JPH03505104A - プラズマ処理法およびプラズマトロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマ処理法およびプラズマトロン 発明の分野 本発明番イプラズマ技術、より詳細には、プラズマ処理法およびプラズマトロン に係る０本発明は、好ましくは耐火物粉末を用いる溶射被覆（ｓｐｒａｙ−ｃｏ ａｔｉｎｇ）　、粒子球状化処理、粉末表面仕上のためならびに製品のプラズマ −化学処理のために使用されうる。

従来技術 プラズマジェットを発生させ、そして円筒形ダクトを通して供給されるキャリヤ ガスによって噴霧されるべき材料粉末をプラズマジェット中へ導入することを含 んでいるプラズマ溶射法（ｐｌａｓｍａ　ｓｐｒａｙｉｎｇ）が当技術において 知られている（ＦＲ，Ｂ。

２０２６００Ｂ）　。

該方法を実行するプラズマトロンは、慣用の設計であり、すなわち、それは、ノ ズルによって形成されるアノードおよびカソードを含んでなり、粉末をプラズマ ジェット中に供給するための円筒形ダクトが、アノード内に設けられている（Ｆ Ｒ，Ｂ、　２０２６００６）　。

この方法およびこの方法を実行するプラズマトロンの１つの欠点は、プラズマジ ェット中のその断面を横切る粉末分布が不均一であるということである。これに より、プラズマ中の粉末の不均一な溶融および加速のような好ましくない作用が もならされ、これが、続いて噴霧された被覆物の性質の低い再現性へと導く。

従って、最近、粉末のような加工成分を、プラズマ流を取り囲んでいる環状スロ ットに沿って、流れ方向に対しである角度をなして、プラズマ流中へ導入するこ とを含んでいるプラズマ処理法がますます使用されるようになってきた（ＥＬＳ 、＾、　４０８０５５０）、いくつかのプラズマトロンにおいては（ＦＲ，Ｂ、 　２３７６５８０゜ＳＵ、＾、　５０３６０１）　、環状スロットがカソードと アノードとの間に配置されており、他の場合には、環状スロットは、ノズル型ア ノードとその後に位置したノズルとの間に、すなわちプラズマジェットの電圧の 印加されていない（ｄｅｅｎｅｒｇｉｚｅｄ）領域内に配置されている（ＵＳ、 ＾、　３０７１６７８）　、後者の場合、プラズマトロンの電気領域および加工 領域は、お互いに隔離されている。

それが好まれうる。なぜならば、粉末運搬ガスは、アークの電気的性質に対して いかなる顕著な作用も及ぼさないからである。

環状スロットに沿った加工成分の供給を使用する上記プラズマ処理法の全ておよ び対応するプラズマトロンは、加工成分がプラズマジェットの断面にわたってか なり均一に分布されるけれども、その横断面にわたる気体力学的および熱力学的 性質の分布が決して均一でないという点にある不利益をこうむる。その結果とし て、プラズマジェットの周辺領域にある粉末は、軸方向領域にある粉末よりも少 ない程度だけ加熱されまた加速される。これにより、処理された製品、例えばプ ラズマ溶射被覆物の性質の劣化がもたらされる。

プラズマジェット−所要の加工パラメータに依存する層流ジェットまたは乱流ジ ェットのいずれか−が発生され、加工成分およびキャリヤガスが、プラズマジェ ットを取り囲んでいる環状スロットに沿って供給され、そしてプラズマおよび加 工成分の流れが合併した後に、集束用ガスがプラズマの均質流れ中に導入されて 、プラズマジェットを加工成分で集束するようなプラズマ処理法（ＳＵ、＾、　 ６５６６６９）には、上記のようないかなる欠点も存しない、この場合、加工成 分（キャリヤガスと共に）および集束用成分は、ジェット運動方向に対して直角 にまたは一定の角度をなして供給される。

この方法を実現するように設計されたプラズマトロンは、カソードおよびノズル 型アノードを含み、続いてその後にプラズマジェットの方向に配置されたアノー ドと同軸の１つまたはそれ以上のノズルを設けてなる（ＳＯ，＾、　６５６８６ ９）　、お互いに向い合っている隣接ノズルの表面は、プラズマトロン軸に対し て直角をなしているかまたは同じ角度をなしている。アノードとすぐに続くノズ ルとの間にある環状スロットは、加工成分をキャリヤガスと共にプラズマジェッ トへ導入するのに役立ち、またアノードの後に位置した隣接ノズル間の環状スロ ットは、集束用ガスを供給するように設計されている。そのため、加工成分を供 給するための環状スロットおよび集束用ガスを供給するための環状スロットは平 行に延びているか、あるいはむしろそれらはプラズマトロン軸と同じ角度をなし ている。

