JP2001003151A - Plasma spraying device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、エンタルピーの高
いプラズマ発生技術を特徴とし比較的少ない電カ消費及
びプラズマガス消費で高品質の金属やセラミックスのコ
ーティングを行うためのプラズマ溶射装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma spraying apparatus for coating high quality metals and ceramics with relatively low power consumption and plasma gas consumption, characterized by a plasma generation technique having a high enthalpy.
【０００２】[0002]
【従来の技術】金属やセラミックスの粉末原料を用いて
高速にコーティングを行う方法としてプラズマ溶射法が
広範な用途に用いられている。従来プラズマ溶射に用い
られている溶射装置のプラズマ発生部（溶射トーチ）
は、通常、図２に示すように、ノズル状の陽極Ａとその
中心に配置された陰極Ｂの１対から構成されている。プ
ラズマは、ガス導入部Ｃから陽極・陰極間のドーナツ状
の間隙に不活性ガスを流し、直流アーク放電によりガス
を電離することにより発生させられ、ノズル状の陽極か
ら溶射トーチ外部にプラズマジェットＰとなって噴出す
る。水管Ｗ１からＷ２へ流れる冷却水により水冷された
陽極近傍ではプラズマが冷却され電離度が低下するため
電流が流れにくくなり電流がプラズマの中心部に集中す
るという熱ピンチ効果によりプラズマジェットは絞られ
ている。すなわち、電極間の温度分布に従って、プラズ
マ噴出速度は、中心部が高く周辺では急激に低下すると
いう急峻な分布をもっている。また、直流アーク放電は
陽極・陰極間のドーナツ状の間隙の一ケ所で生じるが、
その位置については積極的な制御を行われていないた
め、アーク発生位置は絶えず移勤しがちであり、これに
伴ってプラズマジェットも揺らいでいる。2. Description of the Related Art Plasma spraying is used for a wide range of applications as a method for performing high-speed coating using powder materials of metals and ceramics. Plasma generator (spray torch) of thermal spraying equipment conventionally used for plasma spraying
Is usually composed of a pair of a nozzle-shaped anode A and a cathode B arranged at the center thereof, as shown in FIG. The plasma is generated by flowing an inert gas from the gas inlet C into a donut-shaped gap between the anode and the cathode, and ionizing the gas by DC arc discharge. The plasma jet P is discharged from the nozzle-shaped anode to the outside of the spray torch. It gushes out. In the vicinity of the anode, which is water-cooled by the cooling water flowing from the water pipe W1 to the water pipe W2, the plasma is cooled and the degree of ionization is reduced, so that the current becomes difficult to flow and the current is concentrated at the center of the plasma. I have. That is, in accordance with the temperature distribution between the electrodes, the plasma ejection speed has a steep distribution in which the center is high and the periphery rapidly decreases. In addition, DC arc discharge occurs at one point in a donut-shaped gap between the anode and cathode,
Since the position is not actively controlled, the position where the arc is generated tends to be constantly transferred, and accordingly, the plasma jet also fluctuates.
【０００３】粉末原料は、ノズル出口直後に設けられた
粉末投入パイプＤもしくはノズルの出口近傍に開けられ
た孔を通して、搬送ガスに載せられ、一般的には、プラ
ズマジェットにほぼ垂直に投入される。これにより、粉
末原料はプラズマ中で溶融され液滴Ｒとなって噴射ノズ
ルから噴出する。この際、粉末投入の速度は粉末の粒子
径に大きく影響されるため、溶射原料粉末には分級によ
り粒子径を揃えたものが使用されるが、ある程度のばら
つきは不可避であるため投入される粉末の速度は分布を
持ったものにならざるをえない。[0003] A powder raw material is placed on a carrier gas through a powder input pipe D provided immediately after the nozzle outlet or a hole opened near the nozzle outlet, and is generally injected almost perpendicularly to the plasma jet. . As a result, the powder raw material is melted in the plasma to form droplets R and is ejected from the ejection nozzle. At this time, since the speed of powder input is greatly affected by the particle size of the powder, a sprayed raw material powder having a uniform particle size by classification is used, but a certain degree of variation is inevitable. The velocity must be distributed.
