JPH06501131A - 高速アーク溶射装置および溶射方法 - 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】 高速アーク溶射装置および溶射方法 本発明は、高速アーク溶射装置および溶射方法に関し、特に、高速プラズマアー クを利用して高密度の被覆や自立可能な製品形状体（ｎｅａｒ　ｎｅｔ　５ｈａ ｐｅｓ　）を製造する単線供給車の電気アーク式溶射システム、および溶射法を 用いて優れた冶金上および物理上の特性を有する高密度材料を製造し得る製造装 置に関する。

溶射法は、広範な工業分野において、金属、セラミックス、プラスチック、紙な ど様々な基体表面に、保護被覆を形成する用途に用いられている。また最近では 、溶射法はハイテクな複合材料の被覆だけでなく、外的な支持構造を有せずそれ 自体の自立構造で立つ製品形状体（Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ　ｎｅａｒ−ｎｅ ｔ−ｓｈａｐｅｓ）の製造Ｉこも使用されている。熱溶射法は、１種または２種 以上の材料の粒子を加熱して加速し、高エネルギー粒子の流れを形成する方法で あるから、急速に加熱し易０ワイヤーや粉末の形で原料を供給する方法が編み出 された。被覆や製造品の成分および微視的構造に影響を与えるパラメータは多数 あるが、特に、被覆すべき基体に衝突する際の粒子の速度と８度は、堆積物の密 度と均一性を決定する重要な因子である。

溶射法の先行技術の一つとして、金属や他の材料の粉体、ワイヤまたは棒材を燃 焼炎で溶融し噴霧する方法が公知である。この方法では、アセチレン−酸素混合 ガスなどの燃料ガスをノズルから吹き出して噴射孔で着火するとともに、噴射す べき材料を燃焼炎中に供給して、溶融状態で基体に吹き付ける。溶射原料の０聾 としては金属棒やワイヤーが使用可能で、これら原料を燃焼炎中にノズル軸線に 沿って挿入するか、あるいは燃焼炎に触れるように挿入する。同様に、金属粉末 をキャリアガスによって燃焼炎に吹き込む方法も可能であり、粉末原料用溶射ガ ンの中には、原料粉末を重力で燃焼炎中に落下させる構造のものもある。しかし 、この種のガス式溶射法では、いずれも溶射速度が亜音速の範囲である力）ら、 気孔の多い被覆しか製造できない。

他の溶射法として、プラズマ溶射法が公知である。プラズマ溶射法は、高速のプ ラズマガスを用いて、粉末状または粒子状の溶融原料を基体シこ吹き付ける。プ ラズマを形成するために、プラズマがノのノズル中でアークを発生させ、このア −り中を通してプラズマ用ガスを流し、このガスを電離させてプラズマガス・ｌ トに変える。このようにして形成されたプラズマジェットは極めて高１で、１０ ００００℃を越えることもある。溶射原料は一般的に２０〜１００μｍの溶射粒 子となり、プラズマ中で加速されてマｙＪ〜ｌを越える速度に達する。このよう なプラズマ溶射法によれば、高密度の被覆を形成することができるが、装置が？ ｊｌ［雑かつ高価であるうえ、操作が難しく高度な熟練を要するという欠点があ った。

他の溶射技術としては、米国特許３，５４６，４１５号に開示された電気アーク 式溶射法がある。この方法では、アークゾーン中に配置した２本の消耗ワイヤー 電極間でアークを発生させる。ワイヤー電極が溶融するにつれ、アークゾーン中 に各ワイヤーを順次送り、アーク放電を継続させる。ワイヤー電極の先端で溶融 した材料は、アークゾーンに供給される冷たい圧縮ガス流により微粒子化され、 ガス流に乗って基体に吹き付けられ、その表面に被覆を形成する。

このような電気アーク式溶射法によって形成された被覆は、密度が高く酸化物が 比較的少ない特徴を有する。しかし、この方法では、２本の電極ワイヤーを同時 に供給するために、いくつかの欠点を有している。第１の欠点は、溶射ガンは軽 量で操作し易いことが要求されるのに対し、この電気アーク式溶射ガンは、多数 の重い電気ケーブルや２本の電極ワイヤーを溶射ガンに供給するための絶縁性コ ンノットを有するため、かさばって扱いにくいことである。また、２本のワイヤ ーを同時かつ正確に溶射ガンのアークゾーンに導入しなければならないため、ワ イヤー供給に特有の不安定さが生じる。このような不安定さに起因して、被覆の 物性のばらつきが大きく、品質低下が生じる問題もある。さらに、陽極ワイヤー と陰極ワイヤーのそれぞれから溶融粒子が生じるが、これら２種の粒子の粒径は 互いに異なるため、均一な被覆の形成を阻害する原因になっていた。

米国特許４，６６８，８５２号には、アークノーン内での噴霧用ガスの流路を変 更したアーク溶射装置が記載されている。しかし、この技術は亜音速における融 液の微粒子化効果を改善するものであって、２本のワイヤーを同時供給すること による不安定さを改善することはできない。

噴霧用ガスの速度を同上するため、米国特許４，７８８，４０２号では、プラズ マジェットを音速または超音速に加速し、プラズマトーチの陽極ノズルの噴出孔 から噴出させる技術を用いた溶射装置が開示されている。この装置では、２本の ワイヤーを前記噴出孔から吹き出すプラズマガス中に、プラズマガスの軸線に対 して鋭角を保って同時に挿入し、これら２本のワイヤー間に電流を流して、両ワ イヤー間に、プラズマジェットを横切るアークを形成する。このような装置によ れば、２本のワイヤーの先端から生じた金属粒子を、音速または超音速で流れる プラズマジェットで微粒化することができる。しかし、このような装置でも、２ 本のワイヤーを同時に供給することには変わりないから、ワイヤー供給にともな う不安定さの問題は改善できない。

米国特許３，１４０，３８０号には、中心軸の周囲にこの中心軸上の一点に向け て角度をつけて配置された複数のプラズマトーチを具備した複合トーチを使用す る溶射方法が記載されている。この溶射方法では、原料の単線ワイヤーを前記複 合トーチの中心軸に沿ってプラズマジェットの合流点に挿入し、ワイヤー先端を プラズマジェットの熱で溶融し、プラズマジェットに載せて基体に噴霧して被覆 を形成する。しかし、この構成では、ワイヤーを加熱する熱がプラズマジェット からの伝達熱のみであり、合流したプラズマジェットの速度が比較的遅いため、 微粒子化および吹き付けが比較的低速で行われる。したがって、気孔が少なく高 密度な被覆を形成することは困難であった。

米国特許３，０６４，１１４号には、トーチの中心軸を通して単線ワイヤーを供 給する単線供給型のアーク溶射装置が開示されている。この装置では、アークチ ャ／バー内にワイヤーを消耗電極として供給し、このワイヤーと陰極の間にアー クを形成しつつ、噴霧用ガスをワイヤーと同軸にアークチャンバー内に導入する 。そして、高速のガス流によって、アークで溶融されたワイヤーの先端から融液 を吹き飛ばし、溶融粒子をノズルから放出する。すなわち、この装置では、ワイ ヤーと同軸に流れるガスが、アークによって溶融したワイヤー先端部を均一な微 粒子に転換する作用も果たす。

米国特許３，０８５，７５０号には、トーチの噴射経路に沿って金属板を配置し 、この金属板によって高温のガス流を屈折させる構成が記載されている。しかし 、この溶射方法にはいくつかの欠点がある。第１には、速度が亜音速であるがら 、生成する被覆の気孔率が高く、粒径の大きい粒子からなる被覆しか形成できな い。茅２には、噴出ノズルの内壁に粒子が付着することを防止しに（い。