集束される加工成分によるプラズマジェットにもとづいて、ジェットの横断面積 は減少し、そしてその成分は、より簡潔にすなわちその経路に沿っているが、わ ずかにそれて運動し、プラズマ処理によって製造された製品の性質を改良せしめ うる。

しかしながら、これらの改良された性質は、プラズマジェット、かくしてプラズ マトロンの電力の増加と共に可能であるにすぎない、この現象についての説明を 以下に行う。

ＳＵ、＾、　６５６６６９のプラズマトロンを使用して実行する方法においては 、加工成分の集束は、その成分がプラズマジェットとすでに合併した時点で、す なわち成分がジェット中で十分に加速されて、高速度を得た時点で達成される。

従って、加工成分を集束するために、すなわちその速度ベクトルの方向を変える ために、プラズマジェットに対する集束用ガスの有意な気体力学的作用が要求さ れる。換言すれば、集束用ガスの流量は、十分に高くかつプラズマ発生ガスの場 合に匹敵できるべきである。

しかしながら、これは、プラズマジェットの冷却（ｃｏｏｌ　ｉｎｇ−ｄ。

ｗｎ）ならびにその横断面を横切る有意な温度および速度の勾配をもたらすかも しれない、それが発生しないようにするため、プラズマジェット電力を増加せし めなければならない。しかしながら、プラズマトロンの電力増加は、製作工程を 実施するための電力消費量（すなわち、処理されるべき商品当たりの電力消費量 、例えばプラズマまたはプラズマ−化学被覆の場合における単位面積当たりの電 力消費量）の上昇へと導く。

発明の要約 本発明は、加工成分を集束するための集束用ガス（ｆｏｃｕｓｉｎｇｇａｓ　） が、本質的にプラズマジェットを冷却することなく、すなわちその気体力学的お よび熱力学的性質を減じることなく導入され、それによってプラズマトロン電力 を増加せしめる必要性もなしに高性能プラズマ処理が得られうるようなプラズマ 処理法およびプラズマトロンを提供しようと試みるものである。

この問題は、プラズマジェットを発生させ、プラズマジェットを取り囲んでいる 環状スロットに沿ってプラズマジェットにキャリヤガスと共に加工成分を供給し 、そしてプラズマジェット中の加工成分を集束用ガスによって集束すること（ｆ ｏｅｕｓｉｎｇ）を含むプラズマ処理法において、本発明によれば、集束用ガス をプラズマジェットと加工成分を有するキャリヤガス流との合併領域へ導入する ということを提供することによって解決される。

加工成分およびプラズマジェットの合併領域においては、この成分流れは、それ がジェットとの相互作用の結果として手に入れる高速度をいまだ達成していなか った。そのため、加工成分を集束するには、すなわちこの領域における加工成分 の速度ベクトルを変化するには、ジェットに対する集束用ガスのさらにより小さ な気体力学的作用が要求され、かくして、Ｓｔｌ、＾、６５６６６９のプラズマ トロンにおいてそうであるように、集束がプラズマジェットに沿って下流で行わ れる場合に、それよりも少ないこのガスの流量が必要となる。少ない流量で供給 された集束用ガスは、プラズマジェットの気体−熱力学的性質に対するどんな有 意な作用も生じない、そのため、提案した方法は、プラズマジェットの一定の電 力に、より質の高いプラズマ処理を見込んでいる。

プラズマジェットが層流である場合、加工成分をプラズマジェット中へ導入する 領域におけるキャリヤガスの平均速度ｖ２および集束用ガスの平均速度ｖコは、 好ましくは次式によって与えられる： ρ２Ｖ２”＝　（５５〜８３）ρ＋Ｖ＋２／　（９０−α）２゜ｐ−５Ｖｘ２＝ 　　（０，０３〜　０．１）ｐ　ＩＶＩ”（上式中、ρ３．ρ７．ρ、は、加工 成分をプラズマジェット中へ導入する領域におけるプラズマ、キャリヤガスおよ び集束用ガスのそれぞれの平均密度であり、 ■、は、プラズマジェット中への加工成分の導入点におけるプラズマジェットの 平均速度であり、 αは、プラズマジェットと共に導入される加工成分によって形成される角度（度 ）である、） プラズマジェットが乱流である場合、加工成分をプラズマジェット中へ導入する 場所でのキャリヤガスの平均速度Ｖ、および集束用ガスの平均速度Ｖ、は、次式 によって与えられることが好ましい： １１０−　（１，２〜１．８）１０−　”　（９０−α）２ρ３Ｖｓ２−　（０ ，９１〜１．４３）　１０−’、ｏ　ＩＶｌ”プラズマジェットが層流である場 合およびそれが乱流である場合の両方におけるキャリヤガス速度および集束用ガ ス速度の適切な選択を可能にする上記関係式が、本発明者らによって実験的に見 い出され、その決定は、集束後のプラズマジェット軸からの、加工成分がジェッ トに入る一定の角度での加工成分経路の最小かたよりに基づいていた。

