JPS63218272A - 溶射方法及び装置 - 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】 産業上の利用分野 この発明は基材の表面に被膜をつくるために用いる溶射
方法およびその装置に関するもので更に述べると、密着
力が大きく被膜強度、気孔率、被ｇＷｋｍｍ造等がよく
制御された高品質の被膜を形成できる溶射方法およびそ
の装置に関するものである。

従来の技術 基材の表面に被膜を形成する方法として、溶射方法が広
（用いられている。

この方法は、溶射トーチに供給された溶射材料をプラズ
マ、アーク、フレーム等により溶融させて、液滴にし、
七〇液滴を基材表面に衝突させて、被膜を形成する方法
であるが、この方法には次のような特徴がある。

即ち、加工速度が速く、しかも基材自体の温度が低くて
もよく、又、高温の液滴が基材表面に衝突しても瞬間的
に固まるため、基材の温度は上昇しない。

従って基材の変形や変質が発生しない、またこのよ５Ｋ
してできた被膜を改質するためにグクズ！、フレームや
レーザー、あるいは電子線で再加熱して溶融するなどの
手段が適用されている。

発明が解決しようとする問題点 従来の溶射方法では、溶射材料の液滴は、被塗物の表面
に衝突して液滴と被塗物との温度差による液滴の冷却に
より固化し、塗着層が形成される。したがって液滴の温
度や飛行速度が正ｒ４に管理されていても、被塗物の表
面温度と熱伝導率によって形成される塗着層の密着力や
諸物性は著しく影嚇をうげる。しかるく在来の溶射方法
や装置においては、被塗物に気体を吹き付けるなどの冷
却がｆ４々であ、す、被塗物の表面温度を種馬的に調Ｗ
Ｊ管理することは、おこなわれていたい・ また一般に溶射においては、被塗物の温度が高（なるＫ
つれて密着力の向上、気孔率の減少塗膜強度の向上等の
好ましい傾向がみられるが被塗物全体を予熱することは
、冷間表面処理法としての溶射の利点を大巾に減殺し、
Ｑ＃に被塗物と溶射材料の何れか一方が金属で他方がセ
ラミックスである場合のように被塗物と溶射材料の熱膨
張率に大きな差のある場合には、溶射後被塗物の冷却に
よって塗着層が被塗物から剥離するという重大な問題が
発生する。

更に溶射加工終了後のフレームによる被膜の再加熱によ
るあと処理は、酸化等による被膜の変質や、被塗物全体
の温度上昇による変形くよって被膜の剥離等の問題を発
生する。レーザによる被膜の再加熱によるあと処理は、
高いエネルギーｉ度による被膜の部分的再溶融処理等に
よって被膜の封孔等の好ましい結果をうろことができる
が、一旦冷却した溶射材料の被膜を常温から溶融１度に
まで再加熱しなげればならないので、大出力のレーザが
必要になり、所要時間も長（なって、高生産性が得られ
ないという実用装置として重大な欠点を有することにな
る。

またレーザによる封孔処理では、その影響は。

被膜の表面からはじまるので、処理層が被膜表面のみに
限定されやすく、被膜の内部や、基材と被膜との境界層
までも処理しようとすると。

更に処理速度の低下をまねくとともに表面の荒れ等の別
の問題の発生をまねくことになる。

間虐点を解決するための手段 才１発明は、基材表皮を局部的に予熱して予熱領域を形
成し、該予熱領域内に溶射して塗着層を形成することを
特徴とする溶射方法であり、又、才２発明は、基材表皮
の予熱領域に向けた局部予熱装置と、該予熱領域内の溶
射領域に溶射する溶射トーチとを有することを特徴とす
る溶射装置である。

作用 局部予熱装置によって瞬間的に予熱された溶射領域は１
通常３００〜１５００℃の適当な温度に保持されている
ので、ここく飛来する溶射材料の溶融液滴は、目的とす
る被膜の物性に適した冷却速度で固化させて塗着層を形
成させることができる。この場合局部予熱装置のエネル
ギー密度が高いために高温になっているのは被塗物の溶
射領域での表皮部分だけで、これ以外の被塗物の大部分
は常温付近く保持されているので、被塗物が全体とし【
昇温することがなく、冷間加工としての溶射の特徴が失
われることがない。

このために適用される溶射装置は、溶射領域の小さいも
のであることが重要であって、これにより全体としての
昇温をおさえることが可能となる。必要な場合は溶射領
域の直後に、昇温防正月の強制冷却装置を適用する。

