JPS60187360A - プラズマ溶射ガン - 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】

本発明は、プラズマ溶射ガンの改良に関し、史に詳しく
はプラズマジェット中の溶射粒子のエネルギーを増大さ
せると共に、均一に１貢射できるようにしたものである
。 各種プラント、原動機、機械尋の部材表面に耐食性、耐
摩耗性、耐熱性又は断熱性を付与するために、種々の金
属材料又は非金属材料もしくはそれらの混合材料をプラ
ズマ溶射によって皮膜を形成させる方法が採用されてい
る。プラズマ溶射法によって品質の優れた溶射皮膜を形
成させるためには、プラズマジェットの溶射粒子のエネ
ルギー全増大させ、かつ均一化し被後部材表面と溶射皮
膜の密着性を高めると共に溶射粒子の結合力を高め耐久
性に優れた溶射皮膜を形成する必要がある。 プラズマ溶射ガンの構成原理は、一定のプラズマ空間を
介して配設した陰極と陽極との間に電力を供給して発生
したプラズマを、プラズマジェットとしてプラズマ空間
外に噴出させると共に、プラズマジェット中に溶射物質
を供給して溶射物粒子を昇温、加速して高エネルギーの
溶射粒子を放射させるものである。この原理に基づいて
構成された従来のプラズマ溶射ガン１００の構造は、第
１図に示すように棒状陰極１０１の外周に、プラズマ空
間１０２ｆ、介して棒状電極１０１を中ノ１ノ軸として
同心状に環状陽極１０３を配設し、プラズマ空間１０２
の先端部には発生したプラズマ全空間１０２外方へ噴出
させる通路１０４を設け、さらにプラズマ空間１０２へ
は図示しないガス供給源から作動ガスを送給するガス供
給路１０５を設けると共に、環状陽極１０３内をプラズ
マジェットを噴出させる通路１０４と直交する方向に連
通ずる内部溶射物質供給孔１０６と、環状陽極１０３の
先端部に貫通路１０４と直交する方向に外部溶射物質供
給管１０７とが設けられている。棒状陰極１０１の伸延
方向に陰極側電導体１０８が固設されておシ、陰極側電
導体１０８の外周は絶縁体１０９で支持され、かつ環状
陽極１０３と電気的に絶縁され、環状陽極１０３の一方
の端部は絶縁体１０９に接続している。さらに、環状陽
極１０３の外側面および陰極側電導体１０８にはそれぞ
れ冷却水導入口１１０および排出口１１１が形成されて
おり、これら導入口１１０および排出口１１１は、環状
陽極１０３、絶縁体１０９および陰極側電導体１０８内
に形成した冷却水環流路１１２と接続している。 以上の構造をもつプラズマ溶射ガン１００を使用してプ
ラズマ溶射を行う場合は、冷却水導入口１１０から、冷
却水環流路１１２を通して排出口１１１へ冷却水を流し
プラズマ溶射ガン１００ｆ：冷却すると同時に、ガス供
給路１０５を介して、図示しないガス供給源から空間１
０２内へ作動ガス（Ａｒ、　Ｈｅ又はＮ！ガスあるいは
これらの混合ガスが用いられ、場合によってはＨ。 が添加される。）が導入される。 次いで、直流電源（図示せず。）から、環状陽極１０３
に正、棒状陰極１０１に負の電圧を加えると共に、図示

【７ない高周波電蝕から当該環状陽極１０３と棒状陰極
１０１との間に火花放電を発生させる。この火花放電に
より、光陰・陽二電極間に印加されている直流電圧によ
って陽極１０３と陰極１０１間にプラズマアークが発生
する。 このプラズマアークが発生した時点で、高周波電圧の供
給を停止する。陽極１０３と陰極１０１間に発生したプ
ラズマアークによって空間１０２内には高温高圧のプラ
ズマガスが充満し、貫通路１０４から高温高圧のプラズ
マジェットが噴出する。 さらに、図示しない溶射物材料ホッパから溶射物供給孔