米国特許４，３７０，５３８号には、１本のワイヤーを２重トーチの内部でプラ ズマジェフトに対し鋭角に挿入する構成が記載されている。この装置では、プラ ズマトーチの陰極と陽極ワイヤーとの間でアーク放電させ、ワイヤーの先端を溶 融させつつ、十分なガス流をプラズマトーチ内に供給し、ワイヤー先端の溶融原 料をプラズマジェットで吹き飛ばして箪１段階の微粒子化を行う。ワイヤーはプ ラズマジェットに対して鋭角に挿入する。このプラズマジェットは比較的低速で あるが温度は高い。生成した溶融粒子は次に、低湿であるが高速の第２の噴霧用 ガス流に合流し、箪２段階の微粒子化および加速が行われる。この第２の噴霧用 ガス流は、溶射装置内に設けられた別の燃焼チャンバー内で、酸素−燃料混合ガ スを燃焼させることにより発生させる。この燃焼チャンバーがこの特許のもう１ つのポイントである。燃焼チャンバーで形成された高速のガスは、粗粒子化され た原料を含むプラズマジェットと同軸に合流する。しかし、このような装置では 、プラズマジェットの発生、燃料ガスの燃焼、ワイヤーによるアーク発生の３種 のプロセスを同一の装置内で行うため、これらプロセスを調和させることが難し い。また、多量の燃料ガスや酸素を消費するため、この装置の運転にはコストが かかるうえ、プラズマジェット中にワイヤーが鋭角で挿入されるため、陽極ワイ ヤーの先端とプラズマトーチの陰極との間でアーク放電が生じる際に、同時にワ イヤーと内側トーチノズルとの間に第２のアーク放電がランダムに生じる場合が ある。このような２重アークは、内部プラズマトーチを損傷し、ひいてはトーチ 全体を破損する。

米国特許４，６０４，３０６号には、互いに分離された二基のトーチ、すなわち プラズマトーチおよび高速燃焼トーチを有する溶射装置が記載されている。プラ ズマトーチは、貫通アーク式トーチと称され、トーチの陰極とワイヤー先端との 間でアーク放電させるとともに、ワイヤーの先端に対して鋭角に流れるプラズマ ジェットを形成する。こうして貫通アーク領域で粗粒子化され加速された溶融粒 子を、次に高速燃焼ガ／の噴出孔前に形成された静止領域に注入し、高速燃焼ガ スによって第２段の微粒子化および加速を行う。しかし、この構成においても、 前述した米国特許４，３７０．５３８号と同様な欠点を有する。すなわち、ワイ ヤーはプラズマジェットに対して鋭角で挿入されるため、ワイヤーとプラズマト ーチの陽極であるパイロットノズルとの間に東２のアークが生じ、プラズマトー チの損傷を引き起こすのである。さらに、プラズマトーチと酸素−燃料燃焼トー チとを有するため、これらの一体化が構造上難しく、運転コストもかかる。

上述した第２のアークを防ぐ手段としては、米国特許４，７６２，９７７号に記 載されたものもある。この装置では、プラズマトーチが発生する柱状のプラズマ ジェットの周囲に、同心状をなすように円環状の高速ガス流を形成し、この環状 のガス流によって柱状アークを包囲することにより、高速のガス流でアークを一 定領域内に閉じこめる作用を得ている。ワイヤーは高速ガス流を貫通してアーク 領域内に挿入されており、ワイヤーがアーク領域への前進を停止するか、ワイヤ ーの先端がアーク領域から後退すると、ワイヤー先端が高速かつ低温のガス流に 曝され、ワイヤー先端へのアーク放電が停止する。しかし、この構造では、溶射 装置が大型化および複雑化するうえ、高速のガス流を常時形成するために多量の 圧縮空気等を消費する欠点がある。加えて、高速かつ低重の空気が、基体に形成 される被覆に常時吹き付けるため、被覆の物性に悪影響を与える場合もあった２ 種以上の物質を同時に溶射することにより、複合材料を形成する技術も知られて いる。例えば、セラミｙクーセラミック系複合材料、およびセラミックー金属系 複合材料は「サーメ／ト」として、金属−セラミック系複合材料は「金属基複合 材料」として知られており、これら複合材料は、被覆や、内部の支持構造無しで 自立する製品形状体を製造する用途に使用されている。このような複合材料のＷ ！遣方法として、第１の溶射ガノで箪１の粒子流を形成しつつ、第２の溶射ガン で第２の粒子流を形成し、これら第１および系２の粒子流を混合して基体に溶射 する方法が公知である。

粒子流を混合して複合材料を形成する手段の一例として、米国特許４，７４０． ３９５号の装置が公知である。この装置は、複合材料の主組成物となる金属ワイ ヤー単線を溶融し基体表面に溶射する第１の溶射ガンと、金属を補強するための 繊維を圧縮空気とともに吹き出し、第１の溶射ガンからの金属粒子流に混合する 注入手段とを有し、複合材料を基体上に形成する。しかし、この装置では、形成 された複合材料被覆中において、各金属粒子の周囲に酸化物が形成されること、 並びに吹き付けが低速であるために被覆の気孔率が高くなるという欠点を有して おり、優れた特性の被覆が得られない問題があった。さらに、２基のスプレーガ ンを調和させて連動させることは操作が難しく、扱いにくかった。したがって、 １基のスプレーガンのみを用いて、酸化物含有量が低く、密度が高い複合材料を 形成しうる装置が望まれていた。

溶射ガンによって金属基複合材料を溶射し、自立する製品形状体または被覆を形 成する製造方法としては、米国特許出願０７／２４７，０２４号（共同出願人： 　Ｄａｎｉｅｌ　Ｒ，Ｍａｒａｎｔｚによる出願）に記載された方法もある。こ の装置は、１基の酸素−燃料燃焼がノ（音速に近い溶射速度が可能）に、２本ワ イヤー供給型の電気アークヘッドを組み合わせたものである。この装置では、２ 本のワイヤーの先端間に形成されるアーク領域に同けて燃焼ガンから高速の燃焼 ガスを噴出させ、アークで溶解された原料を微粒子化および加速し、溶融粒子を 被覆すべき基体に吹き付ける。同時に、複合材料の補強材としての粉末原料を、 燃焼ガンの燃焼部に導入する。補強材としては、一般に耐火性が高い酸化物また は炭化物が使用される。導入された粉末原料は、燃焼ガンの内部で加熱されて加 速され、燃焼ガスとともに吹き出して２本ワイヤーから生成した溶融金属粒子と 混合される。そして、溶融金属粒子と補強材粒子がともに基体表面に衝突すると 、補強材粒子は溶融金属粒子によって次々に覆われていく。この方法では、高密 度の複合材料被覆を形成することが可能である。

しかし、この方法にも欠点がある。第１に、酸素−燃料ガスを燃焼して高速ガス を得ているので、被覆中での金属相の周囲に多量の酸化物が形成されることであ る。このような酸化物は粒子間の結合力を弱めるので、得られた被覆の金属相結 合力は初期原料よりも弱くなる。さらに、加熱された補強材粒子が被覆上に衝突 することにより補強材粒子が金属相中に埋め込まれるので、金属相の硬度によっ て、補強材粒子が金属相中への取り込まれる確率が変化する。このため、例えば 硬質の鉄−ニッケル系合金を使用した場合には、補強材粒子が金属相中に取り込 まれないのに対し、中間的な硬さを有する銅合金等では補強材粒子の含有量が５ ％程度以下に留まり、より軟質なアルミニウムやアルミニウム合金などでは補強 材粒子の含有量が最大１０〜１５％程度になる。このように、補強材粒子の含有 量が金属相の材賀で制限され、素材設計の自由度が乏しかった。

