JP5284774B2 - Plasma spraying device with particle acceleration nozzle and plasma spraying method - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマジェット中の溶融粒子の飛行速度を加速させることにより緻密な皮膜を形成することができる粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法に関するものである。 The present invention relates to a plasma spraying apparatus with a particle accelerating nozzle and a plasma spraying method capable of forming a dense coating by accelerating the flight speed of molten particles in a plasma jet.
プラズマ溶射は、高温、高速のプラズマフレームを熱源として利用するため、融点の高い材料についても容易に溶融させて基材表面に吹き付けることができ、機械部品の摺動部等に好適で緻密な皮膜をその表面に形成することができる。 Plasma spraying uses a high-temperature, high-speed plasma flame as a heat source, so even a material with a high melting point can be easily melted and sprayed onto the surface of the base material. Can be formed on the surface.
図9は従来のプラズマ溶射装置によって基材表面に皮膜が形成される様子を示した説明図である。 FIG. 9 is an explanatory view showing a state in which a film is formed on the surface of a substrate by a conventional plasma spraying apparatus.
同図において、プラズマ溶射装置(プラズマガン)50は、銅合金とタングステンからなる陽極50a及び陰極50bを有し、これらの電極は図示しない直流電源に接続されている。また、陽極50aおよび陰極50bにはそれぞれ冷却水が供給され高温のプラズマフレームから保護されるようになっている。 In the figure, a plasma spraying device (plasma gun) 50 has an anode 50a and a cathode 50b made of a copper alloy and tungsten, and these electrodes are connected to a DC power source (not shown). Further, cooling water is supplied to each of the anode 50a and the cathode 50b so as to be protected from a high temperature plasma flame.
50cはプラズマガスとしての例えば高圧アルゴンガスArを供給する供給口であり、50dは粉末原料Mを供給するポートである。 50 c is a supply port for supplying, for example, high-pressure argon gas Ar as a plasma gas, and 50 d is a port for supplying the powder raw material M.
プラズマ発生室に発生したプラズマフレームは、ノズル部50eによって収束され高温、高速のプラズマジェットとして噴射され、プラズマジェットに投入されて溶融した溶融粒子はそのプラズマジェットによって加速され、基材51の表面に衝突し皮膜Lを形成する。 The plasma flame generated in the plasma generation chamber is converged by the nozzle portion 50e and ejected as a high-temperature, high-speed plasma jet. Colliding to form a film L.
ところが、従来のプラズマ溶射装置50によって形成された皮膜Lの内部組織には5〜10μm程度の空隙が多数存在しており、これらの空隙は皮膜性能の低下に少なからず影響を及ぼしている。 However, there are many voids of about 5 to 10 μm in the internal structure of the coating L formed by the conventional plasma spraying apparatus 50, and these voids have a considerable influence on the degradation of the coating performance.
そこで、溶融粒子の飛行速度をより加速させることにより、空隙の少ないより緻密な皮膜を形成し得るプラズマ溶射装置が検討されている。 Therefore, a plasma spraying apparatus that can form a denser film with less voids by further accelerating the flight speed of molten particles has been studied.
溶融粒子の飛行速度を加速させる加速ノズルとしては、例えば、ノズル孔の周方向内壁に噴射口を備え、高速ガス流をノズル先端側に向けて略筒状に噴射するように構成された加速ノズルが知られている(特許文献1参照)。 As an acceleration nozzle for accelerating the flight speed of the molten particles, for example, an acceleration nozzle provided with an injection port on the inner wall in the circumferential direction of the nozzle hole and configured to inject a high-speed gas flow in a substantially cylindrical shape toward the nozzle tip side Is known (see Patent Document 1).
図10は、上記加速ノズルの構成を示したものであり、同図(a)はノズル断面図、同図(b)は図10(a)のS部拡大図である。 10A and 10B show the configuration of the acceleration nozzle. FIG. 10A is a sectional view of the nozzle, and FIG. 10B is an enlarged view of a portion S in FIG.
両図において、加速ノズル60は、ノズル入口部60aにキャリアガスを導入するようになっており、導入されたキャリアガスは、内径が絞られたスロート部60bを通過することによって高速の主流ガス流Gsを形成し、その主流ガス流Gsによって溶融した材料を微粒化し、その微粒化した粒子をノズル出口部60cから噴射するようになっている。 In both figures, the accelerating nozzle 60 introduces a carrier gas into the nozzle inlet portion 60a, and the introduced carrier gas passes through the throat portion 60b with a narrowed inner diameter, thereby causing a high-speed mainstream gas flow. Gs is formed, the melted material is atomized by the mainstream gas flow Gs, and the atomized particles are ejected from the nozzle outlet portion 60c.
また、加速ノズル60は、複数のリング状部品61a〜61jを、ノズル中心軸方向に連結した多段ノズルから構成されている。 Moreover, the acceleration nozzle 60 is comprised from the multistage nozzle which connected several ring-shaped components 61a-61j to the nozzle center axis direction.
なお、60dは各リング状部品61a〜61iを貫通しているシールドガス供給路であり、このシールドガス供給路60dは、リング状部品61a〜61jの連結部分に設けられた環状通路60eと連通し、各環状通路60eはさらにノズル内壁に形成された環状のスリット(噴射口)Tと連通している。 Reference numeral 60d denotes a shield gas supply path penetrating each of the ring-shaped parts 61a to 61i, and the shield gas supply path 60d communicates with an annular passage 60e provided at a connecting portion of the ring-shaped parts 61a to 61j. Each annular passage 60e further communicates with an annular slit (injection port) T formed in the inner wall of the nozzle.
上記スリットTは、連結された上流側リング状部品61aと下流側リング状部品61bの内壁段差部分に環状に開口しており、加速ノズル60の筒軸方向に複数段設けられている。それにより、主流ガス流Gsの周囲に筒状のシールドガス流SGsを形成し、粒子の飛行速度を加速することができるようになっている。 The slits T are annularly opened in the inner wall step portions of the connected upstream ring-shaped part 61a and downstream ring-shaped part 61b, and are provided in a plurality of stages in the cylinder axis direction of the acceleration nozzle 60. Thereby, the cylindrical shield gas flow SGs is formed around the mainstream gas flow Gs, and the flight speed of the particles can be accelerated.
したがって、プラズマジェットを主流ガス流Gsとし、その周囲に配置された複数のスリットTからキャリアガスの一部をシールドガスSGsとして供給すれば、粒子の飛行速度が高速化されるとともに、プラズマジェットが延長されプラズマジェットの高温域を延長する効果が得られるはずである。
しかしながら、プラズマ溶射装置のノズル先端に上記加速ノズルを接続し、ノズル内壁への溶融粒子の付着を防止しつつ溶融粒子の高速化を図るには、膨大な量のシールドガスを必要とし、上記シールドガスとして不活性ガスを使用することはコスト面から見ても現実的でない。 However, the acceleration nozzle is connected to the nozzle tip of the plasma spraying apparatus, and in order to increase the speed of the molten particles while preventing the adhesion of the molten particles to the inner wall of the nozzle, a huge amount of shielding gas is required. Use of an inert gas as the gas is not practical from the viewpoint of cost.
そこで、不活性ガス以外のガスを使用することも考えられるが、その場合、プラズマジェットの温度を低下させてしまうという新たな問題が発生する。 Therefore, it is conceivable to use a gas other than the inert gas. In this case, however, a new problem of lowering the temperature of the plasma jet occurs.
また、加速ノズルの上流側に位置するプラズマ溶射装置については現状より高い圧力のキャリアガスを用いて粉末原料をプラズマジェットの中心に投入する必要が生じるため、粉末原料の供給をコントロールすることが難しくなるという課題がある。また、キャリアガスの圧力を高めるとプラズマジェットに偏りが生じ加速ノズルの内壁に粒子が付着するという課題もある。 In addition, it is difficult to control the supply of the powder raw material for the plasma spraying device located on the upstream side of the acceleration nozzle because the powder raw material needs to be introduced into the center of the plasma jet using a carrier gas at a pressure higher than the current state. There is a problem of becoming. Further, when the pressure of the carrier gas is increased, there is a problem that the plasma jet is biased and particles adhere to the inner wall of the acceleration nozzle.
