JPH10102228A

JPH10102228A - 磁界制御プラズマによる溶射法

Info

Publication number: JPH10102228A
Application number: JP8253352A
Authority: JP
Inventors: Tadao Uyama; 忠男宇山; Masayoshi Nagata; 正義永田; Naoyuki Fukumoto; 直之福本; Kazuhiko Taniguchi; 和彦谷口; Akira Omori; 明大森; Noritaka Eguchi; 法孝江口
Original assignee: Kinden Corp
Current assignee: Kinden Corp
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1998-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ溶射によって基材表面に皮膜を形成
する場合において、注入した溶射材料の全量を効率よく
プラズマジェットに取り込んで、歩留りよく皮膜を形成
することである。【解決手段】プラズマトーチ２６の外周部に同軸状に
配置した電磁コイル２５により、プラズマジェット５２
に磁界を作用せしめ、上記磁界の磁界配位に従って溶射
粒子の流れをプラズマジェット５２の中に取り込むよう
に、該プラズマジェット５２を制御するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁界制御プラズ
マによる溶射法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から知られているプラズマ溶射法
は、図８に模式的に示すようなプラズマトーチを用いて
行われる。このプラズマトーチ１は基台２の中央に円錐
形の陰極３を設置すると共にその陰極３の周りにおい
て、上記基台２に取り付けた環状の絶縁体４を介して円
筒状の陽極５を取り付けている。上記の陽極５の内部に
冷却室６が設けられ、その冷却室６に冷却水入口７が設
けられる。また、冷却室６は絶縁体４の連通孔８及び基
台２の内部を経て、冷却水排出口９に連通している。

【０００３】上記の絶縁体４に作動ガス導入口１０が設
けられ、また上記陽極５の出口部分、即ちノズル１１の
前方に溶射材料送給筒１２が設置される。

【０００４】上記の作動ガス導入口１０から不活性がス
１０を送給すると共に、両極５、３間に高電圧を印加す
ることによりアーク放電を生ぜしめ、上記不活性ガスを
アーク柱１３に接触させてイオン化させる。イオン化さ
れたプラズマは、ノズル１１から噴出されてプラズマジ
ェット１４となる。

【０００５】上記のプラズマジェット１４に粉末状の溶
射材料１５が送給筒１２から送給ガスによって注入され
る。溶射材料１５はプラズマジェット１４により加熱溶
融されると共に加速され、溶射粒子の流れとなって被溶
射基材１６の表面に吹き付けられる。溶射粒子は、偏平
に変形しながら凝固して被溶射基材１６の表面に皮膜１
７を形成する。

【０００６】なお、溶射材料１５は、図示のようにノズ
ル１１の外部から送給する外部送給方式とノズル１１の
内部から送給する内部送給方式がある。また、大気ガス
と溶射粒子の反応を防止したり、皮膜の気孔率を下げる
ために、上記のプラズマトーチ１１及び被溶射基材１６
を真空容器内に設置し、低圧雰囲気中で溶射を行なう、
いわゆる減圧溶射法（ＬＰＰＳ）も従来から知られてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のごときプラズマ
溶射によって被溶射基材の表面に皮膜を効率よく形成し
ようとする場合、注入した溶射材料を歩留りよく、望ま
しくは全量を基材表面に付着させる必要がある。

【０００８】しかるに、従来の方法では溶射材料の注入
条件或いはプラズマ中に発生する衝撃波等の影響によ
り、注入された溶射材料がプラズマジェットの外部に飛
び出し、プラズマジェットの外周を流れて失速したり或
いは加熱溶融が不十分となるため、皮膜形成の歩留が上
がらない問題があった。

【０００９】上記の問題を解決するために、プラズマジ
ェットの入熱や形状を変化させようとすると、トーチの
形状、トーチ電圧、トーチ電流、作動ガスの種類、ガス
流量、雰囲気圧力等を制御することにより間接的に制御
する方法しかなく、制御が複雑になる問題があった。

【００１０】そこで、この発明は、プラズマジェットを
直接的に制御することにより、溶射粒子の流れに応じて
プラズマジェットの形状を変化させ、溶射効率を向上さ
せることを第１の目的とする。

