JPH0585221B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、気体中をながれる大電流いわゆる
アークによつて発生する高温度のプラズマによつ
て、金属やセラミツク等の物質を溶融して、母材
に吹き付け、その表面に強固な被膜を形成するた
めの、いわゆるプラズマ溶射の技術の改良に関す
るものである。

〔従来の技術〕

第９図に示したものは、既に広く行われている
いわゆるプラズマ溶射の技術の主要な部分を図示
したものである。すなわち陰極１は、その先端が
陽極ノズル２のノズル管路２５の入口付近に来る
ように、絶縁物１２によつて同心に保持されてお
り、その上流には、プラズマガス送入口７よりプ
ラズマガス８が送入されるようになつている。

電源３の負側は導線５によつて陰極１に接続さ
れており、電源３の正側は導線６によつて起動用
電源４を通して陽極ノズル２に接続されている。
なお、１３は冷却システムであつて、通常陽極ノ
ズル２の内部は、図には示してないが、二重構造
になつており、その内部を配管１４及び１５を介
して軟化した冷却水等により常に冷却するように
なつている。今、陽極ノズル２に矢印８，９で示
されたプラズマガス、通常はアルゴン等の不活性
ガスを流しながら、電源３により、陰極と陽極の
間に直流電圧を印荷しつつ、起動用高周波電源４
によつて高周波電圧を印荷すると、陰極１の先端
から陽極ノズル２のノズル管路２５の内面１０Ｓ
に向かつてアーク１１が発生する。このような短
いアーク１１は、陽極ノズル２のノズル管路２５
の内壁、ノズル管路２６を損傷させやすいので、
アーク１１がなるべく長い距離にわたつて、ノズ
ル管路２５内に形成され、陰極ノズル１の先端よ
り遠い陽極点１０を形成するように大量のプラズ
マガス８が流される。このようにして形成された
アーク１１によつて陽極ノズル２のノズル管路２
５内を流れるプラズマガスは強く加熱されて高温
度になり、いわゆるプラズマ１６状態になつて陽
極ノズル２の先端から噴出するが、この時、材料
送入管１７から溶射用材料１８を送入すると、こ
れらは矢印１９に示した如く、陽極ノズル２より
噴出する高温度のプラズマ１６に混入して、瞬間
的に溶融した材料２０となつて母材２２に吹き付
けられ、その表面に被膜２１を形成する。なお、
溶射用材料１８は、材料送入管１７から、陽極ノ
ズル２の出口の直後に供給される場合もあるが、
矢印２３に示し如く、陽極ノズル２の出口直前に
設置されることもある。いずれにしても、従来使
用されているこの種のプラズマ溶射装置において
は、陽極ノズル２の中に長いアーク１１を形成さ
せ、陽極ノズル２の内壁２６の侵食を防止し、陽
極ノズル２のノズル管壁２６をプラズマガスによ
つて冷却するために、極めて多量のガスが使用さ
れ、陽極ノズル２の先端におけるプラズマガスの
噴出速度は、通常マツハ0.5から３の範囲という
極めて高速の状態に保たれ、このために在来の溶
射装置においては、陽極ノズル２の先端付近から
110ホンから120ホン程度の著しく強烈な騒音が発
生し、そのためにプラズマ溶射装置は通常隔離さ
れた防音室の中でのみ運転が可能であり、これを
操作する操作員も騒音防護装置を着用しなけれ
ば、これの運転操作にあたることができないとい
う大きな欠点を有している。更に通常、陽極ノズ
ル２の先端から噴出されるプラズマガスは、多量
の紫外線を含む強烈な光輝炎であるので、これを
直視することが不可能であり、これの操作員は、
紫外線防護用の眼鏡を着用することを余儀なくさ
れる。又、在来の溶射装置に使用されるプラズマ
ガスは、通常アルゴン、ヘリウム、水素等の高価
な不活性ガスが使用される。これは、プラズマガ
スとして空気や酸素等活性度の強いガスを使用す
ると、ノズル管壁２６が特に陽極点１０において
急速に酸化されて消耗し、長期の連続運転が不可
能になるからである。これらの不活性ガスは高価
であるので、該ノズル内で高速を発生させるため
に大量に消費させると、極めて高い運転費がかか
るという大きな欠点もある。又、在来のプラズマ
溶射装置においては、その先端から噴出されるプ
ラズマガス１６が、その著しい高速のために、極
めて強力な乱流状態となつており、このために矢
印２７に示した如く、噴出口付近の大気を多量に
巻き込み、プラズマガスの温度は急速に低下す
る。従つて適正な条件で溶射をするためには陽極
ノズル２の先端と母材２２との距離は、極めて正
確に維持することを要求され、これがずれると所
望の被膜を適正に構成することが極めて困難にな
り、従つて被膜の品質管理には極めて厳格な運転
条件の管理が要求され、品質管理が容易でない。
又、以上詳細に述べたような事情によつて、在来
のプラズマ溶射装置においては、極めて多量の高
速ガスが母材に向かつて強烈に吹き付けられるの
で、母材は強度の高いものに限定され、かつ微細
な加工には適しない。

