JP2013124378A - プラズマ溶射装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基材表面に溶射粉末材料の皮膜を効率的に形成することができるプラズマ溶射装置及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】プラズマアーク中又はプラズマジェット中に投入され、溶融された溶射粉末材料を吹き付けることにより、基材表面に前記溶射粉末材料の皮膜を形成させるプラズマ溶射装置に、前記プラズマアーク中又は前記プラズマジェット中に前記溶射粉末材料を投入する溶射粉末材料投入管と、前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの温度分布を計測する温度分布計測手段と、前記温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させる制御手段と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、基材表面に溶射粉末材料の皮膜を効率的に形成することができるプラズマ溶射装置及びその制御方法に関する。

基材表面に皮膜を形成させる装置として、従来、プラズマアークに投入された溶射粉末材料（例えば、セラミックスや金属粉末材料など）を溶融して基材表面に吹き付け、皮膜を形成させるプラズマ溶射装置などが用いられている（例えば、特許文献１の図１などを参照）。

特開２００１−２００３５４号公報

上述のようなプラズマ溶射装置においては、溶射粉末材料の投入口が電極中心部の出口付近に固定されているが、プラズマの火花の発生位置は一定でないため、溶射粉末材料を効率的な位置で投入することができず、基材表面に対して溶射粉末材料の皮膜の形成を効率的に行うことができないという問題がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基材表面に溶射粉末材料の皮膜を効率的に形成することができるプラズマ溶射装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るプラズマ溶射装置は、プラズマアーク中又はプラズマジェット中に投入され、溶融された溶射粉末材料を吹き付けることにより、基材表面に前記溶射粉末材料の皮膜を形成させる装置であって、前記プラズマアーク中又は前記プラズマジェット中に前記溶射粉末材料を投入する溶射粉末材料投入管と、前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの温度分布を計測する温度分布計測手段と、前記温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させる制御手段と、を備える。前記温度分布計測手段は、例えばサーモグラフィカメラなどである。

前記温度分布計測手段がサーモグラフィカメラであって、サーモグラフィカメラを複数備える場合、複数のサーモグラフィカメラは、異なる方向から前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの二次元温度分布をそれぞれ計測できるように設置されており、前記制御手段は、前記複数のサーモグラフィカメラによって計測された前記複数の二次元温度分布から三次元温度分布を作成し、前記三次元温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させるように制御してもよい。また、前記温度分布計測手段がサーモグラフィカメラであって、サーモグラフィカメラを２台備える場合、２台のサーモグラフィカメラは、前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの中心軸に対して真上と真横に設置され、異なる方向から前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの二次元温度分布をそれぞれ計測できるように設置されており、前記制御手段は、前記２台のサーモグラフィカメラによって計測された２つの二次元温度分布データから三次元温度分布データを作成し、前記三次元温度分布データの最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させるように制御してもよい。

前記温度分布計測手段によって計測された温度分布が、三次元温度分布である場合、前記制御手段は、前記三次元温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させるように制御してもよい。

なお、上述のプラズマ溶射装置において、前記温度分布計測手段は、前記温度分布を連続計測し、前記制御手段は、前記温度分布の最高温度領域の変化に基づいて前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させるように制御してもよい。

また、本発明に係る、溶射粉末材料投入管からプラズマアーク又はプラズマジェットに投入され、溶融された溶射粉末材料を吹き付けることにより、基材表面に前記溶射粉末材料の皮膜を形成させるプラズマ溶射装置の制御方法は、前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの温度分布を計測する工程と、前記温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動する工程と、を含む。

本発明によれば、基材表面に溶射粉末材料の皮膜を効率的に形成することができるプラズマ溶射装置及びその制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態において、ツインアノード型プラズマ溶射装置１００の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態において、単トーチ型プラズマ溶射装置２００の一部の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態において、複合トーチ型プラズマ溶射装置３００の一部の概略構成を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。本発明に係るプラズマ溶射装置は、プラズマの熱エネルギーを利用して、例えばセラミックスや金属粉末材料などの溶射粉末材料を溶融し、基材表面に吹き付け皮膜を形成する装置である。