加工成分は、プラズマジェットの流れ方向で、その軸に対して２０°〜４０°の 角度で供給されるのが好ましい、それは、加工成分の経路（ｐａｔｈｓ　）の、 プラズマジェット軸からの最小かたより、すなわち、その最適藁束を可能にする 。

上記問題はまた、環状出力電極と続いて同軸方向に配置した２つのノズルとを組 み合わせて有してなり、加工成分の供給のためのダクトとして役立つ環状スロッ トが、出力電極と第一ノズルとの間に設けられておりそして集束用ガスの供給の ためのダクトを形成する環状スロットが第一ノズルと第二ノズルとの間に設けら れているプラズマトロンであって、本発明によれば、出力電極に向い合っている 第一ノズルの表面および第二ノズルに向い合っている第一ノズルの表面が、出力 電極の出口開口部と第二ノズルの入口開口部との間に配置された円筒状領域内に あるその頂点と一定の角度をなしており、この円筒状領域の直径が、第二ノズル の入口開口部の直径に等しいものであるようなプラズマトロンを提供することに よっても解決される。

出力電極に続く第一ノズルの該表面が、出力電極の出口開口部と第二ノズルの入 口開口部との間の領域内にあるその頂点と一定の角度をなすという事実に基づい て、加工成分供給ダクトおよび集束用ガス供給ダクトの相互整列は、プラズマジ ェットと加工成分を運ぶガス流との合併領域内への集束用ガスの供給を提供する ように達成される。かくして、提案した方法は、方法の上記利点の全てがプラズ マトロンの提案した設計にも等しく適用できるように、適切に実行される。

出口電極と第一ノズルとの対立する表面は、４０°〜８０’の範囲の円錐角度を 有する円錐形であるのが好ましく、また出カ＠極の円錐形表面は、第一ノズルの 円錐形表面によって取り囲まれているのが好ましい、これは、加工成分の最適集 束をもたらす。

本発明をさらに、添付図面を参照してその好ましい具体例について詳細に説明す ることによって示す。

図面の簡単な説明 第１ａ、ｌｂおよび１６図は、本発明の方法に従って、キャリヤガスおよび集束 用ガスを供給する可能な方式を示し、第２図は、加工成分をプラズマジェット中 へ導入する領域におけるプラズマジェットおよびキャリヤガスの速度ヘッド比と 、加工成分の流入角度との間の関係を示し、第３図は、加工成分をプラズマジェ ット中へ導入する領域におけるプラズマジェットおよび集束用ガスの速度ヘッド 比と、加工成分の流入角度との間の関係を示し、第４図は、発生ノズルの三角形 縦断面を有する提案したプラズマトロンであり、そして 第５図は、発生ノズルの台形縦断面を有する提案したプラズマトロンの出力部を 示している。

発明を実施するための最良の形態 提案したプラズマ処理法は、次のようにして実現される。プラズマ発生ガスをプ ラズマトロンに供給し、そしてアークをとばす６アークとプラズマ発生ガスとの 間の相互作用の結果として、均質プラズマジェットがプラズマトロンの出口にお いて発生する０次いで、噴霧されるべき粉末のような加工成分と共にキャリヤガ スを、プラズマジェットを取り囲んでいる環状スロットに沿って供給する。プラ ズマジェットと粉末運搬ガス流との合併領域内へ集束用ガスを導入する。この合 併領域は、プラズマジェットの周辺の囲りに延びている環状領域である。集束用 ガスを、この領域に、プラズマジェットを取り囲んでいる環状スロットおよびジ ェットの囲りに位置する出口開口部を有する個々のダクトの両方を通して供給し てもよい、さて、集束用ガスは、プラズマジェットに対して一定の角度および直 角の両方で導入されてもよい。プラズマジェットが乱流である場合、キャリヤガ スは、ジェットに対して一定の角度または直角のいずれかで同様に供給されても よく、またジェットが層流である場合、プラズマジェットに対して直角でキャリ ヤガスを導入することは好ましくない。この点については、以下説明する。しか しながら、いずれにしても、集束用ガスは、ジェットと粉末運搬ガスとを合併す る領域に、一定不変に供給されなければならない、キャリヤガスおよび藁束用ガ スを供給する可能な方式は、第１ａ、１ｂおよび１６図に示されており、そこで は、プラズマジェットは１で示され、キャリヤガスは加工成分と共に参照数字２ を有し、集束用ガスは３で示され、そして粉末粒子（加工成分）は４で示されて いる。プラズマジェットならびにキャリヤガス流および集束用ガス流の運動方向 は、それぞれの矢印によって示されている。