発明が解決しようとする問題点 この発明は、従来のプラズマ溶射装置が、その
広い普及を妨げている強烈な音と、紫外線を含
み、直視不可能を強力な光の発生を防止し、運転
によつて消費される高価なガスの量を節減し、装
置と母材との距離等の運転条件の管理がゆるやか
ですみ、部品の消耗が少なく、長期間の連続運転
が可能であり、比較的強度の弱い母材の加工もで
き、かつ微細な加工に適した新規なプラズマ溶射
装置を提供するとを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、溶射のためにプラズマトー
チの陰極の先端と、プラズマガス送入点との間
に、プラズマガスの整流装置を設ける。更にこれ
と並行して、プラズマガスの流量を小さな値にお
さえることによつて、プラズマトーチ先端のノズ
ル内におけるガス流を層流状態に保ち、これによ
つて発生するプラズマ炎を層流炎とすることが、
この発明の第一の大きな特徴である。溶射用材料
の送入に関しては、在来のプラズマ溶射とほぼ同
様であつて、プラズマトーチの出口付近に溶射用
材料が送入される。この発明の第二番目の大きな
特徴は、その内部に溶融した溶射用材料の液滴を
含み、処理対象物に向かつて進行するプラズマ炎
の中から、処理対象物の直前に設けられたプラズ
マ分離手段により、プラズマを分離し、その直後
に溶融した溶射用材料の液滴を処理対象物に衝突
させて被膜を形成させる。このプラズマ分離手段
は、通常、プラズマ炎にガスを吹き込む方法、プ
ラズマ炎からプラズマを吸引排除する方法、ガス
吹き込みと吸引排除とを併用する方法等、プラズ
マ炎中のプラズマを分離するのに有効な方法が適
用される。本発明におけるプラズマ溶射において
は、必要に応じて前述のプラズマトーチ出口とプ
ラズマ分離手段との間に、通常は耐火物で出来た
フレーム外套を設け、これによつてプラズマ炎を
被覆して、輻射によつて失われる熱損の防止が達
成される。この場合、フレーム外套にはその外部
に断熱装置冷却装置等が、用いられることが多
く、又フレーム外套を通してその内部に形成され
ているプラズマ炎空間に、使用目的に応じたガス
を供給する手段が適用されることがある。又、処
理対象物に接近して設けられたプラズマ分離手段
の直後に、雰囲気ガス調整手段が設けられること
もある。なお、プラズマトーチ先端のノズル部
は、定常運転中には電気的に浮いた状態に保持さ
れる中間部を設け、これによつてプラズマアーク
の伸長が計られる。