図１は、本発明の一実施形態として説明するプラズマ溶射装置１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、本発明に係るプラズマ溶射装置１００は、対向する２つのアノードトーチ１１１，１１２と、１つのカソードトーチ１２０を備えるツインアノード型プラズマ溶射装置である。プラズマ溶射装置１００は、主電源１０１，１０２、アノードトーチ１１１，１１２、アルゴン供給管１１３，１１４、カソードトーチ１２０、アルゴン供給管１３０、二次ガス供給管１４０、アクセルノズル１５０、プラズマトリミング１６０、溶射粉末材料投入管１７０などを備える。

主電源１０１，１０２により電極１１１，１１２，１２０に電圧が印加されると、アルゴン供給管１３０から供給されたアルゴンガスと、二次ガス供給管１４０から供給された二次ガス（例えば空気、窒素ガス、ヘリウムガス、二酸化炭素ガスなど）によりカソードトーチ１２０からプラズマアークが生成され、また、アルゴン供給管１１３，１１４から供給されたアルゴンガスによりアノードトーチ１１１，１１２からプラズマアークが生成される。カソードトーチ１２０から生成されたプラズマアークは、アクセルノズル１５０によって加速されてプラズマアーク（ＰＡ）が生成され、アノードトーチ１１１，１１２から生成されたプラズマアークと合流し、プラズマジェット（ＰＪ）となる。また、アクセルノズル１５０によって生成されたプラズマアーク（ＰＡ）には、溶射粉末材料投入管１７０から溶射粉末材料が投入され、溶融される。プラズマジェット（ＰＪ）において溶射粉末材料の溶融に利用されない熱は、プラズマトリミング１６０から供給された空気によりトリミングされる。溶射粉末材料が溶融されたプラズマジェット（ＰＪ）は、基材（Ｍ）の表面に吹き付けられ、溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）が形成される。

本実施の形態において、本発明に係るプラズマ溶射装置１００は、制御装置１７３、サーモグラフィカメラ１８１，１８２などをさらに備えている。２台のサーモグラフィカメラ１８１，１８２は、アクセルノズル１５０によって生成されたプラズマアーク（ＰＡ）の二次元温度分布を計測するものであり、それらは異なる方向からプラズマアーク（ＰＡ）の二次元温度分布を計測できるように設置されている。なお、２台のサーモグラフィカメラ１８１，１８２は、プラズマアーク（ＰＡ）の中心軸の上下、該中心軸の左右など異なる位置に設置されていればよいが、三次元温度分布を作成できるように、例えば、計測したそれぞれの二次元温度分布の平面がプラズマアーク（ＰＡ）の中心軸で垂直に交わるように設置されていることが好ましく、プラズマアーク（ＰＡ）の中心軸に対して真上と真横の方向にそれぞれ設置されていることがより好ましい。また、２台のサーモグラフィカメラ１８１，１８２は、アクセルノズル１５０によって生成されたプラズマアーク（ＰＡ）の全てを計測するものであってもよいが、プラズマアーク（ＰＡ）の発生部付近、すなわちプラズマアーク（ＰＡ）の最高温度領域付近、具体的にはアクセルノズル１５０の出口付近を計測するものであってもよい。

計測されたプラズマアーク（ＰＡ）の平面の二次元温度分布のデータは、通信線１８３を介してサーモグラフィカメラ１８１，１８２から制御装置１７３に送信される。制御装置１７３は、サーモグラフィカメラ１８１，１８２から受信したデータに基づいて、アクセルノズル１５０によって生成されたプラズマアーク（ＰＡ）の三次元温度分布データを作成する。制御装置１７３は、三次元温度分布データから最高温度領域を特定し、溶射粉末材料投入管１７０と接続された制御線１７２を介して溶射粉末材料投入管１７０の投入口１７１をＸＹＺ軸方向に移動させ、溶射粉末材料が最高温度領域に投入されるように投入口１７１を調整する。このように、プラズマアーク（ＰＡ）の最高温度領域に溶射粉末材料投入管１７０の投入口１７１を移動させることにより、溶射粉末材料を効率よく溶融させることができるようになり、もって基材（Ｍ）の表面に溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）を効率的に形成することができるようになる。