本発明は以上のような従来のプラズマ溶射における課題を考慮してなされたものであり、第一の目的は、プラズマ溶射において溶融した粒子のノズル内壁への付着を防止しつつ飛行速度を高め、皮膜性能の向上を図ることができる粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法を提供することにあり、第二の目的は、プラズマジェットを偏らせることなく粉末原料をプラズマジェットに投入してノズル内壁に粒子が付着することを防止できる粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the problems in the conventional plasma spraying as described above, and the first object is to increase the flight speed while preventing adhesion of particles melted in the plasma spraying to the inner wall of the nozzle, A second object of the present invention is to provide a plasma spraying apparatus with a particle acceleration nozzle and a plasma spraying method capable of improving the coating performance, and a second object is to introduce a powder raw material into the plasma jet without biasing the plasma jet and An object of the present invention is to provide a plasma spraying apparatus with a particle acceleration nozzle and a plasma spraying method that can prevent particles from adhering to the inner wall.
上記目的を達成する本発明の第一の形態は、粉末原料を供給して溶射原料とし、成膜するプラズマ溶射装置において、
上記プラズマジェットを噴射するプラズマガンのノズル部と接続される加速ノズルを有し、
上記加速ノズルは、その先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有し、上記ノズル孔における周方向内壁に、加速ノズル先端側に向けて略筒状のシールドガスを噴射するための噴射口が形成され、
上記噴射口は、上記ノズル孔の中心軸方向に複数段設けられ、各段の噴射口にガスを供給するガス供給路が個別に設けられ、プラズマジェットの噴射方向において少なくとも最上流側の上記噴射口に通じる上記ガス供給路に、不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスが供給されるように構成されている粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置である。
The first aspect of the present invention that achieves the above object is to supply a powder raw material as a thermal spray raw material, in a plasma spraying apparatus for forming a film,
An acceleration nozzle connected to a nozzle portion of a plasma gun for injecting the plasma jet;
The accelerating nozzle has a nozzle hole whose inner diameter continuously or stepwise expands toward the tip, and injects a substantially cylindrical shield gas toward the tip of the accelerating nozzle on the inner circumferential wall of the nozzle hole. An injection port is formed to
The injection ports are provided in a plurality of stages in the central axis direction of the nozzle hole, and gas supply passages for supplying gas to the injection ports of the respective stages are individually provided, and at least the most upstream side injection in the plasma jet injection direction. It is a plasma spraying apparatus with a particle accelerating nozzle configured to supply an inert gas or a gas containing an inert gas as a main component to the gas supply path leading to the mouth.
上記プラズマ溶射装置において、上記プラズマガンと上記加速ノズルの間に、上記粉末原料をキャリアガスを介して上記プラズマジェットに供給する粉末原料供給路を設けることが好ましい。 In the plasma spraying apparatus, it is preferable to provide a powder raw material supply path for supplying the powder raw material to the plasma jet via a carrier gas between the plasma gun and the acceleration nozzle.
また、上記粉末原料供給路は、上記ノズル孔の中心軸と略直交する方向において上記ノズル孔の両側に一対設けることができ、また、上記ノズル孔の中心から等角度で放射状に延びる線上に配設することもできる。 Further, a pair of the powder raw material supply paths can be provided on both sides of the nozzle hole in a direction substantially orthogonal to the central axis of the nozzle hole, and arranged on a line extending radially from the center of the nozzle hole at an equal angle. It can also be set up.
また、上記加速ノズルは、内径が異なる複数のリング状部品を筒状に連結したものから構成すれば、隣接する上記リング状部品の段差部に、上記噴射口を環状に開口させることができる。 Moreover, if the said acceleration nozzle is comprised from what connected the some ring-shaped components from which an internal diameter differs in the cylinder shape, the said injection port can be opened cyclically | annularly in the level | step-difference part of the said adjacent ring-shaped component.
また、上記リング状部品の内周側端部に、上記ガスの流れを上記加速ノズルの中心軸と略平行に向けるガス流偏向部を形成することが好ましい。 Moreover, it is preferable to form a gas flow deflecting portion for directing the gas flow substantially parallel to the central axis of the acceleration nozzle at the inner peripheral end of the ring-shaped component.
本発明の第二の形態は、電極間に発生させたアークにガスを供給してプラズマガスを形成し、そのプラズマガスを収束させたプラズマジェットに粉末原料を供給して被処理対象に溶射するプラズマ溶射方法において、
上記プラズマジェットを噴射するプラズマガンのノズル部に、先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有する加速ノズルを接続し、
上記ノズル孔の中心軸方向に複数段設けられた噴射口からガスを噴射し、プラズマジェット噴射方向における少なくとも最上流側の噴射口からは不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを筒状に噴射し、
上記プラズマガンから噴射されるプラズマジェットの周囲にシールドガス流を形成し、上記ノズル孔を通過する溶融粒子を加速させるプラズマ溶射方法である。
In the second embodiment of the present invention, a gas is supplied to an arc generated between electrodes to form a plasma gas, and a powder raw material is supplied to a plasma jet in which the plasma gas is converged to spray the object to be processed. In the plasma spraying method,
An acceleration nozzle having a nozzle hole whose inner diameter is continuously or stepwise expanded toward the tip is connected to the nozzle portion of the plasma gun for injecting the plasma jet,
Gas is injected from a plurality of injection holes provided in a plurality of stages in the central axis direction of the nozzle hole, and an inert gas or a gas containing an inert gas as a main component is cylindered from at least the most upstream injection port in the plasma jet injection direction. Spray
In the plasma spraying method, a shield gas flow is formed around a plasma jet ejected from the plasma gun, and molten particles passing through the nozzle holes are accelerated.
上記プラズマ溶射方法において、上記プラズマガンと上記加速ノズルの間に設けられた粉末原料供給路からキャリアガスを介して粉末原料を供給することが好ましい。 In the plasma spraying method, it is preferable to supply a powder raw material through a carrier gas from a powder raw material supply path provided between the plasma gun and the acceleration nozzle.
また、上記ノズル孔の中心軸と略直交する方向において上記ノズル孔の両側に一対設けられた粉末原料供給路から、または上記ノズル孔の中心から等角度で放射状に延びる線上に配設された粉末原料供給路から上記粉末原料を上記プラズマジェットに供給することができる。 Further, the powder is disposed from a powder raw material supply path provided in a pair on both sides of the nozzle hole in a direction substantially orthogonal to the central axis of the nozzle hole or on a line extending radially at an equal angle from the center of the nozzle hole. The powder raw material can be supplied to the plasma jet from a raw material supply path.
なお、本発明におけるプラズマ溶射とは、大気圧中で行う大気圧プラズマ溶射と、減圧環境下で行う減圧プラズマ溶射の両方が含まれる。 The plasma spraying in the present invention includes both atmospheric pressure plasma spraying performed at atmospheric pressure and reduced pressure plasma spraying performed in a reduced pressure environment.
本発明の加速ノズルのガス供給路に供給されるガスとしては、酸素、圧縮空気、水素、炭酸ガスや、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガス、またはこれらの混合ガスが示される。 Examples of the gas supplied to the gas supply path of the acceleration nozzle of the present invention include oxygen, compressed air, hydrogen, carbon dioxide gas, inert gas such as argon, nitrogen, helium, or a mixed gas thereof.
また、不活性ガスを主成分とするガスとは、例えば不活性ガスに体積パーセントで1〜30%の水素ガスを含むようなガスが示される。 Moreover, the gas which has inert gas as a main component shows the gas which contains 1-30% of hydrogen gas by volume percent in inert gas, for example.
本発明において、粉末原料には、金属材料、セラミックス、サーメット、ポリマー材料等が含まれる。 In the present invention, the powder raw material includes metal materials, ceramics, cermets, polymer materials and the like.