米国特許４．７６２，９７７号には、複合材料の他の溶射方法が記載されている 。この方法では、単線ワイヤーをプラズマジェット中に鋭角（プラズマジェット の上流側に対する角度二以下同様）で挿入し、プラズマジェットとワイヤー先端 との間でアーク放電する。同時に、ワイヤーの上流側、すなわちプラズマ陰極ノ ズルとワイヤー先端との間からキャリアガスとともに粉末原料をプラズマ中に導 入する。原料粉末はワイヤーから生じた溶融粒子と混ざり合い、共に基体に同け て噴射され、基体上に複合材料の皮膜が形成される。しかし、この溶射方法では 、粉末原料とキャリアガスが、溶融したワイヤー先端の上流側から注入されるた めに、プラズマジェットの温度が低下する。また、キャリアガス流とプラズマガ ス流との運動エネルギーの相互作用により、アーク放電が不安定になって、複合 材料の物性に悪影響を与える。さらに、上記相互作用により、形成される複合材 料中の粉末原料の含有量が低く抑えられる欠点があった。

したがって、超音速プラズマアーク粉末およびワイヤー溶射により、金属基複合 材料のような複合材料を製造できる単線ワイヤー供給型の溶射ガンが要望されて いる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の好ましい高速アーク溶射装 置は、柱状の貫通アーク領域を形成するための貫通プラズマトーチ手段と、溶射 すべき金属原料の先端が金属原料の他の部分よりも前記貫通プラズマトーチ手段 に接近する挿入角度て、この金属原料を前記柱状の貫通プラズマ領域内に挿入す る金属原料供給手段とを有する。この装置はさらに、前記金属原料および前記貫 通プラズマトーチ手段に接続された電力供給手段を具備し、この電力供給手段に より、貫通プラズマトーチ手段と金属原料との間に電位差を形成する。前記金属 原料は、前記柱状の貫通プラズマ領域で形成されたアークを移動させるための陽 極となる。

上記構成からなる高速アーク溶射装置は、一般に金属基複合材料を含む複合材料 を形成するために使用される。貫通プラズマトーチ手段は陰極を有し、超音速の プラズマジェットを形成する。金属ワイヤーは、プラズマジェットに対して垂直 に、かつ連続的に供給される。陽極となる金属ワイヤーの先端と貫通ブラズ７ト ーチ手段の内部に設けられた陰極との間で貫通プラズマ領域が形成され、金属ワ イヤーの先端が溶融されるに従い、金属ワイヤーをプラズマジェット中に送り込 む。溶融金属は超音速のプラズマジェットにより微粒子化されるとともに加速さ れ、基体Ｊζ吹き付ｌすられる。

本発明の高速アーク溶射装置はさらに、プラズマジェット中に粉末原料を導入す る粉末原料供給手段を有していてもよい。この粉末原料供給手段は、金属原料の プラズマジェットへの導入位置よりも前記プラズマジェットの下流側で粉末類　 、料をプラズマジェット中に導入するように構成されることが好ましく、さらに 粉末原料供給手段は、前記プラズマジェットの中心軸を中心として前記前記金属 原料供給手段と実賀的に１８０＠をなし、かつ粉末原料供給手段は、ワイヤーの 中心線よりもプラズマジェフトの下流側に離された位置に設けられることが好ま しい。

また、本発明の高速アーク溶射装置における貫通プラズマトーチ手段は、陰極を 支持する陰極支持体と、前記陰極の外周面との間に間隔を空けて配置されたカッ プ状のパイロットノズルとを有し、前記陰極の外周面と前記バイロフトノズルの 内面との間はチャンバーとされ、このチャンバー内に連通手段を介してプラズマ 用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段が設けられ、これにより、前記チャン バー内に供給された前記プラズマ用ガスが前記陰極の外周に沿って渦流となって 流れたうえ前記パイロットノズルのノズル孔から放出されるように構成されてい てもよい。

また、前記パイロットノズルの外周にはさらにカップ状をなす微粒子化ノズルが 設置すられ、この微粒子化ノズルの内周面とパイロットノズルの外周面の間には 第２のチャンバーが形成され、この第２チヤンバーに第２連通手段を介して圧縮 ガスを供給する圧縮ガス供給手段が設けられ、これにより、第２チヤンバーを通 って微粒子化ノズルから噴出する圧縮ガス流が、プラズマジェットへのワイヤー 挿入点よりプラズマジェットの下流に位置する集束点に集中して強力な集束流を 生じるように構成されていてもよい。このように、圧縮ガス流の集束点がワイヤ ー挿入点より下流に位置すると、圧縮ガス流によるプラズマジェフトの乱流発生 を最小限にすることができ、プラズマジェットの安定化が図れる。

前記金属原料として、金属ワイヤーその他の代わりに、金属円板を使用してもよ い。この金属円板は、その両面が前記貫通プラズマトーチ手段の軸線に対して垂 直、かつ前記金属円板の軸線が前記貫通プラズマトーチ手段の軸線に対して平行 となるように配置され、金属円板の軸線と前記貫通プラズマトーチ手段の軸線の 離間距離は、前記金属円板の半径と実賞的に等しくされる。この場合、金属円板 を軸線回りに回転させる駆動手段を設ける。前記金属円板を回転させながら、金 属円板の外周縁と貫通プラズマトーチ手段の陰極との間でアークを形成すること により、金屑円板の外周縁は連続的に溶解され、生じた融液は超音速のプラズマ ジェットにより、微粒子化および加速され、基体に吹き付けられる。さらに、金 屑円板を貫通プラズマトーチ手段の軸線に向けて移動させるう・１ク一ビニオン 機構を設けることにより、プラズマジェット中に金属円板の外周縁が常に挿入さ れるようにすることが望ましい。

２枚の金屑円板を溶射原料として使用することも可能である。これら金属円板は いずれもその外周縁がプラズマジェットに接するように配置され、２枚とも回転 されつつ陽極として通電される。そして、両金属円板と、貫通プラズマトーチ手 段の内部の＃ｒ極との間にアークを形成することにより、両金属円板の外周を同 様に溶融させ、生じた融液を超音速のプラズマジェットにより微粒子化および加 速する。

金属円板の代わりに、溶射原料からなる棒材や矩形板を使用することも可能であ る。この場合、棒材や矩形板の一端縁の一部をプラズマジェット中に垂直に挿入 しつつ、これら部材を前記一端縁に沿う方向へ往復動作せる駆動機構を設けるこ とが好ましい。また、これら部材を貫通プラズマトーチ手段の軸線に同けて移動 させるラフクービニオフ機構を設けることにより、プラズマジェット中に部材の 一端縁が常に挿入されるようにすることが望ましい。

また、前記貫通プラズマトーチ手段を回転部材に固定し、この回転部材の内部に ワイヤー供給管を設け、前記回転部材は前記ワイヤー供給管の軸線回りに回転可 能とし、金属原料供給手段によりワイヤー供給管を通してワイヤーを貫通プラズ マトーチ手段のプラズマジェット中に連続供給するように構成し、さらに回転部 材をワイヤー供給管の軸線に沿って往復動させる直動機構を設けてもよい。この 場合も、ワイヤーと貫通プラズマトーチ手段の陰極との間でアークを発生させ、 ワイヤーを溶融させて、プラズマジェットで微粒子化および加速する。この装置 は、円筒状等の凹部の内面に溶射する用途に好適である。すなわち、凹部内に前 記回転部材を挿入し、これをワイヤーの軸線回りに回転させつつ、同軸線方向に 往復動させることにより、凹部の内面全面に原料を溶射して均一な被覆を形成す ることができる。