【００１１】また、前述の減圧溶射法においては、プラ
ズマジェットを低圧雰囲気中に噴出するため、断熱膨張
によりプラズマの温度が低下し、溶射材料の加熱効率が
低下する問題がある。そこで、この発明の第２の目的
は、前述の第１の目的と併せ、プラズマの再加熱を行う
ことにより溶射材料の加熱効率を向上させることにあ
る。

【００１２】また、溶射材料の完全溶融化を目指す場合
プラズマトーチの大容量化を図ることが必要となる。こ
の場合、トーチ電流は電極の許容電流密度により制限さ
れるため、トーチ電圧を上昇させる必要がある。そこ
で、この発明の第３の目的は、前記の第１の目的と併せ
てトーチ電圧を上昇させ、プラズマトーチの大容量化を
図ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するために、この発明は、プラズマトーチで発生したプ
ラズマジェットに粉末状の溶射材料を給送し、上記プラ
ズマジェットにより上記溶射材料を加熱溶融すると共に
加速して溶射粒子の流れを作り、これを被溶射基材の表
面に吹き付けて皮膜を形成させるプラズマ溶射による皮
膜形成方法において、上記プラズマトーチの外周部に同
軸状に設置した電磁コイルによりプラズマジェットに磁
界を作用せしめ、上記磁界の磁界配置に従って上記溶射
粒子の流れをプラズマジェットの中に取り込むように該
プラズマジェットを制御するようにした。

【００１４】上記の第２の目的を達成するために、上記
の磁界を定常的に作用させるか、或は時間的に変化させ
て作用させることにより、上記プラズマトーチで発生し
たプラズマを再加熱するようにした。

【００１５】また、上記の第３の目的を達成するため
に、上記の磁界をプラズマトーチの陽極と陰極間に生じ
るアーク柱にも作用させることにより、トーチ電圧を上
昇させ、これにより上記プラズマトーチの出力を上昇さ
せるようにした。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１はプラズマ溶射装置を示すも
のである。この場合のプラズマ溶射は減圧溶射法によ
る。上記の装置は脚台２０の上に真空容器２１が設置さ
れ、その真空容器２１の内部において調節脚２２により
基台２３を支持している。また基台２３上に水平方向の
中心穴を有する巻枠２４が設置され、その巻枠２４に電
磁コイル２５が巻かれる。

【００１７】上記巻枠２４の中心穴にプラズマトーチ２
６が同軸状に固定される。上記のプラズマトーチ２６
は、図２に示すように、導体でなる外筒２７内に円筒状
の絶縁体２８を介して導体でなる内筒２９を挿入一体化
してあり、上記外筒２７と絶縁体２８の先端に円筒状の
陽極３１が取り付けられ、また、絶縁体２８と内筒２９
の先端に砲弾形の陰極３２が取り付けられる。上記の陰
極３２の先端部分が上記陽極３１の中心穴３３の後端部
に所要の放電間隙おいて臨む。陽極３１の先端に、その
中心穴３３と同軸状のテーパ状開口３０を有するノズル
３４が取り付けられる。

【００１８】上記外筒２７の端部に作動ガスの送給口３
５が設けられ、その送給口３５が上記絶縁体２８の外周
面と外筒２７の内周面との間に形成された送給通路３６
に連通している。上記送給通路３６の先端部は、陰極３
２の周りにおいて、その陽極３１と陰極３２間に介在さ
れた環状のノズル部材３７に達し、陰極３２の外周部を
経て陽極３１の中心穴３３に開放される。

【００１９】また、上記の陽極３１には半径方向の溶射
材料の送給口３８が設けられ（内部送給方式）、その供
給口３８は中心穴３３の内周面に開放される。

【００２０】また、上記の陽極３１の内部には冷却水通
路３９が設けられ、陽極３１とノズル３４間の環状冷却
水通路４０で折り返して設けられる。上記冷却水通路３
９の入側は、内筒２９の内部及び絶縁体２８の内部に設
けられた供給通路４１と連通しており、また出側は外筒
２７の内部に設けられた冷却水排出通路４２に連通され
る。

【００２１】上記の外筒２７と内筒２９は外部の直流電
源４３に接続され、また電磁コイル２５も外部の他の直
流電源４４に接続される。また作動ガス４５及び冷却水
もそれぞれ外部から供給される。

【００２２】上記構成のプラズマトーチ２６のノズル３
４の前方において、図１に示すように基台２３上に６軸
多関節ロボット４７が設置され、そのロボット４７によ
り、被溶射基材４８を把握せしめ、遠隔操作によりその
基材４８をノズル３４の前方の所定位置に静止させる。