本発明において、プラズマジェットに供給する粉末原料は、同種の材料を供給する場合に限らず、異種材料の混合供給も含まれる。また、例えば金属材料を投入した後、セラミックスを投入する等、材料の種類を経時的に変えて供給する場合も含まれる。 In the present invention, the powder raw material supplied to the plasma jet is not limited to the case of supplying the same kind of material, but also includes the mixed supply of different materials. In addition, for example, a case where a metal material is supplied and then ceramics is supplied, and the type of material is changed over time to be supplied.
本発明の粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法によれば、プラズマ溶射において溶融した粒子の飛行速度を加速させて皮膜性能の向上を図ることができる。 According to the plasma spraying apparatus with a particle acceleration nozzle and the plasma spraying method of the present invention, it is possible to improve the coating performance by accelerating the flight speed of the particles melted in the plasma spraying.
また、プラズマジェットを偏らせることなく粉末原料をプラズマジェットに投入してノズル内壁への粒子の付着を防止することができる。 Further, the powder raw material can be introduced into the plasma jet without biasing the plasma jet to prevent particles from adhering to the inner wall of the nozzle.
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
1 粒子加速ノズル付き溶射装置の構成
図1は本発明に係る粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置(以下、粒子加速溶射装置と略称する)の構成を示したものである。
1 Configuration of Thermal Spraying Device with Particle Acceleration Nozzle FIG. 1 shows the configuration of a plasma thermal spraying device with a particle acceleration nozzle according to the present invention (hereinafter abbreviated as “particle acceleration thermal spraying device”).
同図において、粒子加速溶射装置1は、プラズマを発生させプラズマジェットをプラズマガンノズル部2から噴射するプラズマガン3と、そのプラズマガン3の先端に設けられるアタッチメント部品(接続部品)4と、このアタッチメント部品4の先端に設けられる加速ノズル5とから主として構成されている。 In the figure, a particle acceleration thermal spraying apparatus 1 includes a plasma gun 3 that generates plasma and jets a plasma jet from a plasma gun nozzle portion 2, an attachment component (connection component) 4 provided at the tip of the plasma gun 3, and the attachment. It is mainly composed of an acceleration nozzle 5 provided at the tip of the component 4.
以下、各部の構成について詳しく説明する。 Hereinafter, the configuration of each unit will be described in detail.
1.1 アタッチメント部品
上記アタッチメント部品4には、キャリアガスを介し粉末原料MをプラズマジェットF中に投入するための粉末原料供給路6,6が設けられている。
1.1 Attachment Part The attachment part 4 is provided with powder raw material supply paths 6 and 6 for feeding the powder raw material M into the plasma jet F via a carrier gas.
これら粉末原料供給路6,6は、加速ノズル5の中心軸Cと略直交する方向においてノズル孔Hの上下両側に対向する状態で設けられており、プラズマジェットFに対し2方向から粉末原料Mを供給するようになっている。 These powder raw material supply paths 6 and 6 are provided so as to face both the upper and lower sides of the nozzle hole H in a direction substantially orthogonal to the central axis C of the acceleration nozzle 5, and the powder raw material M from two directions with respect to the plasma jet F. To supply.
従来の粉末原料供給方法のように、プラズマジェットFに対して直交する1方向のみからキャリアガスを介して粉末原料を供給すると、プラズマジェットFが偏りやすくなり、ノズル内壁への溶融粒子の付着が増加する。 If the powder raw material is supplied via the carrier gas only from one direction orthogonal to the plasma jet F as in the conventional powder raw material supply method, the plasma jet F is likely to be biased, and adhesion of the molten particles to the inner wall of the nozzle is caused. To increase.
これに対し、本実施形態の粉末原料供給路6,6のように、対向する2方向から粉末原料Mを供給するとともに、供給量を1/2にしてプラズマジェットFに投入すれば、キャリアガスの圧力が相殺されることになり、プラズマジェットFの偏り量を少なくすることができる。それにより、ノズル内壁への溶融粒子の付着を低減することができる。 On the other hand, if the powder raw material M is supplied from two opposite directions as in the powder raw material supply paths 6 and 6 of the present embodiment, and the supply amount is halved, the carrier gas is supplied. Therefore, the amount of bias of the plasma jet F can be reduced. Thereby, adhesion of the molten particles to the nozzle inner wall can be reduced.
なお、本実施形態では対向する2方向から粉末原料Mを供給する構成について説明したが、2方向以上の方向から粉末原料Mを供給することもできる。例えば、ノズル孔Hと略直交する方向においてノズル孔Hの中心から等角度で放射状に延びる線上に粉末原料供給路を配設し、プラズマジェットFの中心に向けて複数方向から粉末原料Mを供給することもできる。 In addition, although the structure which supplies the powder raw material M from two opposing directions was demonstrated in this embodiment, the powder raw material M can also be supplied from two or more directions. For example, a powder raw material supply path is disposed on a line extending radially at an equal angle from the center of the nozzle hole H in a direction substantially orthogonal to the nozzle hole H, and the powder raw material M is supplied from a plurality of directions toward the center of the plasma jet F. You can also
1.2 加速ノズル
加速ノズル5は、そのノズル孔Hを通過するプラズマジェットFの周囲に筒状のシールドガス流を形成するようになっており、筒状の本体部5aと、その本体部5aの内周側に配置されるノズル部5bとから主として構成されている。
1.2 Accelerating nozzle The accelerating nozzle 5 is configured to form a cylindrical shield gas flow around the plasma jet F passing through the nozzle hole H. The accelerating nozzle 5 includes a cylindrical main body portion 5a and an inner portion of the main body portion 5a. It is mainly comprised from the nozzle part 5b arrange | positioned at the circumference side.
上記ノズル部5bは、複数のリング状部品5c〜5fを有し、それらの中心をプラズマジェットFが通過するようになっている。 The nozzle part 5b has a plurality of ring-shaped parts 5c to 5f, and the plasma jet F passes through the centers thereof.
各リング状部品5c〜5fは、加速ノズル5の中心軸C方向に連結されており、プラズマジェットFの噴射方向(矢印B方向)において最も上流側に、1段目となる金属製のリング状部品5cが配置され、下流側に向けて同じく2段目となるリング状部品5d、3段目となるリング状部品5e、4段目となるリング状部品5fがそれぞれ順番に配置されている。 Each ring-shaped component 5c to 5f is connected in the direction of the central axis C of the acceleration nozzle 5, and is made of a metal ring that is the first stage on the most upstream side in the injection direction of the plasma jet F (direction of arrow B). The part 5c is arranged, and the ring-shaped part 5d that is the second stage, the ring-shaped part 5e that is the third stage, and the ring-shaped part 5f that is the fourth stage are arranged in order toward the downstream side.
ノズル部5bにおいて最も下流側に位置し、5段目となるノズルエンド5gは上記本体部5aの一部で構成されている。 The nozzle end 5g which is located on the most downstream side in the nozzle portion 5b and is the fifth stage is constituted by a part of the main body portion 5a.
隣接するリング状部品5cと5d、5dと5e、5eと5fおよびリング状部品5fとノズルエンド5gの間にはそれぞれプラズマジェットFの噴射方向に向けてスリット(圧縮空気を噴射するための噴射口)T1〜T4が環状に形成されており、また、各スリットT1〜T4には、本体部5aに一対設けられた圧縮空気供給ポート5h,5hから連通路5i、ガス供給路5j〜5mを通じ、ガスSG1が供給されるようになっている。 Between the adjacent ring-shaped parts 5c and 5d, 5d and 5e, 5e and 5f, and between the ring-shaped parts 5f and the nozzle end 5g, slits (injection ports for injecting compressed air) toward the injection direction of the plasma jet F, respectively. ) T 1 to T 4 are formed in an annular shape, and the slits T 1 to T 4 are connected to the communication passage 5 i and the gas supply passage 5 j from the compressed air supply ports 5 h and 5 h provided in a pair in the main body 5 a. through ~5M, so that the gas SG 1 is supplied.
本実施形態ではガスSG1として圧縮空気を使用し、その供給条件は、例えば、圧力0.5MPa、流量3Nm3/minである。 In this embodiment, compressed air is used as the gas SG 1 , and the supply conditions are, for example, a pressure of 0.5 MPa and a flow rate of 3 Nm 3 / min.