プラズマ−化学表面処理の場合、加工成分として役立つのは、蒸気−ガス混合物 中の化学的に活性な物質の蒸気である。一方、化学的に活性な物質がガスである 場合、それは、キャリヤガスおよび加工成分の両方として機能する。プラズマ処 理の場合の全てにおいて、一番最後にあげた場合を除いて、キャリヤガスおよび 集束用ガスは同じ組成を有していてもよい。

集束用ガス３は、プラズマジェットの周辺から離れた粉末をその軸方向領域へと 押しやり、ジェット１に沿って同軸方向を向きかつ処理されるべき表面に適用さ れた不均質な流れ５を形成する。プラズマジェット１とキャリヤガス流２との合 併領域においては、このガスによって導入される粉末粒子４の速度はいまだ比較 的小さいので、集束用ガス３の部分に対するいかなる有意な気体力学的作用も、 ジェット１の軸の方に向う粉末４の置換のためには要求されずそしてプラズマジ ェット１の気体−熱力学的性質におけるかなりの変化を避けるために低流量を選 択してもよい、得られたプラズマジェット１の冷却されないことにより、完全に かつ均一に溶融されまたより均一に加、速されうる粉末粒子４が生じ、それは被 覆物のより良好な品質およびプラズマジェットの比較的小さい電力を有するより 高い電力利用率を提供する。

集束用ガス３をプラズマジェット１および粉末４の合併領域内へ導入する場合、 粉末粒子経路発散角度（ｐｏｗｄｅｒ　ｐａｒｔｔｉｅｌｅｐａｔｈ　ｄｉｖｅ ｒｇｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅ）βは、粉末がもつと先で運動するので、比較的小さ い。この角度βの値は、粉末をプラズマジェット１中へ導入する流入角度αなら びにプラズマ処理工程条件、すなわち粉未導入領域におけるプラズマジェット１ 、キャリヤガス２および集束用ガス３の速度ヘッドに依存している。各流入角度 αについて、最適操作条件下で、粉末が集束された後に、特定の最小粉末経路発 散角度βが存在しているということが、実験的に見い出された。

第２図は、角度βの最小値を確保するρ＋Ｖ＋”／ρ２ｖ、′比と粉末をプラズ マジェット中へ導入する流入角度αとの閏の実験による関係を示している。ここ で、ρ１およびρ、は、それぞれ粉未導入領域におけるプラズマおよびキャリヤ ガスの密度であり、そしてｖＩおよび■２はそれぞれ、この領域におけるプラズ マジェットおよびキャリヤガスの平均速度である。用語ρ１ｖ、′は、プラズマ ジェットの速度ヘッドを示しそして　ρ２ｖ２２はキャリヤガスの速度ヘッドで ある。第２図の関係は、種々の密度を有する粉末材料について得られている。こ れらの関係のプロット点は、次のような粉末材料に対応している＝６，７−それ ぞれ、プラズマジェットの乱流および層流の場合に、密度２．４　ｇ／　ｃｍ’ のアルミニウムー珪素台金；８，９−それぞれ、プラズマジェットの乱流および 層流の場合に、密度７，４ｇ／ｃ−３のコバルト基台金、１０．０−それぞれ、 プラズマジェットの乱流および層流の場合に、密度３．９　ｇ／Ｃｍコのコラン ダム；ならびに１２．１３−それぞれ、プラズマジェットの乱流および層流の場 合に、密度６．２　ｇ／　ｃｖａ’の金属間化合物ニッケルーアルミニウム系。

曲線１４は、プラズマジェットの乱流についてのρ、Ｖ、２／ρ２ｖ２′比の境 界値を示し、そして曲線１５はプラズマジェットの層流についてのこの比の境界 値である。該パラメータの境界値は、集束後のプラズマジェット中を動く粉末粒 子について、最小経路発散角度βが、その限界内で達成されうる値を意味してい る。

第２図かられかるように、曲線１４および１５は放物線である。乱流プラズマジ ェットの運動については、（曲線１４）　、放物線の比例定数は、１．２Ｘ１０ −２（上方の放物線）および１．８Ｘ１０−２（下方の放物線）である、プラズ マジェットの層流については、上方の放物線１４の比例定数は５５であり、そし て下方の放物線１５の場合は８３である。そのため、粉末のプラズマジェットへ の導入領域におけるキャリヤガス速度は、乱流の場合、次の関係式を満足するよ うに選択されるように要求される。

