JPS6242666B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、プラズマ溶射法による支持体に対す
る被覆の適用に関し、詳言すればプラズマスプレ
ーガン装置からの流出物を、周囲の環境による汚
染より遮蔽するための方法及び装置に関する。 電気アークを用いてガスを励起し、それによつ
て極めて高い温度の熱プラズマを生ずるプラズマ
スプレーガン装置は公知である。この熱プラズマ
中に吹付材料又は粉末材料を投入して溶融しかつ
支持体又はベース上に投射して被覆を形成する。
このような粉末材料は、例えば金属、合金、金属
酸化物のようなセラミツク及び炭化物等を包含す
ることができる。 従来は、スプレーガンのノズルからの流出物の
汚染のために諸困難、例えば空気の取込みが経験
され、その結果被覆材料のゆゆしき酸化が起つ
た。吹付条件、特に熱及び速度は、粉末を加熱し
てそれを丁度溶融するに足る程度に調節されるこ
とが多かつた。この問題を克服するために幾多の
試みがなされたけれども、めざましい成功はなか
つた。このような試みの一つは装置をチヤンバー
で完全に包囲することを必要とした。しかしこれ
は高価であり、また極めてやつかいでもあつた。
他の装置の場合にはこの問題を解決するためにガ
スシユラウドを用いる努力がなされた。例えばジ
ヤクソン（Jackson）の米国特許第3470347号は
未加熱ガスの同軸環状流を用いることを開示して
いる。しかしこれは、高価なガス、例えばアルゴ
ンの比較的大きな流れを必要とした。更にこのよ
うな先行技術の装置に関してはシユラウド装置で
被覆を施す傾向があつた。当業界の他の関連特許
の中には、例えば米国特許第2951143号〔アンダ
ーソン（Anderson）等〕；米国特許第3082314号
（ヨシアキ・アラタ等）；米国特許第3313909号
〔アンガー（Unger）等〕がある。 本発明の基本的かつ全般的目的は、先行技術の
諸困難の一部を克服するか又は少なくとも軽減す
る新規改良方法及び装置を提供することである。 更に特定な目的は、下記の点：付着率を高める
こと；金属材料用流出物中の酸素量の減少；未溶
融混入粒子の減少；供給量の増大；被覆の品質改
良の１つ又はそれ以上に関して改善された方法及
び装置を提供することである。 前記目的、及び本明細書中でやがて明白になる
その他の目的と利点を達成するために、本発明は
その１つの形として、その中を通るノズル通路を
有するノズル電極、後部電極及びノズル電極中を
プラズマ形成ガスを通すための手段を組合せて包
含する、支持体を被覆するための新規改良装置の
提供を企図している。更に該装置は、電極間にア
ーク形成電流を通してプラズマ流出物を形成する
ための手段及びプラズマ流出物中に被覆材料を投
入するための手段も包含する。更にまた、本発明
による装置は、ノズル電極の出口から伸長するプ
ラズマ流出物のための壁シユラウド及び壁シユラ
ウド内、場合によつては壁シユラウドを越えて伸
長するプラズマ流出物のフレームシユラウドを形
成するための手段も包含する。 本発明の一つの有利な形では、フレームシユラ
ウドにプラズマ流出物の軸線に関して約160゜〜
約180゜の角の方向が与えられ、更に有利にはフ
レームシユラウドにプラズマ流出物の軸線に関し
て約180゜の角の方向が与えられる。 本発明の一側面によれば、壁シユラウドは円筒
状であつて、このシユラウドを冷却する水のため
の手段が設けられている。 本発明の一つの形では、少なくとも壁シユラウ
ド内のプラズマ流出物のフレームシユラウドを形
成するための手段は、壁シユラウドの出口の付近
に配置されたバーナー手段より成る。本発明の一
側面によれば、バーナー手段内のガスは可燃性混