なお、ガス供給路5j〜5mに供給するガスSG1は、一種に限らず、複数種類から構成することもできる。例えば、ガス供給路5jに不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを供給し、残りのガス供給路5k〜5mに圧縮空気を供給することもできる。 The gas SG 1 supplied to the gas supply passage 5j~5m is not limited to one, may be composed of a plurality of types. For example, an inert gas or a gas containing an inert gas as a main component can be supplied to the gas supply path 5j, and compressed air can be supplied to the remaining gas supply paths 5k to 5m.
また、ガス供給路5j〜5mのうちの複数のガス供給路に不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを供給し、残りのガス供給路に圧縮空気を供給することもできる。 Further, an inert gas or a gas containing an inert gas as a main component can be supplied to a plurality of gas supply paths among the gas supply paths 5j to 5m, and compressed air can be supplied to the remaining gas supply paths.
また、ガス供給路5j〜5mのすべてのガス供給路に不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを供給することもできる。 Further, an inert gas or a gas containing an inert gas as a main component can be supplied to all the gas supply paths of the gas supply paths 5j to 5m.
また、圧縮空気に代えて酸素、水素、炭酸ガス等を使用することもできる。 Further, oxygen, hydrogen, carbon dioxide gas or the like can be used instead of compressed air.
さらにまた、上記圧縮空気と不活性ガス(または不活性ガスを主成分とするガス)とを混合した混合ガスを供給することもできる。 Furthermore, a mixed gas obtained by mixing the compressed air and an inert gas (or a gas containing an inert gas as a main component) can be supplied.
一方、アタッチメント部品4とリング状部品5cとの間には、不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスSG2を供給するガス供給路5nが設けられ、このガス供給路5nはスリット(最も上流側の噴射口)T0と連通しており、不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスをそのスリットT0から加速ノズル5内に噴射するようになっている。 On the other hand, between the attachment part 4 and the ring-shaped parts 5c, a gas supply passage 5n are provided for supplying gas SG 2 mainly composed of inert gas or an inert gas, the gas supply passage 5n slits ( The most upstream injection port) T 0 communicates with an inert gas or a gas containing an inert gas as a main component and is injected into the accelerating nozzle 5 from the slit T 0 .
以下の説明では不活性ガスとしてのアルゴンガスをガス供給路5nに供給する場合について説明する。 In the following description, a case where argon gas as an inert gas is supplied to the gas supply path 5n will be described.
上記構成において、粒子を加速させる際に、まず、加速ノズルの上流側においてはプラズマジェットFの周囲の空気に対して熱容量の小さいアルゴンガスSG2を第一のシールドガスとして供給し、空気の巻き込みによるプラズマジェットの温度低下を防ぐことによりプラズマジェットFを安定させ、次いで溶融した粒子を加速させるだけの目的には第二のシールドガスとして例えば圧縮空気SG1用を用い、それにより、アルゴンガスのみで粒子を加速させる場合と同程度の加速効果を得つつ、不活性ガスの消費量削減を可能にしている。 In the above structure, when accelerating the particles, first, a small argon gas SG 2 heat capacity relative to the air surrounding the plasma jet F in the upstream side of the accelerating nozzle is supplied as the first shield gas, air entrainment by stabilizing the plasma jet F by preventing a temperature drop of the plasma jet, then used for example compressed air SG 1 as the second shielding gas only purpose of accelerating the molten particles, thereby, the argon gas only This makes it possible to reduce the consumption of inert gas while obtaining the same acceleration effect as in the case of accelerating particles.
また、各リング状部品5c〜5fにおいて、上流側のリング状部品に対し下流側のリング状部品のノズル孔径は大きく形成されており、その孔径の違いによって生じる段差を利用して上記スリットTを確保している。このように、下流側に向けてノズル孔径を段階的に拡径することにより、同時に、溶融状態の粒子が多く飛行している領域からノズル内壁を遠ざけることを可能にしている。 Further, in each of the ring-shaped parts 5c to 5f, the nozzle hole diameter of the downstream ring-shaped part is formed larger than that of the upstream ring-shaped part, and the slit T is formed using a step generated by the difference in the hole diameter. Secured. In this manner, by gradually expanding the nozzle hole diameter toward the downstream side, it is possible to simultaneously move the nozzle inner wall away from a region where a large amount of molten particles are flying.
なお、一つのスリットTから加速ノズル5内に圧縮空気SG1を供給しても、ある距離についてガスと粒子が移動すると、やがては加速ノズル5内に少なからず存在する乱れによって粒子が加速ノズル5の内壁近くまで拡散してしまう。 Even if the compressed air SG 1 is supplied from one slit T into the accelerating nozzle 5, if the gas and the particles move for a certain distance, the particles are eventually caused by the disturbance present in the accelerating nozzle 5. It spreads near the inner wall of the house.
そこで、本実施形態の加速ノズル5では、複数のリング状部品5c〜5fを連結することによって加速ノズル5を構成するとともに、リング状部品5c〜5fおよびリング状部品5fとノズルエンド5gの各連結部分に形成されたスリットTからそれぞれ圧縮空気SG1を、ノズル中心軸Cと略平行な方向で加速ノズル5内に噴射し、圧縮空気SG1の噴射を、粒子の加速に必要な長さまで繰り返し行っている。 Therefore, in the acceleration nozzle 5 of the present embodiment, the acceleration nozzle 5 is configured by connecting a plurality of ring-shaped parts 5c to 5f, and each of the ring-shaped parts 5c to 5f and the ring-shaped parts 5f and the nozzle end 5g is connected. each compressed air SG 1 from the slit T formed in the portion, jetted to the acceleration nozzle 5 in the nozzle central axis C substantially parallel to the direction, the injection of compressed air SG 1, repeated to a length required for acceleration of the particles Is going.
また、加速ノズル5内に圧縮空気SG1を供給する間隔は、リング状部品5c〜5fの厚みによって決定されるが、通常は5〜20mmの範囲内で選択することができる。 The interval for supplying compressed air SG 1 to the acceleration nozzle 5 is determined by the thickness of the ring-shaped parts 5c to 5f, it can usually be selected within a range of 5 to 20 mm.
例えば、加速ノズル5の内壁に粒子の付着が見られた場合には厚みの薄いリング状部品に交換し、粒子の付着がない場合にはリング状部品の厚さを増すといった厚み調整を行うことができる。 For example, if particles adhere to the inner wall of the accelerating nozzle 5, replace with a thin ring-shaped part, and if no particles adhere, adjust the thickness to increase the thickness of the ring-shaped part. Can do.
粒子の加速に必要な加速ノズル5の長さは、溶射材やその供給方法によって、或いは、加速ノズル5内のガス流速によって変更する必要があるが、リング状部品の連結枚数を変更することによって加速ノズル5の長さを比較的簡単に調節することができる。 The length of the accelerating nozzle 5 necessary for accelerating the particles needs to be changed depending on the spraying material, the supply method thereof, or the gas flow rate in the accelerating nozzle 5, but by changing the number of connected ring-shaped parts. The length of the acceleration nozzle 5 can be adjusted relatively easily.
本実施形態では上記したようにリング状部品の連結枚数を変えるという簡単な方法で加速ノズル5の長さを調整できるようにしているため、加速ノズル5全体をその都度製作し直す必要がないという利点がある。 In the present embodiment, as described above, the length of the acceleration nozzle 5 can be adjusted by a simple method of changing the number of connected ring-shaped parts, so that it is not necessary to remanufacture the entire acceleration nozzle 5 each time. There are advantages.
また、メンテナンス時には、加速ノズル5の分解清掃が必要になるが、本実施形態の加速ノズル5はリング状部品単位で分解できるため、加速ノズル5におけるどの部位についても清掃が可能であり、メンテナンスに要する時間を大幅に短縮することが可能になっている。 Further, during the maintenance, the accelerating nozzle 5 needs to be disassembled and cleaned. However, since the accelerating nozzle 5 of this embodiment can be disassembled in units of ring-shaped parts, any part of the accelerating nozzle 5 can be cleaned. The time required can be greatly reduced.