〔作用〕

本発明によるプラズマ溶射においては、プラズ
マを発生させるためのアークが、陰極先端より上
流に設けた整流手段の作用によつて層流に保た
れ、陽極ノズルの管壁に向かう速度分布を有しな
いので、アークがノズル管路にそつて長く伸びる
ことができ、この長く伸びたアークによつて電力
が有効に消費されて、プラズマガスの加熱に用い
られ、そのために、ノズル管壁に形成されるアー
クの終点であるところの陽極点において、消費さ
れる電力が少なくなり、陽極点におけるノズル管
壁の消耗を著しく少なくすることができる。従つ
てノズル管壁の内部を在来の溶射装置に見られる
如く、プラズマガスを大流量で流すことによつて
冷却する必要がなくなる。その結果、プラズマガ
スが少ない流量で、層流を形成しながら有効に加
熱されるので、発生するプラズマの温度とエンタ
ルピーが大きくなり、これによつてトーチ出口で
プラズマ炎に送入される溶射用材料の溶融が、確
実かつ急速に行われ、溶融した溶射用材料の液滴
の温度が高くなる。又、プラズマトーチより噴出
されるプラズマ炎が層流炎を形成し、プラズマ炎
の発生に伴つて発生する騒音を70〜80ホンの範囲
の程度の低い値に保つことが容易となつた。本発
明によるプラズマ溶射ではアーク電流の値は、プ
ラズマガスの流量が少ないのにもかかわらず、か
なり大きな値で運転することができ、かつ、アー
クが長いので、アークの始点と終点との間の電位
差、すなわちアーク電圧を大きくとることがで
き、結局、アーク電流と電圧との積によつてきま
るところのアークによつて、有効に消費される電
力が大きくなり、その結果発生するプラズマの温
度とエンタルピーが著しく大きくなる。このため
に溶射用材料の溶融が極めて確実に実現される。
更に本発明のよる溶射において利用される層流プ
ラズマ炎は、飛行中に周囲のガスを巻き込んで、
温度が低下することが極めて少なく、溶融して液
滴となつた溶射用材料は、この層流炎に乗つてま
つすぐに溶射対象に向かつて進行するので、飛行
につれて温度の低下することが少ない。そして溶
射対象物の直前でプラズマのみが分離され、以
後、極めて短い飛行時間の後で温度が下がらない
うちに溶射対象物に衝突する。従つて、飛行速度
が従来の溶射に比べて、数分の一の低速であるの
もかかわらず、前述の理由による溶射液滴の著し
い高温度によつて、溶射材料の温度が極めて高い
状態で被塗物に衝突するので、そのために極めて
強固な高性能な被膜を得ることができる。更に本
発明による溶射においては、溶射に使用されるプ
ラズマ炎が層流炎であつて、その広がりが少な
く、かつプラズマ炎の飛行速度が低いので、溶射
対象物に大きな力を及ぼすことがなく、強度の小
さい溶射対象物にも容易に溶射を適用することが
でき、かつ、プラズマ溶射によつて比較的微細な
加工をも実施することができる。

本発明によるプラズマ溶射においては、トーチ
から溶射対象物に向かつて飛行するプラズマ炎の
周囲には、必要に応じて外套が設けられ、これに
よつて、プラズマ炎から発生する紫外線を含む強
烈な光輝炎を遮断するとができ、更に、プラズマ
炎の輻射による熱損失も避けることができるの
で、プラズマ炎及び溶射用材料の温度低下が防止
されるので、これも高性能の被膜を得ることに極
めて大きな寄与をすることになつた。

本発明によるプラズマ溶射においては、溶射用
材料が送入されるプラズマ炎のエンタルピーと温
度が著しく高いために、溶射用材料の溶融は極め
て短時間に行われ、かつ、その後の飛行もプラズ
マが層流炎をなしているので、溶射対象物に向か
つて直線的に飛行し、かつ、プラズマ分離を実施
する点はトーチの出口から2.5〜30cm程度までの
距離の任意の点に設定することができ、これは溶
射対象物の形状及び要求される塗膜の性能に応じ
て選定することができ、これによつて溶射適用の
範囲を著しく広くとることができるようになつ
た。

又、プラズマ炎が層流で、プラズマ炎の進行方
向と直角の性分をほとんど有しないので、これに
かぶせるフレーム外套は、直管状の細いものでよ
く、その内面の保護も容易である。又、フレーム
外套の内部に必要に応じて適切な成分のガスを送
入することにより、プラズマ炎のガス成分の管理
が極めて確実に実施できることになり、金属など
のように酸化等による溶射材料の変質を極端にき
らう材料の場合にも、被膜の品質管理を確実に実
施することができるようになつた。又、プラズマ
分離手段として排気を適用する場合には、これに
よりプラズマ形成によつて生成した有害ガスや、
溶射対象物に付着しなかつた溶射用材料等の大部
分を確実に回収することができるので、これは強
烈な音響及び紫外線を含む強烈な輻射の発生防止
と共に、溶射作業環境の改善に著しく貢献するこ
とができ溶射を通常の工作機械と同等に生産工程
に特別な付加装置なしに導入ができることになつ
た。