【００２３】その他、図１において、４９は減圧排気
口、５０は覗き窓である。

【００２４】以上のごとき装置において、被溶射基材４
８に皮膜５１を形成させる方法は、真空容器２１内の空
気を真空ポンプを用いて減圧排気口４９から排気するこ
とにより内部を減圧し、作動ガス４５を送給しつつ陽極
３１と陰極３２との間に直流の高電圧を印加することに
よりアーク放電を生ぜしめる。そのアーク柱に接触する
ことにより作動ガス４５がイオン化され、ノズル３４か
らプラズマジェット５２として噴出される。

【００２５】一方、溶射材料の送給口３８から粉末状の
溶射材料を上記のプラズマジェット５２中に供給する。
溶射材料はプラズマジェット５２中に注入され、加熱溶
融されて溶射粒子の流れとなり、これが基材４８の表面
に面状に付着凝固して皮膜５１を形成する。

【００２６】上記のごときプラズマ溶射において、電磁
コイル２５に一定電圧の直流をプラズマジェット５２の
方向に見て右回りの方向に加えて定常磁界を生ぜしめ、
その磁界をプラズマジェット５２に作用させる。そうす
ると、プラズマ中の電子やイオンの荷電粒子は、プラズ
マの温度と磁界の磁束密度に応じた半径（ラーマ半径）
で磁力線の周りにら旋運動を行い、他の粒子と衝突しな
い限り磁力線に拘束されて磁界の垂直方向に移動するこ
とはない。このため、他の粒子との衝突の程度を表わす
平均自由行程よりもラーマ半径を小さくすることによ
り、粒子を磁界に拘束させることができる。その結果、
磁界配位に応じた形状のプラズマジェットを形成でき、
また同時に磁力線の方向にプラズマジェットの流れを制
御することができる。

【００２７】この場合、前記のような電磁コイル２５の
配置及びこれに流す電流の方向により、プラズマジェッ
ト５２を末拡がり状に変形させたり（図３ａ参照）、ま
た、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、前記の電磁コイ
ル２５の前方に所要の間隔をおいて第２の電磁コイル２
５’を配置し、これに上記電磁コイル２５と反対方向の
電流を流したり（ｂ図の場合）、同方向の電流を流した
り（ｃ図の場合）することにより磁界配位を変化させる
と、それぞれの磁界配位に応じてプラズマジェット５２
の形状を変えることができる。

【００２８】一方、溶射材料は上記のプラズマジェット
５２により加熱溶融され、かつ加速されるが、溶融され
た溶射粒子の流れを上記の磁界によって制御することは
できない。このため、プラズマジェット５２の外に飛び
出すものもあるが、その溶射粒子の流れの全体を包含す
るような磁界配位となる電磁コイル２５、２５’の配置
を選定することにより、ほとんどの溶射粒子をプラズマ
ジェット５２の中に取り込むことができる。このため、
磁界を作用させない従来のプラズマ溶射に比べ、効率よ
く皮膜５１を形成することができる。

【００２９】上記のように、プラズマジェット５２に定
常的又は時間的に変化する磁界を作用させるとプラズマ
ジェット５４の形状を直接的に制御することができるほ
か、定常磁界の場合プラズマジェット５２がある速度ｕ
で半径方向に磁束密度Ｂの磁界を半径方向に横切ること
により、円周方向の起電力ｕ×Ｂが生じて電流が発生す
る。また、時間的に変化する磁界の場合、起電力（−ｒ
／２×ｄＢｚ／ｄｔ、但し、ｒはプラズマ中心軸から半
径方向の距離、ｄＢｚ／ｄｔは距離ｒの位置における中
心軸方向の磁束密度Ｂｚの変化率）による電流も発生す
る。

【００３０】これらの電流が電気抵抗をもったプラズマ
中に流れることによりジュール加熱が発生してプラズマ
中の電子の温度が上昇し、同時に他のプラズマ中の粒子
との衝突も活発となり、イオンと中性粒子の励起や電離
が促進され、プラズマ全体が再加熱される。

【００３１】前述のように、減圧溶射法においては、真
空容器２１内に噴射されたプラズマジェット５２は断熱
膨張により温度が低下するが、上記のごとき磁界との相
互作用によりプラズマ全体が再加熱されることにより、
断熱膨張による温度低下を補うことができる。これによ
り、溶射材料の溶融不足を解消することができる。