合物、例えば空気又は酸素と、プロパン、アセチ
レン、アパツチ（APACHI）ガス〔エア・プロ
ダクツ（Air Products）Inc.製〕マツプ
（MAPP）ガス〔ダウ・ケミカル・カンパニー
（Dow Chemical Company）製〕又は水素との混
合物である。有利には高分子量ガスが使用され
る。また若干の装置では、可燃性液体も用いられ
る。 本発明の他の形では、壁シユラウドの外端の付
近に環状マニホールドが取付けられていて、この
ものはプラズマフレームが壁シユラウドを出て標
的支持体に向つて進むにつれてプラズマフレーム
の周りに環状カーテン効果を与えるためのジエツ
トオリフイス手段を有する。 また本発明は、支持体に被覆材料をプラズマ溶
射するための方法も指向する。本発明によるこの
方法は、プラズマ形成ガスをノズル電極の中を通
し、ノズル電極と後部電極との間にアーク形成電
流を通してプラズマ流出物を形成する段階を含
む。更に本方法は、プラズマ流出物中に被覆材料
を投入し、プラズマ流出物をノズル電極の出口か
ら延長される壁シユラウドの中を通しかつ壁シユ
ラウド内のプラズマ流出物のためのフレームシユ
ラウドを形成する段階も含む。被覆材料がプラズ
マ溶射にとつて適当な任意の形、例えば中実線材
又は棒材であつてもよいことは明らかであろう。
しかし粉末が有利である。粉末はさらさらしてい
てもよいし、あるいはプラスチツク結合ワイヤ等
のようなバインダー中にあつてもよい。プラズマ
流出物中に投入される吹付材料は、アークプラズ
マフレームの上流を含む任意の有利な位置で投入
してもよい。しかし概しては、アークプラズマフ
レームの下流点で、有利には下流側のノズル出口
の付近で投入する。更に数個の投入点を同時に用
いてもよい。 本発明によれば、フレームシユラウドに有利に
はプラズマ流出物の軸線に関して約180゜の角の
方向が与えられる。本方法は、本発明の他の側面
として、プラズマ流出物がプラズマスプレーガン
装置を出るにつれてプラズマ流出物の周りに環状
流動カーテンを形成する段階を含む。 以上、本発明のより重要な特徴を可成り広い範
囲で概説したが、これは以下の本発明の詳細な説
明がより良く理解されかつ当該技術に対する本発
明の貢献がより正しく認識されんがためである。
もちろん、本発明には、以下に詳述する他の特徴
もある。本発明の開示の基礎となつている着想
を、本発明の幾多の目的を達成するための他の方
法及び装置の設計のための基礎として容易に利用
しうることは当業者の当然とするところであろ
う。従つて本発明の開示を、本発明の精神及びそ
の範囲から逸脱しないような同等の方法及び装置
を包含するものと考えることが大切である。 次に図面により幾多の実施態様を示して本発明
を説明する。 第１及び２図に図示した本発明の実施態様に関
して、１０で全体を示した、支持体１１を被覆す
るためのプラズマスプレーガン装置は、ノズル孔
又はノズル通路１４を有するノズル電極１２及び
電極ホルダ１８に取付けられた後部電極１６を含
む。ケーブルコネクター２０及び２２は電極を適
当な電源に接続する役目をする。プラズマ形成ガ
ス、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム、水素等
を、適当な圧力源からコネクター２４を通して電
極１６の先端の周りの空間１４中に入れ、電極先
端のそばに形成された還状通路及びノズルのテー
パー部分の中を通す。電流は、コネクター２０か
ら電極ホルダ１８を通つて電極１６に、電極１６
の弧状の先端からノズル１２に、それからコネク
ター２２へと流され、それによつてノズル電極１
２の出口２６を通つて外に伸長する高熱のプラズ
マスプレーが形成される。所望の場合には、第一