〔実施例〕

第１図は本発明による単トーチ型プラズマ溶射
装置の実施状況を示す第一の例である。図におい
て陰極１は、その先端が陰極を囲むノズル管路２
５を有する陽極ノズル２と、絶縁物１２によつて
同心に保持されており、陽極ノズル２に設けられ
たプラズマガス送入口７より、矢印に示される如
く、プラズマガス８が送入される。この場合、プ
ラズマガス８としては、アルゴン、ヘリウム、窒
素、水素等の不活性ガスが用いられ、陽極ノズル
２は熱伝導率のより銅などの金属による二重構造
となつており、その内部は水などによつて冷却さ
れるようになつているが、本発明ではこれを省略
し、他の説明においても陽極ノズル２の冷却に適
用される手段ないしは装置は、これをすべて省略
する。又、陰極１と陽極ノズル２の間には第９図
に示した在来の溶射装置における実施例と同様の
構成で、電源システムが接続されているが、これ
も在来のシステムと同様であるので、これを省略
する。本発明の重要な特徴の一つをなすプラズマ
ガスの整流装置は、第１図において２８で示され
るものであり、これは通常、多孔質板、ないしは
網等の気体の整流作用を有する部材から出来てお
り、それによりプラズマガス８は矢印２９に示し
た如く整流作用を受け、これによつて陰極１の先
端に同心に構成されている陽極ノズル２のノズル
管路２５に向かつて層流をなして流入する。

このようにして陽極ノズル２のノズル管路２５
の中に形成されたプラズマガスの層流の中に形成
される陰極１の先端より始発するアーク１１−
は、プラズマガス中にノズル管壁２６に使う速度
成分がないので、ノズル管路２５の中心を層流の
流線に沿つて長く伸び、アーク１１−の表面で
加熱されたガスがプラズマ１６となつて、それが
徐々に成長し、管壁と接触して導電路を形成する
に至つて、はじめてノズル管壁に接触してアーク
の終点を形成する。

このようにしてプラズマガスの上流に設置した
整流装置２８の作用により、層流となつてノズル
管路２５に流入するプラズマガスの中で形成され
るアーク１１は、その電力の極めて大きな部分が
長いアーク長に沿つてプラズマガスの加熱のため
に消費されるので、アークの終点、陽極点１０−
を損傷することが少なく、在来のプラズマ溶射
装置の如く、ノズル管路２５内に無駄なガスを多
量に流して、ノズル管路内壁２６を冷却しなくと
も、長期間、安定に運転を継続することができ、
かつ、プラズマガスの流量が比較的少ないのに対
して、これを加熱するためのアーク長を充分長く
とれるので、これによつて発生するプラズマの温
度及びエンタルピーは極めて大きな値をとること
ができる。

このようにして、トーチ４８の先端より外部に
向かつて放出されるプラズマ炎５１は層流炎をな
し、トーチ４８を噴出後もプラズマ炎５１に同伴
空気を巻き込むことがほとんどないので第６図に
示した如く、プラズマ炎５１の長さは長大とな
り、かつ、プラズマ炎５１の広がりが極めて少な
い。

在来型のプラズマトーチ５２から発生するプラ
ズマ炎５３は110〜120ホン程度の強烈な騒音を発
生するのに対し、本発明による層流プラズマ炎５
１は70〜80ホン程度の低い騒音しか発生しないと
いう大きな特徴を有している。第６図において、
入力700アンペア、プラズマガス流量2.5／
min、直径6.4mmのノズルの場合、空気中に放出
さえた層流炎の長さは約40cmに達するのに対し
て、ほぼ同じ入力の場合における在来型の同じ直
径を有する溶射装置のプラズマ炎は広がりが大き
く、かつ長さは10cm以下となり、これらの事から
明らかなように本発明によつて発生するプラズマ
は、温度が高く、極めて高いエンタルピーを有す
るので、このプラズマ炎５１に送入された溶射用
材料１８，１９の急速に高温度に加熱され、か
つ、同伴気体を巻き込まないので、飛行中におけ
るプラズマ炎温度の低下が著しく少ない。これも
大きな特徴である。しかしながら、プラズマ１６
の噴出速度はトーチ４８の先端において最も高速
であり、飛行距離が増すにつれて速度が低下し、
同伴して飛行する溶射用材料１８，１９も飛行速
度が低下するので、いたずらに長距離の飛行の後
に部材に吹き付けるのは良好な被膜を形成させる
ために得策ではない。この矛盾を解決するための
手段が、本発明の重要な構成要素をなすプラズマ
分離手段であつて、本発明においては第１図に示
した如く、陰極１の先端より上流の部分に、プラ
ズマガス８に層流を形成させるための整流手段２
８を有するトーチを用いて安定、かつ低速のプラ
ズマフレームを発生させ、これを溶射用材料１
８，１９の溶融に利用するという第一の構成要件
と共に、第二の構成要件として、この放置すれば
長大になる層流プラズマ炎５１を任意の点でプラ
ズマ１６のみを分離し、その直後に溶融した液滴
状溶融材料２０のみを、処理対象物である母材２
２に吹き付けるという手段を導入することによつ
て、本発明の主要な部分が完成されたのである。