実施例 この発明の実施例を添附図面により説明する。

オ１図１オ２図において１図には示してない固定装置に
よって位置と方向を固定された溶射トーチ１６に供給さ
れて溶射材料１７は、溶融した液滴より成る溶射ビーム
９となって、矢印２の方向に移動している基材１の表皮
に溶射領域５において衝突固化して塗着層３を形成しつ
つあるの取付装置２１によって溶射トーチ１６との相対
位置を固定されたレーザ装置Ｊより放射される高エネル
ギー密度レーザービーム１９は１反射鏡１８によって方
向を曲げられレーザービーム８となって基材１の上に予
熱領域４を形成している。

予熱領ｖＣ４は１図のように溶射領域５の直前附近に実
質的に溶射領域５とほぼ同一の幅をなし基材１の進行方
向に関しては巾をせまくすること忙よってエネルギー密
度を高く保ち、基材の厚み方向く関して表面の浅い層だ
けを予熱して基材全体の温度上昇はなるべく低（おさえ
る工夫が必要である。この為に必要な光学系は特に区別
して図示してないが、レンズミラー、走査系或はこれら
を組合せたシステムが必要に応じて使用される。

基材１の進行方向２と進行速度に関して、予熱領域４と
溶射領域５との相対位置を調整して。

溶射領域５における基材１の表面の平均温度が所定値に
なるようにして溶射がおこなわれる。

なお、　４ａは基材１が矢印２方向に進行した際く形成
される予熱領域である。

溶射実施中の溶射領域５の平均温度は、要求される塗着
層の物性に対して実験的、に決足されるが定性的に言え
ば、密着強度・皮膜強度に関しては湿度上昇とともに向
上し、気孔率については温度上昇とともに小さな値が得
られるようＫなる。

レーザービームは容易に高いエネルギー密度を実現でき
るので、基材の極めてプすい表皮部分だけを、せまい領
域に限定して正確に制御された所定濃度・・・通常３０
０−１５００℃の範囲・・・Ｋ保持することができるの
で、これによって基材に衝突した。溶融、溶射材料の冷
却固化速度を正確に制御でき、且、塗り重ねの進行につ
れて塗着層毎にこの工程が繰返し実行されるので、皮膜
の塗着層毎の微細構造の制御さえも可能となるのである
。この場合基材全体の温度を上昇させないためには、溶
射領域５がなるべく小さくできる溶射装置を適用するこ
とが極めて１１要であって、実用的には直径で１０ｍ以
下程度がのぞましい、溶射領域が大きな溶射機を適用す
ると予熱のエネルギー密度が小さくなるために、ｆＦ材
全全体温度上昇をまねきやすく、溶射領域の予熱温度範
囲が低い方に限定されて不利となる場合が多くなる。

本発明によれば、必要な場合には溶射領域５の温度を基
材の融点程度に上げて運転することもできるので、基材
１と溶射材料との境界におゆる化学的結合を実現するこ
とも容易となり、極めて良質の皮膜、高い密着強度を得
ることができる。また溶射領域５．予熱領域４．或は両
領或４，５を特定のガス雰囲気に保つ必要のある場合は
、その通常のガス芽囲気形成装置乙によって溶射領域５
．予熱領域４．あるいは両頭域４．５を特定のブス雰囲
気中に保持することによって好結果を得ることができる
。

本発明によれば実質上、基材の溶射領域５に含まれる表
皮部分のみが所定濃度に保たれ、この領域から外れた基
材は直ちに主として基材自身の熱容量によって急速に冷
却され、常温附近く戻ってしまうので、冷間加工法とし
てのプラズマ溶射の特徴が失われることなく、実質的に
は高度な予熱溶射ができる。溶射領、域の面積が広い場
合運転条件によつ【は基材の平均温度の上昇が高（なる
ことがあるので、この様な時忙は矢印４に関して、溶射
領域５の下流側に冷却領域７を形成して予熱された基材
１を直ちに冷却するために１強制冷却装置１４を設置す
る場合もある。強制冷却装置１４は公知のものから必要
に応じて選定して適用すればよいが、溶射領域附近の雰
囲気や気流を乱さないことが望ましい場合には１図に示
したように強制冷却ガスｌＯを吹付けるとともに強制排
気１１を併用した型式のものを適用すればよい、１２は
給気、１３は排気、１５は取付装置である。図には示し
てないが運転条件を精密に制御することが必要な場合に
は、溶射直後の皮膜の表面温度を高温塗着層６０点など
で測定して、これを管理するのが好適な場合がある。測
定器としては小スポット輻射温度計などが利用できるが
、一般には測定点や測定器の選定は運転条件等に応じて
実施する。また測定の結果に応じて局部予熱装置、ｉち
、予熱エネルギー源Ｉ、溶射トーチ１６１強制冷却装置
１４の運転条件などを手動、或は自動で調節することに
より、高度な成果を得ることができ、これは本発明の重
要な部分をなすものである。