１０６又は供給管１０７をプラズマジェット中に送給す
ると、送給された溶射物粒子は溶射粒子１１３（高エネ
ルギー溶射粒））又は１１４（低エネルギー溶射粒子）
として急速に昇温、加速され被覆部材１１５表面に放射
される。 以上のように、従来のプラズマ溶射ガン１００は、溶射
物粉末の供給口がプラズマジェットの噴出口１０４端部
に比較的近く、かつ溶射物粉末供給方向がプラズマジェ
ットの流れと直交するため、プラズマジェット中に送給
された溶射物粒子のうち、一部はプラズマの中心部に供
給され高いエネルギベ瞥一部材・１１５表面に放射され
るが、他の溶射物粒子はプラズマジェットの中心部から
はずれ、十分に昇温、加速されないまま、また、プラズ
マジェットの流れ方向から大きくそれた方向に放射され
る。このように俗射粒子がプラズマジェットの中心部か
らはずれ十分に昇温、加速されない現象は内部溶射物質
供給孔および外部溶射物質供給管から供給される溶射物
粒子のいずれについても同じようにおきる現象である。 以上のように、従来のプラズマ溶射ガン】００は、プラ
ズマジェットの流れ方向と直交する方向から溶射物質を
供給するので、溶射物質粒子の一部はプラズマジェット
の中心部からはずれた部分に供給され、溶射粒子の昇温
、加速が十分になされないまま被後部材１１５表面に衝
突付着する傾向があった。このため、券前皮膜と被覆部
材表面との密着性および被横皮膜内溶射粒子相互の結合
力を低いものにし、烙町皮膜の耐久性つまシ熱応力、機
械的応力、繰り返し応力に対し被覆皮膜の剥離に対する
抵抗力を弱くし実用上大きな問題であった。 本発明はプラズマ溶射ガンにおける以上の欠点を除去す
べく工夫されたものであって、溶射物質粒子が、できる
限りプラズマジェット流の中心部に供給され、溶射粒子
が十分に昇温、加速される構造のプラズマ溶射ガンを提
供することを目的とする。 このような目的を達成するため本発明のプラズマ溶射ガ
ンを一定のプラズマ空間を介して配設された陰極と陽極
との間に電圧を印加し、発生し７たプラズマをプラズマ
ジェットとしてプラズマ空間外に噴出させると共に、プ
ラズマジェット中に溶射物質を供給して昇温、加速し高
エネルギーの溶射粒子を放射するプラズマ溶射ガンにお
いて、陰極にプラズマ空間と連通［７、かつプラズマジ
ェットと並行方行に伸延する溶射物送給孔を設けたこと
を特徴とするものである。 次に、本発明の一実施例について説明する。 実施例のプラズマ溶射ガン２００は第３図に示すように
、陰極２０１の外周に、プラズマ空間２０２を介して、
陰極２０１を中心軸とじて同心状にクロー、４Ｑの環状
陽極２０３を配設し、プラズマ空間２０２の先端には、
発生したプラズマを空間２０２から外方へプラズマジェ
ットを噴出させる貫通路２０４が設けられ・プラズマ空
間２０２内へは図示しない供給源から作動ガスを送給す
るガス供給路２０５が設けられている。 陰極２０１は、先端部分をタングステン又はタングステ
ン合金で構成し、陰極２０１のプラズマ空間２０２内突
出而と反対側端部に銅又は銅合金製の陰極側電導体２０
８が固設避ね、陰極側電導体２０８の外周を絶縁体２０
９で支持している。また、絶縁体２０９は環状陽極２０
３の一端と密着すると共に、陰極２０１と環状陽極２０
３とを電気的に絶縁するはたらきを果している。 また、環状陽極２０３の外周面には冷却水導入口２１０
ａと排出口２１１ａが設けられ、これら導入口２１０ａ
および排出口２１１ａは、環状陽極２０３０周壁面内に
形成した冷却水環流路２１２ａに接続している。 また、陰極側電導体２０ａの外側には冷却水導入口２１