第１図において、材料送入管１７よりプラズマ
炎に向かつて送入された溶射材料１８は高温で著
しく高いエンタルピーをもつ、強力な層流プラズ
マ１６によつて、直ちに高温に加熱されて溶融材
料２０となり、プラズマ炎５１に同伴されなが
ら、あまり広がらないで、母材２２に向かつて進
行する。この溶融材料２０を含むプラズマ炎５１
は、処理対象２２の直前Ａにおいて設けられたプ
ラズマ分離手段４９によつてプラズマ１６のみが
分離され、その直後に溶融した溶融材料２０は処
理対象物である母材２２に衝突し、強固な被膜２
１を形成する。プラズマ分離手段４９は種々な方
法が可能であるが、最も簡単な方法は、プラズマ
分離給気口３１であつて、ここからプラズマ分離
用給気３２を、プラズマ炎５１に交叉して送入す
る。この給気３２の量を適切に選定することによ
つて、溶融した液滴状溶融材料２０を含むプラズ
マ炎５１の中からプラズマ１６が分離され、しか
も溶融状態にある溶融材料はほとんど冷却されず
に、その直後に母材２２に衝突して被膜２１を形
成するということを見い出して、この発明を完成
するに至つたものである。プラズマ１６を分離す
る手段としては、母材２２の直前でプラズマ分離
排気口３３から、プラズマ分離用排気３４を行う
ことによつて、プラズマ１６を分離し、母材２２
の損傷を防ぐことも可能であり、又、吸気３２と
排気３４を併用することによつてプラズマ１６の
分離を行うことも可能である。

本発明によれば、高エンタルピーをもち、かつ
低騒音の層流プラズマにより、被膜材料を充分に
溶融させるので、在来の乱流プラズマジエツトに
よる溶射の如く、マツハ0.5〜３という超高速の
吹き付け速度を利用する必要がなく在来のプラズ
マ溶射と同程度、あるいはそれ以上の被膜の接着
強度、ないしは被膜自体の強度を達成することが
容易である。又、本発明によれば、層流プラズマ
の内部における温度分布は比較的均一性がよく、
あまり大きく広がらないので、溶融粒子の飛石に
よつてさらされる温度が著しく異なることがな
く、極めて均一性の高い被膜を形成することがで
きる。更に本発明による層流プラズマ炎は、通常
があまり大きく広がることがないので、第１図の
３０に示した如く耐火物等をもつてフレーム外套
３０を設け、飛行するプラズマ炎を包み込むこと
によつて、プラズマから失う熱を少なくし、か
つ、プラズマ炎から発生する強い紫外線を含む強
烈な光を遮断して、著しい作業環境の改善を実現
することが可能となつた。又第１図において、フ
レーム外套３０を多孔質材料、又は多孔部材で少
なくともその一部を形成し、それを更にフレーム
外套外被４０で覆い、その間の空間に矢印４２で
示した如く、フレーム外套３０を通してプラズマ
炎５１の空間にガスを送入し、フレーム外套３０
の冷却ないしは内部のガス成分の調整を行うこと
ができる。ただし、小型の本発明による溶射装置
の場合等においては、フレーム外套３０及びそれ
に付属する各種の装置は必ずしもこれを使用する
必要がない場合もある。

本発明の基本的構成をなす、プラズマトーチ内
に設置されたプラズマガスの整流手段は、第１図
に示した如く、陽極ノズル２の内部に設置された
多孔質円板状の整流装置２８に限定されるもので
なく、第３図に示した如く陰極１をとり囲む透気
性部材で構成され、矢印２９に示した如き整流作
用を有する円筒状の整流装置２８ａを用いてもよ
い。又、第４図に示した如く、陰極１の先端に沿
つてプラズマガス８を層流状に流出させるように
誘導するための、誘導口３６を備えた絶縁物によ
つて構成される整流装置２８ｂを用いることもで
き、この他、ノズル管路２５に向かつて、この中
を流れるプラズマガス８が層流を形成するため
に、有効なあらゆる手段を適用することができ、
これらはすべてこの発明の範囲に属する。