1.3 シールドガスの供給方法
圧縮空気SG1およびアルゴンガスSG2の供給方法について説明する。
It described 1.3 shielding method for supplying supply method compressed air SG 1 and argon gas SG 2 gas.
加速ノズル5内で、プラズマガス、圧縮空気SG1、アルゴンガスSG2が釣り合った状態となるように、圧縮空気SG1およびアルゴンガスSG2の供給量を制御し、圧縮空気SG1は連通路5iおよびガス供給路5j〜5mを通じ、隣接するリング状部品5c〜5fの間およびリング状部品5fとノズルエンド5gの間の通路に分岐させ、各スリットT1〜T4から噴出させる。 An accelerating nozzle within 5, the plasma gas, compressed air SG 1, so that the state of equilibrium argon gas SG 2, to control the supply of compressed air SG 1 and argon gas SG 2, compressed air SG 1 is communicating passage through 5i and the gas supply passage 5J~5m, it is branched to the passage between the between the adjacent ring-shaped parts 5c~5f and ring-shaped part 5f and the nozzle end 5g, is jetted from the slit T 1 through T 4.
また、アルゴンガスSG2については、アタッチメント部品4とリング状部品5cとの間のガス供給路5nに直接供給し、スリットT0から噴出させる。 Also, the argon gas SG 2, fed directly into the gas supply passage 5n between the attachment part 4 and the ring-shaped parts 5c, is jetted from the slit T 0.
1.4 リング状部品
リング状部品5c〜5fは基本的に同じ構成であるため、以下、リング状部品5eを代表して構成を説明する。
1.4 Ring-shaped parts Since the ring-shaped parts 5c to 5f have basically the same configuration, the structure will be described below as a representative of the ring-shaped part 5e.
図2において、ガス流偏向部5sは、リング状部品5eにおける下流側内周縁が顎状に突出形成されたものであり、隣接するリング状部品5fにおける上流側端面5f′を超えてさらに下流側に延設されることにより、環状のスリットT3を形成している。すなわち、ガス流偏向部5sは、圧縮空気SG1をノズル中心軸Cと平行に供給するための助走区間として機能するようになっている。 In FIG. 2, the gas flow deflecting portion 5s has a ring-shaped part 5e whose inner peripheral edge on the downstream side protrudes in a jaw shape, and further downstream beyond the upstream end face 5f 'of the adjacent ring-shaped part 5f. by being extended in to form an annular slit T 3. That is, the gas flow deflection part 5s is compressed air SG 1 and functions as approach section for parallel supply and a nozzle central axis C.
このような環状のスリットT3が、隣接するリング状部品5c〜5fの間、およびノズルエンド5gとの間にそれぞれに形成されている(図1のスリットT1〜T4参照)。 Such a circular slit T 3, between the adjacent ring-shaped parts 5c to 5f, and (see slits T 1 through T 4 in FIG. 1) formed in the respective between the nozzle end 5g.
したがって、各圧縮空気供給ポート5h,5hから供給される圧縮空気SG1は、ガス流偏向部5sと隣接するリング状部品5fとによって鉤状に形成される通路Dを流れることによってガス流の向きがノズル中心軸C方向に変更され、スリットT3から加速ノズル5内に噴射されるようになっている。 Accordingly, the compressed air SG 1 that each compressed air supply port 5h, supplied from 5h, the direction of the gas stream by flowing through the passage D is formed in a hook shape by the ring-shaped part 5f and the adjacent gas flow deflecting part 5s There is changed to the nozzle center axis C direction, and is ejected from the slit T 3 in the acceleration nozzle 5.
また、リング状部品5c〜5fの中心に形成されている貫通孔の径は、噴射方向B(図1参照)に向けて段階的に大きくなるように構成されており、各リング状部品5c〜5fを連結すると、上記貫通孔が先拡がり形状となっている。 Moreover, the diameter of the through-hole formed in the center of ring-shaped components 5c-5f is comprised so that it may become large in steps toward the injection direction B (refer FIG. 1), and each ring-shaped components 5c- When 5f is connected, the said through-hole becomes the shape which spreads forward.
また、図3は粒子加速溶射装置1の別の断面を示したものである。 FIG. 3 shows another cross section of the particle accelerated spraying apparatus 1.
なお、同図において図1と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。 In the figure, the same components as those in FIG.
加速ノズル5にはアルゴンガス供給ポート5q,5qが設けられ、アルゴンガスSG2が供給されるようになっている。 Argon gas supply port 5q the accelerating nozzle 5, 5q is provided, argon gas SG 2 is adapted to be supplied.
詳しくは、アルゴンガス供給ポート5q,5qに供給されたアルゴンガスSG2は、連通路5rを通じ、アタッチメント部品4と1段目のリング状部品5cと間のガス供給路5nを流れ、1段目リング状部品5cの上流側のスリットT0からアルゴンガスSG2を噴出するようになっている。 Specifically, the argon gas feed port 5q, argon gas SG 2 supplied to 5q, through the communication passage 5r, flows through the gas supply passage 5n between the attachment part 4 and the first stage of the ring-shaped parts 5c, the first stage It is adapted to eject the argon gas SG 2 from the slit T 0 on the upstream side of the ring-shaped parts 5c.
上記アルゴンガス供給ポート5q、連通路5r、ガス供給路5nは不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを供給するガス供給路として機能する。 The argon gas supply port 5q, the communication path 5r, and the gas supply path 5n function as a gas supply path for supplying an inert gas or a gas containing an inert gas as a main component.
なお、アタッチメント部品4においてプラズマジェットFを通過させる貫通孔の周縁部にもリング状部品のガス流偏向部5sと同じ形状のガス流偏向部4aが形成されている。 Note that a gas flow deflecting portion 4a having the same shape as the gas flow deflecting portion 5s of the ring-shaped component is also formed at the peripheral portion of the through hole through which the plasma jet F passes in the attachment component 4.
また、上記実施形態では同じ厚さのリング状部品を複数枚連結することによってノズルを構成したが、異なる厚さのものを混在させて連結することもできる。 Moreover, in the said embodiment, although the nozzle was comprised by connecting two or more ring-shaped components of the same thickness, the thing of different thickness can also be mixed and connected.
また、上記実施形態の加速ノズル5ではノズル出口に向けて内径が段階的に拡大する末広ノズルで構成したが、連続的に拡大する末広ノズルで構成することもできる。この場合、ノズル内壁円周位置に噴射口を多数配列することによってノズル中心軸と略平行に且つ下流側に向けて圧縮空気を噴射することになる。 Moreover, although the acceleration nozzle 5 of the said embodiment was comprised with the divergent nozzle which an internal diameter expands in steps toward a nozzle exit, it can also be comprised with the divergent nozzle which expands continuously. In this case, by arranging a large number of injection ports at the circumferential position of the inner wall of the nozzle, the compressed air is injected substantially in parallel with the nozzle central axis and toward the downstream side.
2 粒子加速溶射装置による溶射方法
次に、上記構成を有する粒子加速溶射装置1の溶射方法について図1及び図3を参照しながら説明する。
2 Spraying Method Using Particle Accelerated Spraying Device Next, a spraying method of the particle accelerating spraying device 1 having the above configuration will be described with reference to FIGS. 1 and 3.
圧縮空気供給ポート5hから供給された圧縮空気SG1を、各リング状部品5c〜5fの間、およびリング状部品5fとノズルエンド5gの間の各スリットT1〜T4から高速ガス流として加速ノズル5内に噴射するとともに、アルゴンガス供給ポート5qから供給されたアルゴンガスSG2を、アタッチメント部品4と1段目リング状部品5cとの間のスリットT0から加速ノズル5内に噴射する。それにより、圧縮空気SG1とアルゴンガスSG2の混合流でノズル内壁を覆う高速のシールドガス流が形成される。 Accelerating compressed air SG 1 supplied from the compressed air supply port 5h, a high velocity gas stream from each slit T 1 through T 4 of between between each ring-shaped part 5c to 5f, and a ring-shaped part 5f and the nozzle end 5g thereby injected into the nozzle 5, the argon gas SG 2 supplied from the argon gas supply port 5q, injects the acceleration nozzle 5 from the slit T 0 between the attachment part 4 and the first stage ring part 5c. Thereby, high speed shielding gas flow covering the inner wall of the nozzle with a mixed stream of compressed air SG 1 and an argon gas SG 2 is formed.
