート６３を介して主流路４８に流入する流体がプラズマフレーム３７と衝突しにくくなるため、プラズマフレーム３７を安定させることができる。
　（第２の実施形態）
　図５及び図６を参照して、本発明の第２の実施形態に係るプラズマ溶射装置７０について説明する。図５において、図１に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
　図６では、図５に示すプラズマフレーム３７、及び溶射用粉末３６Ａ～３６Ｃの図示を省略する。図６に示すＸ方向は、Ｚ方向及び軸線Ａｘに対して直交する方向を示している。図６において、図５に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
　プラズマ溶射装置７０は、第１の実施形態のプラズマ溶射装置１０を構成する溶射ノズル１４に替えて、溶射ノズル７１を有すること以外は、プラズマ溶射装置１０と同様に構成されている。
　溶射ノズル７１は、第１の実施形態の溶射ノズル１４を構成する流体導入ポート４５に替えて、流体導入ポート７３を有すること以外は溶射ノズル１４と同様に構成されている。
　流体導入ポート７３は、粉末導入ポート４３と同一の軸線方向位置で、かつ粉末導入ポート４３の下方に位置するノズル本体４１に設けられている。
　流体導入ポート７３は、軸線方向視した状態において、ノズル本体４１の外面４１ｂから軸線Ａｘに向かうにつれて、Ｘ方向の幅が狭くなる導入溝７５で構成されている。
　このように、軸線方向視した状態において、ノズル本体４１の外面４１ｂから主流路４８に向かうにつれて幅が狭くなるような導入溝７５を有することで、導入溝７５から主流路４８内に流入する流体の流速を速くすることが可能となる。
　これにより、導入溝７５から主流路４８内に流入する流体を用いて、粒径の大きい溶射用粉末３６Ｃをプラズマフレーム３７内又はプラズマフレーム３７の近傍に留まらせることが可能となるので、溶射用粉末３６Ｃを加熱溶融させることができる。
　第２の実施形態のプラズマ溶射装置７０によれば、粉末導入ポート４３と同一の軸線方向位置で、かつ粉末導入ポート４３の下方に位置するノズル本体４１に設けられた流体導入ポート７３を有することで、粒径の大きい溶射用粉末３６Ｃ（粉末導入ポートから噴射されたときの運動量（初期運動量）の大きい溶射用粉末）をプラズマフレーム内又はプラズマフレームの近傍に留まらせて、加熱溶融させることができる。
　つまり、粉末導入ポート４３から供給された溶射用粉末３６Ａ～３６Ｃが加熱溶融される割合を高めることができる。
　なお、第２の実施形態では、粉末導入ポート４３の下方のみに１つの流体導入ポート７３を設けた場合を例に挙げて説明したが、粉末導入ポート４３と同一の軸線方向位置に複数の流体導入ポート７３を設けてもよい、
　次に、図７を参照して、第２の実施形態の変形例に係るプラズマ溶射装置８０について説明する。図６において、図５及び図６に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
　プラズマ溶射装置８０は、第２の実施形態のプラズマ溶射装置７０を構成する溶射ノズル７１に替えて、溶射ノズル８１を有すること以外は、プラズマ溶射装置７０と同様に構成されている。
　溶射ノズル８１は、溶射ノズル７１を構成する流体導入ポート７３に替えて、流体導入ポート８３を有すること以外は、溶射ノズル７１と同様な構成とされている。
　流体導入ポート８３は、第３の実施形態で説明した導入溝７５を噴射口４９側に湾曲させた形状とされている。
　流体導入ポート８３は、流体が導入される導入口８３Ａと、流体を主流路４８に導出する導出口８３Ｂと、を有する。
　導入口８３Ａは、粉末導入ポート４３と同一の軸線方向位置で、かつ粉末導入ポート４３の下方に配置されている。
　導出口８３Ｂは、導入口８３Ａの形成位置よりも下流側に位置するノズル本体４１に設けられている。
　第２の実施形態の変形例に係るプラズマ溶射装置８０によれば、流体導入ポート８３の導出口８３Ｂを導入口８３Ａの形成位置よりも下流側に配置させることで、流体導入ポート８３の導出口８３Ｂから導出される流体がプラズマフレーム３７と衝突しにくくなるため、プラズマフレーム３７を安定して形成することができる。
　なお、第２の実施形態の変形例では、粉末導入ポート４３の下方のみに１つの流体導入ポート８３を設けた場合を例に挙げて説明したが、粉末導入ポート４３と同一の軸線方向位置に複数の流体導入ポート８３を設けてもよい。
　以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　本発明は、溶射ノズル、及びプラズマ溶射装置に適用可能である。
　５　　ガス供給源
　６　　ガス供給ライン
　７　　被処理物
　７ａ　　皮膜形成面
　８　　溶射皮膜
　１０，５８，６０，７０，８０　　プラズマ溶射装置
　１１　　プラズマ発生機構
　１４，６１，７１，８１　　溶射ノズル
　１６　　電極収容部
　１８　　アノード電極
　１９　　カソード電極
　１９Ａ　　先端
　２０　　第２の流路
　２１　　電極収容部本体
　２１ａ　　端面
　２１ｂ　　内周面
　２３　　カソード電極収容部
　２５　　アノード電極収容部
　２６　　ガス導入部
　２７　　ガス導入孔
　３１　　電極本体部
　３１ａ　　外周面