本発明において、ノズル管路２５の中でなるべ
く長いアークを安定に発生させるためには、プラ
ズマガスが層流をなして、ノズル管路２５の中を
流れるように、その上流に整流手段２８を用いる
ことが最も大切であるが、その他に、この目的に
対しては、第５図に示した如く、定常運転中、起
動時にのみ用いられ、定常運転中は電気的には浮
いた状態に保持される部分をノズル管路の中途に
形成し、この部分には定状運転中にはアークが終
端することがないように構成することも、本発明
を実施する場合に、極めて有効な手段である。

第５図において陽極は絶縁物スペーサー３９を
介して、直列をなす三つの陽極部分２−１，２−
２，２−３から構成されており、電源３はその負
端子が陰極１に結合されており、正端子はスイツ
チ手段３７−１，３７−２，３７−３を介して、
それぞれ陽極の各部分２−１，２−２，２−３に
結合されている。第５図に示した装置の起動にあ
たつては、まずスイツチ手段３７−１のみを閉じ
た状態にして、電源３を投入すると、陰極１の先
端から陽極２−１に向かつて、図示した如く起動
アーク１１−１が形成される。この状態におい
て、プラズマガスは加熱されて、このアーク１１
−１によりプラズマを形成し、ノズル管路２５を
通つて外部に放出される。そこでスイツチ手段３
７−２を閉じると同時にスイツチ３７−１をあけ
ると、この起動プラズマ１１−１によつて形成さ
れたプラズマによつて、起動アーク１１−２が形
成され、前述の起動アーク１１−１は消失する。

更にこの状態においてスイツチ手段３７−３を
閉じ、同時にスイツチ手段３７−２を開くと、起
動アーク１１−３が形成され、起動アーク１１−
２は消失し、この状態において、このノズル管路
において最も長いプラズマが形成された状態が完
成する。この状態においては、陽極２−１及び２
−２は何れもスイツチ手段３７−１，３７−２が
開いた状態になつているので、電気的には浮いた
状態となり、陰極１の先端から出発したアーク
は、これらの二つの電極に終端することができな
いので、アークは常に第三番目の陽極２−３にの
み固定されて、安定なアークを形成し、これがこ
のノズル管路２５を流れるプラズマ炎５１が層流
をなしていることと相俟つて、ノズル管路２５の
中に安定で長いアークの形成をより確実に実現す
ることが可能となるのである。

なお、第５図では通常運転中に２個の電極部分
２−１，２−２が電気的に浮いた状態にあるが、
本発明は必ずしも２個に限定されるものではな
い。

第７図は、第１図に示した本発明によるプラズ
マ溶射装置において、処理対象２２に接近して設
置されるプラズマ分離手段の詳細に一例を示した
ものである。プラズマ分離手段においては、プラ
ズマ分離用給気３２は、第１図に示した如く、必
ずしもプラズマ炎の中心軸に対して直角に吹き込
むだけではなく、プラズマ進行方向に関して角度
を持たせて吹き込んだ方が有効なこともあり、こ
れはプラズマ炎の大きさ、プラズマガスの量等に
よつて決定される。又、第７図に示した如く、プ
ラズマ分離用給気３２を処理対象２２に接近して
設けられたプラズマ分離用給気環状室４３に一旦
吹き込み、これからプラズマ炎と接線方向の成分
を有する給気口４５を通してプラズマ炎の外周の
部分に、特にプラズマ分離作用が有効に作用する
ようにプラズマ分離用給気３２を吹き込むと有効
な場合があり、これは特にプラズマ炎外周部の溶
融温度の低い溶射用材料の液滴や、未溶融の溶射
用材料をプラズマと共に分離するのに好適であ
る。この場合、プラズマ分離用給気口４５の下流
にプラズマ分離排気環状室４４を設け、この環状
室４４によつて、プラズマ分離用排気３４を矢印
方向に行うことによつて、未溶融の溶射用材料や
プラズマガスの排気等を系外に排出することなく
運転をすることができる。これはこの発明の重要
な特徴である。又、本発明においては、プラズマ
分離手段の直後に極めて短い飛行距離の後に溶射
用材料が処理対象２２に衝突して強固な被膜２１
を構成するので、フレーム外套３０及びフレーム
外套のシール作用によつて、プラズマ炎への不純
ガスの混入を確実に防止することができるのが、
この発明による方法の特徴であり、更に、プラズ
マが層流炎をなしているために、フレーム外套３
０も比較的細かくすることができるので、運転操
作上も極めて有利なのであるが、それでもなお、
溶射装置の先端と処理対象との間においての空気
等の混入によつて起こる酸化を更に確実に防止す
るためには、処理対象２２に接近して、保護ガス
環状室４７を設け、これから矢印４６によつて示
される不活性ガス等を送入して処理対象に向かつ
て飛行する溶融した溶射材料に空気等が接触して
酸化等の望ましくない反応を起こしたりすること
を防止することができる。