【０００４】このように、従来の技術では、温度分布と
速度分布を持ったプラズマに、粒径分布を持った粉末を
速度分布を持った形で、プラズマジェットに垂直に投入
するため、全ての粉末をプラズマ中心部の最も温度の高
い領域に集中して正確に投入することは非常に困難であ
った。このため、未溶融粒子Ｒ’の発生とその巻さ込み
による生成皮膜の性能の低下、投入した全ての原料粉末
が皮膜になるわけではないことによる歩留まりの低下な
どが大きな問題となっていた。このような課題を解決す
るために、陰極をパイプ状にして、陰極の中を通して粉
末を投入する溶射ガンが開発されているが、陰極の寿命
が著しく短くなるとともに、アークの集中する陰極出口
で粉末が溶けて詰まり易いなど決定的な解決策とはなっ
ていない。[0004] As described above, in the prior art, powder having a particle size distribution is injected vertically into a plasma jet in a form having a velocity distribution into a plasma having a temperature distribution and a velocity distribution. It has been very difficult to accurately and precisely charge the powder in the hottest area in the center of the plasma. For this reason, the generation of unmelted particles R 'and the reduction of the performance of the formed film due to the entrapment thereof, and the reduction of the yield due to the fact that not all of the input raw material powders are formed into a film have been serious problems. In order to solve such problems, a spray gun has been developed in which the cathode is made into a pipe shape and powder is injected through the cathode, but the life of the cathode is significantly shortened, and the cathode outlet where the arc is concentrated is developed. It is not a definitive solution, as the powder melts and is easily clogged.
【０００５】[0005]
【本発明が解決しようとする課題】本発朋は、上記従来
技術の問題点を解決し、未溶融粒子の発生を抑えること
により、原料粉末の利用効率（歩留まり）の向上と高性
能の皮膜の生成を可能とするプラズマ溶射装置を提供す
ることを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art and suppresses the generation of unmelted particles, thereby improving the utilization efficiency (yield) of the raw material powder and improving the performance of the coating film. It is an object of the present invention to provide a plasma spraying apparatus capable of generating plasma.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明者は、種々研究を
重ねた結果、次の２点が重要であり、これらを同時に満
足するプラズマ溶射ガンを開発することができれば、上
記課題の達成が可能であると考えた。i)揺らぎのない安
定したプラズマを発生させること、ii)粒子径に分布を
持った粉末を原料に用いてもプラズマジェット中心の最
も温度と速度の高い領域を粉末が飛行するようプラズマ
ジェット上流からプラズマジェット中心軸に沿って粉末
を投入すること。本発明者は、これら２点を同時に満足
するプラズマ溶射ガンの構造として、アーク発生位置が
動き回らないよう、陰極、陽極ともにアーク発生位置を
固定できる構造にするとともに、複数の陰極、陽極の対
を設け、複数の陰極の間のプラズマジェット軸上から粉
末を投入できる構造を案出し、本発明を完成した。As a result of various studies, the present inventors have found that the following two points are important. If a plasma spray gun that satisfies both of these points can be developed, the above object can be achieved. I thought it was possible. i) To generate stable plasma without fluctuation, ii) Even if powder having a distribution of particle diameters is used as the raw material, from the upstream side of the plasma jet so that the powder flies in the area where the temperature and velocity are the highest in the center of the plasma jet. Injecting powder along the center axis of the plasma jet. The present inventor has proposed a structure of a plasma spray gun that satisfies these two points at the same time, a structure in which both the cathode and anode can fix the arc generation position so that the arc generation position does not move around, and a plurality of pairs of cathodes and anodes. The present invention was completed by devising a structure in which powder can be injected from the plasma jet axis between a plurality of cathodes.
【０００７】すなわち、本発明は、溶射すべき方向に延
びる軸線に沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノ
ズルと、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段と
を備え、該プラズマ形成手段は、陰極を備えたカソード
トーチと、陽極を備えたアノードトーチとのプラズマト
ーチ対を２以上備え、これらカソードトーチ及びアノー
ドトーチは、これらの陰極及び陽極間に前記軸線に沿う
プラズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の
位置関係が前記原料投入方向の上流側及び下流側となる
ように配置されていることを特徴とするプラズマ溶射装
置に係るものである。That is, the present invention comprises a material charging nozzle for charging a powdery material for thermal spraying along an axis extending in a direction to be sprayed, and plasma forming means disposed around the axis. Comprises two or more pairs of plasma torches, a cathode torch with a cathode and an anode torch with an anode, which form a plasma flow between the cathode and anode along the axis. The plasma spraying apparatus according to the present invention is characterized by being arranged so as to surround the axis and have a mutual positional relationship on the upstream side and the downstream side in the raw material charging direction.
【０００８】本発明の好ましい実施形態においては、前
記カソードトーチは、前記陰極との間にアークを発生さ
せるための点火用の補助陽極を該陰極の付近に備え、前
記アノードトーチは、前記陽極との間にアークを発生さ
せるための点火用の補助陰極を該陽極の付近に備えてい
る。In a preferred embodiment of the present invention, the cathode torch is provided with an auxiliary anode for ignition for generating an arc between the cathode torch and the cathode, and the anode torch is connected to the anode and the anode. An auxiliary cathode for ignition for generating an arc is provided near the anode.
【０００９】前記プラズマトーチ対の内、上流側に位置
するプラズマトーチは、前記軸線の周りから該軸線に向
く斜め方向にプラズマを噴出させるように配置されてい
るのが望ましい。[0009] It is desirable that the plasma torch located on the upstream side of the pair of plasma torches is arranged so as to eject plasma from around the axis in an oblique direction toward the axis.