　３２　　フランジ部
　３４　　第１の流路
　３６，３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ　　溶射用粉末
　３７　　プラズマフレーム
　３８　　低温流体
　４１ａ　　面
　４１Ａ　　上流端
　４１ｂ　　外面
　４１，５９　　ノズル本体
　４３　　粉末導入ポート
　４５，６３，７３，８３　　流体導入ポート
　４８　　主流路
　４９　　噴射口
　５２，６４　　第１の導入ポート部
　５３，６５　　第２の導入ポート部
　５５，６７　　導入孔
　５７，６８，７５　　導入溝
　８３Ａ　　導入口
　８３Ｂ　　導出口
　Ｃ　　方向

Claims (14)

  1. 　軸線に沿って延びるとともに、軸線方向一方側に配置された上流端から下流側に向う方向にプラズマフレームが形成される主流路を有するノズル本体と、
    　前記ノズル本体のうち、前記上流端よりも下流側に位置する部分に設けられ、前記ノズル本体の径方向外側から前記プラズマフレームに対して溶射用粉末を導入する粉末導入ポートと、
    　前記ノズル本体のうち、前記粉末導入ポートの形成位置よりも下流側の位置、又は前記粉末導入ポートと同一の軸線方向位置に設けられ、前記ノズル本体の径方向外側から前記主流路に作動流体を導入する流体導入ポートと、
    　を備えた溶射ノズル。
  2. 　前記流体導入ポートの開口径は、前記流体導入ポートを介して、前記流体導入ポートの外側に存在する前記作動流体を前記主流路内に吸引可能な大きさである請求項１記載の溶射ノズル。
  3. 　前記溶射用粉末は、粒度分布を有する請求項１または２記載の溶射ノズル。
  4. 　前記作動流体は、空気であり、
    　前記流体導入ポートの一端を露出する前記ノズル本体の外面は、大気圧とされた前記空気に晒されている請求項１から３のうち、いずれか一項記載の溶射ノズル。
  5. 　前記流体導入ポートは、前記粉末導入ポートの形成位置よりも下流側に設けられており、
    　前記流体導入ポートは、前記主流路に対して直交して配置されている請求項１から４のうち、いずれか一項記載の溶射ノズル。
  6. 　前記流体導入ポートは、前記粉末導入ポートの形成位置よりも下流側に設けられており、
    　前記流体導入ポートは、前記主流路の上流端から該主流路の下流側に向かう方向に傾斜して配置されている請求項１から４のうち、いずれか一項記載の溶射ノズル。
  7. 　前記流体導入ポートは、前記ノズル本体の外周部に設けられた第１の導入ポート部と、
    　前記ノズル本体の外周部よりも内側に設けられ、前記第１の導入ポート部及び前記主流路と連通する第２の導入ポート部と、
    　を有しており、
    　前記第１の導入ポート部は、前記軸線を中心として放射状に延びる複数の導入孔で構成されており、
    　前記第２の導入ポート部は、前記主流路を周方向から囲むリング形状とされた導入溝である請求項１から６のうち、いずれか一項記載の溶射ノズル。
  8. 　前記流体導入ポートは、前記粉末導入ポートと同一の軸線方向位置で、かつ前記粉末導入ポートの下方に設けられた導入溝であり、
    　前記導入溝は、前記主流路に対して直交する方向に前記作動流体を導く請求項１から４のうち、いずれか一記載の溶射ノズル。
  9. 　前記流体導入ポートは、前記ノズル本体の外面側に配置され、前記作動流体が導入される導入口と、
    　前記作動流体を前記主流路に導出する導出口と、
    　を有しており、
    　前記導入口は、前記粉末導入ポートと同一の軸線方向位置に配置されており、
    　前記導出口は、前記導入口の形成位置よりも下流側に配置されている請求項１から４のうち、いずれか一項記載の溶射ノズル。
  10. 　前記導入溝は、軸線方向視した状態において、前記ノズル本体の外周面から前記軸線に向かうにつれて幅が狭くなる請求項８記載の溶射ノズル。
  11. 　前記粉末導入ポートは、前記主流路の上方に配置されており、前記主流路に形成された前記プラズマフレームに対して垂直方向から前記溶射用粉末を噴射させる請求項１から１０のうち、いずれか一項記載の溶射ノズル。
  12. 　前記ノズル本体の軸線方向他方側に設けられ、前記主流路と連通するとともに、溶融させた前記溶射用粉末を噴射する噴射口を有する請求項１から１１のうち、いずれか一項記載の溶射ノズル。
  13. 　前記噴射口の内径は、前記ノズル本体の軸線方向一方側から軸線方向他方側に向うにつれて拡大する請求項１２記載の溶射ノズル。
  14. 　請求項１から１３のうち、いずれか一項記載の溶射ノズルと、
    　前記ノズル本体の上流端側に設けられ、前記主流路に連通する第１の流路を有するカソード電極と、
    　前記カソード電極の上流側に設けられ、前記カソード電極とともに前記第１の流路に放電を発生させるアノード電極と、
    　前記カソード電極及び前記アノード電極を収容しており、前記アノード電極との間に形成され、前記第１の流路と連通する第２の流路と、前記第２の流路にプラズマフレームを形成するためのガスを導入するガス導入部と、を有する電極収容部と、
    　を備えるプラズマ溶射装置。
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