JPS6029542B2 - 熱スプレ−方法及び熱スプレ−装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的には被覆技術に係り、更に詳細には、
熱スプレー技術により被覆を形成することに係る。

被覆を形成するには、現在、三つの熱スプレー技術が用
いられており、即ち、火炎とプラズマと爆発によるスプ
レープロセスである。

これらのプロセスは全て高温のガス流を発生することに
依存しており、かかる高温ガス流によって被覆物質を加
熱し、微細に分割した被覆物質を被覆されるべき表面へ
押付けることが行われる。フレームスプレープロセスに
於ては、酸素とアセチレンの如き混合ガスの爆発により
必要な熱を与える。

プラズマスプレー技術は爆発プロセスには依存せず、そ
の代りに通常アルゴンの如き不活性ガスが電気的に活性
化され、高温プラズマを生ずる。爆発スプレープロセス
に於ては、酸素、アセチレン及び窒素の混合物の如きガ
スの制御された爆発が爆発ガン内にて行われ、これより
衝撃波に乗って粉末が押出される。フレームガンのガス
温度は勿論燃焼プロセスによって達成される温度によっ
て決定され且限られている。

爆発スプレープロセスに於ては、ガスの温度は約３３１
５℃であり、その噴出速度は７５０ｍ／秒であるのが普
通である。しかしプラズマガス温度は極めて高く、１１
０９５ｑｏ程度まで達し、非常に高いガス速度が得られ
る。各プロセスパラメータ、特に温度及びガス速度に関
し大きな差異があるため、使用されるプロセスによって
同じ組成の粉末がスプレーされても出来上った被覆に大
きな差がみられる。プラズマスプレーガンにてより高い
温度が得られた時は、ある被覆システムに於ては、爆発
ガンによって得られるものとは異つた相構造の被覆が得
られる。相構造に於けるかかる差は被覆の物理的性質に
於ける差を生じ多くの場合、かかる差によって意図する
目的の被覆として許容されるかされないかの問題を生ず
る。スプレー技術によって沈着される一つの被覆組成は
、一般にプラズマスプレー或いは爆発スプレーの場合、
ニッケル／アルミニウム材である。

これは或るチタニウム合金製ガスターピンェンジン部材
に侵蝕や傷に対する抵抗力を与えるために用いられる。
経験によれば、従来のプラズマスプレー技術により沈着
された多くの被覆は良好な理論密度を有するが、高い応
力状態にあり、特に熱衝撃を含む条件下に曝されると亀
裂或いは本懐を生じ易いという問題がある。より低い形
成温度による爆発スプレーによって得られた被覆は、亀
裂及び崩壊の点からはより好ましいが、表面状態と経済
性の観点から最良のものではない。既存のプロセス及び
装置によっては、多くの条件下にて必要な組成と金属学
的構造を有するのみならず、所要の被覆接着力と密度を
有するスプレー被覆を形成することは不可能である。

また従来のスプレー操作に付随する幾つかの生産上の問
題を解決することも望まれる。例えば、爆発プロセスは
安全性の理由から、通常作業員は被覆操作が行われる位
置から隔たった位置におり、そのため被覆されるべき部
品の注意深い再位置決め或いは遠隔築制御を必要とする
。従来のプラズマスプレー技術は注意深い表面の準備と
予備被覆を必要とし、基質を加熱する危険がある。本発
明は熱的スプレー被覆装置及び方法に於ける改良に係る
。

この改良は既存の装置及び方法に関連する欠点の多くを
除去するのみならず、多数の付加的利益を与える。本発
明の一つの主要な利点は、もし望むなる、種々の被覆シ
ステムに於て最良の被覆構造を優れた接着性と密度を伴
って得ることができるところにある。

更にかかる利点は経済性と安全性に於ける改良をも同時
に伴って達成されるものである。本発明は、熱スプレー
装置内に高温のガス流を郭定する細長い通路を与え、こ
の中へ或る予め定められた位置にて冷温のガス流中へス
プレ−されるべき粉末が注入され被覆粒子の滞留時間は
かかる粒子に所望の加熱と速度を与えるような長さとさ
れる。本発明の一つの実施例に於ては、従来のプラズマ
スプレー装置に適合するよう横成された冷却ノズル組立
体が空気力学的に有効な通路を伴って構成されており、
該通路を通って高温プラズマが導かれ、この中へ被覆粉
末が該通路に沿う選択された位置にて導入されて良い。