０ｂと排出口２１１ｂとが設けられており、導体２０８
壁体内には冷却水導入口２１０ｂと排出口２１１ｂに接
続する冷却水環流路２１２ｂが設けられてお９、導体２
０８の軸心には、一端が陰極２０１内を貫通しプラズマ
空間２０２に開口し、他端は導体内をプラズマジェット
と並行方向に伸延し、図示しない溶射物材料ホッパ側に
開口する溶射物質粒子２０６が形成されている。 さらに、陰極２０１および陽極２０３はそれぞれ図示し
ない直流電源および高周波供給源に接続されている。 上記構造のプラズマ溶射ガン２００を用いてプラズマ溶
射を行う場合は、 ■　先ず冷却水導入口２１０ａおよび２１０ｂからそれ
ぞれ、冷却水環流路２１２＆および２１２ｂを通して排
出口２１１ａ　、　２１１ｂへ冷却水を流し、プラズマ
溶射ガン２００を冷却すると同時に、ガス供給孔２０５
全通して図示しないガス供給源から、空間２０２内へ作
動ガス（Ａｒ　１Ｈｅ又はＮ、ガスあるいはこれらの混
合ガスが用いられ、場合によってはＨ８が添加式れる。 ）が導入される。 ＠　次いで、直流電源（図示せず。）から、環状陽極２
０３を正、陰極２０１に負の電圧を加えると共に、図示
しない高周波電源から当該環状陽極２０３と陰極２０１
との間に火花放電を発生させる。この火花放電によシ、
陰、陽二電極間に印加されている直流電圧によって陽極
２０３と陰極２０１間にプラズマアークが発生する。 プラズマアークが発生した一時点で、高周波電圧の供給
を停止する。陽極２０３と陰極２０１側に発生したプラ
ズマアークによって空間２０２に、高温高圧のプラズマ
が充満し、貫通路２０４から高温高圧のプラズマジェッ
トが噴出される。 さらに、図示しない溶射物材料ホッパから溶射物質粒子
２０６内へ溶射物ＩＸを供給すると、この溶射物質はプ
ラズマアーク）噴１ｆｊＭ２ｏ４からプラズマジェット
によｐ昇温、加速されて被覆部材２１５表に放射される
。 上記実施例のプラズマ溶射ガン２００（以Ｔ「一実施例
ガン」という。）と第１図に示す従来構造のプラズマ溶
射ガン１００（以下「従来ガン」という。）を使用し、
それぞれにプラズマ溶射粒子を放射させた場合、プラズ
マジェットの流れ方向と直角、方向における溶射粒子の
速度分布の特性図を示すと第４図および第５図の結果が
得られる。第４図および第５図の特性図はそれぞれ溶射
距離１００ｍ５および１５０ｍでの平均速度（ｍ　７秒
）を表わす。比較測定は下記の余件で行った。 ■流速計 波長０．５１４５μのＡｒレーザを使用し、レーザビー
ム交差角３．４９　ｄｅｇ　、干渉縞間隔８．４４８ｐ
ｍで測定した。 ［有］溶射榮件 プラズマアーク電流：８００Ａ プラズマアーク電圧＝３５Ｖ 作動ガス：Ａｒ（５０）／ｗｉｇ）十Ｈｅ（２０）／ｍ
）■溶射物粉末 ＺｒＯ！粉末（粒度：１０〜４０μｍ）又は、 ８ＯＮｉ−２Ｏｒ粉末（粒度：４０〜１ｏｏｐｍ）ただ
し、第４図および第５図の曲線ａ−１゜ａ−■およびｂ
−１，ｂ−１はそれぞれ実施例のプラズマ溶射ガン２０
０および第１図に示すプラズマ溶射ガン１００における
プラズマジェット中に供給する溶射物粉末を下記のｆｉ
−１に示す物にしたときに得られる特性曲線である。 表−■ 第４図および第５図の特性図から、実施例ガンを使用す
ると従来ガンを使用する場合に比べ、溶射粒子の飛行速
度が向上し、かつプラズマジェット流の直交方向の速度
分布が均一化していることが判る。この傾向は、プラズ
マジェット中に送給する溶射物にｚｒｏ、粉末や８０　
Ｎｉ　−２０Ｃｒ粉末を使用した場合に限らず、他の溶