【００３２】更に上記の磁界はプラズマジェット５２に
作用するが、これと同時に陽極３１と陰極３２との間に
生起するアーク柱にも作用する。磁界による磁気力はア
ーク柱の中心軸方向に作用するためアーク柱が収縮し、
断面積を縮小させる（磁界のピンチ効果）。このため、
アーク柱の電位傾度が大きくなってトーチ電圧が増大す
る。その結果、トーチ電流を増すことなくプラズマトー
チ２６の出力を増大させ、溶射粒子の完全溶融を図るこ
とができる。

【００３３】（試験例１）上記の実施形態に示した装置
を用い、次の諸元及び条件で皮膜形成試験を行った。陰極（タングステン） φ８ｍｍ陽極（銅）内径φ８ｍｍ〜φ１２ｍｍトーチ電流６００Ａ容器圧力１３ｋＰａ電磁コイル内径７０ｍｍ，長さ１５７ｍｍ，１０００ターン最大磁界密度Ｂ＝０．８４Ｔ磁界配位印加可能なコイル中心軸上の図３（ａ）に示す末拡がり形作動ガスアルゴン（その他、ヘリウム、窒素、水素が使用できる。）ガス流量６０ｌ／ｍｉｎ溶射材料ＮｉＣｒＡＬＹ粉末送給量２０ｇ／ｍｉｎ基材ブラスト処理を施した軽鋼（ＳＳ４００）１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×３．２ｍｍ溶射距離１５０ｍｍ溶射時間３０秒。

【００３４】（試験例１の結果）（１）皮膜の形状に対する磁界の影響を知るため、電
磁コイルの中心軸上の最大磁界密度ＢをＢ＝０、Ｂ＝
０．３Ｔ，Ｂ＝０．６Ｔに変化させた。

【００３５】図４（ａ）〜（ｃ）は皮膜の形状を示すも
のであり、縦線Ｌと水平線Ｈの交点は、トーチの中心軸
を示す。この結果から、磁界印加前（Ｂ＝０）の場合に
比べ、磁界印加後（Ｂ＝０．３Ｔ０．６Ｔ）において
皮膜の面積が増大していることがわかる。また、図５
（ａ）は縦線Ｌ方向の皮膜の厚さ分布、図５（ｂ）は横
線Ｈ方向の皮膜の厚さ分布を示す。

【００３６】図５（ａ）の縦線Ｌ方向の皮膜の厚さにお
いて、磁界印加前は中心軸付近と中心軸を通る縦線Ｌの
下方３０ｍｍの位置にピークを示し、中心軸より下の部
分の方が大きい値を示す。しかし、磁界印加後ではトー
チ中心軸に膜厚のピークが移動している。

【００３７】このことから、磁界印加前は中心軸を通る
縦線上の上部から注入している溶射粉末の送給ガスの影
響により、プラズマジェットの流れが中心軸方向と、中
心軸になってやや下向きの２つになっているが、磁界印
加後にプラズマが中心軸から半径方向に広がる磁界に沿
って運動するため、プラズマジェットの流れも中心軸方
向のみに制御される。

【００３８】上記のように、プラズマジェットを磁界に
よって制御すると共に、その広幅化を図ることにより、
溶射粒子の流れをそのプラズマの流れに取り込み、効率
のよい皮膜形成を行うことができる。

【００３９】（２）プラズマトーチの出力の増加を磁
界のピンチ効果によるプラズマトーチ電圧の上昇により
行った場合、プラズマトーチからプラズマジェットへの
入熱も増加し、トーチの熱効率も上昇する。図６に磁束
密度Ｂ＝０とＢ＝０．６Ｔにおけるプラズマトーチの電
流電圧特性を示す。磁界印加前において、トーチ電圧は
トーチ電流の増加と共に上昇している。また、磁界印加
後においても同様にトーチ電圧はトーチ電流の増加と共
に上昇し、磁束密度が増大するほど大きな値を示してい
る。

【００４０】（試験例２）また、次の諸元及び条件で磁
界による加熱の効果を調べた。陰極（タングステン） φ８ｍｍ陽極内径φ６ｍｍ〜φ１０ｍｍトーチ電流３００Ａ〜５００Ａ容器圧力２７００Ｐａ電磁コイル内径１０３ｍｍ、長さ６０ｍｍ、８ターンコイル電流は印加後３．５ｍｓで最大値ＩＣ_max ＝２４ｋＡとなるパルス状である。