本発明の単線供給式の溶射装置および方法では、超音速のプラズマジェットを、 融液を微粒子化および加速する目的で使用するとともに、金属ワイヤーに接する 導電体としても使用するので、ワイヤーから貫通プラズマトーチ手段への第２の アークを発生させることなく、高速溶射により高密度の被覆を形成することがで き、被覆中の酸化物濃度も低下することが可能である。

また、本発明の複合材料用溶射装置および方法では、粉末原料を、溶融した金属 原料中に均一かつ広い含有率範囲に亙って混合しつつ溶射することができるので 、組成の均一性および組成自由度の高い被覆および目立する製品形状体を製造す ることが可能である。

さらに、本発明の溶射装置は、構造が比較的単純であるうえ、ガスの消費量が少 ないという利点を有する。

図１は、本発明の一実施例として、金属ワイヤー供給機構および粉末原料供給機 構の両方を具備する高速アーク式溶射装置を示すブロック図である。

図２は、本発明の他の実施例に使用される、ワイヤー原料供給機構のみを具備す るプラズマアークトーチの縦断面の拡大図である。

図３は、図１の実施例に使用される、金属ワイヤー供給部および粉末原料供給部 の両方を具備したプラズマアークトーチの縦断面の拡大図である。

図４は、本発明のさらに他の実施例として、回転ディスクにより原料供給を行う 形式の高速アーク式溶射装置を示す概略図である。

図５は、本発明のさらに他の実施例を示す概略図である。

ス６は、図５中の６−６線断面図である。

図７は、本発明の実施例に使用される電圧感知回路を示す回路図である。

図１は本発明に係る高速アーク式溶射装置の実施例を示し、図中符号１ｏは貫通 プラズマトーチ（Ｔｒａｎｓｆｅｒｅｄ−Ａｒｅ−Ｐｌａｓｍａ　ｔｏｒｅｂ　 ）である。この貫通プラズマトーチｌＯは主制御盤２０によって電源供給および 作動制御されるもので、主制御盤２０はさらに、ガス制御機構１９、ワイヤー制 御機構４３および電力供給機構２７を具備している。プラズマ用ガス源１８は圧 縮したプラズマ用ガスを内蔵し、ガスホース１９を経て主制御盤２ｏのガス制御 機構１９に接続され、さらにガスホース２５を経て貫通プラズマトーチ１０に接 続されている。そして、プラズマ用ガス源１８に収容されたプラズマ用ガスは、 貫通プラズマトーチ１ｏに電源およびワイヤー１２２が供給され、貫通プラズマ トーチｌＯとワイヤー１２２との間でアーク放電される時に、ガス制御機構１９ を介して貫通プラズマトーチ１０に供給されるようになっている。

ワイヤー１２２は、貫通プラズマトーチ１０の軸線に対して少な（とも９０’の 挿入角度で、貫通プラズマトーチｌＯ内に供給される。ワイヤー１２２はワイヤ ー源１２から、ワイヤー送り機構１１によって貫通プラズマトーチ１０内に送ら れる。ワイヤー送り機構１１はワイヤー１２２を挟む一対のロール１３、および これらロール１３を回転させるモータ１４を有し、このモータ１４はワイヤー制 御機構４３によって制御される。

主制御盤２０の電源入力端子２６はｉｉ源に接続され、ここから電源が供給され ると、主制御盤２０の電力供給部２７が直流電流に転換する。１！源入力端子２ ６と直流電力供給部３６の間にはスイッチ３９が介装されている。

図２は貫通プラズマトーチｌＯの断面拡大図である。貫通プラズマトーチ１０は ハウジング１０１を有し、このハウジング１０１の内部には、プラズマ用ガス導 入ブロック１０２と、陰極支持体１０４が互いに同軸に並んで収容され、陰極支 持体１０４には陰極１０６が同軸に固定されている。陰極１０６を同軸に包囲す るように、力１ブ状をなすパイロ１トノズル１０７が取り付けられている。陰極 支持体１０４は、パイロットノズル支持ブロック１１０の内部に同軸に配置され ており、絶縁スリーブ１．１．１を介して、前記パイロットノズル支持ブロック １１０とは電気的に絶縁された状態で支持されている。

プラズマ用ガス導入ブロック１（１２は、ガス導入口１０３を有し、このガス導 入口１０３にプラズマ用ガスが供給されるようになっている。プラズマ用ガス導 入ブロック１０２の内部には、ガス導入口１０３から陰極支持体１０４を通って 、陰極１０６の外周に開口する導出路１０５が形成されている。〕１イロアトノ ズル１０７と陰極１０６の間には、チャンバー１０８が形成され、導出路１０５ は、チャンバー１０８の軸線に対して直角に開口している。これにより、プラズ マ用ガスが導出路１０５からチャンバー１０８内に供給されると、プラズマ用ガ スは陰極１０６の周囲で強い渦を巻き、バイロフトノズル１０７に形成されたノ ズル孔１０９から吹き出すようになっている。

バイロフトノズル１０７の外周には、パイロットノズル１０７との間に間隙を空 けて、カップ状の微粒子化ノズル１１９が配置されている。一方、茶２の圧縮ガ スが陰極支持体１０４の内部に形成されたガス導入口１１２から供給され、この 第２ガスは陰極支持体１０４中に形成されたガス路を通って、分岐室１１３に入 り、陰極支持体１０４内に複数形成されたガス路１１４を通ってガス室１１５に 入る。さらに第２ガスはガス室１１５からガス路１１８．１１７を通ってマニホ ールド１１８に導入され、マニホールド１１ｇ内で十分に攪拌されたうえ、前記 パイロットノズル１０７の外周面と微粒子化ノズル１１９の内周面の間に形成さ れた円錐状の通路１２０を通って、バイロフトノズル１０７の前方の一点１２１ に集束する流れを生じる。この集束点１２１は、好ましい例を挙げると、ノスイ ロ１トノズル１０７のＷｑ端から約２４ｍｍ離れた位置に設定される。

図１に示すように、電力供給部２７の（−）出力は、リード線２８を介して貫通 プラズマトーチ１０の陰極１０６に接続されている。一方、電力供給部２７の（ ＋）出力はリード線２９を介してワイヤー１２２に接続され、ワイヤー１２２が 陽極となっている。貫通プラズマトーチ１０の本体３０もリード線３１を介して 電力供給部２７の第２（＋）出力に接続されている。

この第２（＋）出力に付いて説明すると、電力供給部２７内には高周波発生器３ ２が設けられており、この高周波発生ｉ！１３２の一極は、電力供給部２７の（ −）出力に、直流電力供給部３６からの直流電流を遮断するためのコンデンサ３ ３を介して接続されている。高周波発生器３２の他極は、電力供給部２７の前記 茶２出力として貫通プラズマトーチ１０の本体３ｏに直接接続されるとともに、 抵抗３４およびスイッチ４５を介して電力供給部２７の陽極出力に接続されてい る電力供給部２７内には、電圧センサー３５も設けられている。この電圧センサ ー３５の入力端子は、直流電力供給部３６の各出力端子にリード線３７．３８を 介して接続され、直流電力供給部３６の出力電圧を直接計測する。電圧センサー ３５の出力端子は、ケーブル４２を介して制御機構４１に接続され、制御機構４ １の出力はケーブル４４を介してワイヤー供給制御機構４３および直流電力供給 部３６に接続されている。そして制御！１機構４１は、電圧センサー３５の出力 に応じて、スイッチ３９．４０の断接を必要に応じて切り換えるようになってい る。