作動に於ては、プラズマガスとしてヘリウムが用いられ
る。以下に添付の図を参照して本発明を実施例について
詳細に説明する。

図示のプラズマスプレー装置は本発明に従って被覆を沈
着させるために用いられるものである。

スプレーノズル組立体２はＣＰノズルを有するＭ旧ＴＣ
Ｏスペース３ＭＢプラズマガンの如き標準プラズマスプ
レーガン６のノズル４の周りに取付けられるよう構成さ
れている。このノズル組立体はそれを通って延びる通路
１０を有するフィン付警部材８を有する。このフィン付
警部材は銅の如き高い伝導性を有する材料から作られて
おり、冷却水入口１６と出口１８を有する鋼製ウオータ
ージャケット１４によ．つて囲まれている。水室を通っ
て流れる冷却流体は前記フィン付警部材を冷却し、装置
の作動中通路１０を通って流れる高温プラズマによりこ
れが溶融し或いはその他の熱的損傷を受けることを防ぐ
。高温プラズマ自身はそれが冷却されたフィン付警部材
内の通路を通って流れる間にかなりの冷却を受ける。こ
の装置に於ては、高いガス流速を維持するために通路１
川ま入口部２０、／ズル２２び出口部２４を用いた空気
力学的に有効な形状に作られている。

図示の特殊な実施例に於ては、全長１６弧であり、その
入口部は１０．０２×０．５４５弧であり、ノズル部は
長さ約０．６３弧、咽部直径０．３５肌であり、出口部
は直径０．３８肌である。かくしてノズルは先細で且僅
かに末広に作られている。一般的には、粉末は被覆され
るべき表面表面へ高速にて且加熱された状態で、しかも
溶融状態ではく塑性化された状態にて与えられるので好
ましい。

プラズマガスが前記通路を通って流れる時、それが冷却
されるので、その下流位置に粉末を導入することによ、
粉末は或る低減された度合にて加熱される。何故ならば
、プラズマの下流域の温度は上流城よりも下つているか
らである。従って、ノズルはその中でプラズマの温度を
実質的に低減するに十分な長さ‘こ構成されている。従
ってここで「細長い」なる語が使われていろは、プラズ
マの実質的な冷却を与えるに十分な長さを意味するもの
と理解されたい。以上のことから、本発明に於ては、被
覆粉末は従来のプラズマ操作に於ける高温／短時間サイ
クルと異って、比較的低温の長時間サイクルに曝される
ことが理解されよつ。ノズル組立体は近接ボート４０及
び４２を備えており、これを通って粉末がプラズマガス
中へ導入される。

これらの近接ボートの位置はスプレーされる粉末及び用
いられる特殊なプロセスパラメータ及び装置に依存する
。しかし基本的には、その位置は粉末の正しい加熱を与
えるように選択される。この装置に於てニッケル／アル
ミニウムをスプレーする時には、粉末は近接ボート４２
を通って不活性キャリアガス内に導入される。

近接ボート４２はノズル組立体の入口より約９肌下流側
の位置或いはノズル部の直ぐ上流の位置にて開□する０
．１６肌直径の孔である。種々の組成の粉末を導入する
ために、より多くの数のボートが用いられてし、も良く
、これらの粉末は同時的に或いはシーケンス的にスプレ
ーされて良く、またプロセスパラメータが変えられるべ
き時には、同じ組成の粉末が同時的に或いはシーケンス
的に導入されても良い。

一つの組成を徐々に増大させつつ導入し、他の一つの組
成を徐々に低減する要領によって段階的被覆を形成し、
二つの組成の間に平面的境界面が形成されることを避け
ることが容易に達成される。上述の如く、高温ガス流中
へ粉末を導入する位置を通路に沿って適当に選択するこ
とにより、粉末温度を所定のシステムに於て容易に制御
することができる。

この装置はまた他の粉末温度制御装置へ容易に適用でで
きる。またプラズマ流中へ温度修正ガスを導入するため
に近接ボート或いはその他のボートが用いられて良い。
かかる温度修正ガスはプラズマガス組成の冷温ガス流で
あって良く、或いはまた、プラズマの熱伝達特性或いは
その他の特性を変えるものであっても良い。図示の如く
、ノズル組立体はプラズマガンそれ自身とは異つた装置
を含んでいる。