なお、上述の、サーモグラフィカメラ１８１，１８２における計測、並びに、制御装置１７３における三次元温度分布データの作成、及びプラズマアーク（ＰＡ）の最高温度領域に対する溶射粉末材料投入管１７０の投入口１７１の移動は、本発明に係るプラズマ溶射装置１００を稼動する際にのみ行うこととしてもよいが、溶射粉末材料をより効率よく溶融させ、基材（Ｍ）の表面に溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）をより効率的に形成できるようにするために、稼動時以降も定期的又は連続的に行うこととしてもよい。この場合、サーモグラフィカメラ１８１，１８２は、二次元温度分布を定期的又は連続的に計測し、制御装置１７３は、定期的又は連続的に作成した三次元温度分布データにおける最高温度領域の変化に基づいて溶射粉末材料投入管１７０の投入口１７１を瞬時に移動させる。

図２は、本発明の他の一実施形態として説明するプラズマ溶射装置２００の一部の概略構成を示す図である。図２に示すように、本発明に係るプラズマ溶射装置２００は、単トーチ型のプラズマ溶射装置（一般的なプラズマ溶射ガン）である。プラズマ溶射装置２００は、陽極２１０、陰極２２０、溶射粉末材料投入管２３０、制御装置２３３、サーモグラフィカメラ２４１，２４２などを備える。

陽極２１０と陰極２２０との電極間に発生させた直流アーク放電（ＰＤ）に、後方から供給された作動ガス（例えばアルゴン、ヘリウムなどのガス）２２１を吹きつけ、高温高速のプラズマジェット（ＰＪ）を形成させる。このプラズマジェット（ＰＪ）中に溶射粉末材料が溶射粉末材料投入口２３０から投入されて溶融される。溶融された溶射粉末材料は基材（Ｍ）の表面に吹き付けられ、基材（Ｍ）の表面に溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）が形成される。

２台のサーモグラフィカメラ２４１，２４２は、形成されたプラズマジェット（ＰＪ）の二次元温度分布を計測するものであり、それらは異なる方向からプラズマジェット（ＰＪ）の二次元温度分布を計測できるように設置されている。なお、２台のサーモグラフィカメラ２４１，２４２は、プラズマジェット（ＰＪ）の中心軸の上下、該中心軸の左右など異なる位置に設置されていればよいが、三次元温度分布を作成できるように、例えば、計測したそれぞれの二次元温度分布の平面がプラズマジェット（ＰＪ）の中心軸で垂直に交わるように設置されていることが好ましく、プラズマジェット（ＰＪ）の中心軸に対して真上と真横の方向にそれぞれ設置されていることがより好ましい。また、２台のサーモグラフィカメラ２４１，２４２は、形成されたプラズマジェット（ＰＪ）の全てを計測するものであってもよいが、プラズマジェット（ＰＪ）の発生部付近、すなわちプラズマアーク（ＰＡ）の最高温度領域付近を計測するものであってもよい。

計測されたプラズマジェット（ＰＪ）の平面の二次元温度分布のデータは、通信線２４３を介してサーモグラフィカメラ２４１，２４２から制御装置２３３に送信される。制御装置２３３は、サーモグラフィカメラ２４１，２４２から受信したデータに基づいて、形成されたプラズマジェット（ＰＪ）の三次元温度分布データを作成する。制御装置２３３は、三次元温度分布データから最高温度領域を特定し、溶射粉末材料投入管２３０と接続された制御線２３２を介して溶射粉末材料投入管２３０の投入口２３１をＸＹＺ軸方向に移動させ、溶射粉末材料が最高温度領域に投入されるように投入口２３１を調整する。このように、プラズマジェット（ＰＪ）の最高温度領域に溶射粉末材料投入管２３０の投入口２３１を移動させることにより、溶射粉末材料を効率よく溶融させることができるようになり、もって基材（Ｍ）の表面に溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）を効率的に形成することができるようになる。