【００１０】前記プラズマトーチ対の内、下流側に位置
するプラズマトーチは、前記溶射軸線の周りから該軸線
に向かってプラズマを噴出させるように配置されている
のが望ましい。[0010] It is desirable that a plasma torch located on the downstream side of the plasma torch pair is arranged so as to eject plasma from around the spray axis toward the spray axis.
【００１１】前記カソードトーチの陰極及びアノードト
ーチの陽極が錐体状とされ、前記カソードトーチの補助
陽極及びアノードトーチの補助陰極が各々前記陰極及び
陽極を囲むようにノズル状に形成されているのが望まし
い。The cathode of the cathode torch and the anode of the anode torch are cone-shaped, and the auxiliary anode of the cathode torch and the auxiliary cathode of the anode torch are formed in a nozzle shape so as to surround the cathode and the anode, respectively. Is desirable.
【００１２】前記プラズマトーチの陰極及び陽極の少な
くとも一方の電極の周りには、該電極を保護する不活性
ガスを流すためのガス噴出路を備えることができる。[0012] A gas ejection path for flowing an inert gas for protecting the electrodes may be provided around at least one of the cathode and anode electrodes of the plasma torch.
【００１３】前記原料投入ノズルは、内管と外管とを備
えた２重管であり、前記内管から搬送ガスと共に粉末原
料を噴出し、前記内管と外管との間からプラズマ形成用
のガスを噴出するように構成されたものとすることがで
きる。The raw material charging nozzle is a double pipe having an inner pipe and an outer pipe. The raw material injection nozzle ejects a powder raw material together with a carrier gas from the inner pipe, and forms a plasma forming gas from between the inner pipe and the outer pipe. The gas may be configured to be ejected.
【００１４】前記軸線上における前記プラズマトーチ対
より下流側には、プラズマの形状及び噴出速度を制御し
得るようにプラズマ放出用の噴射ノズルを配置すること
ができる。[0014] An injection nozzle for discharging plasma may be arranged on the axis downstream of the plasma torch pair so as to control the shape and ejection speed of the plasma.
【００１５】プラズマの形成位置を制御し得るように、
複数の前記プラズマトーチ対への電力配分は可変とする
ことができる。In order to control the plasma formation position,
The power distribution to the plurality of plasma torch pairs may be variable.
【００１６】[0016]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の
１実施形態に係るプラズマ溶射装置の縦断面を概略的に
示している。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of a plasma spraying apparatus according to one embodiment of the present invention.
【００１７】このプラズマ溶射装置は、溶射すべき方向
に延びる軸線Ｃに沿って溶射用粉末原料を投入する原料
投入ノズル１と、該軸線の周りに配置されたプラズマ形
成手段２と、これらを一体的に支持するフレーム３と、
該フレームに支持され原料及びプラズマをフレーム外へ
噴出させる噴射ノズル４とを備えている。In this plasma spraying apparatus, a raw material charging nozzle 1 for charging a powdery material for thermal spraying along an axis C extending in a direction to be sprayed, a plasma forming means 2 arranged around the axis, and these are integrated. A frame 3 that supports the
And an ejection nozzle 4 supported by the frame to eject the raw material and the plasma to the outside of the frame.
【００１８】原料投入ノズル１は、内管１１と外管１２
とを備えた同軸の２重管であり、内管１１から搬送ガス
と共に粉末原料を噴出し、内管１１と外管１２との間か
らアルゴン、アルゴン−水素混合ガス、空気、酸素、窒
素等のプラズマガスを噴出するように構成されている。
このプラズマガスは、粉末原料がノズルから噴射された
後に、その飛行パターンが広がるのを防止する。The material charging nozzle 1 includes an inner pipe 11 and an outer pipe 12.
And a coaxial double tube provided with the following. A powder material is ejected from the inner tube 11 together with the carrier gas, and argon, argon-hydrogen mixed gas, air, oxygen, nitrogen, etc. are supplied from between the inner tube 11 and the outer tube 12. Is configured to eject the plasma gas.
This plasma gas prevents the flight pattern from spreading after the powder material is injected from the nozzle.
【００１９】プラズマ形成手段２は、陰極を備えたカソ
ードトーチ２１と、陽極を備えたアノードトーチ２２と
のプラズマトーチ対を２以上備え、これらカソードトー
チ２１及びアノードトーチ２２は、これらの陰極及び陽
極間に軸線Ｃに沿うプラズマ流を形成するように該軸線
を囲んで且つ相互の位置関係が原料投入方向の上流側及
び下流側となるように配置されている。The plasma forming means 2 includes two or more plasma torch pairs of a cathode torch 21 having a cathode and an anode torch 22 having an anode. The cathode torch 21 and the anode torch 22 are provided with the cathode and the anode. They are arranged so as to surround the axis so as to form a plasma flow along the axis C between them, so that the mutual positional relationship is upstream and downstream in the material input direction.