スイッチ３９は直流電力供給部３６の１１１ｆｌＡの断接、スイッチ４ｏはワイ ヤー供給制御機構４３の電源の断接を行う。

図２に示すように、ワイヤー１２２は、貫通プラズマトーチ１０の軸線のプラズ マジェット上流側部分に対して少なくとも９０＠の角度で繰り出されるようにな っている。また、ワイヤー１２２の軸線は、好ましい具体例を挙げると、パイロ ットノズル１０７の前端から約４．５ｍｍの位置に設定される。陰極支持体１０ ４は直流電力供給部３６の前記（−）出力端子に接続され、ワイヤー１２２は（ ＋）出力端子に接続されている。さらに、バイロフトノズル１０７は、高周波発 生器３２の第２（バイロフト）出力端子に接続されている。

上記構成の装置を使用するには、装置の電源スィッチをｏｎにした後、プラズマ 用ガス［１８からプラズマ用ガスを、ガス制御機構１９およびボース２５を通じ て、貫通プラズマトーチ１０に供給する。初期化時間（通常２秒程度）が経過し たら、直流電力供給部３６、高周波発生器３２、スイッチ４５、およびワイヤー 供給料ａｍ構４３を作動させる。すると、陰極１０８とバイロフトノズル１゜７ との間のプラズマ用ガスの低圧域にアークが生じる。このアークが生じると、プ ラズマ用ガスが加熱およびプラズマ化され、バイロフトノズル１０７のノズル孔 】０９からプラズマが噴出する。

噴出したプラズマがワイヤー１２２に達すると、電圧がかかっていた陰極１０６ とワイヤー１２２の先端との間にアークが誘発され、これにより陰極１０６の近 傍からパイロットノズル１０７を通り、ワイヤー１２２の先端を過ぎて前方に延 びるプラズマジェット１２７が形成される。プラズマジェット１２７が形成され たらすぐに、スイッチ４５をａｒｔとし、高周波発生器３２への電力供給を停止 する。

プラズマジェット１２７はワイヤー１２２の先端に吹き付けられ、ワイヤー１２ ２の先端はアークの高熱によって溶融したうえ、プラズマジェット１２７により 溶融滴が吹き飛ばされて第１段階の微粒子化および加速が行われる。その際、プ ラズマジェ、）１２７の超音速に比して溶融滴の初期速度は小さいので、溶融滴 の粘性に打ち勝って溶融滴を極めて微粒子化する作用が生じる。なお、ワイヤー １２２は、ワイヤー送り機＄１１１によってプラズマジェットの中に連続的に供 給し、ワイヤー１２２先端が溶解してもアーク放電が継続するようにする。

プラズマジエツト１２７に乗った溶融粒子はさらに、プラズマ用ガス）１２７の 前方の集束点１２１において大量の第２ガス流に合流し、第２段階目の加速およ び微粒子化され、さらに細かい溶融粒子となる。こうして生じた微細な溶融粒子 はさらに微粒子化および加速されつつ基体１２３の表面に衝突し、被覆１２４を 形成する。

上記操作の間に、ワイヤー１２２の供給が遅れたり停止した場合には、ワイヤー １２２の先端が後退する。この種のワイヤー送りの遅滞は、ワイヤー１２２によ じれなどがあるとしばしば生じるものであるし、操作終了時などにワイヤー送り が停止した場合にも、ワイヤー先端が溶融して後退する。ワイヤー１２２の先端 が後退すると、陰極１０６とワイヤー１２２の間に形成されるアークの長さが増 し、バイロフトノズル１０７がアークによって損傷するとともに、ワイヤー１２ ２を支持しているワイヤーガイド（図示略）も損傷するおそれが生じる。

このようなおそれは、この装置において、直流電力供給部３６がその出力を定電 流制御していることに起因する。定電流制御により、負荷条件が変わっても直流 電力供給部３６の出力電圧が自動的に調整され、出力電流は予め設定された定格 値に常に保たれる。したがって、アークの全長が延びると、ワイヤー１２２にか かる電圧が自動的に上昇するのである。そこで、そのようなおそれをなくすため 、この実施例では、電圧センサー３５が電圧の上昇を感知し、直流電力供給部３ ６およびワイヤー供給制御機構４３への電力供給を停止し、装置の損傷を防止す る。

図７は、本発明に使用可能な電圧センサー３５の一例を示す回路図である。電圧 センサー３５の入力端子は直流電力供給部３６の出力端子にそれぞれ接続されて いる。抵抗Ｒ１は直流電力供給Ｍ３６の（＋）出力と（−）出力間に接続され、 藁ｌのダイオードＤＩが抵抗Ｒ１とリレーのコイルＣＲＩとの間に接続されてい る。リレーの接点が前記スイッチ３９．４０となる。第２のダイオードＤ２が第 ２抵抗Ｒ２と直列に接続され、これらは、ダイオードＤ１の陰極およびフィルＣ ＲＩの連結部と、抵抗Ｒ３との間に接続されている。抵抗Ｒ３は直流電力供給部 ３６の（−）出力と抵抗Ｒ２との間に接続されている。トランジスターＱ１のコ レクターは抵抗Ｒ３に接続され、エミッターは抵抗Ｒ４を介してコイルＣＲＩに 接続され、ベースは直流電力供給部３６の（−）出力に接続されている。

本実施例では、プラズマジェット１２７に対して垂直にワイヤー１２２を供給す るから、ワイヤー１２２から陰極１０６までの距離が最短となるのが常にワイヤ ー１２２の先端である。したがって、ワイヤー１２２の先端以外の部分と、ｔ４ イロブトノズル１０７との間で第２のアークが生じることを予防できる。

従来の装置では、アークに対しワイヤーの軸線を鋭角に配置していたから、ワイ ヤー先端が後退すると先端以外の部分が陰極に近づき、その部分から第２のアー クが生じていたが、この実施例の装置では、上記のように第２アークの発生が防 止できる。貫通プラズマトーチ１０の軸線に対するワイヤー１２２の配置角度も 、電圧センサー３５による保護機構とともに、装置の損傷を防ぐための本発明の 重要な特徴の１つである。

また、ワイヤー１２２の先端が後退するとアークの全長が増し、定電流制御によ り電圧が上昇するが、この装置では電圧センサー３５を設けたことにより、この 電圧センサー３５が電圧の上昇を感知して限界電圧に達した時点で貫通プラズマ トーチ１０への電力供給を遮断し、ワイヤー送り機構１１も停止させるので、装 置を損傷させるおそれのある第２アーク発生やアークの拡大を防ぐことが可能で ある。

図３は本発明の好ましい実施例における貫通プラズマトーチ１０を示すもので、 図１あるいは図２と同一部分には同一符号を付している。図３の貫通プラズマト ーチは、図２のものとは異なり、金属基複合材料を製造できるようにワイヤー１ ２２とは異なる粉末原料を供給するための粉末供給管１２５を有している。

この粉末供給管１２５は、プラズマジェット１２７を挟んでワイヤー１２２と正 反対の側からプラズマジェット１２７に向けて配置され、矢印Ｃの方向に粉末原 料を供給する。図１に示すように、粉末供給管１２５は粉末管１７を介して粉末 供給器１６に接続されており、粉末供給器１６は、ガス萱２３，２４およびガス 制御機構１９を介してキャリアガス源２２に接続されている。キャリアガス源２ ２に蓄えられたキャリアガスは、ガス制御機構１９を通って、粉末供給器１６に 供給され、粉末供給器１６に蓄えられた原料粉末を伴って粉末供給管１２５から 放出される。このような粉末供給手段を有する装置によれば、高密度の複合材料 が製造できる。