この特殊な構造は本発明を既存のプラズマ装置に適用す
ることを可能にするように選択されているものである。
勿論、かかるノズル組立体がガンそれ自身と一体に構成
されていてはいけない理由はない。またフィン付管部材
８は単一の部品として構成されているが、その各部は別
個の部材により構成されているのが好ましく、これによ
って種々の被覆操作或いは装置にノズル組立体を適合さ
せることができ、またその各部が摩耗した時、そこを補
修或いは取替えることを容易にする。形成された被覆内
に於ける最良の相構造を得るために、被覆されるべき面
へ衝突する粉末粒子は塑性化状態にありしかも可能な限
り低温であるのが好ましい。

しかし粒子の温度が低い程、最大密度と接着力を得るた
めに、衝撃速度は高くなければならない。従って高い被
覆粒子速度を与えることができることによって著しい利
益が得られる。粒子速度は元来使用される特定のシステ
ムに於けるガス速度によって限られている。爆発スプレ
ープロセスに於ては、粒子速度は衝撃波速度によって限
られ、７５０の／秒程度である。アルゴンを用いたプラ
ズマスプレーガンは１２００の／秒までのガス速度を達
成することができる。本発明の好ましい実施例に於ては
、３６００ｍ／秒或いはそれ以上のガス速度が可能であ
る。通常の工業的プラクテスに反して、本発明に於ては
、プラズマガスとしてヘリウムを用いることが好ましい
。

ヘリウムはプラズマスプレー操作に於て使用できること
が知られているが、それが軽いことと熱伝達性が悪いこ
とにより、従来プラズマスプレー装置に於てはこれを工
業的に用いることが鱈簿されていた。本発明に於ては、
その使用が可能であるばかりでなく有利である。従来の
装置に於ては、プラズマガンを出たガスは速やかに拡散
する。

かかるガス流中へ注入された粉末は極く短時間のみその
中に淳まる。このように短時間のみ滞留する時は、ヘリ
ウムを用いることはその熱伝達特性が悪いことからアル
ゴン等に比して粉末へ所定量の熱を伝えることが困難と
なる。この短い滞留時間と急速にガスが拡散することに
よって、粉末に速度成分を与えることに大きな問題があ
る。本発明に於て、ヘリウムを用いることの利点は、加
熱を制御し、高い流速を与えることにある。

その他にも幾つかの利点がある。全ての被覆プロセスに
於ては、被覆に対する被覆成分とプロセスパラメータの
影響のみでなく、それが被覆される基質に及ぼす影響を
考量することも重要である。基質の性質は往々にして或
る温度を越えてはならないものである。ヘリウムが例え
ばアルゴンに比してかなり低い熱伝達特性を有している
ことは、基質への熱伝達を本質的に低減されることにな
る。従釆のプラズマスプレー操作に於ては、加熱された
ガスの拡散によって基質のかなり広い領域が熱を受け、
しかも被覆が要求されない領域も加熱されることとなり
、かかる領域はマスクを施されなければならない。

本発明に於ては、ガス流に関しより高度の集中性が得ら
れる。従って基質のより４・さし、領域のみが高温ガス
に曝され、その他の基質の多くの部分は低温状態に留つ
ている。更に他の一つの利点として、かかるガス流の集
中度のより良い制御によりマスクを必要とする度合が低
減され、被覆構造及び厚みに於ける変化がより良く制御
され、粉末の損失が少く経済性が改善されることがある
。他の一つの方法に於ても、本発明を用いることにより
被覆操作は容易となる。

爆発ガンを用いる場合、被覆作業は安全上の理由から被
覆操作が行われる位置より離れた位置に作業員が位置す
ることによって通常行われる。従来のプラズマスプレー
ガンを用いる場合、排出されるガスは非常な高温であり
、紫外線による目の損傷が起るので適当な目の保護装置
が必要とされる。本発明に於ては排ガスの温度は低減さ
れており、目が損傷される可能性は低減されている。勿
論何れにしても適当な安全手段は必要である。従釆のプ
ロセスに於ては、被覆されるべき部品は先ず被覆される
べき領域のみを露出させるようにマスクによって被覆す
る作業を行い、第二段階としてサンドプラストをかけ、
第三段階としてサンドブラストの影響を除去すべく清掃
を行い、最後に再びマスクをかけることが行われる。