プラズマジェットが層流の場合、粉末のプラズマジェットへの導入領域における キャリヤガス速度は、次の関係式を満足するようなものであるべきである。

ρ、Ｖ２２−（５５〜８３）ρＩＶＩ”／　（９０−α）２後者の式によって示 されるように、プラズマジェットが層流の場合、角度αは９０°以外でなければ ならない、なぜならば、この場合には、速度ヘッドまたはキャリヤガス速度が無 限大へ向かうだろうからである。

第３図は、粉末導入領域における、最小角度βを確保する１）　、■１２／　／ ）　ｉＶ＊２（ρｆｆ、　Ｌ　オよびｐ−Ｌ’　ＬＬ　そｈ　ぞｈ集束用ガスの 密度、その速度およびその速度ヘッドである）比と、粉末をプラズマジェット中 へ導入する流入角度αとの間で実験的に見い出された関係を示している。該関係 のプロット点６−１３は、第２図において示されたものと同じ粉末材料に対応し ている。＠　１６は、プラズマジェットの乱流に対応し、そして線１７は、その 層流に対応している。第３図かられかるように、ρ１Ｖ＋２／ρ、■、２比は、 角度αに依っていない、それは、プラズマジェット流のパターンに依っているだ けである。ジェットが乱流である場合、線１６は、粉末導入領域におけるプラズ マジェットと集束用ガスとの間の該速度ヘッド比の境界値を与える。

これらの線は、比例定数０．９１（上方の線１６）および１．４３（下方の線） によって決められる。そのため、プラズマジェットが乱流である場合、集束後の 最小粉末経路発散角度βは、粉末導入領域における集束用ガス速度■、が次の関 係式を満足させるように選ばれる時に、得られる。

ｐ　３Ｖ）２＝　（０，９１〜１．４３）　１０−２７’）　＋ｖＬ’ジェット が層流である場合、粉末導入領域におけるプラズマジェットと集束用ガスとの間 の速度ヘッド比の境界値は、線１７によって示され、比例定数は０．０３　（上 方の＠　１７）および０．１（下方の線１７）に等しい、換言すれば、プラズマ ジェットが層流の場合、粉末導入領域における集束用ガス速度ｖコが、／：）ｓ ’ｂ”＝　（０，０３〜０．１）　ｆ）　１ｖＩ２によって与えられると、集束 後の最小粉末経路発散角度βが提供される。

そのため、プラズマ処理工程の操作条件ρ＋Ｖ＋”／ρ２ｖ、２およびρ＋Ｎ’ ＋”／ρ、■、２の選択は、粉末からプラズマジェットへの流入角度αおよびそ の流れパターンによって決められる。

提案した方法について、第２および３図に示された操作条件の関係は、普遍的で あり、すなわち、それらの上方および下方の境界は噴霧される材料の密度に依存 しないということが特記される。それがこの場合でなかったならば、第２図にお けるプロット１４および１５ならびに第３図におけるプロット１６および１７は 、最大密度または最小密度に対応する点を通過してしまうだろう。

集束後に、プラズマジェット中を運動する粉末についての最小経路発散角度βは 、２０’乃至４０°の範囲内にある流入角度αで達成されるということが実験的 に見い出される。ここで、角度βは、２〜３°の範囲内にある。角度αが該限界 の外側にある場合、角度βは増加し、１２・〜１３°になる。その結果、粉末を プラズマジェット中へ導入する角度を制御することによって、集束する粉末の程 度を変えることが可能である。それは、処理される表面の形状および寸法が種々 であるために、プラズマ処理の実施においては、多いに重要である。

提案したプラズマトロンは、カソード１８（第４図）、入口ノズル１９、内部電 極インサート２０、出力電極として役立つノズル型アノード２１、発生ノズル２ ２および出口ノズル２３を有してなり、すべてが同軸に整列されている。お互い に向い合っているアノード２１および発生ノズル２２の表面は、円錐形状であり 、そして４０〜８０°の範囲の円錐角度γを有している。この場合に、発生ノズ ル２２の円錐形表面は、アノード２１の円錐形表面を取り囲んでいる。すなわち 、アノード２１の円錐形表面は凸であり、一方、ノズル２２の円錐形表面は凹で ある。アノード２１および発生ノズル２２の円錐形表面によって形成され、４０ 〜８０゛の限界内で選択された円錐角度γにより、加工成分をプラズマジェット 中へ導入するための最適条件、すなわちプラズマの冷却を避けて、加工成分を運 搬するガスの最小流量と共にジェットの軸方向領域におけるその最大濃度が確保 される。

お互いに向い合っているアノード２１および発生ノズル２２の円錐形表面の間に 、環状スロット２４が設けられている。このスロットは、加工成分をプラズマ処 理・ｙト中へ導入するためのダクトとして役立つ。お互いに向い合っている発生 ノズル２Ｚおよび出口ノズル２３の表面は平らであり、それらの間に環状スロッ ト２７が設けてあり、これは集束用ガスを供給するためのダクトである。環状ス ロット２４は、粉末秤りのような装置（図示されていない）と通じており、また 環状スロット２５は、集束用ガス源（図示されていない）と通じている。