【００２０】カソードトーチ２１は、軸線Ｃからの距離
及び隣り合うトーチとの距離を等間隔にして２〜７台配
置されている。各カソードトーチ２１からのプラズマ噴
出方向は、前記原料投入方向に向く斜め方向とされてい
る。その傾斜角度は、軸線Ｃに対し、５度以上、４５度
以下とするのが望ましい。傾斜角が５度より小さいと、
プラズマの合流点が遠くなりすぎ温度低下を招き、４５
度より大きいと、噴射ノズル４でのプラズマジェットの
速度が大きく低下するからである。この観点から傾斜角
は、１０度以上、３０度以下とするのがより望ましい。
カソードトーチ２１は、中心が円錐状の陰極２１ａ、そ
の周りに延びるノズルが該陰極との間にアークを発生さ
せるための点火用の補助陽極２１ｂとなっており、その
間隙からアルゴンおよび２次ガス（水素、ヘリウム等）
が投入可能となっている。Two to seven cathode torches 21 are arranged at equal distances from the axis C and adjacent torches. The direction in which the plasma is ejected from each cathode torch 21 is an oblique direction facing the raw material charging direction. It is desirable that the inclination angle be 5 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the axis C. If the tilt angle is less than 5 degrees,
The plasma confluence becomes too far, causing the temperature to drop and 45
This is because if it is greater than the degree, the speed of the plasma jet at the injection nozzle 4 is greatly reduced. From this viewpoint, it is more preferable that the inclination angle be 10 degrees or more and 30 degrees or less.
The cathode torch 21 has a conical cathode 21a and a nozzle extending therearound serving as an auxiliary anode 21b for ignition for generating an arc between the cathode 21a and argon and secondary gas from the gap. (Hydrogen, helium, etc.)
Is available.
【００２１】また、アノードトーチ２２は、カソードト
ーチより前記原料投入方向の下流側において、軸線Ｃか
らの距離及び隣り合うトーチとの距離を等間隔にしてカ
ソードトーチ２１と同じ台数配置されており、１台のカ
ソードトーチ及びアノードトーチがプラズマトーチ対を
なして主電源Ｍに接続され、各々のアーク用電極間に電
圧が印加されるようになっている。アノードトーチ２２
は、各々プラズマ流を軸線Ｃに向かって噴出し該軸線上
でカソードトーチ２１からのプラズマ流と連続させるよ
うに配設されている。各アノードトーチ２２からのプラ
ズマ噴出方向は、軸線Ｃ（前記原料投入方向）に対し、
ほぼ垂直とされている。アノードトーチ２２は、中心が
円錐状の陽極２２ａ、その周りに延びるノズルが該陽極
との間にアークを発生させるための点火用の補助陰極２
２ｂとなっており、その間隙からアルゴンガスが投入可
能となっている。The same number of the anode torches 22 as the number of the cathode torches 21 are arranged on the downstream side of the cathode torch in the raw material charging direction with the distance from the axis C and the distance between the adjacent torches being equal. One cathode torch and one anode torch are connected to the main power source M in a plasma torch pair, and a voltage is applied between the respective arc electrodes. Anode torch 22
Are arranged so as to eject the plasma flow toward the axis C and to be continuous with the plasma flow from the cathode torch 21 on the axis. The direction in which the plasma is ejected from each anode torch 22 is relative to the axis C (the above-described material input direction)
It is almost vertical. The anode torch 22 includes an anode 22a having a conical center, and an auxiliary cathode 2 for ignition for generating an arc between the anode 22a and a nozzle extending therearound.
2b, and argon gas can be introduced from the gap.
【００２２】各カソードトーチ２１の陰極２１ａと補助
陽極２１ｂとの間、及びアノードトーチ２２の陽極２２
ａと補助陰極２２ｂとの間には、点火用の補助電源Ｓが
接続されている。Between the cathode 21a of each cathode torch 21 and the auxiliary anode 21b, and between the anode 22 of the anode torch 22
An auxiliary power source S for ignition is connected between the sub-a and the auxiliary cathode 22b.
【００２３】この実施形態では、このようにカソードト
ーチ及びアノードトーチのプラズマトーチ対を１グルー
プを備えているが、より多くのプラズマトーチ対のグル
ープを備えることができる。但し、最も原料投入ノズル
１に近いプラズマトーチは、プラズマ噴出方向が、原料
投入方向に向く斜め方向とされるのが、原料搬送上望ま
しい。また、これ以外のプラズマトーチのプラズマ噴出
方向を原料投入方向に向く斜め方向とすることもでき
る。In this embodiment, one group of the plasma torch pair of the cathode torch and the anode torch is provided, but more groups of the plasma torch pairs can be provided. However, in the plasma torch closest to the raw material charging nozzle 1, it is preferable that the plasma ejection direction is an oblique direction facing the raw material charging direction in terms of material transportation. Further, the plasma ejection direction of the other plasma torch may be an oblique direction facing the material input direction.