図３に示すように粉末供給管１２５はワイヤー１２２と１８０°をなす位置に配 置されており、貫通プラズマトーチｌＯの軸線とは９０６をなしている。さらに 、粉末供給管１２５の軸線はワイヤー１２２の半径分以上、好ましくは直径分だ けプラズマジェット１２７の下流位置に位置決めされている。より好まい曳具体 例を挙げると、粉末供給管１２５はワイヤー１２２からｔｍｒｎ下流側にあると よい。ただし、本発明はこの値に限られるものではない。

粉末供給管１２５から牛ヤリアガス１２６とともに噴出した粉末原料は、プラズ マジェット１２７中に直接注入され、ワイヤー１２２から発生した溶融粒子と衝 突し、混じり合う。そして粉末を含んだ溶融粒子はまずプラズマジェット１２７ により運ばれ、次いで集束点１２１で第２のガス流と合流し、基体１２３に吹き 付けられる。これにより、高い密度の複合材料からなる被覆１２４が形成される 。

図３において、符号１２８は陰極１０６からワイヤー１２２の先端に達するアー クを示し、このアーク１２８によってプラズマジェット１２７が形成される。

プラズマジェット１２７のエネルギーが適当であると、図示のようにプラズマジ ェット１２７が超音速に達したことを示すマツ／）ダイヤモンド１２９が観察で き本実施例の利点の１つは、粉末原料を溶融状管の金属粒子中に直接導入できる ことである。これにより、鉄系材料のように硬い金属基を有する複合材料を形成 する場合にも、金属基の硬さや粉末原料の添加率に拘りなく、粉末原料を均一に 金属基中に添加することができ、粉末原料の添加率の自由度が高く、製造し得る 金属基複合材料の組成範囲が拡大できる。さらに、粉末原料をワイヤー１２２よ りも下流側の位置においてプラズマジェット１２７に導入することにより、粉末 原料の注入によるプラズマジェット１２７の乱流化、およびアーク１２８の乱れ を防止することができる。また、従来の溶射装置よりも粉末原料の添加率を増す ことができるので、複合材料の高強度化が図れる。

プラズマ用ガスおよび系２ガスとしては、さまざまな気体が使用可能であるが、 その種類は、形成すべき複合材料の特性、溶射効率、経済性、利用し易さなどを 考慮して決定すべきである。プラズマ用ガスおよび第２ガスとしては、通常はコ ストの点から圧縮空気が好適であるが、複合材料被覆中の酸化物濃度を低減した い場合には、窒素、アルゴン、これらガスと他のガスとの混合物、水素、ヘリウ ムなどの使用が効果的である。

本発明の装置では、金属基複合材料を含む複合材料を形成する場合、原料（好ま しくは粉末状（粒子や短繊維を含む）の原料をプラズマジェット中に導入する流 体供給手段を設け、この流体供給手段による原料供給位置をワイヤー供給位置よ りも下流に設定し、溶融粒子中に直接粉末原料を導入するから、粉末原料の粒子 はそれよりも大きい溶融粒子に取り込まれる。したがって、基体上に形成される 複合材料は高密度でかつ組成が均一になる。

また、本発明の装置で複合材料を形成する場合、粉末原料（粗粒を含む）として は、溶解しにくい酸化物、炭化物、ホウ化物、ケイ素化合物、窒化物、炭素ウィ スカーやこれらの混合物などが使用可能である。一方、ワイヤー１２２の材料と しては、金属以外にも他の導電性材料が使用可能であり、またワイヤーの代わり に、棒状、条材、流体、または液体などの形で、第１　（金＠）Ｎ料を供給して もよい。このようにして、本発明に係る装置および方法は、従来知られている溶 射方法では得られない、高密度で均一な組成の複合材料を形成することが可能で ある。

また、本発明では、プラズマ用ガスの種類と圧力を調整することにより、プラズ マ用ガスの温度およびエノタルビーを調整することができる利点も有する。プラ ズマ用ガスの成分および圧力を調整することにより、粒子速度を広い範囲で調整 することができ、最終的に得られる被覆の特性を調整することができる。好まし いプラズマ用ガスの圧力範囲は２０〜１５０ｐｓ１ｇであり、さらに好ましくは ４０〜１１００ｐｓ１である。プラズマ用ガスの圧力が上記範囲で、ノ寸イロッ トノズル孔１０９の直径が適当に設定されれば、ノズル孔１０９から噴出するプ ラズマジェットは超音速に達する。ノズル孔１０９の直径は好ましくは１〜３ｍ ｍの範囲で設定され、その場合、アーク電流は好ましくは２０〜２００Ａに設定 される。プラズマ用ガスの流量および投入されるエネルギーも、プラズマジェッ ト１２７の速度を決定する。

図３に示す実施例では、貫通プラズマトーチｌＯは図２に示すものとほぼ同構造 であるが、粉末供給管１２５が新たに加えられた。この粉末供給管１２５は、例 示する実施例では厳密に設定されている。例えば、粉末供給管１２５の軸線はワ イヤー１２２の軸線から少なくとも１ｍｍ下流側に設定され、また貫通プラズマ トーチｌＯの軸線となす角が９０″以上に設定される。

アーク１２８が形成されると、ワイヤー１２２は連続的にワイヤー送り機構１１ により図３中矢印り方向に送られ、同時に、キャリアがス１２６が粉末供給器１ ６から粉末管１７を通って粉末供給管１２５へ供給され、粉末供給管１２５から 矢印Ｃ方向へ同けてプラズマジェット１２フ中へ注入される。粉末供給管１２５ はワイヤー１２２の正反対位置かつ若干下流側にに設置されているので、粉末原 料がキャリアガス１２６とともにプラズマジェット１２フ中に供給されると、粉 末原料の粒子はワイヤー１２２から生じた相対的に大きな溶融粒子中に取り込ま れる。この構成は本発明の主要点である。

従来の溶射方法においては、粉末原料の粒子を溶融粒子の発生源よりも上流側か ら添加するか、個々の原料を別個に基体に吹き付けており、粉末原料の粒子の速 度は、溶融粒子の速度とはかなり異なっていた。本発明の実施例では、溶融粒子 の速度は、ワイヤー１２２の先端では実質的に０であり、この位置からブラズマ ジェット１２７によって基体に向けて加速される。一方、注入された粉末原料の 粒子は、その注入方向がプラズマジェットの上流側軸線から９０″以上であるの で、基板に向かう速度はプラズマジェットに合流した時点で０である。したがう て、いずれも、プラズマジェットによる加速開始時点での初速が同じくｏである うえ、粉末原料粒子の多数は溶融粒子に取り込まれるので、粉末原料の粒子も溶 融粒子も基体に達する際の速度はほぼ等しくなる。これにより、本発明の装置お よび方法によれば、金属基複合材料の特性を大幅に向上することができる。

ワイヤー１２２の材質は単一金属に限定されず、合金であってもよい。複合材料 を形成するうえで好適な材質としては、チタン、アルミニウム、鉄、ニッケルお よび鯛などを主組成とする合金である。いかなる金属であっても、ワイヤー形状 に加工することができさえすれば、本発明に使用可能である。中心が粉末で形成 されたいわゆるパウダーコアのワイヤーも使用可能である。第１および第２原料 の各流量は、粉末原料の供給量およびワイヤーの供給量を調節することにより調 節可能である。粉末原料としては、金属、合金、酸化チタン、酸化アルミニラＡ ｊｄよび酸化クロムなどの金属酸化物あるいはこれらの混合物；タングステン− クロム炭化物、炭化チタン、炭化ケイ素、炭化モリブデンなどの炭化物；ケイ素 化合物；窒化物、さらに以上の物質の混合物などが使用可能である。上記物質の 混合物としては、粉末を単に混合しても良いし、成形および焼結した焼結体や、 溶解混合して作成した複合材料または合金を用いても良い。なお一般に、粉末原 料の好ましい粒径範囲は５〜１００μｍ、より好ましくは１５〜７０μｍとされ る。しかし、用途に応じてはこの範囲外も使朋可能である。