ガスに１種類又はそれ以上の第二ガスを混合させ
ることができる。 熱可融性粉末被覆材料、例えば粉末金属又はセ
ラミツク等はキヤリヤーガスで連行されるが、こ
のガスは適当な源からその目的のために設けられ
たコネクター２８を通つて受入れられる窒素、ヘ
リウム、アルゴンのようなガスであつてもよく、
あるいは空気でさえあつてよい。図示した実施態
様に関しては、粉末材料はノズル出口２６の付近
でプラズマフレーム中に、例えばノズル３０の手
段によつて射出される。動作の結果として、プラ
ズマ流出物又はフレームとこれに運搬された粉末
材料は矢３２で示した方向に高速度で進む。プラ
ズマ流出物又はフレームの軸線は３３で示す。 本発明によれば、ノズル出口２６に隣接したノ
ズル１２に、３４で示した環状に形成された壁シ
ユラウドが取付けられてシユラウドチヤンバー３
７を形成する。図示した実施態様に関しては、壁
シユラウド３４は円筒状であつて、内側段付部分
３８及び外側段付部分４０を有する。 また、壁シユラウド３４の外端には４２で全体
を示したガスバーナーが取付けられているが、こ
のものは、プラズマ流出物又はフレームの軸線３
３に関して約160゜〜180゜の角の方向が与えられ
る多数のジエツトオリフイス４６を与える環状プ
レナムチヤンバー４４を包含する。有利には、ジ
エツトオリフイスはプラズマフレームの軸線３３
に関して約180゜の角の方向が与えられて、壁シ
ユラウドの付近のチヤンバー３７内に矢４８で示
すような環状燃焼フレームシユラウドを形成す
る。またジエツトオリフイスは連続的に細いスリ
ツト様輪形口の形であつてもよい。フレームシユ
ラウド用燃焼ガスは、調節装置５０、燃焼ガス入
口５２及び壁シユラウド内の管５４を通つてプレ
ナムチヤンバー４４に供給される。前記調節装置
の機能は後述する。 当該種類のプラズマスプレーガンに必然的に伴
う高温のために、水冷却が設けられている。ケー
ブルコネクター２０及び２２は、冷却水がその中
を強制される水冷却式ケーブルを差込めるような
構造を有する。この冷却水はコネクター２２を通
りかつノズル１２をぐるりと周つて、次に水ジヤ
ケツト５６の片側を通つて外方へ流れ、今度は他
の側を通つて内方へ流れて壁シユラウド３４を冷
却する。その後冷却水は通路５８中を導かれて電
極１６を冷却し、次いでコネクター２０を通つて
系から流出する。 壁シユラウド３４内の矢４８で示すようなフレ
ームシユラウドは、矢３２で示すようにアークプ
ラズマフレームの出口流に向う方向が与えられ
る。これら２つの流れが合体すると、両フレーム
ガスの高温と相俟つてアークプラズマジエツトに
よる周囲大気の特性的吸引が達成され、プラズマ
ジエツトは、他の状態では吹付材料との管理はず
れの酸化反応を生ずる傾向のある冷気流又は連行
空気によつて急冷されない。任意の適当な燃焼混
合物を用いてもよい。しかし、高分子量ガスを用
いて相当な膨張特性及び比較的多量の燃焼生成物
を与えることが望ましいと判明した。現在のとこ
ろ有利な燃焼混合物には、空気又は酸素と、アセ
チレン、プロパン、アパツチ（APACHI）ガス
〔エア・プロダクツ（Air Products）Inc.製〕、マ
ツプ（MAPP）ガス〔ダウ・ケミカル・カンパニ
ー（Dow Chemical Company）製〕又は水素と
の混合物が含まれる。前記調節装置はプレナムチ
ヤンバー４４に供給されるガスの特性を調節する
役目をする。若干の装置では燃焼混合物を予熱す
るのが望ましい。更に、吹付けられる特定の材料
に依存して燃焼ガスを調節して、チヤンバー３７
内及びその出口の向うに酸化性、中性又は還元性
雰囲気を与えることもできる。これによつて吹付
被覆の化学的組成を、例えば炭化物、鉄等の炭素