【００２４】１台のカソードトーチ及びアノードトーチ
からなるプラズマトーチ対は、少なくとも２対設けられ
る。これは、軸線Ｃ上で合流したプラズマ流を軸線Ｃに
沿う流れとするためである。At least two pairs of plasma torches including one cathode torch and one anode torch are provided. This is because the plasma flow that has merged on the axis C is a flow along the axis C.
【００２５】このプラズマ溶射装置の各所の寸法は以下
の通りである。 原料投入ノズル１ 内管１１の内径：１〜５ｍｍ 外管１２の内径：２〜７ｍｍ カソードトーチ２１： 軸線Ｃに対する傾斜角：１５度 円錐状の陰極の最大径：５ｍｍ ノズル状陽極の最大径及び先端孔径：３０ｍｍ及び５ｍ
ｍ アノードトーチ２２： 軸線Ｃに対する傾斜角：６０〜９０度 円錐状の陰極の最大径：５ｍｍ ノズル状陽極の最大径及び先端孔径：３０ｍｍ及び５ｍ
ｍ 噴射ノズル４： ノズル最小径：７ｍｍ このプラズマ溶射装置は、以下のようにして使用され
る。カソードトーチの陰極と補助陽極との間隙、及びア
ノードトーチの陽極と補助陰極との間隙をガス噴出路と
してアルゴンガスを流量数リットル毎分で流しながら、
各プラズマトーチの陽極及び陰極間に接続された補助電
源により両極間に数十ポルトの直流電圧をかけておき、
陽極−陰極間に高周波を瞬問的に印加してアルゴンガス
を電離させ、直流アークプラズマを発生させる。この状
態で上記アルゴンガス流量を調整して、カソードトーチ
からのプラズマとアノードトーチからのプラズマをトー
チ前方へ延ばして接触させるようにする。この接触状態
で、カソードトーチの陰極とアノードトーチの陽極の間
に主電源により百数十ボルト、数十から数百アンペアの
直流電流を流すと、カソードトーチの陰極とアノードト
ーチの陽極の間のアーク放電によりメインプラズマＰが
発生する。補助電源を切り、必要に応じてカソードトー
チの電極間の間隙又は原料投入ノズル内管及び外管の間
隙、或いはその両方から、アルゴンガス、水素ガス、へ
リウムガス、室素ガス、圧縮空気、酸素ガス又はこれら
の混合ガス等によりプラズマのエンタルピーを増大させ
る作動ガスを投入し、さらに各カソードトーチの陰極と
アノードトーチの陽極との間の電流・電圧を調整して、
所定の出力のプラズマＰを安定させる。なお、図では、
プラズマＰの形成状態をその中心部により概略的に示し
ている。The dimensions of each part of the plasma spraying apparatus are as follows. Raw material charging nozzle 1 Inner tube 11 inner diameter: 1 to 5 mm Outer tube 12 inner diameter: 2 to 7 mm Cathode torch 21: Inclination angle with respect to axis C: 15 degrees Maximum diameter of conical cathode: 5 mm Maximum diameter of nozzle anode Tip hole diameter: 30mm and 5m
m Anode torch 22: Inclination angle with respect to axis C: 60 to 90 degrees Maximum diameter of conical cathode: 5 mm Maximum diameter and tip hole diameter of nozzle anode: 30 mm and 5 m
m Injection nozzle 4: Nozzle minimum diameter: 7 mm This plasma spraying apparatus is used as follows. While the gap between the cathode of the cathode torch and the auxiliary anode, and the gap between the anode and the auxiliary cathode of the anode torch as a gas ejection path, while flowing argon gas at a flow rate of several liters per minute,
By applying a DC voltage of several tens of volts between both electrodes by an auxiliary power supply connected between the anode and the cathode of each plasma torch,
A high frequency is instantaneously applied between the anode and the cathode to ionize the argon gas and generate a DC arc plasma. In this state, the flow rate of the argon gas is adjusted so that the plasma from the cathode torch and the plasma from the anode torch are extended to the front of the torch and brought into contact. In this contact state, if a DC current of several hundred tens of volts, several tens to several hundreds of amps is passed by the main power supply between the cathode of the cathode torch and the anode of the anode torch, a The main plasma P is generated by the arc discharge. Turn off the auxiliary power, and if necessary, from the gap between the electrodes of the cathode torch and / or the gap between the inner tube and outer tube of the material injection nozzle, or both, argon gas, hydrogen gas, helium gas, cell gas, compressed air, oxygen A working gas that increases the enthalpy of the plasma by a gas or a mixed gas thereof is supplied, and the current and voltage between the cathode of each cathode torch and the anode of the anode torch are further adjusted.
The plasma P having a predetermined output is stabilized. In the figure,
The state of formation of the plasma P is schematically illustrated by its central part.