なお、上述の、サーモグラフィカメラ２４１，２４２における計測、並びに、制御装置２３３における三次元温度分布データの作成、及びプラズマジェット（ＰＪ）の最高温度領域に対する溶射粉末材料投入管２３０の投入口２３１の移動は、本発明に係るプラズマ溶射装置２００を稼動する際にのみ行うこととしてもよいが、溶射粉末材料をより効率よく溶融させ、基材（Ｍ）の表面に溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）をより効率的に形成できるようにするために、稼動時以降も定期的又は連続的に行うこととしてもよい。この場合、サーモグラフィカメラ２４１，２４２は、二次元温度分布を定期的又は連続的に計測し、制御装置２３３は、定期的又は連続的に作成した三次元温度分布データにおける最高温度領域の変化に基づいて溶射粉末材料投入管２３０の投入口２３１を瞬時に移動させる。

図３は、本発明の他の一実施形態として説明するプラズマ溶射装置３００の一部の概略構成を示す図である。図３に示すように、本発明に係るプラズマ溶射装置３００は、アノードトーチ（陽極）及びカソードトーチ（陰極）の１組のプラズマトーチからなる複合トーチ型プラズマ溶射装置である。プラズマ溶射装置３００は、アノードトーチ３１０、カソードトーチ３２０、溶射粉末材料投入管３３０、制御装置３３３、サーモグラフィカメラ３４１，３４２などを備える。

アノードトーチ３１０とカソードトーチ３２０は、それぞれの中心軸の延長が交差するように配置されており、これらのトーチ３１０，３２０間でアーク放電（ＰＤ）が発生する。このアーク放電（ＰＤ）に、カソードトーチ３２０から供給される作動ガスが吹き付けられることにより、プラズマアーク（ＰＡ）が形成される。形成されたプラズマアーク（ＰＡ）には、溶射粉末材料投入管３３０から溶射粉末材料が投入され、溶融される。溶射粉末材料が溶融されたプラズマアーク（ＰＡ）は、高温高速化されて基材（Ｍ）の表面に吹き付けられ、溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）が形成される。

２台のサーモグラフィカメラ３４１，３４２は、形成されたプラズマアーク（ＰＡ）の二次元温度分布を計測するものであり、それらは異なる方向からプラズマアーク（ＰＡ）の二次元温度分布を計測できるように設置されている。なお、２台のサーモグラフィカメラ３４１，３４２は、プラズマアーク（ＰＡ）の中心軸の上下、該中心軸の左右など異なる位置に設置されていればよいが、三次元温度分布を作成できるように、例えば、計測したそれぞれの二次元温度分布の平面がプラズマアーク（ＰＡ）の中心軸で垂直に交わるように設置されていることが好ましく、プラズマアーク（ＰＡ）の中心軸に対して真上と真横の方向にそれぞれ設置されていることがより好ましい。また、２台のサーモグラフィカメラ３４１，３４２は、形成されたプラズマアーク（ＰＡ）の全てを計測するものであってもよいが、プラズマアーク（ＰＡ）の発生部付近、すなわちプラズマアーク（ＰＡ）の最高温度領域付近を計測するものであってもよい。