本発明は多くの場合かかる従釆の工程に於ける多くを省
略することができる。ガスの集中度が大幅に改善されて
いるので、マスクを施す程度が大きく低減される。更に
粒子の速度は非常に高いので、サンドブラストをかける
こととマスクを施すこととこれらに関連した清掃作業と
を省略することが可能であることが見出されている。フ
レオンによって脱脂するために単に表面を掃き取るだけ
で十分なことが見出されている。例 装置 プラズマガン ＧＰノズルを有する 細ＴＣＯ鋤Ｂ パワーサプライ ＰＬＡＳＭＡＤＹＮＥ ３５加Ｄ．Ｃ．アークアンプ ５０一５８Ｄ．Ｃ．アークボルト ／ぐワーフイーダ Ｓ．Ｓ．ＡＩＲＡＢＲＡ−ＳＩＶＥ
ユニツト（ミニチュア・サンドプラスト） パワーフイ−ド・レート１６２ｋ９／ｈｒ．ノズル組立
体 図示の通り粉末（Ｍ旧ＴＣ０４５０） 組成（重量％） ９ふｒ−セントニッケル５パーセント
アルミニウム 粒径 ０．０８劫肋十０．０４３側 （ＡＳＴＭ Ｂ ２１４） プロセス／ぐラメータ プラズマガス ヘリウム 流量 ７７８７リットル／分 ガンと基質の距離 ５〜７．６肌 焦点の大きさ ０．９５肌 基質 チタン合金 被覆部 縞平座金 沈着 ノズル組立体を取付けた手持式の被覆ガンを用いて厚さ
０．０２０〜０．０２５肌の被覆が扇平座金の一方の面
に亀裂及び崩壊に対する抵抗性を与えるべく施された。

結果理論密度の９９％を十分越える被覆密度が達成され
た。

これは従来のプラズマプロセスによって達成されるもの
を越えたものである。接着性は非常に優れていた。高温
からの熱衝撃を繰返した結果、亀裂或いはフレークの発
生は何ら見られなかつた。以上に於ては本発明を特定の
例及び好ましい実施例について説明したが、本発明がこ
れらの詳細に限られるものではなく、本発明の範囲内に
て種々の修正が可能であることは当業者にとって明らか
であろう。

【図面の簡単な説明】

添付の図は本発明に従って構成されたプラズマスプレー
装置を示す。 ２・・・・・・ノズル組立体、４・…・・ノズル、６・
・・・・・標準プラズマスプレーガン、８・・・・・・
フィン付警部材、１０・・・・・・通路、１４・・・・
・・ウオータージャケット、１６・・・・・・冷却水入
口、１８・・・・・・冷却水出口、１９・・・・・・水
室、２０・・・・・・入口部、２２・・・・・・ノズル
部、２４・・・・・・出口部、４０，４２・・・・・・
近接ボート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマを生成することと、前記プラズマを細長い
   ノズルを通つてプラズマガス流として導くことと、前記
   プラズマガス流中へスプレーされるべき被覆用材料の粉
   末を導入することと、前記粉末を前記プラズマガス流と
   共に被覆されるべき表面へ導くこととを含み、前記表面
   上に所要の厚みの被覆を形成するための熱スプレー方法
   に於て、記記プラズマガス流中へ前記粉末が導入される
   位置は前記プラズマガス流による前記粉末の加熱が該プ
   ラズマガス流によつて前記表面上に吹付けられる該粉末
   を丁度塑性化する程度となる位置に選択され、前記プラ
   ズマガス流によつて前記表面上に吹付けられる前記粉末
   の速度を増大するよう前記プラズマガス流は前記ノズル
   を通つて導かれる間に加速されることを特徴とする熱ス
   プレー方法。 ２ 高温のガスを与えるプラズマスプレーガンと、一端
   にて前記プラズマスプレーガンより高温ガスの流れを受
   けこれを通過させ且これを他端より噴射する通路と前記
   通路の途中にスプレーされるべき材料の粉末を導入する
   粉末ポートと前記通路を郭定する壁面を冷却することに
   より前記通路内を流れる高温ガスに実質的な冷却効果を
   与える冷却手段とを有するノズル装置とを含む熱スプレ
   ー装置にして、前記通路は途中に断面積の変化により流
   体を加速する加速ノズル部を有し、前記粉末ポートは前
   記加速ノズル部又はそれより下流側に位置しており、前
   記冷却手段の冷却強さと前記通路に沿う前記粉末ポート
   の位置は前記粉末ポートより前記通路中を流れる高温ガ
   ス中へ導入され該高温ガスによつて加熱され該高温ガス
   と共に噴射される粉末が溶解状態には至らず塑性化され
   た状態に留まるように定められていることを特徴とする
   熱スプレー装置。