【００２６】このプラズマ後方から軸線Ｃに沿って、搬
送ガスにより運ばれてきた原料粉末を、原料投入ノズル
を通して投入し、溶融・加速して噴射ノズル４から噴出
させ、溶融した液滴Ｒを被覆対象物に吹き付ける。液滴
は被覆対象物表面で急速に凝固し、皮膜を形成する。The raw material powder carried by the carrier gas from the back of the plasma along the axis C is injected through a raw material input nozzle, melted and accelerated and jetted from an injection nozzle 4 to coat the molten droplet R. Spray on the object. The droplets rapidly solidify on the surface of the object to be coated to form a film.
【００２７】[0027]
【実施例】以下に、本発明に係るプラズマ溶射装置によ
るプラズマ溶射の実施例を示す。上記実施形態に係るプ
ラズマ溶射装置を使用し溶射原料粉末として市販の溶射
用イットリア安定化ジルコニア粉末を使用して、種々の
プラズマ出力で溶射を行い、粉末の溶融状態を評価し
た。また、従来型の市販のプラズマ溶射装置を用い、上
記実施例と同様の原料粉末及びプラズマ出力で溶射を行
い、粉末の溶融状態を評価した。これらの結果を表１に
示す。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of plasma spraying by a plasma spraying apparatus according to the present invention will be described below. Using the plasma spraying apparatus according to the above-described embodiment and using a commercially available yttria-stabilized zirconia powder for thermal spraying as a thermal spraying raw material powder, thermal spraying was performed at various plasma outputs, and the molten state of the powder was evaluated. Further, using a conventional commercially available plasma spraying apparatus, thermal spraying was carried out with the same raw material powder and plasma output as in the above example, and the molten state of the powder was evaluated. Table 1 shows the results.
【００２８】[0028]
【表１】 [Table 1]
【００２９】表１における記号は以下の評価結果を示し
ている。 ×：ほとんど溶融しなかった。 △：一部溶融しているが大部分は溶融せず簡単に拭き取
ることができた。 ○：ほぽ溶融しているがエアーブロウで飛散する粉も僅
かに付着していた。 ◎：非常によく溶融し強固な膜ができた。 −：より低出力で高品位の皮膜が得られたので、実施し
なかった。The symbols in Table 1 indicate the following evaluation results. X: Almost no melting. Δ: Partly melted, but most did not melt and could be easily wiped off. ：: Almost melted, but powder scattered by air blow was slightly adhered. ：: Very good melting and a strong film were formed. -: Not performed because a low-output and high-quality film was obtained.
【００３０】以上の結果から、本発明装置による実施例
においては、プラズマ溶射時の粉末の溶融状態が著しく
向上し、低出力でも高性能の溶射皮膜が形成されること
が明らかである。From the above results, it is clear that in the embodiment using the apparatus of the present invention, the melting state of the powder during plasma spraying is remarkably improved, and a high-performance sprayed coating is formed even at a low output.
【００３１】[0031]
【発明の効果】以上から明らかなように、本発明に係る
プラズマ溶射装置においては、溶射すべき方向に延びる
軸線に沿って溶射用粉末原料を投入する原料投入ノズル
と、該軸線の周りに配置されたプラズマ形成手段とを備
え、該プラズマ形成手段は、陰極を備えたカソードトー
チと、陽極を備えたアノードトーチとのプラズマトーチ
対を２以上備え、これらカソードトーチ及びアノードト
ーチは、これらの陰極及び陽極間に前記軸線に沿うプラ
ズマ流を形成するように該軸線を囲んで且つ相互の位置
関係が前記原料投入方向の上流側及び下流側となるよう
に配置されている。したがって、カソードトーチ及びア
ノードトーチの間に揺らぎのない安定したプラズマを発
生させることができる。このようにプラズマが安定する
ので、その中心に原料粉末を投入しやすく、そのように
投入することにより、プラズマジェット中心の最も温度
と速度の高い領域に粉末を飛行させることができる。そ
の結果、粒子径に分布を持った粉末を原料に用いてもプ
ラズマ内で確実に溶解され、高品位の溶射皮膜が得られ
る。As is apparent from the above description, in the plasma spraying apparatus according to the present invention, a raw material charging nozzle for charging a powdery material for thermal spraying along an axis extending in a direction to be sprayed, and a nozzle arranged around the axis. Plasma forming means, the plasma forming means comprising two or more plasma torch pairs of a cathode torch having a cathode and an anode torch having an anode, and the cathode torch and the anode torch are provided with these cathode torches. The anode and the anode are arranged so as to surround the axis so as to form a plasma flow along the axis, and to be positioned on the upstream side and the downstream side in the raw material charging direction. Therefore, stable plasma without fluctuation can be generated between the cathode torch and the anode torch. Since the plasma is stabilized in this way, the raw material powder can be easily injected into the center of the plasma, and by such an injection, the powder can be flown to the region of the center of the plasma jet where the temperature and speed are highest. As a result, even if powder having a distribution of particle diameters is used as a raw material, the powder is reliably dissolved in the plasma, and a high-quality sprayed coating can be obtained.