ノズル内壁への粒子付着防止効果を得るためには、粒子を十分加速させる必要がありそのためには多量の不活性ガスを消費する。これに対し本実施形態のように、圧縮空気を併用する構成では消費ガスを削減することも可能になる。 In order to obtain the effect of preventing the adhesion of particles to the inner wall of the nozzle, it is necessary to sufficiently accelerate the particles. For this purpose, a large amount of inert gas is consumed. On the other hand, in the configuration using compressed air together as in the present embodiment, the consumption gas can be reduced.
一方、粉末原料供給路6,6からキャリアガスを介して粉末原料Mを供給し、プラズマガン3から噴射されるプラズマジェットFに対し、対向する2方向からそれぞれ1/2の供給量(1方向からのみから投入する場合の投入量を1とした場合)で粉末原料Mが投入される。それにより、プラズマジェットの偏りが抑制され、ノズル内壁への粒子の付着も防止できる。 On the other hand, the powder raw material M is supplied from the powder raw material supply paths 6 and 6 through the carrier gas, and the supply amount (one direction) is halved from the two opposing directions with respect to the plasma jet F injected from the plasma gun 3. The powder raw material M is charged in a case where the charging amount when charging from only is set to 1). Thereby, the bias of the plasma jet is suppressed, and adhesion of particles to the inner wall of the nozzle can be prevented.
プラズマジェットF中で溶融された粒子は、さらに加速ノズル5内を通過することによりノズル内壁に粒子を付着することなく粒子飛行速度の減衰も抑制され、加速ノズル5の出口部から噴射されることによりさらに溶融粒子が超音速まで加速され、その結果、高速で基材表面(図示しない)に衝突して皮膜を形成する。 The particles melted in the plasma jet F further pass through the accelerating nozzle 5 so that the particle flight speed is not attenuated without adhering to the inner wall of the nozzle, and is injected from the outlet of the accelerating nozzle 5. As a result, the molten particles are further accelerated to supersonic speed, and as a result, the molten particles collide with the substrate surface (not shown) at high speed to form a film.
2.1 粒子速度分布
図4は本実施形態の粒子加速溶射装置1による粒子速度と、従来構成のプラズマガンによる粒子速度とを比較したグラフである。
2.1 Particle Velocity Distribution FIG. 4 is a graph comparing the particle velocity obtained by the particle acceleration thermal spraying apparatus 1 of the present embodiment and the particle velocity obtained by a plasma gun having a conventional configuration.
横軸はプラズマガンノズル先端からの距離(加速ノズルをプラズマガンに装着した場合も同じ)を示し、縦軸は粒子速度を示している。また、粉末原料の平均粒子径は6μmである。 The horizontal axis indicates the distance from the tip of the plasma gun nozzle (the same applies when the acceleration nozzle is attached to the plasma gun), and the vertical axis indicates the particle velocity. The average particle diameter of the powder raw material is 6 μm.
従来のプラズマガンの粒子速度特性G1において、プラズマガンノズル先端からの距離70mmにおいては粒子速度は570m/secであるが、距離90mmでは粒子速度は525m/secまで低下する。 In the particle velocity characteristic G1 of the conventional plasma gun, the particle velocity is 570 m / sec at a distance of 70 mm from the tip of the plasma gun nozzle, but the particle velocity decreases to 525 m / sec at a distance of 90 mm.
従来のプラズマガンよりも緻密な皮膜を得るため、本実施形態では、粒子速度の目標値を600〜650m/secに設定し、溶射実験を行った。 In order to obtain a finer film than the conventional plasma gun, in this embodiment, the target value of the particle velocity was set to 600 to 650 m / sec, and the thermal spraying experiment was performed.
その結果、本実施形態による特定G2では、プラズマガンノズル先端から85mmの位置では粒子速度が732m/secと目標値を大きく超える粒子加速効果が得られた。 As a result, in the specific G2 according to the present embodiment, the particle acceleration effect of 732 m / sec, which greatly exceeds the target value, was obtained at a position 85 mm from the tip of the plasma gun nozzle.
さらに、プラズマガンノズル先端から105mmの位置でも粒子速度は721m/secと粒子加速効果が得られ、プラズマガンノズル先端から135mmの位置でも粒子速度は666m/secと目標値を上回る粒子加速効果が得られた。 Furthermore, a particle acceleration effect of 721 m / sec was obtained even at a position of 105 mm from the plasma gun nozzle tip, and a particle acceleration effect exceeding the target value was obtained at a particle velocity of 666 m / sec at a position of 135 mm from the plasma gun nozzle tip. .
このように、シールドガスとして圧縮空気SG1とアルゴンガスSG2を併用することで不活性ガスの消費量を抑えつつ、粒子速度の高速化が達成された。 Thus, while suppressing the consumption of the inert gas by a combination of compressed air SG 1 and an argon gas SG 2 as a shielding gas, speed of particle velocity has been achieved.
3 皮膜性能
3.1 Cu皮膜断面組織
次に、プラズマジェット内への空気巻き込みを極力抑え、粒子を加速することによる皮膜性能への影響を調べるために、まず、溶射された皮膜の断面組織を観察した。
3 Film performance
3.1 Cu coating cross-sectional structure Next, in order to suppress the air entrainment in the plasma jet as much as possible and investigate the influence on the film performance by accelerating the particles, first, the cross-sectional structure of the sprayed coating was observed.
図5(a)は従来のプラズマガンを用い、粉末原料としてのCuを外部供給方式によって供給し溶射を行った場合の皮膜断面組織を示し、同図(b)は本実施形態の粒子加速溶射装置によってCuを溶射した場合の皮膜断面組織を示したものである。 FIG. 5 (a) shows the cross-sectional structure of the coating when Cu is used as a powder raw material by an external supply method and sprayed using a conventional plasma gun, and FIG. 5 (b) shows the particle accelerated spraying of this embodiment. The film cross-sectional structure when Cu is sprayed by an apparatus is shown.
なお、各図において、堆積物のミクロ観察写真を分析した皮膜断面組織の左側は倍率200倍、右側は倍率1500倍を示している。粉末原料の平均粒子径はいずれも30μmである。 In each figure, the left side of the film cross-sectional structure obtained by analyzing the micro observation photograph of the deposit shows the magnification of 200 times and the right side shows the magnification of 1500 times. The average particle diameter of the powder raw material is 30 μm.
従来の溶射では、溶射後の外観は表面が酸化によって黒く変色しており、同図(a)に示すように、断面組織には酸化物の巻き込み(図中、a参照)や空隙(図中、b参照)が多数存在している。 In the conventional thermal spraying, the surface after thermal spraying is discolored black due to oxidation, and as shown in (a) in the figure, the cross-sectional structure includes oxides (see a in the figure) and voids (in the figure). , B)).
これに対し、本実施形態による溶射では、溶射後の外観は酸化が極めて少なく、表面が明るい茶色を呈している。また、同図(b)に示すように、断面組織には酸化物の巻き込みがなく、空隙も極めて少ない。 On the other hand, in the thermal spraying according to the present embodiment, the appearance after thermal spraying is very little oxidized and the surface is light brown. Further, as shown in FIG. 4B, the cross-sectional structure has no oxide involvement and very few voids.
このように、本実施形態によって形成されたCu皮膜は、従来のCu皮膜と比較して酸化物の巻き込みが少なく、酸化抑制効果の得られることが確認できた。 Thus, it was confirmed that the Cu coating formed according to the present embodiment has less oxide entanglement than the conventional Cu coating, and an oxidation inhibiting effect can be obtained.
なお、上記実施形態では、加速ノズル内部において粉末原料と雰囲気ガスとの反応が抑制されるよう不活性ガスを使用した場合について説明したが、積極的に粉末原料とガスとを化学的に反応させることを目的とする場合には、粉末原料に対して活性なガスを加速ノズル内に導入することもできる。 In the above embodiment, the case where the inert gas is used so that the reaction between the powder raw material and the atmospheric gas is suppressed inside the accelerating nozzle has been described. However, the powder raw material and the gas are actively reacted chemically. For this purpose, a gas active against the powder raw material can be introduced into the accelerating nozzle.