本発明によれば、アノード２１と向い合っている発生ノズル２２の表面２６は、 出口ノズル２３と向い合っている発生ノズル２２の表面２７と一定の角度δを形 成する。この角度δの頂点２８は、アノード２１の出口開口部と出口ノズル２３ の入口開口部との間に配置された円筒状領域内にある。集束用ガスを、プラズマ ジェットと加工成分を運ぶガス流との合併領域内に供給することが必要である。

第４図を参照すれば、プラズマトロン集成体、すなわち、アノード２１および出 口ノズル２３は、同じ内径を有しており、これは、耐火物粉末材料（酸化アルミ ニウム、酸化ジルコニウムなど）の被覆物を付着する場合およびプラズマ−化学 表面処理のために好ましい、この場合において、角度δの頂点２８を含んでいる 該円筒状領域の直径は、アノード２１および出口ノズル２３の内径に等しい、一 方、出口ノズル２３の内径がアノード２１の内径を超える場合、この円筒状領域 の直径は、出口ノズル２３の内径、すなわち、その入口開口部の直径に等しいべ きである。なぜならば、加工成分を導入する点でプラズマジェットの横断面寸法 を決めるのは、まさに出口ノズル２３の内径であるからである。アノードおよび 出口ノズルの異なった内径を有する設計の改良は、低融点粉末材料〈例えば、錫 、亜鉛など）の被覆物を取り扱う時に適切であることがわかるかもしれない。

第５図は、発生ノズル２２が別の形状を有しているような提案したプラズマトロ ンの出力部を示している。第４図に示されたプラズマトロンにおいては、ノズル ２２の表面２６および２７は交差しており、その結果、角度δの頂点は、該円筒 状領域の境界にあるが、第５図のプラズマトロンにおいては、ノズル２２は円筒 形内面２９を有しておりそして交差するようになるのは、表面２６および２７で はなく、それらの延長部分である。

この場合において、角度δの頂点２８は、アノード２１の出口開口部およびノズ ル２３の入口開口部によって規定された円筒状領域内にある。換言すれば、第４ 区の具体例では、発生ノズル２２は、三角形の縦断面を有しており、また第５図 の具体例では、縦断面は台形である。

発生ノズル２２の円筒形内面２９の高さは、プラズマトロンの操作条件によって 決められることが特記される。そのため、プラズマ流が乱流である場合、アノー ド２１の出口開口部の直径は小さく（４〜８ｍ５）、そして角度の頂点２８の位 置を上記した円筒状領域内に確保するためには、ノズル２２の表面２９の高さも また、ごくわずかに小さくまたはゼロでなければならない（これは、第４図に対 応する）、プラズマが層流である場合、アノード２１のより大きな内径が好まし い（７〜２０ｍ＋ｓ）、この場合において、ノズル２２の円筒形内面２９の高さ が増加してもよい。

提案したプラズマトロンの他の具体例もまた可能である０例えば、集束用ガスを 供給するための環状スロット２５は、プラズマトロン軸に対して一定の角度をな して傾斜していてもよく、またスロット２４および２５の相互位置は、第１ｃ図 の略図に示したものと同じである。

プラズマトロンは次のように操作する。

カソード１８（第４図）とアノード２１との間でアークをとばしそして均質のプ ラズマジェットがアノード２１の出口で発生した後、集束用ガスを環状スロット ２５を通して供給しそして粉末のような加工成分のためのキャリヤガスを環状ス ロット２４を通して供給する。プラズマ発生ガス、キャリヤガスおよび集束用ガ スの供給方向は、第４図においてそれぞれの矢印によって示されている。プラズ マジェットの軸方向領域における粉末の導入およびその集束を同時に実施する０ 発生ノズル２２の表面２６および２７は、角度δで交差し、その頂点はアノード ２１の出口開口部と出口ノズル２３の入口開口部との間にあるので、粉末がプラ ズマジェットと合併したまさにその時に、すなわち、粉末がジェットによってい まだ加速されていなかった時に、粉末の集束は行われる。この場合において、粉 末の運動方向を変えるためには、すなわち粉末がプラズマジェットの軸方向領域 内で集束せしめられるためには、集束用ガスの部分に対していかなる有意な作用 も要求されない、従って、このガスの流量は、低レベルに設定され、そのためプ ラズマジェットの冷却が回避される。全体的に不均質なジェットが集束されてい るＳＵ、＾、　８５６６６９の既知プラズマトロンに反して、提案したプラズマ トロンにおいては、粉末をジェット中で集束するが、それに対する作用は無視し てよい。これは、すぐれた被覆物が得られることを可能にするのみならず、高い 加工成分利用率が得られ、続いてプラズマト・ロンの有効寿命が増大しまた処理 される製品を過熱する危険が除かれる。