【００４１】このときのコイル中心軸の最大磁束密度Ｂ＝０．８４Ｔ磁界配位図３（ｃ）に示す配位作動ガスアルゴン。

【００４２】（試験例２の結果）（１）プラズマジェットの可視光の発光強度（プラズ
マの温度と密度に比例）の中心軸分布を図７に示す。ま
た、磁界（ＩＣ_max＝２４ｋＡ）印加後τ＝３．５ｍｓ
と同じ程度のトーチ出力となる磁界を印加しないＩ＝４
５０Ａの場合も同時に示す。Ｉ＝３００Ａの磁界印加前
の発光強度の中心軸分布において、４０ｍｍ、６５ｍｍ
付近の発光が強くなり、大きな衝撃波が発生している。
またＩ＝４５０Ａの場合も同様に大きな衝突波が発生し
て出力が増大しているのに流れ方向の発光強度はほぼ同
じである。しかし、Ｉ＝３００Ａの磁界印加後における
発光強度は、磁界印加前に比べ２倍程度の強さの発光強
度が観測され、その分布は流れ方向に緩やかに減少し、
流れ方向に均一に加熱されている。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、溶射
粒子の流れに沿わせ、その流れを取り込むようにプラズ
マジェットの流れの方向や拡がり形状を磁界配位の選定
により制御するようにしたものであるから、歩留りよく
皮膜を形成できる効果がある。

【００４４】なお、上記の磁界は、同時にプラズマジェ
ットの再加熱及びプラズマトーチの大容量化の働きをな
し、溶射材料の溶融を促進させる効果も併せて発揮す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の装置の断面図

【図２】同上のプラズマトーチ部分の拡大断面図

【図３】（ａ）〜（ｃ）磁界配位とプラズマジェット
の形状の関係を示す概念図

【図４】（ａ）〜（ｃ）皮膜形状の正面図

【図５】（ａ）皮膜の縦方向の厚さ分布図（ｂ）皮膜の水平方向の厚さ分布図

【図６】プラズマトーチの電流電圧特性図

【図７】プラズマジェットの発光強度分布図

【図８】従来のプラズマトーチの概念図

【符号の説明】

２０脚台２１真空容器２２調節脚２３基台２４巻枠２５、２５’ 電磁コイル２６プラズマトーチ２７外筒２８絶縁体２９内筒３０開口３１陽極３２陰極３３中心穴３４ノズル３５作動ガス供給口３６送給通路３７ノズル部材３８送給口３９冷却水通路４０環状冷却水通路４１冷却水供給通路４２冷却水排出通路４３直流電源４４直流電源４５作動ガス４６冷却水４７ロボット４８被溶射基材４９減圧排気口５０覗き窓５１皮膜５２プラズマジェット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大森明尼崎市道意町７丁目１番地の８財団法人近畿高エネルギー加工技術研究所内 (72)発明者江口法孝尼崎市道意町７丁目１番地の８財団法人近畿高エネルギー加工技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマトーチで発生したプラズマジェ
ットに粉末状の溶射材料を給送し、上記プラズマジェッ
トにより上記溶射材料を加熱溶融すると共に加速して溶
射粒子の流れを作り、これを被溶射基材の表面に吹き付
けて皮膜を形成させるプラズマ溶射法において、上記プ
ラズマトーチの外周部に同軸状に設置した電磁コイルに
よりプラズマジェットに磁界を作用せしめ、上記磁界の
磁界配位に従って上記溶射粒子の流れをプラズマジェッ
トの中に取り込むように、該プラズマジェットを制御す
ることを特徴とする磁界制御プラズマによる溶射法。
【請求項２】上記の磁界を定常的に作用させるか、或
は時間的に変化させて作用させることにより、上記プラ
ズマトーチで発生したプラズマを再加熱することを特徴
とする請求項１に記載の磁界制御プラズマによる溶射
法。
【請求項３】上記の磁界をプラズマトーチの陽極と陰
極間に生じるアーク柱にも作用させることにより、トー
チ電圧を上昇させ、これにより上記プラズマトーチの出
力を上昇させることを特徴とする請求項１又は２に記載
の磁界制御プラズマによる溶射法。