量の調節によつて調節することができ、またチタ
ン酸バリウムのような化合物を、酸素量の通常の
還元なしに吹付けることができる。一般に、金属
の吹付けには還元雰囲気が必要であり、セラミツ
クを吹付ける場合には過剰の酸素を供給するのが
望ましい。 次に、本発明の特徴を更に説明するために、シ
ユラウドのない慣用プラズマスプレーガン装置
と、環状壁シユラウド及びこの壁シユラウドの付
近の内部の、プラズマフレームの軸線に関して約
180゜の角の方向の与えられた環状フレームシユ
ラウドを包含する本発明による構造を有するプラ
ズマスプレーガンで同一材料を吹付けて得られる
比較試験結果を示す表を掲げる。表中記載の摩耗
抵抗は、下記のアデンダム（Addendum）の表
の試験手順により確定した。試験結果より、本発
明のスプレーガン装置の明らかに優れていること
が判る。 アデンダム（ADDEMDUM）の表 摩耗抵抗の試験報告 被覆をつくるのに適した状態で粉末を吹付け、
該被覆の摩耗抵抗を次のように試験した： (1) 被験ボタン（被覆を含む）の厚さを超マイク
ロメーターを用いて４個所で測定してその読み
を記録する（ボタンの外面に符号を付けるか又
は数字を書いてこの４点を次の測定のために定
位する）。 (2) 各ボタンを化学平秤で正確に秤量して重さを
記録する。 (3) ボール盤主軸に回し装置を差込む。 (4) ボール盤テーブル上に台秤を置く。ボール盤
アーム（ハンドル）を水平位置の方へ引下して
適所に固定する。 (5) 回し装置が台秤に11.25Kgの荷重を示すまで
ボール盤テーブルを上げる。 (6) ボール盤主軸を弛める。重りをボール盤アー
ムにかけて、台秤に11.25Kgの読みを示すよう
にアームを定位させる。この読みの得られるア
ーム上の点に目印をつける。 (7) 台秤を除く。 (8) 主軸を上げかつ調心ピンを3.18cmの盲ピンと
代える。 (9) ２個の被検ボタンを摩耗トラツク上におく。
回しピンがボタンの回し孔に入るまで主軸を下
げ、適所で止める。ボタンには荷重はかからな
い。 (10) ボール盤を始動する。マシン用軽油200c.c.中
の研磨剤25ｇのスラリー中に十分に混じたアル
ミナ研磨粉〔メトコ（Metco）101−270メツシ
ユ＋15ミクロン〕のスラリーをなべに注ぐ。主
軸を弛めて11.25Kgの荷重を被検ボタンに加え
る。出発時間を記録する。 (11) この試験を20分実施する。 (12) ボタンを移動して溶剤で染う。重さと厚さを
測定し、読みを記録して切めの読みと比較す
る。

【表】 次の例によりプラズマスプレーガン装置の代表
的な動作を述べる。 例 １ 第１及び２図に示したプラズマスプレーガン装
置と類似の装置を用いた。ノズル電極１２の内径
D₁は0.635cm（0.25in.）であつた。壁シユラウド
の内径D₂は381cm（1.50in.）であり、ガスバーナ
ー４２の内径D₃は2.92cm（1.15in.）であつた。ノ
ズル１２は端とガスバーナーの内端の間の距離Ｌ
は4.32cm（1.7in.）であり、ノズル電極１２の端
と支持体又は加工部分１１との間の距離L₂は6.98
（2.75in.）であつた。粉末被覆材料用ノズル３０
の直径は0.152cm（0.060in.）であつた。直径
0.0711cm（0.028in.）を有する36個のジエツトオ
リフイス４６は直径3.51cm（1.38in.）の円周上で
使用した。使用プラズマガスは圧力100p.s.i.g.及
び流量90s.c.f.h.のアルゴン及び圧力60p.s.i.g.及
び流量7s.c.f.h.の水素であつた。アーク電流は
48Vで700Aであつた。使用シユラウドガスは圧力
50p.s.i.g.で流量400s.c.f.h.の空気と、圧力50p.s.