本発明の実施にあたって、基材１や溶射材料１７が金属
である場合ＫＧｉ予熱エネルギー源としてレーザな適用
すると、予熱部の温度が低い場合には特にレーザ光エネ
ルギーの大部分が反射されて、予熱の効率が悪（なる場
合があり、この場合には更に反射レーザー光による安全
上の問題も発生するのこの様な場合には才３図に示した
即（、移行型アークを、予熱エネルギー源として適用す
ることにより、好結果を得ることができる。才３図にお
いて、１は金属などの良導電性基材であり、その通行方
向２に関して溶射ビーム９の直前に電源加に接続された
電極５が適用されており、基材１との間に移行型アーク
３１が形成されている。この場合通常はアーク３１は不
活性ガス中に形成されることが好ましい場合が多いので
、電極５の外周に内［２７を設けて不活性ガス（通常は
アルゴン、窒素、ヘリウム、水素な°ど）２９を供給す
ることが多い、この不活性ガスは放出し放しの場合もあ
るが、必要に応じて排気筒列により排気（資）をおこな
う。この様Ｋｆｌｌ成するとアークで解放されるエネル
ギーの大部分は基材１の表皮の予熱に集中して使われる
ので、溶射領域の表皮の局部的予熱を簡単な装置で容易
に実現することができる。またこの実施例の変形として
、アークを電極と水冷した内筒との間に形成させ、これ
により不活性ガスを加熱して必要に応゛じてグラズマと
して。

これにより局部的予熱をおこなってもよく、この場合に
は基材１は必ずしも電気の良導体である必要はない。こ
の場合には通常のよく知られた非移行型のグッズマトー
チを基材１の予熱のエネルギー密度が　高い条件で適用
することができるが、溶射ビーム９に気流によるじよう
乱を与えないための対策が必要な場合が多く、このため
には才３図にならって局部排気等の手段を適用すればよ
い。

発明の効果 この発明は、以上のように＃Ｉ成したので、基材の平均
温度は在来の溶射と同程度に保持しながら、溶射領域の
表皮部のみを広い範囲で所要温度に自由に制御すること
により、基材と溶射層との境界の強度、溶射層の微細構
造、構成層毎の気孔率の分布、溶射層全体の強度、溶射
層の全体としての気孔率を在来の溶射で得られた範囲で
任意の値を適確に再現性よ（得ることができるようにな
ったことは勿論、特に密着力。

塗着層強度、塗着）Ｊの緻密さの向上１ｍち、気孔率の
低下等に関し、在来の溶射では得られなかった高い性能
を実現することができ、更に、場合によっては加工速度
の向上、基材のブラスト処理が不必要となるなど、溶射
技術の画期的改善を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

矛１図は、本発明の実施例を示す正面図、矛２図は、矛
１図のｎ−ｎ線断面図。 才３図は、他の実施例を示す正面図である。 １・・・基材 ３・・・塗着層 ５・・・溶射領域 加・・・局部予熱装置 第１図 第２図 ４予熱領域　　１基材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基材表皮を局部的に予熱して予熱領域を形成し、該
   予熱領域内に溶射して塗着層を形成することを特徴とす
   る溶射方法。 ２　塗着層が溶射直後に冷却されることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の溶射方法。 ３　予熱又は溶射の少なくとも一方が、特定ガスの雰囲
   気で行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の溶射方法。 ４　基材表皮の予熱領域に向けた局部予熱装置と、該予
   熱領域内の溶射領域に溶射する溶射トーチとを有するこ
   とを特徴とする溶射装置。 ５　溶射トーチが塗着層の強制冷却装置を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第４項記載の溶射装置。 ６　局部予熱装置がレーザ装置であることを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の溶射装置。 ７　局部予熱装置がアーク発生装置であることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項記載の溶射装置。 ８　アーク発生装置がアークガス発生装置を有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第７項記載の溶射装置。 ９　予熱領域と溶射領域の少なくとも一方に特定ガス雰
   囲気形成装置が設けられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の溶射装置。