この発明の実施の態様は第１図，第２図，第３
図，第４図，第５図，第７図，第８図に示した実
施例だけに限定されるものでなく、この発明の技
術思想に基づくあらゆる実施が可能である。プラ
ズマ分離手段に関しては、給気口のみでプラズマ
の分離が可能の場合であり、そのプラズマ分離の
ための給気の方向も本発明の技術思想に基づいて
適当にこれを定めることができる。又、プラズマ
分離手段として、排気システムのみを用いること
もでき、又、プラズマ分離手段として給気と排気
を併用することもでき、これらの何れを選択する
かは、その使用目的やプラズマ炎の大きさガス量
等に応じて適宜定めればよい。フレーム外套は、
装置が小型の場合などには必ずしも使用しなくて
もよい場合もあるが、大型の装置においては、通
常はこれを使用することによつて、プラズマ炎か
ら発生する紫外線を含む強烈な光を遮蔽すること
ができると同時に、プラズマ炎の温度低下を一層
有効に防ぐこともできる。又、フレーム外套は、
通常その外側に断熱層または冷却装置を用いた方
がよい場合が多いが、これは図に示していない。

本発明による装置は、プラズマ炎が層流を形成
する範囲において運転される場合に、低騒音、高
強度、低運転費等の優れた特徴を発揮するが、運
転条件を変えることによつて、多孔質被膜を高速
度で形成させたいような場合には、層流領域を多
少越えた、亜乱流領域で運転することも可能であ
る。

〔発明の効果〕

この発明は上述の通りであるので、その第一の
効果は、作業環境の改善である。在来の溶射装置
では、110〜120ホン程度の騒音を発生していたの
に対し、この装置では、通常、70〜80ホン程度し
か騒音を発生しない。又、在来の溶射装置では、
強烈な紫外線を含む強烈な光輝炎を発生していた
が、本発明による装置では、光輝炎が外部に出て
こないので、ほとんどの場合、保護眼鏡を着用せ
ずに操作することが可能となつた。更にプラズマ
分離手段として、プラズマ分離排気口を使用する
場合には、プラズマ溶射によつて発生したガスや
未溶融の被膜用材料を装置の出口で直接回収して
しまうので、排気や未溶融分の飛散による周囲環
境の汚染がなく、極めて良好な環境で溶射を実施
することができるようになり、通常の工作機械と
同程度の周囲環境においてプラズマ溶射を実施す
ることができるようになつた。従つて、在来のプ
ラズマ溶射装置では、装置を防音隔離室の中に設
置し、防音手段及び遮光眼鏡を装備した操作員に
しか運転ができず、通常の生産ラインに溶射装置
を用いることは不可能であつたが、この発明によ
つて通常の生産ラインにおいて、特別な隔離室等
の設備を必要としないで、溶射を通常の加工機と
して設置できる。

この発明によるプラズマ溶射方法及び装置によ
つて得られるプラズマ溶射被膜は、在来のプラズ
マ溶射装置によつて得られる被膜に比較して、強
度において同等ないしは、1.5倍程度の強度が得
られ、この点でも著しい改善がなされた。