i.g.で流量90s.c.f.h.のプロパンとを混合したもの
であつた。粉末被覆材料は粒経約10〜約40μ及び
流量6s.c.f.h.を有するコバルトを基礎とする合金
であつた。キヤリヤーガスは7s.c.f.h.のアルゴン
であつた。得られた被覆は大体において、普通慣
用スプレーガンを用いて得られた被覆より優秀で
あつた。 若干の装置に関して、ガスバーナー４２の外端
に環状マニホールド５９（第３図）が取付けられ
ている。このマニホールドに冷却水又は例えば窒
素又はアルゴンのような不活性ガスが入口６１に
よつて供給され、マニホールドの支持体１１の側
には環状オリフイス出口手段６０が設けられてい
て、矢６２の示すようにプラズマフレームの周り
に環状カーテン効果を与える。ジエツトスプレー
は吹付流を遮蔽する役目をするばかりでなく、ス
プレーコーンの調節も許し、更に支持体を若干冷
却する役目もする。同様に、同マニホールドをプ
ロパンで使用して吹付流の周りに第２のフレーム
シユラウドを与え、それによつて更に被覆の酸化
物量を減少させることもできる。若干の装置に関
しては、この目的のために二酸化炭素を使用する
のが望ましい。 第１及び２図の実施態様は目下のところ有利な
実施態様であるが、本発明の他の望ましい実施態
様を第５〜９図に図示する。第５図は、プラズマ
フレーム又は流出物６６が６８で示す軸線に沿つ
て縦方向に貫通する環状壁シユラウド６４の略示
図である。この実施態様では環状フレームシユラ
ウド７０にプラズマ流出物の流れ方向に平行な方
向が与えられる。 第６図の実施態様では、プラズマ流出物６６は
その軸線６８に沿つて縦方向に環状壁シユラウド
７２を貫通し、環状フレームシユラウドにはプラ
ズマ流出物の流れ方向に平行に伸びる成分を有す
る角の方向が与えられる。 次の第７図の実施態様に関しては、プラズマ流
出物６６はその軸線６８に沿つて縦方向に環状壁
シユラウド７６を貫通し、フレームシユラウド形
成ガスの一部分は７８で示すようにプラズマ流出
物又はフレームの軸６８に関して約180゜の角で
導入されかつ前記ガスの他の一部分は８０で示す
ようにプラズマ流出物の流れ方向に平行に伸びる
成分を有する角で導入される。 第８図の実施態様に関しては、プラズマ流出物
６６はその軸線６８に沿つて縦方向に環状壁シユ
ラウド８２を貫通し、環状フレームシユラウド８
４には前記プラズマ流出物の流れ方向と反対の方
向に伸びる成分を有する角の方向が与えられる。 第９図は、プラズマ流出物６６がその軸線６８
に沿つて縦方向に環状壁シユラウド８６を貫通す
ることより成る本発明の他の実施態様を示す。フ
レームシユラウド形成ガスの一部分は８８で示す
ようにプラズマ流出物の軸線６８に関して約180
゜の角で導入されかつ前記ガスの他の部分は９０
で示すようにプラズマ流出物の流れ方向と反対の
方向に伸びる成分を有する角で導入される。 従つて、フレームシユラウド形成ガスが１個又
はそれ以上の入口で導入され、各入口が０〜約
180゜の角で配置されていて、プラズマ流出物の
流れ方向に対して垂直であつてもよいことは明ら
かであろう。 以上によつて、本発明が実際に、付着率、酸化
物量の減少、未溶融混入粒子の減少ならびに他の
装置的特性に関して慣用スプレーガンよりも優秀
な新規改良プラズマスプレーガン装置を与えるこ
とが判るであろう。 以上、特に本発明の有利な形に関して本発明を
説明したが、本発明を理解した後では、本発明の
精神及びその範囲から逸脱することなく幾多の変
更と変形とをなし得ることは当業者の当然とする
ところであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマスプレーガン装
置の中央断面図であり、第２図は第１図における
２−２で示した線に沿つて描き取つた断面図であ
り、第３図は本発明の他の実施態様によるプラズ
マスプレーガンの出口部分を示す中央部分断面図