提案したプラズマ処理法を具体化する特定の実施例を以下に与える： 実施例１ 次の設計仕様および操作条件を有するプラズマトロンを使用して、酸化チタ〉′ 粉末被覆物（メト３（Ｎｅｔｃｏ）　１０２）を噴霧し７′−： 角度γ、６０゜ アーチ状のダクトの長さくカソードとアノードの入口開口部との間の間隔）　、 　３５　ａｍ角度δ、６００ プラズマ発生ガス、　　　　空気 プラズマトロン電力、　　　　３０ｋＨ粉末の噴霧粒径、２０〜３０ＩＪｍ 噴霧距離、　　　　　　　　　１４０　ａｍ噴霧される被覆物の厚さ、　　０． ３５　＋ｕ＋次の性質を示している被覆物が得られた：接着力、　　　　　　　 　　　　７０〜８９８Ｐａ多孔度、　　　　　　　　　　１％未満粉末の利用率 は８５％であった。

文献（”Ｇａｚｏｔｅｒｍｉｃｈｅｓｋｉｅ　ｐｏｋｒｙｔｉａ　ｉｚ　ｐｏｒ ｏｓｈｋｏｖｙｋｂ　ｍａｔｅ−ｒｉａｉｏｖ″Ｒｅｆｅｒｅｎｅｅ　Ｂｏｏｋ 、　Ｙｕ、　Ｓ、　Ｂｏｒｉｓｏｖ　ｅｔ　ａｌ、、　１９８７゜Ｎａｕｋｏｖ ａ　Ｄｕｍｋａ、　Ｋｉｅｖ、　ｐ。３５９）で入手可能なデータからは、メト ３１０２の付着により、１％以上の被覆物の多孔度および１３８Ｐａの接着力が もたらされる。

実施例２ 実施例１で示した設計仕様を有するプラズマトロンを使用して、次のような操作 条件下で、コランダム粉末を噴霧した。

プラズマトロン電力、　　　　　　　１５　ｋｌ？プラズマ発生ガス、　　　　 　　空気 プラズマジェットと集束用ガスとの間の速度ヘッド比ρｌ■１２／ρｓＶ＊２． 　７５プラズマジエツトとキャリヤガスとの間の速度ヘット比ρ＋’／＋２／　 Ｉ）　２Ｖ２”、　　４４集束後の粉末経路発散角度β、　３゜ 粉末粒径、２０〜４０１Ｉｌｌ 噴霧距離、　　　　　　　　　　　１２０　ｖａｍ噴霧される被覆物の厚さ、　 　　　０．３５　＋ｕｗ次のような性質を有する被覆物が得られた：接着力、　 　　　　　　　　　　　３０〜５０８Ｐａ多孔度、１．５％未満 粉末の利用率は８２％であり、噴霧工程の効率は３　ｋｇ／時間であった。その ため、工程の比電力消費量は、５　ｋｉｌｌ・時／ｋｇであった。

文献（＋Ｃａｚｏｔｅｒｍｉｅｈｅｓｋｉｅ　ｐｏｋｒｙｔｉａ　ｉｚ　ｐｏｒ ｏｓｈｋｏｖｙｋｈ　ｗａｔｅｒｉａｌｏｖ”　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｂｏｏｋ 、　Ｙｕ、　Ｓ、　Ｂｏｒｉｓｏｖ　ｅｔ　ａｌ、、　１９８７．Ｎａｕｋｏｖ ａ　Ｄｕｍｋａ、　Ｋｉｅｖ、　ｐ、　３３３．表５．７）中に述べられている ように、コランダムを空気プラズマ中に、天然ガスと共に噴霧した場合、上記し た値と近い効率を達成するのに要する電力は、７０〜１００　ｋ−の範囲であり 、アルゴン−水素プラズマの場合、その電力は３２〜３５　ｋＨの範囲にあり、 メト口（にＥＴＣＯ）装置を使用する窒素プラズマの場合、電力は５０　ｋＷで ある。ここで、噴霧された被覆物は、次のような特性を示す：１０〜３０　ＭＰ ａの接着力、２〜５％の多孔度。