具体的には、粉末原料と反応性ガス(または不活性ガスと反応性ガスとの混合ガス)とを加速ノズル内に導入し、反応性ガス濃度を変化させることによって粉末原料と反応性ガスとの化学反応をコントロールすれば、目的とする組成の皮膜を形成することができる。 Specifically, a powder raw material and a reactive gas (or a mixed gas of an inert gas and a reactive gas) are introduced into an acceleration nozzle, and the reactive gas concentration is changed to change the powder raw material and the reactive gas. By controlling the chemical reaction, a film having the desired composition can be formed.
例えば、チタンの粉末原料を使用するとともに、不活性ガスとしてアルゴン、反応性ガスとして窒素をそれぞれ使用し、反応性ガス濃度を変化させることにより、柔らかくて延性の高いチタン皮膜やチタンナイトライドを含む硬質なチタン皮膜を形成することができる。 For example, using titanium powder raw material, using argon as an inert gas and nitrogen as a reactive gas, respectively, and changing the reactive gas concentration includes a soft and highly ductile titanium film and titanium nitride. A hard titanium film can be formed.
また、溶射中、反応性ガス濃度を連続的に変化させれば、厚み方向に硬さが連続的に変化する皮膜を形成することもできる。 Moreover, if the reactive gas concentration is continuously changed during thermal spraying, a film whose hardness changes continuously in the thickness direction can be formed.
3.2 アルミナ皮膜断面組織
図6は、従来装置によって形成されたアルミナ皮膜と本実施形態によって形成されたアルミナ皮膜の断面組織を比較した図である。
3.2 Cross-sectional structure of alumina film FIG. 6 is a diagram comparing the cross-sectional structures of an alumina film formed by a conventional apparatus and an alumina film formed by the present embodiment.
同図(a)は粉末原料を外部供給方式によって供給した従来のアルミナ皮膜を示し、同図(b)は本実施形態によるアルミナ皮膜を示している。 FIG. 4A shows a conventional alumina film in which powder raw materials are supplied by an external supply method, and FIG. 4B shows an alumina film according to the present embodiment.
図6(a)に示すように、従来装置で形成されたアルミナ皮膜では、気孔率が10%以上であり、また、粒子間の隙間が多いことから結合力の弱いことが推定される。また、絶縁破壊電圧を測定したところ、膜厚200μmのとき1kVDCを下回った。 As shown in FIG. 6 (a), the alumina film formed by the conventional apparatus has a porosity of 10% or more, and since there are many gaps between particles, it is estimated that the bonding force is weak. Further, when the dielectric breakdown voltage was measured, it was less than 1 kVDC when the film thickness was 200 μm.
これに対し、本実施形態によるアルミナ皮膜では、気孔率が2〜4%に留まり、1〜2μm程度の小さな気孔しか存在していない。また、絶縁破壊電圧を測定したところ、膜厚200μmのとき10kVDC以上であり、従来の皮膜に比べ皮膜性能の優れていることが確認できた。 On the other hand, in the alumina film according to the present embodiment, the porosity remains at 2 to 4%, and there are only small pores of about 1 to 2 μm. Further, when the dielectric breakdown voltage was measured, it was 10 kVDC or more when the film thickness was 200 μm, and it was confirmed that the film performance was superior to the conventional film.
3.3 摩耗試験結果
図7は従来装置によるアルミナ皮膜の耐摩耗性と本実施形態によるアルミナ皮膜の耐摩耗性を比較したグラフである。
3.3 Abrasion Test Results FIG. 7 is a graph comparing the wear resistance of the alumina film by the conventional apparatus and the wear resistance of the alumina film according to this embodiment.
同グラフは、アブレシブ摩耗を評価するスガ式摩耗試験による試験結果であり、横軸は粉末原料として用いたアルミナの平均粒径を示し、縦軸は総摩耗量を示している。 The graph shows the results of a suga-type wear test for evaluating abrasive wear. The horizontal axis represents the average particle diameter of alumina used as a powder raw material, and the vertical axis represents the total amount of wear.
また、溶射距離は70mmとした。 The spraying distance was 70 mm.
特性G3に示すように、平均粒径6μmのアルミナを使用して形成された皮膜において、従来装置による皮膜では総摩耗量が38.2mgであったが、本実施形態による皮膜では特性G4に示すように、総摩耗量が17.6mgにまで低減され、皮膜性能の向上が確認された。 As shown in the characteristic G3, in the film formed using alumina having an average particle diameter of 6 μm, the total wear amount was 38.2 mg in the film by the conventional apparatus, but the film according to the present embodiment has the characteristic G4. Thus, the total amount of wear was reduced to 17.6 mg, and the improvement of the film performance was confirmed.
なお、平均粒径20μmのアルミナを使用した場合は、従来装置による皮膜と本実施形態による皮膜との間で総摩耗量の差はほとんど無くなることから、粉末原料の粒径が小さくなるほど皮膜の粒子間結合強度が大きくなると推定される。 When alumina having an average particle size of 20 μm is used, there is almost no difference in the total amount of wear between the coating by the conventional apparatus and the coating by the present embodiment. It is presumed that the inter-bond strength increases.
また、平均粒径6μmのアルミナを使用し、溶射距離を50mmとして溶射を行ったところ、総摩耗量は11.8mg(図中、白三角記号のc点参照)まで低減され、より耐摩耗性の優れた皮膜の得られることが確認された。 Also, when alumina was sprayed with an average particle diameter of 6 μm and sprayed at a spraying distance of 50 mm, the total wear amount was reduced to 11.8 mg (see point c in the white triangle symbol in the figure), making it more wear resistant. It was confirmed that an excellent film was obtained.
また、図中、d点は参考例として、平均粒径3μmのアルミナを使用し従来装置によって形成した皮膜の耐摩耗性を示したものであり、摩擦回数400回で基材が露出した。 In the figure, point d shows the wear resistance of a film formed by a conventional apparatus using alumina having an average particle diameter of 3 μm as a reference example, and the substrate was exposed after 400 times of friction.
一方、本実施形態により形成した皮膜の総摩耗量は11mg(グラフ中、e点参照)まで低減され、より耐摩耗性の優れた皮膜が得られることが確認された。 On the other hand, the total amount of wear of the film formed by this embodiment was reduced to 11 mg (see point e in the graph), and it was confirmed that a film with more excellent wear resistance was obtained.
3.4 絶縁破壊電圧測定結果
図8は、従来装置によって1方向から粉末原料を供給し溶射することによって形成された皮膜と本実施形態の2方向から粉末原料を供給し溶射することによって形成された皮膜の絶縁破壊電圧を比較したグラフである。
3.4 Dielectric Breakdown Voltage Measurement Results FIG. 8 shows a film formed by supplying powder material from one direction and spraying with a conventional apparatus, and a film formed by supplying and spraying powder material from two directions in this embodiment. It is the graph which compared the dielectric breakdown voltage.
同グラフにおいて、横軸は溶射距離を示し、縦軸は絶縁破壊電圧値を示している。 In the graph, the horizontal axis represents the spray distance, and the vertical axis represents the dielectric breakdown voltage value.
溶射膜厚は200μmとした。 The sprayed film thickness was 200 μm.
図中、特性G5〜G7は溶射材料として平均粒径10μmのアルミナを使用し、溶射距離を変化させた場合の絶縁破壊電圧を測定したものである。絶縁破壊電圧値(平均値)は9.38(G5)、10.11(G6)、10.11(G7)kVDCであったが、溶射時にいずれもノズル内壁に粒子の付着が見られた。 In the figure, characteristics G5 to G7 are obtained by measuring the dielectric breakdown voltage when alumina having an average particle diameter of 10 μm is used as the spray material and the spray distance is changed. The dielectric breakdown voltage value (average value) was 9.38 (G5), 10.11 (G6), and 10.11 (G7) kVDC, and particles adhered to the inner wall of the nozzle during spraying.