であり、第４〜８図はそれぞれ本発明の他の実施
態様に壁シユラウド及びフレームシユラウドの配
置を示す略示図である。 １１……支持体、１２……ノズル電極、１４…
…ノズル通路、１６……後部電極、２０，２２…
…ケーブルコネクター（冷却水の出口）、２６…
…ノズル電極出口、３０……ノズル（粉末材料投
入）、３２，６６……プラズマ流出物、３３，６
８……プラズマ流出物の軸線、３４，６４，７
２，７６，８２，８６……環状壁シユラウド、３
７……シユラウドチヤンバー、４２……ガスバー
ナー全体、４４……環状プレナムチヤンバー、４
６，６０……ジエツトオリフイス、４８，７０，
７４，７８，８０，８４，８８，９０……フレー
ムシユラウド、５２……燃焼ガス入口、５４……
燃焼ガス管、５６……水ジヤケツト、５９……環
状マニホールド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 支持体を被覆するためのプラズマスプレーガ
   ン装置において、この中を通るノズル通路を有す
   るノズル電極；後部電極；プラズマ形成ガスをノ
   ズル電極中を通す手段；被覆材料をプラズマ流出
   物中に投入するための手段；ノズル電極の出口か
   ら伸長する前記プラズマ流出物のためのシユラウ
   ド；及び少なくとも壁シユラウド内の前記プラズ
   マ流出物のためのフレームシユラウドを形成する
   ため手段を組合わせて成る支持体を被覆するため
   のプラズマスプレーガン装置。 ２ 少なくとも壁シユラウド内の前記プラズマ流
   出物のフレームシユラウドを形成するための前記
   手段が、壁シユラウドの出口付近に配置されたバ
   ーナー手段より成る特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 ３ 前記バーナー手段がプラズマ流出物の軸線に
   関して約180゜の角の方向の与えられたジエツト
   オリフイス手段を有する環状プレナムチヤンバー
   を包含する特許請求の範囲第２項記載の装置。 ４ 前記バーナー手段が更に前記壁シユラウドを
   貫通する燃焼ガス入口手段も含む特許請求の範囲
   第３項記載の装置。 ５ 壁シユラウド内の前記プラズマ流出物のフレ
   ームシユラウドを形成するための前記手段が、高
   分子量燃焼混合物を燃焼するための手段を含む特
   許請求の範囲第１項記載の装置。 ６ 高分子量燃焼混合物がプロパンを含む特許請
   求の範囲第５項記載の装置。 ７ 支持体に被覆材料をプラズマ溶射するに当た
   り、プラズマ形成ガスをノズル電極の中を通し；
   前記ノズル電極と後部電極との間にアーク形成電
   流を通してプラズマ流出物を形成し；このプラズ
   マ流出物中に被覆材料を投入し；プラズマ流出物
   を前記ノズル電極の出口から延長される壁シユラ
   ウド中を縦方向に通し；かつ少なくとも壁シユラ
   ウド内の前記プラズマ流出物のためのフレームシ
   ユラウドを形成する段階より成る被覆材料を支持
   体にプラズマ溶射するための方法。 ８ 更にフレームシユラウド用燃焼ガスを予熱す
   る段階も含む特許請求の範囲第７項記載の方法。 ９ フレームシユラウド形成用混合物が高分子量
   の燃焼混合物である特許請求の範囲第７項記載の
   方法。 １０ フレームシユラウド形成用燃焼混合物がプ
   ロパンを含む特許請求の範囲第７項記載の方法。 １１ フレームシユラウド形成用燃焼混合物がア
   セチレンを含む特許請求の範囲第７項記載の方
   法。 １２ フレームシユラウド形成用燃焼混合物がマ
   ツプ（MAPP）ガスを含む特許請求の範囲第７項
   記載の方法。 １３ フレームシユラウド形成用燃焼混合物がア
   パツチ（APACHI）ガスを含む特許請求の範囲
   第７項記載の方法。 １４ フレームシユラウド用燃焼混合物が水素を
   含む特許請求の範囲第７項記載の方法。