【００３２】また、原料粉末は、合流後のプラズマ流中
を飛行するので、原料粉末のプラズマ中の滞留時間が長
くなり、加熱される時間が十分に得られる。これらの作
用により、原料粉末は、高融点材料の場合でも十分かつ
均一に効率よく溶融されることになり、緻密で均一な皮
膜が形成され得る。Further, since the raw material powder flies in the plasma flow after the merging, the residence time of the raw material powder in the plasma is increased, and sufficient heating time is obtained. By these actions, the raw material powder is sufficiently and uniformly melted efficiently even in the case of a high melting point material, and a dense and uniform film can be formed.
【００３３】また、プラズマ流中での原料の加熱効率が
向上するため比較的低出カでも緻密な皮膜が得られる。
さらに、原料粉末をプラズマ流中の中心部の高温部に容
易に安定して投入できるので、粉末の粒子径が不揃いな
安価な粉末を原料として使用することもできる。また、
低出力で十分に原料粉末を溶融できるので、電気使用量
を節約できる。Further, since the heating efficiency of the raw material in the plasma stream is improved, a dense film can be obtained even at a relatively low output.
Furthermore, since the raw material powder can be easily and stably introduced into the high temperature portion at the center in the plasma flow, inexpensive powder having irregular particle diameters can be used as the raw material. Also,
Since the raw material powder can be sufficiently melted at a low output, the amount of electricity used can be saved.
【００３４】さらに、前記プラズマトーチの陰極及び陽
極の少なくとも一方の電極の周りに、該電極を保護する
不活性ガスを流すためのガス噴出路を形成し、該ガス噴
出路からアルゴン等の不活性ガスを噴出させれば、電極
はその不活性ガスにより保護されるので、主プラズマガ
スとして空気、水素と混合したアルゴン、窒素等の活性
なガスを使用することができ、高エンタルピーのプラズ
マを得る上で有利である。また、原料投入ノズルから噴
出する原料搬送ガスとして、不活性ガスに限らず種々の
ガス、例えば低廉な圧縮空気を使用することもできる。Further, a gas ejection passage for flowing an inert gas for protecting the electrode is formed around at least one of the cathode and anode electrodes of the plasma torch, and an inert gas such as argon is supplied from the gas ejection passage. If a gas is ejected, the electrode is protected by the inert gas, so that an active gas such as air, hydrogen mixed with argon or nitrogen can be used as a main plasma gas, and a high enthalpy plasma can be obtained. It is advantageous above. Further, as the raw material carrier gas ejected from the raw material charging nozzle, not only an inert gas but also various gases, for example, inexpensive compressed air can be used.
【００３５】前記原料投入ノズルが、内管と外管とを備
えた２重管であり、前記内管から搬送ガスと共に粉末原
料を噴出し、前記内管と外管との間からプラズマ形成用
のガスを噴出するように構成すれば、噴出した粉末原料
の拡散を防止することができ、溶射効率を上げることが
できる。The raw material charging nozzle is a double pipe having an inner pipe and an outer pipe. A powder raw material is ejected from the inner pipe together with a carrier gas, and a plasma-forming material is formed between the inner pipe and the outer pipe. If it is configured to eject the above gas, diffusion of the ejected powder material can be prevented, and the spraying efficiency can be increased.
【００３６】これらにより、本発明に係るプラズマ溶射
装置によれば、プラズマ溶射プロセスの著しいコスト低
減を図ることができる。Thus, according to the plasma spraying apparatus of the present invention, the cost of the plasma spraying process can be significantly reduced.
【図１】本発明の１実施形態に係るプラズマ溶射装置を
概略的に示す縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a plasma spraying apparatus according to one embodiment of the present invention.
【図２】従来のプラズマ溶射装置を示す縦断面図であ
る。FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a conventional plasma spraying apparatus.
１ 原料投入ノズル ２ プラズマ形成手段 ２１ カソードトーチ ２２ アノードトーチ ２１ａ カソードトーチの陰極 ２１ｂ カソードトーチの補助陽極 ２２ａ アノードトーチの陽極 ２２ｂ アノードトーチの補助陰極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material injection nozzle 2 Plasma forming means 21 Cathode torch 22 Anode torch 21a Cathode of cathode torch 21b Anode of cathode torch 22a Anode of anode torch 22b Auxiliary cathode of anode torch
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 雅人 大阪府池田市緑丘１丁目８番31号 工業技 術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 井上 貴博 大阪府池田市緑丘１丁目８番31号 工業技 術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 文屋 明 東京都江東区東雲２丁目13番27号 エアロ プラズマ株式会社内 Ｆターム(参考） 4K031 DA04 EA01 EA12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Masato Suzuki 1-8-31 Midorigaoka, Ikeda-shi, Osaka Pref. Osaka Institute of Technology (72) Inventor Takahiro Inoue 1-8-8 Midorigaoka, Ikeda-shi, Osaka No. 31 Inside the Osaka Institute of Technology (72) Inventor Akira Bunya 2-13-27 Shinonome, Koto-ku, Tokyo Aero Plasma Co., Ltd. F-term (reference) 4K031 DA04 EA01 EA12
Claims (9)
射用粉末原料を投入する原料投入ノズルと、該軸線の周
りに配置されたプラズマ形成手段とを備え、該プラズマ
形成手段は、陰極を備えたカソードトーチと、陽極を備
えたアノードトーチとのプラズマトーチ対を２以上備
え、これらカソードトーチ及びアノードトーチは、これ
らの陰極及び陽極間に前記軸線に沿うプラズマ流を形成
するように該軸線を囲んで且つ相互の位置関係が前記原
料投入方向の上流側及び下流側となるように配置されて
いることを特徴とするプラズマ溶射装置。1. A material supply nozzle for supplying a powdery material for thermal spraying along an axis extending in a direction to be sprayed, and plasma forming means arranged around the axis, wherein the plasma forming means includes a cathode. A plasma torch pair comprising an anode torch having an anode and a cathode torch having an anode, wherein the cathode torch and the anode torch have an axis so as to form a plasma flow between the cathode and the anode along the axis. , And arranged so that the mutual positional relationship is on the upstream side and the downstream side in the raw material charging direction.