特性G8およびG9は、平均粒径20μmのアルミナを使用し、同じく溶射距離を変化させた場合の絶縁破壊電圧を測定したものである。絶縁破壊電圧値(平均値)は8.93(G8)、8.61(G9)kVDCであり、平均粒径10μmのアルミナを使用した場合の皮膜に比べて絶縁破壊電圧値は低下するものの溶射時においてノズル内壁への粒子の付着は見られなかった。 Characteristics G8 and G9 are obtained by measuring the dielectric breakdown voltage when using alumina having an average particle diameter of 20 μm and changing the spraying distance. Dielectric breakdown voltage values (average values) are 8.93 (G8) and 8.61 (G9) kVDC, and although the breakdown voltage value is lower than that of a film using alumina having an average particle diameter of 10 μm, thermal spraying is performed. At times, no adhesion of particles to the inner wall of the nozzle was observed.
緻密な皮膜を形成するには平均粒径20μmよりも小さい粒径、より好ましくは10μmを下回る平均粒径を粉末原料として使用することが望ましい。そこで、平均粒径6μmのアルミナを使用し、溶射距離75mmで溶射を行ったところ、絶縁破壊電圧値(平均値)は8.11(G10)であったが、ノズル内壁への付着があった。 In order to form a dense film, it is desirable to use a particle size smaller than an average particle size of 20 μm, more preferably an average particle size of less than 10 μm as a powder raw material. Accordingly, when alumina having an average particle diameter of 6 μm was used and sprayed at a spray distance of 75 mm, the dielectric breakdown voltage value (average value) was 8.11 (G10), but there was adhesion to the inner wall of the nozzle. .
上記の特性G5〜G10はいずれも1方向から粉末原料を供給したものである。 Each of the above characteristics G5 to G10 is obtained by supplying the powder raw material from one direction.
これに対し、本実施形態の対向する2方向から粉末原料を供給し溶射を行う方法では、従来装置によって形成された皮膜の絶縁破壊電圧を上回る絶縁破壊電圧値(平均値)11.48(G11)kVDCが得られ、しかも、ノズル内壁への粒子の付着は見られなかった。 On the other hand, in the method of spraying by supplying the powder raw material from two opposing directions of this embodiment, the dielectric breakdown voltage value (average value) that exceeds the dielectric breakdown voltage of the film formed by the conventional apparatus is 11.48 (G11 ) KVDC was obtained, and no adhesion of particles to the inner wall of the nozzle was observed.
なお、上記実施形態では粉末原料を対向する2方向から供給する構成について説明したが、これに限らず、ノズルの中心軸Cに沿って供給することもできる。 In addition, although the said embodiment demonstrated the structure which supplies a powder raw material from two opposing directions, it can also supply along the central axis C of not only this but a nozzle.
プラズマ溶射装置には、3本の電極よりプラズマジェットを発生させるように構成された溶射ガンがある。このような構成の溶射ガンに本発明の加速ノズルを装着する場合、複数の電極の中心付近からプラズマジェットの噴射方向と同方向に粉末原料を投入し、溶融粒子を加速ノズルで加速させることができる。 The plasma spraying apparatus includes a spray gun configured to generate a plasma jet from three electrodes. When mounting the accelerating nozzle of the present invention on the spray gun having such a configuration, the powder raw material is introduced from the vicinity of the center of the plurality of electrodes in the same direction as the jet direction of the plasma jet, and the molten particles can be accelerated by the accelerating nozzle. it can.
1 粒子加速溶射装置
2 プラズマガンノズル部
3 プラズマガン
4 アタッチメント部品
4a ガス流偏向部
5 加速ノズル
5a 本体部
5b ノズル部
5c〜5f リング状部品
5g ノズルエンド
5h 圧縮空気供給ポート
5i 連通路
5j〜5m ガス供給路
5n ガス供給路
5q アルゴンガス供給ポート
6 粉末原料供給路
5r 連通路
5s ガス流偏向部
F プラズマジェット
SG1 圧縮空気
SG2 アルゴンガス
T0,T1〜T4 スリット(噴射口)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Particle acceleration spray apparatus 2 Plasma gun nozzle part 3 Plasma gun 4 Attachment part 4a Gas flow deflection | deviation part 5 Acceleration nozzle 5a Main body part 5b Nozzle part 5c-5f Ring-shaped part 5g Nozzle end 5h Compressed air supply port 5i Communication path 5j-5m Gas Supply path 5n Gas supply path 5q Argon gas supply port 6 Powder raw material supply path 5r Communication path 5s Gas flow deflection unit F Plasma jet SG 1 Compressed air SG 2 Argon gas T 0 , T 1 to T 4 slit (injection port)
Claims (8)
プラズマジェットを噴射するプラズマガンのノズル部と接続される加速ノズルを有し、
上記加速ノズルは、その先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有し、上記ノズル孔における周方向内壁に、加速ノズル先端側に向けて略筒状のシールドガスを噴射するための噴射口が形成され、
上記噴射口は、上記ノズル孔の中心軸方向に複数段設けられ、各段の噴射口にガスを供給するガス供給路が個別に設けられ、プラズマジェットの噴射方向において少なくとも最上流側の上記噴射口に通じる上記ガス供給路に、不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスが供給されるように構成され、上記最上流側の噴射口以外の上記各段の噴射口のうち、少なくとも一つの上記噴射口に通じる上記ガス供給路に圧縮空気、酸素、水素、又は炭酸ガスが供給されるように構成されていることを特徴とする粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置。 In a plasma spraying apparatus for forming a film by supplying a powder raw material as a thermal spraying raw material,
Having an acceleration nozzle which is connected to the nozzle of the plasma gun that injects flop plasma jet,
The accelerating nozzle has a nozzle hole whose inner diameter continuously or stepwise expands toward the tip, and injects a substantially cylindrical shield gas toward the tip of the accelerating nozzle on the inner circumferential wall of the nozzle hole. An injection port is formed to
The injection ports are provided in a plurality of stages in the central axis direction of the nozzle hole, and gas supply passages for supplying gas to the injection ports of the respective stages are individually provided, and at least the most upstream side injection in the plasma jet injection direction. An inert gas or a gas containing an inert gas as a main component is supplied to the gas supply path that communicates with the mouth, and at least of the above-described jet ports other than the most upstream jet port, A plasma spraying apparatus with a particle acceleration nozzle, wherein compressed air, oxygen, hydrogen, or carbon dioxide gas is supplied to the gas supply path leading to one of the injection ports.
上記プラズマジェットを噴射するプラズマガンのノズル部に、先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有する加速ノズルを接続し、
上記ノズル孔の中心軸方向に複数段設けられた噴射口からガスを噴射し、プラズマジェット噴射方向における少なくとも最上流側の噴射口からは不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを筒状に噴射し、プラズマジェット噴射方向における上記最上流側の噴射口以外の上記各段の噴射口のうち、少なくとも一つの上記噴射口から圧縮空気、酸素、水素、又は炭酸ガスを筒状に噴射し、
上記プラズマガンから噴射されるプラズマジェットの周囲にシールドガス流を形成し、上記ノズル孔を通過する溶融粒子を加速させることを特徴とするプラズマ溶射方法。 In a plasma spraying method in which a gas is supplied to an arc generated between electrodes to form a plasma gas, a powder raw material is supplied to a plasma jet in which the plasma gas is converged, and sprayed onto a processing target.
An acceleration nozzle having a nozzle hole whose inner diameter is continuously or stepwise expanded toward the tip is connected to the nozzle portion of the plasma gun for injecting the plasma jet,
Gas is injected from a plurality of injection holes provided in a plurality of stages in the central axis direction of the nozzle hole, and an inert gas or a gas containing an inert gas as a main component is cylindered from at least the most upstream injection port in the plasma jet injection direction. And injecting compressed air, oxygen, hydrogen, or carbon dioxide in a cylindrical shape from at least one of the above-mentioned injection ports other than the most upstream injection port in the direction of plasma jet injection And
A plasma spraying method characterized by forming a shield gas flow around a plasma jet ejected from the plasma gun and accelerating molten particles passing through the nozzle hole.
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