上記溶射装置および溶射方法によれば、被覆のみならず自立可能な製品形状体も 製造できる。自立可能な製品形状体は、心金の外周に原料を溶射するか、キャビ ティの内側に原料を溶射することにより製造される。その際、従来から知られて いる離型剤を使用したり、離型技術を使用しても良い。

次に、図４は本発明の他の実施例を示すものである。図１〜図３と同一部分には 同一符号を付している。この例においても貫通プラズマトーチ１０の構造は図２ の実施例と同一であるが、ワイヤー１２２の代わりに、溶融すべき材料で成形さ れた回転板１３９を使用している点が異なる。回転板１３９はモータ１３０の出 力軸に連結され、モータ１３０は支持体１４０を介して、一対のラフクービニオ ン機構１３１によって支持されている。これらう１ク一ピニオン機構１３１は、 互いに駆動軸１３３を介して連動するとともに、モータ１３２で駆動されるよう になっている。

回転板１３９は、その両面が貫通プラズマトーチ１０の軸線に対して垂直、かつ 回転板１３９の軸線が貫通プラズマトーチ１０の軸線と平行になるように配置さ れている。回転板１３９は駆動モータ１３０によって回転されるにつれ、回転板 １３９の外周が順次、プラズマジェット１２７によって溶解されるようになって いる。同時に、各ラフクービニオン機構１３１により、駆動モータ１３０および 回転板１３９が上昇され、プラズマジェット１２７に対する回転板１３９の外周 の位置は常に一定に保たれる。回転板１３９の外周が溶解するにつれ、溶融物は プラズマジェｙ）１２７によって加速および微粒子化され、基体１２３の表面に 被覆１２４を形成する。

同様に、回転板１３９の代わりに、第１原料からなる長方形板材または棒材を貫 通プラズマトーチｌＯに対して往復動させ、これら板材または棒材の一端をプラ ズマシェフ）１２７で溶解および微粒子化する構成としてもよい。この場合にも 、第１原料の消費につれて原料をプラズマジェット１２７に向けて接近させるラ ブクービニオン等の駆動機構を設けることが必要である。このような構成によれ ば、箪１原料の厚さが薄（でも、大量の第１原料をプラズマジェット１２７中に 供給することができるという利点を有する。また、１枚の回転板１３９を設ける 代わりに、２枚の回転板をプラズマジェット１２７を挟んで対称に配置し、両方 の回転板の対向する外周縁が同時に溶融し、微粒子化されるようにした構成も可 能である。

図５および図６は、本発明の他の実施例として、凹部または穴１３５の内周面に 均一な被覆１３４を形成するような用途に好適な溶射装置を示し、図５は軸線に 沿った縦断面図、図６は軸線に垂直な横断面図である。この実施例でも、図２て 説明した貫通プラズマトーチｌＯと機構的に同様な貫通プラズマトーチ１０を使 用しているが、興なっている点は、貫通プラズマトーチ１０が回転部材１３６に 取り付けられ、図示しないモータにより、穴１３５の中心線と同軸に回転される 点にある。

回転部材１３６は、その基端側が動かない基板１３８に回転可能に取り付けられ ている。回転部材１３６の内部には、軸線に沿って、絶縁性のワイヤー導入管１ ３７が設けられ、その中心を通してワイヤー１２２が導入され、ワイヤー１２２ は回転部材！３６から絶縁されている。貫通プラズマトーチ１０は回転部材１３ ６の先端面に固定され、プラズマジェット１２７をワイヤー導入管１３７の先端 から突出するワイヤー１２２に向けて照射し、穴１３５の内周面に溶射するよう になっている。貫通プラズマトーチｌＯから延びる電源ケーブルやガス供給管な どは、回転部材１３６および基板１３８を通して外部に延ばされている。基板１ ３８と回転部材１３６との接触圧は図示しない付勢手段によって調整されている 。貫通プラズマトーチ１０とワイヤー１２２の先端との相対位置は、図２の実施 例で説明したように、厳密に設定されている。

この例では、プラズマジェット１２７によってワイヤー１２２の先端を溶融し、 微粒子化して穴１３５の内面に溶射する。その際、図６に示すように矢印Ｂ方向 に回転部材１３６を回転するとともに、一体化されたワイヤー導入管１３７、ワ イヤー１２２、基板１３８、回転部材１３６および貫通プラズマトーチ１０を、 図５に示す矢印Ａ方向に往復動させることにより、穴１３５の内周面全面に均一 な被覆１３４を形成することができる。

従来技術では、このように円筒状をなす内周面に溶射する場合、トーチが噴射す る溶融粒子流を９０＠屈折させる屈折ヘッドを使用するとともに、溶射すべき基 体の側を回転させつつ、トーチを前後動させる構成が一般的であった。しかし基 体を回転させる方法では、例えばエンジンブロックの凹部の内面に金属を溶射す る場合など、基体を回転させることができない場合もあり、適用の範囲が制限さ れていた。本発明では、原料ワイヤーを中心として貫通プラズマトーチを回転さ せるようにし、かつワイヤーと、貫通プラズマトーチからのプラズマジェットの 軸線とのなす角が９０＠以上となるようにしたので、穴などの内周面に効率よく 溶射が行える。

なお、本発明は以上の実施例のみに限定されるものではなく、本発明の主旨から 外れない範囲で、必要に応じて構成を適宜変更して良いことは勿論である。

国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　コワルスキー、キース　エイアメリカ合衆国　ニューヨーク　 １１５６６メリツク　ボンド　ドライブ　３０１２