本発明による溶射方法及び、装置においては、
母材に吹き付けるプラズマガスの速度が著しく遅
く、更に、母材に直接衝突するのはプラズマガス
の極く一部、及び溶融した液滴だけであるので、
母材に強力な力が加わることがなく、強度的に弱
い母材にも溶射を適用することができ、更にプラ
ズマビームをしぼることが可能であるので、プラ
ズマ溶射によつて微細な加工を実施することがで
きる。本発明によるプラズマ溶射装置において
は、直接アークが終端される部分が保護ガスによ
つて確実に保護水冷されるので、装置の消耗が少
なく、長期間の連続運転が容易であり、又、装置
の起動特性も長期間にわたつて安定で、起動停止
を確実かつ容易に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す単トーチ型プラ
ズマ溶射装置の縦断面図、第２図は第１図の−
線部の断面図、第３図は第１図における一部分
の他の実施例の縦断面図、第４図は第３図の部分
の他の実施例の縦断面図、第５図は第１図の他の
部分における他の実施例の縦断面図、第６図は本
発明の作用と、従来例の作用を比較するための図
表、第７図は第１図の更に他の部分における他の
実施例の縦断面図、第８図は第７図の−線部
の断面図、第９図は従来例の縦断面図である。 １……陰極、２……陽極ノズル、３……電源、
４……起動用電源、７……プラズマガス送入口、
８，９……プラズマガス、１０，１０−Ｓ，１０
ｌ……陽極点、１１……アーク、１２……陰極支
持絶縁体、１６……プラズマ、１７……材料送入
管、１８，１９……溶射材料、２０……溶融材
料、２４……被膜、２２……母材、２８……整流
装置、３０……フレーム外套、３１……プラズマ
分離給気口、３２……プラズマ分離用給気、３３
……プラズマ分離排気口、３４……プラズマ分離
用排気、４８……プラズマトーチ、５１……本発
明によるプラズマ炎、５２……在来型トーチ、５
３……在来型トーチによるプラズマ炎。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマガスを、プラズマ炎発生用アークト
   ーチの陽極ノズルの上流側に設けたプラズマガス
   整流手段に供給し、その陽極ノズルから処理対象
   に向けて層流プラズマ炎を発生させ、該陽極ノズ
   ルの出口付近における層流プラズマ炎に溶射材料
   を送入して、溶融し、又、処理対象の直前におけ
   る層流プラズマ炎からプラズマを分離して、溶融
   状態の溶射用材料を処理対象に付着させることを
   特徴とする単トーチ型プラズマ溶射方法。 ２ プラズマガス送入口と、陰極と陽極ノズル１
   とより成るプラズマ炎発生用アークトーチにおい
   て、その陰極の先端より上流に、前記陽極ノズル
   が流れでるプラズマ炎を、層流にするためのプラ
   ズマガス整流手段を有し、該アークトーチの出口
   付近におけるプラズマ炎に溶射用材料を送入する
   手段を有し、又、処理対象の直前におけるプラズ
   マ炎の下流にプラズマ分離手段を設けたことを特
   徴とする単トーチ型プラズマ溶射装置。 ３ 陰極と陽極ノズルとがそれらの間に、少なく
   とも定常運転中は、電気的に浮いた状態に保持さ
   れる部材が、設けられていることを特徴とする特
   許請求の範囲２項記載の単トーチ型プラズマ溶射
   装置。 ４ プラズマ分離手段がプラズマ炎にガスを吹込
   むための給気口であることを特徴とする特許請求
   の範囲２項又は３項記載の単トーチ型プラズマ溶
   射装置。 ５ プラズマ分離手段がプラズマ炎からガスを吹
   込むための排気口であることを特徴とする、特許
   請求の範囲２項又は３項に記載の単トーチ型プラ
   ズマ溶射装置。 ６ プラズマ分離手段として、ガス給気口とガス
   排気口を併用したことを特徴とする特許請求の範
   囲２項又は３項に記載の単トーチ型プラズマ溶射
   装置。 ７ アークトーチの出口と、プラズマ分離手段と
   の間におけるプラズマ炎が、フレーム外套で囲ま
   れていることを特徴とする特許請求の範囲２項乃
   至７項の何れか一項に記載の単トーチ型プラズマ
   溶射装置。 ８ フレーム外套の少なくとも一部が多孔質材又
   は多孔部材より成り、これを通じて気体を供給す
   る手段を有することを特徴とする特許請求の範囲
   ７項に記載の単トーチ型プラズマ溶射装置。 ９ フレーム外套がその内面を耐火質材料で形成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲７項
   又は８項に記載の単トーチ型プラズマ溶射装置。 １０ プラズマ分離手段がその下流にガス供給手
   段を有することを特徴とする特許請求の範囲２項
   乃至９項の何れか一項に記載の単トーチ型プラズ
   マ溶射装置。