にアークを発生させるための点火用の補助陽極を該陰極
の付近に備え、前記アノードトーチが、前記陽極との間
にアークを発生させるための点火用の補助陰極を該陽極
の付近に備えていることを特徴とする請求項１に記載の
プラズマ溶射装置。2. The cathode torch has an auxiliary anode for ignition for generating an arc between the cathode and the cathode near the cathode, and the anode torch generates an arc between the anode and the anode. The plasma spraying apparatus according to claim 1, wherein an auxiliary cathode for ignition is provided near the anode.
置するプラズマトーチが、前記軸線の周りから該軸線に
向く斜め方向にプラズマを噴出させるように配置されて
いることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ
溶射装置。3. A plasma torch located on the upstream side of the pair of plasma torches is arranged so as to jet plasma in a diagonal direction from around the axis to the axis. 3. The plasma spraying apparatus according to 1 or 2.
置するプラズマトーチが、前記溶射軸線の周りから該軸
線に向かってプラズマを噴出させるように配置されてい
ることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ溶射装
置。4. The plasma torch located on the downstream side of the plasma torch pair is arranged so as to eject plasma from around the thermal spray axis toward the thermal spray axis. 3. The plasma spraying apparatus according to 1.
トーチの陽極が錐体状とされ、前記カソードトーチの補
助陽極及びアノードトーチの補助陰極が各々前記陰極及
び陽極を囲むようにノズル状に形成されていることを特
徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ溶
射装置。5. The cathode of the cathode torch and the anode of the anode torch have a cone shape, and the auxiliary anode of the cathode torch and the auxiliary cathode of the anode torch are formed in a nozzle shape to surround the cathode and the anode, respectively. The plasma spraying apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein:
なくとも一方の電極の周りに、該電極を保護する不活性
ガスを流すためのガス噴出路を備えていることを特徴と
する請求項１から５のいずれかに記載のプラズマ溶射装
置。6. The plasma torch, wherein at least one of a cathode and an anode of the plasma torch is provided with a gas ejection path for flowing an inert gas for protecting the electrodes. The plasma spraying device according to any one of the above.
備えた２重管であり、前記内管から搬送ガスと共に粉末
原料を噴出し、前記内管と外管との間からプラズマ形成
用のガスを噴出するように構成されていることを特徴と
する請求項１から６のいずれかに記載のプラズマ溶射装
置。7. The raw material input nozzle is a double pipe having an inner pipe and an outer pipe, and a powder raw material is ejected from the inner pipe together with a carrier gas, and a plasma is supplied from between the inner pipe and the outer pipe. The plasma spraying apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the apparatus is configured to eject a forming gas.
対より下流側にプラズマの形状及び噴出速度を制御し得
るようにプラズマ放出用の噴射ノズルが配置されている
ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のプ
ラズマ溶射装置。8. An injection nozzle for discharging plasma is arranged downstream of the plasma torch pair on the axis so as to control the shape and ejection speed of plasma. The plasma spraying device according to any one of the above.
に、複数の前記プラズマトーチ対への電力配分を可変と
されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか
に記載のプラズマ溶射装置。9. The plasma spraying according to claim 1, wherein the power distribution to the plurality of plasma torch pairs is made variable so as to control the plasma formation position. apparatus.
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|---|---|---|---|
| JP17300899A JP4164610B2 (en) | 1999-06-18 | 1999-06-18 | Plasma spraying equipment |
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|---|---|---|---|
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| JP2001003151A true JP2001003151A (en) | 2001-01-09 |
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| JP17300899A Expired - Lifetime JP4164610B2 (en) | 1999-06-18 | 1999-06-18 | Plasma spraying equipment |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1999
- 1999-06-18 JP JP17300899A patent/JP4164610B2/en not_active Expired - Lifetime
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