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. １．柱状の貫通アーク領域（Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ−Ａｒｃ　Ｃｏｌｕｍｎ） を形成するための貫通プラズマトーチ手段と、 溶射すべき金属原料の先端が金属原料の他の部分よりも前記貫通プラズマトーチ 手段に接近する挿入角度で、この金属原料を前記柱状の貫通アーク領域内に挿入 する金属原料供給手段と、 前記金属原料供給手段および前記貫通プラズマトーチ手段に接続さ札、前記金属 原料と前記貫通プラズマトーチ手段との間に電位差を形成する電力供給手段とを 具備し、 前記金属原料供給手段は、前記柱状の貫通アーク領域内で形成されたアークを移 動させるために陽極とされていることを特徴とする高速アーク式溶射装置。
2. ２．前記貫通プラズマトーチ手段は陰極を有し、前記柱状の貫通アーク領域は前 記陰極から前記陽極にかけて形成されていることを特徴とする請求項１記載の高 速アーク式溶射装置。
3. ３．前記貫通プラズマトーチ手段はプラズマジェットを形成するものであるとと もに、プラズマジェット中に粉末原料を導入する粉末原料供給手段を有し、この 粉末原料供給手段は、金属原料のプラズマジェットへの導入位置よりも前記プラ ズマジェットの下流側で粉末原料をプラズマジェット中に導入するように構成さ れていることを特徴とする請求項１または２記載の高速アーク式溶射装置。
4. ４．前記粉末原料供給手段は、前記プラズマジェットの中心軸に対して実質的に ９０°をなすように配置されていることを特徴とする請求項３記載の高速アーク 式溶射装置。
5. ５．前記粉末原料供給手段は、前記プラズマジェットの中心軸を中心として前記 前記金属原料供給手段と実質的に１８０°をなす位置に配置されていることを特 徴とする請求項３または４記載の高速アーク式溶射装置。
6. ６．前記金属原料供給手段が供給する金属材料はワイヤーであり、前記粉末原料 供給手段は、前記ワイヤーの中心線から、前記ワイヤーの半径以上、プラズマジ ェットの下流側に離されていることを特徴とする請求項３、４または５記載の高 速アーク式溶射装置。
7. ７．前記電力供給手段は、出力電圧を変化させて出力電流を一定化する定電流機 構を具備するとともに、前記出力電圧を計測してこの出力電圧が所定値を越える と貫通プラズマトーチ手段への電力供給を停止し、かつ前記粉末原料供給手段に よる粉末原料供給を停止する制御手段を具備することを特徴とする請求項３，４ ５または６記載の高速アーク式溶射装置。
8. ８．前記貫通プラズマトーチ手段は、前記陰極を支持する陰極支持体と、前記陰 極の外周面との間に間隔を空けて配置されたカップ状のバイロットノズルとを有 し、前記陰極の外周面と前記バイロットノズルの内面との間はチャンバーときれ 、このチャンバー内に連通手段を介してプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガ ス供給手段が設けられ、これにより、前記チャンバー内に供給された前記プラズ マ用ガスは前記陰極の外周に沿って渦流となって流れたうえ前記バイロットノズ ルから放出されるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の高速ア ーク式溶射装置。
9. ９．前記連通手段は、前記チャンバーに対して実質的に直角に連通することを特 徴とする請求項８記載の高速アーク式溶射装置。
10. １０．前記バイロットノズルの外周にはさらにカップ状をなす微粒子化ノズルが 設けられ、この微粒子化ノズルの内周面とバイロットノズルの外周面の間には第 ２のチャンバーが形成され、この第２チャンバーに第２連通手段を介して圧縮ガ スを供給する圧縮ガス供給手段が設けられ、これにより、第２チャンバーを通っ て微粒子化ノズルから噴出する圧縮ガス流は、プラズマ用ガスの噴出方向前方に 位置する集束点に集中して強力な集束流を生じるように構成されていることを特 徴とする請求項８または９記載の高速アーク式溶射装置。
11. １１．前記金属原料は、金属円板であることを特徴とする請求項１，２，３，４ または５記載の高速アーク式溶射装置。
12. １２．前記金属円板は、その両面が前記貫通プラズマトーチ手段の軸線に対して 垂直、かつ前記金属円板の軸線が前記貫通プラズマトーチ手段の軸線に対して平 行となるように配置され、しかも前記金属円板の軸線と前記貫通プラズマトーチ 手段の軸線の離間距離は、前記金属円板の半径と実質的に等しくされていること を特徴とする請求項１１記載の高速アーク式溶射装置。
13. １３．前記金属円板を軸線回りに回転させる駆動手段がさらに設げられているこ とを特徴とする請求項１１または１２記載の高速アーク式溶射装置。
14. １４．筋記金属原料供給手段は、前記金属円板を貫通プラズマトーチ手段の軸線 に向けて移動させるラックーピニオン機構を具備していることを特徴とする請求 項１１，１２または１３記載の高速アーク式溶射装置。
15. １５．前記貫通プラズマトーチ手段は回転部材に固定され、この回転部材の内部 にはワイヤー供給管が設けられ、前記回転部材は前記ワイヤー供給管の軸線回り に回転可能とされ、前記金属原料供給手段は前記ワイヤー供給管を通してワイヤ ーを貫通プラズマトーチ手段に供給するように構成されていることを特徴とする 請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３または１ ４記載の高速アーク式溶射装置。
16. １６．貫通プラズマトーチ手段にはノズル孔が形成され、このノズル孔からプラ ズマ用ガスが放出されるように、連通手段を介して前記貫通プラズマトーチ手段 にプラズマ用ガスを供給するプラズマ用ガス供給手段が設けられていることを特 徴とする請求項１５記載の高速アーク式溶射装置。
17. １７．前記金属原料供給手段は、前記柱状の貫通アーク領域内に前記金属原料を ９０°以上の交差角度で挿入するように構成されていることを特徴とする請求項 １，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５ま たは１６記載の高速アーク式溶射装置。
18. １８．柱状の貫通アーク領域およびプラズマジェットを形成する貫通プラズマト ーチを使用する金属基複合材料の溶射方法であって、金属ワイヤーを、その先端 が他の部分に比して最も前記貫通プラズマトーチに近くなる挿入角度で、前記柱 状の貫通アーク領域内に挿入し、前記金属ワイヤーと貫通プラズマトーチとの間 に電位差を形成し、金属ワイヤーの挿入位置よりもプラズマジェットの下流側で 、プラズマジェットに粉末原料を供給することを特徴とする金属基複合材料の溶 射方法。
19. １９．前記粉末原料を供給する際に、前記プラズマジェットの軸線に対して実質 的に９０°の角度で粉末原料を前記プラズマジェットに供給することを特徴とす る請求項１８記載の金属基複合材料の溶射方法。
20. ２０．前記粉末原料を供給する際に、前記プラズマジェットの軸線を中心として 記金属ワイヤーと実質的に１８０°をなす方向から前記粉末原料を前記プラズマ ジェットに供給することを特徴とする請求項１８または１９記載の金属基複合材 料の溶射方法。
21. ２１．前記粉末原料を供給する際に、前記金属ワイヤーの中心線からプラズマジ ェットの下流側に前記ワイヤーの半径以上離れた位置において、前記粉末原料を 前記プラズマジェットに供給することを特徴とする請求項１８，１９または２０ 記載の金属基複合材料の溶射方法。
22. ２２．前記プラズマジェットによって金属ワイヤーの先端を溶融して溶融滴を生 じきせ、この溶融滴を前記プラズマジェットで搬送するとともに、その過程で、 前記溶融滴中に前記粉末原料を取り込ませることを特徴とする請求項１８，１９ ，２０または２１記載の金属基複合材料の溶射方法。
23. ２３．前記プラズマジェットの速度を超音速にすることを特徴とする請求項１８ ，１９，２０，２１または２２記載の金属基複合材料の溶射方法。
24. ２４．前記粉末原料として、耐火性材料、金属酸化物または炭素繊維を使用する ことを特徴とする請求項１８，１９，２０，２１，２２または２３記載の金属基 複合材料の溶射方法。
25. ２５．前記金属ワイヤーとして、チタン、アルミニウム、鉄、銅合金から選択さ れる材質のものを使用することを特徴とする請求項１８，１９，２０，２１，２ ２，２３または２４記載の金属基複合材料の溶射方法。
26. ２６．凹部内面に被覆を形成する溶射方法であって、内部にワイヤー導入管を有 し、このワイヤー導入管の軸線回りに回転可能とされた回転部材と、 前記回転部材に固定され、柱状の貫通アーク領域を形成するための貫通プラズマ トーチと、 前記ワイヤー導入管を通して、溶射すべき金属ワイヤーを、この金属ワイヤーの 先端が金属ワイヤーの他のどの部分よりも前記貫通プラズマトーチに接近する挿 入角度で、前記柱状の貫通アーク領域中に挿入する金属ワイヤー供給手段と、前 記金属ワイヤー原料供給手段および前記貫通プラズマトーチに接続され、これら の間に電位差を形成する電力供給手段とを具備する装置を用い、前記回転部材を 前記凹部中に挿入するとともに、貫通プラズマトーチにより貫通アーク領域を形 成しつつ、この柱状の貫通アーク領域中に金属ワイヤーを挿入し、 前記回転部材をワイヤー供給管の軸線回りに回転させ、前記回転部材を前記凹部 の軸線に沿って往復動させることを特徴とする溶射方法。