実施例３ クロム鋼の製品のプラズマ−化学表面処理を１次の設計仕様および操作条件を有 するプラズマトロンを用いて実施した：角度γ、７０゜ プラズマ発生ガス、キャリヤガスおよび集束用ガス、　　　　　　　アルゴン 加工成分、　　　　　　　　金属−有機蒸気プラズマトロン電力、　　　　　１ ２ｋＮＯ＋Ｖ＋２／　ρ３Ｖｌ”　比、　　　　７５ρ、ｖ＋”／ρ、ｖ２２比 、４４ 得られた被覆物は、次の性質を持っていた：材料、　　　　　　　　　　　２　 ｌＪｍ厚の炭化珪素多孔度、　　　　　　　　　０％ 微小硬度、　　　　　　　　　１４００〜１６００８Ｐａ加工出力範囲は、３〜 １０　ｍ＋ｍ２／秒であった。

産業上の利用可能性 本発明は、好ましくは耐火物粉末を用いる溶射被覆、粒子球状化処理、粉末表面 仕上のため、ならびに製品のプラズマ−化学処理のために使用されうる。

Ｆ１５Ｊ ｎ５４− 国際調査報告 ＋＋１１１−−１−一　　ｐこＴｔ＜＋＋ｃｎｔｎｎｎｎ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プラズマジェット（１）を発生させ、その中に加工成分（４）を、キャリヤ ガス（２）と共に、プラズマジェット（１）を取り囲んでいる環状スロットに沿 って導入し、そして集束用ガス（３）によって、プラズマジェット（１）中で加 工成分（４）を集束する工程を有してなるプラズマ処理法であって、集束用ガス （３）が、プラズマジェット（１）と加工成分（４）を有するキャリヤガス流（ ２）との合併領域内へと導入されることを特徴とするプラズマ処理法。 ２．プラズマジェット（１）が層流である場合、加工ガス（４）をプラズマジェ ット（１）中へ導入する領域におけるキャリヤガス（２）の平均速度Ｖ２および 集束用ガス（３）の平均速度Ｖ３が、 ρ２Ｖ２２＝（５５〜８３）ρ１Ｖ１２／（９０−α）２ρ３Ｖ３２＝（０．０ ３〜０．１）ρ１Ｖ１２（但し、式中、ρ１，ρ２，ρ３は、加工成分をプラズ マジェット中へ導入する領域におけるプラズマ、キャリヤガスおよび集束用ガス のそれぞれの平均密度であり、Ｖ１は、加工成分の導入領域におけるプラズマジ ェットの平均速度であり、 αは、加工成分をプラズマジェット中へ導入する角度（度）である） によって与えられることを特徴とする請求の範囲１に記載のプラズマ処理法。 ３．プラズマジェット（１）が乱流である場合、加工成分（４）をプラズマジェ ット（１）中へ導入する領域におけるキャリヤガス（２）の平均速度Ｖ２および 集束用ガス（３）の平均速度Ｖ３が、 ρ２Ｖ２２＝ρ１Ｖ１２／（１１０−（１．２〜１．８）１０２８９０−α）２ ）ρ３Ｖ３２＝（０．９１〜１．４３）１０−２ρ１Ｖ１２（但し、式中、ρ１ ，ρ２，ρ３は、加工成分をプラズマジェット中へ導入する領域におけるプラズ マ、キャリヤガスおよび集束用ガスのそれぞれの平均密度であり、Ｖ１は、加工 成分を導入する領域におけるプラズマジェットの平均速度であり、 αは、加工成分をプラズマジェット中へ導入する角度である）によって与えられ ることを特徴とする請求の範囲１に記載のプラズマ処理法。 ４．加工成分（４）が、プラズマジェット（１）の下流方向において、その軸に 対して２０〜４０°の角度で供給されることを特徴とする請求の範囲１記載のプ ラズマ処理法。 ５．環状出力電極（２１）および続いて同軸関係で配置されている一対のノズル （２２、２３）を有してなり、加工成分を供給するためのダクトを形成する環状 スロット（２４）が、出力電極（２１）と第一ノズル（２２）との同に設けられ ており、集束用ガスを供給するためのダクトを形成する環状スロット（２５）が 、第一ノズル（２２）と第二ノズル（２３）との間に設けられているプラズマト ロンであって、出力電極（２１）に向い合っている第一ノズル（２２）の表面（ ２６）と第二ノズル（２３）に向い合っている第一ノズル（２２）の表面（２７ ）とが一定の角度をなし、その頂点（２８）が出力電極（２１）の出口開口部と 第二ノズル（２３）の入口開口部との間に配置された円筒状領域内にあり、この 円筒状領域の直径が第二ノズル（２３）の入口開口部の直径に等しいことを特徴 とするプラズマトロン。 ６．出力電極（２１）と第一ノズル（２２）との対向表面が円錐形であり、４０ 〜８０°の円錐角度を有し、出力電極（２１）の円錐形表面が第一ノズル（２２ ）の円錐形表面内に囲まれていることを特徴とする請求の範囲５に記載のプラズ マトロン。