射物を使用した場合も同様の結果を得ることができる。 さらに、被覆部材に１８Ｃｒ−８Ｎｉステンレス鋼（φ
１５　ｘ　１００　ｊ（ｍ））を使用し、上述のプラズ
マジェット溶射東件（第４図、第５図の特性曲線測定）
と同じ栄件によシ、８ＯＮｉ−２０Ｃｒ膜を０．３　Ｉ
ＩＩ厚に溶射した後、さらにその浴射皮膜上ＫＺｒＯ，
−８％Ｙ、０３膜を０．６１１厚に溶射した試験片を、
常温と１．０００℃間を繰り返し熱サイクル試験した結
果を第６図に示す。 第６図は縦軸に、繰シ返し回数を示し、横軸は試験片の
種類別を示し、グループａ−ＩＩＩは実施例ガンを使用
した場合、グループｂ−［１は従来ガンを使用した場合
を示す。特性曲線中、頂部に矢印を有する特性曲線はそ
の回数の熱サイクルで全く異常のなかったことを示し、
「×」印のあるものはその回数の熱サイクルによす溶射
皮膜に割れを生じたことを示し、［ム」印のあるものは
、その回数の熱サイクルにより溶射皮膜が剥離したこと
を示す。 第６図から判るように、実施例ガンで形成した溶射皮膜
の耐熱サイクル割れ又は剥離社、従来ガンのそれよシも
遥かに優れたものであることが判る。 以上の説明から明らかなように、本発明にかかるプラズ
マ溶射ガンは、■溶射物がプラズマジェット流と並行に
、ジェット中に送給されるので、プラズマジェット流の
中心からはずれた方向に飛行する溶射粒子が極めて少く
なる。 ■　溶射物粒子が、プラズマジェットの発生部分に近接
した空間に送り込まれるため、溶射物粒子は十分に昇温
、加速され、高エネルギーの溶射粒子として放射される
ため、被樅部材２１５表面の溶射皮膜中の未溶融粒子は
殆んどなくな９、被覆部材２１５と溶射皮膜との密着性
も高い。また、溶射皮膜を形成する溶射粒子間結合力も
高いうえ、密着性、粒子間結合力のばらつきも著るしく
小さくすることができ、優れた品質の溶射皮膜を形成さ
せることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプラズマ溶射ガンの構造を示す断面図、
第２図は第１図のプラズマ溶射ガンから放射された粒子
の飛行状態を示す説明図、第３図は実施例のプラズマ溶
射ガンの構造を示す断面図、第４図および第５図はいず
れも実施例のプラズマ溶射ガンと従来のプラズマ溶射ガ
ンから放射された溶射粒子の速度分布を示す特性図、第
６図は実施例のプラズマ溶射ガンと従来のプラズマ溶射
ガンにより形成された溶射皮膜熱サイクル試験結果を示
す特性図である。 図　面　中 １００・・・従来のプラズマ溶射ガン、２００・・・実
施例のプラズマ溶射ガン、１０１．２０１・・・陰極、 １０２．２０２・・・プラズマ空間、 １５− １０３．２０３・・・陽極、 １０４．２０４・・・プラズマジェット噴出通路・ １０５．２０５・・・作動ガス送給路、０６ １０８．２０８・・・陰極側電導体、 １０９．２０９・・・絶縁体、 １１２．２１２ａ、２１２ｂ・−・冷却水環流路、特許
出願人　三菱重工業株式会社 復代理人　弁理士　光　石　士　部（他１名）１６一

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一定のプラズマ空間を介して配設された陰極と陽極との
   間に電力を供給し、発生したプラズマをプラズマジェッ
   トとしてプラズマジェットから噴出させると共に、プラ
   ズマジェット中にｍ射物質を供給して磐射物粒子を昇温
   、加速し高エネルギー溶射粒子を放射するプラズマ溶射
   ガンにおいて、陰極にプラズマ空間と連通し、かつプラ
   ズマジェットと並行方向に伸延する溶射物送給孔を設け
   たことを特徴とするプラズマ溶射ガン・