計測されたプラズマアーク（ＰＡ）の平面の二次元温度分布のデータは、通信線３４３を介してサーモグラフィカメラ３４１，３４２から制御装置３３３に送信される。制御装置３３３は、サーモグラフィカメラ３４１，３４２から受信したデータに基づいて、形成されたプラズマアーク（ＰＡ）の三次元温度分布データを作成する。制御装置３３３は、三次元温度分布データから最高温度領域を特定し、溶射粉末材料投入管３３０と接続された制御線３３２を介して溶射粉末材料投入管３３０の投入口３３１をＸＹＺ軸方向に移動させ、溶射粉末材料が最高温度領域に投入されるように投入口３３１を調整する。このように、プラズマアーク（ＰＡ）の最高温度領域に溶射粉末材料投入管３３０の投入口３３１を移動させることにより、溶射粉末材料を効率よく溶融させることができるようになり、もって基材（Ｍ）の表面に溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）を効率的に形成することができるようになる。

なお、上述の、サーモグラフィカメラ３４１，３４２における計測、並びに、制御装置３３３における三次元温度分布データの作成、及びプラズマアーク（ＰＡ）の最高温度領域に対する溶射粉末材料投入管３３０の投入口３３１の移動は、本発明に係るプラズマ溶射装置３００を稼動する際にのみ行うこととしてもよいが、溶射粉末材料をより効率よく溶融させ、基材（Ｍ）の表面に溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）をより効率的に形成できるようにするために、稼動時以降も定期的又は連続的に行うこととしてもよい。この場合、サーモグラフィカメラ３４１，３４２は、二次元温度分布を定期的又は連続的に計測し、制御装置３３３は、定期的又は連続的に作成した三次元温度分布データにおける最高温度領域の変化に基づいて溶射粉末材料投入管３３０の投入口３３１を瞬時に移動させる。

本実施の形態において、本発明に係るプラズマ溶射装置１００，２００，３００は、２台のサーモグラフィカメラ（１８１及び１８２，２４１及び２４２，３４１及び３４２）を備えることとしているが、１台又は３台以上のサーモグラフィカメラを備えていてもよいし、赤外線カメラ、光ファイバを温度センサとして用いた温度分布測定装置、分光法を用いた温度分布計測装置、プラズマアーク（ＰＡ）やプラズマジェット（ＰＪ）から放射されるマイクロ波により温度分布を計測する装置などの、既存の二次元又は三次元の温度分布計測装置を１又は複数台備えていてもよい。なお、本発明に係るプラズマ溶射装置が、サーモグラフィカメラのように、プラズマアーク（ＰＡ）やプラズマジェット（ＰＪ）の二次元温度分布しか計測できない温度分布計測装置を１台しか備えていない場合には、プラズマアーク（ＰＡ）の二次元温度分布の平面が、溶射粉末材料投入管の投入口を可動可能な平面と一致するように、サーモグラフィカメラなどの温度分布計測装置と、制御装置によって移動可能な溶射粉末材料投入管を設置することが好ましい。

また、本発明に係るプラズマ溶射装置１００，２００，３００に最高温度領域予測装置をさらに備え、プラズマ溶射装置１００，２００，３００の稼動時あるいは運転中に、蓄積された最高温度領域のデータに基づいて最高温度領域を予測し、その領域に溶射粉末材料が投入されるように溶射粉末材料投入管１７０，２３０，３３０の投入口１７１，２３１，３３１を予め移動させることとしてもよい。これにより、基材（Ｍ）の表面に溶射粉末材料の皮膜（Ｃ）をより効率的に形成することが可能となる。

ＰＡ プラズマアーク、ＰＤ アーク放電、ＰＪ プラズマジェット、Ｍ 基材、Ｃ 皮膜、１００，２００，３００ プラズマ溶射装置、１０１，１０２ 主電源、１１１，１１２，３１０ アノードトーチ、１１３，１１４ アルゴン供給管、１２０，３２０ カソードトーチ、１３０ アルゴン供給管、１４０ 二次ガス供給管、１５０ アクセルノズル、１６０ プラズマトリミング、１７０，２３０，３３０ 溶射粉末材料投入管、１７１，２３１，３３１ 投入口、１７２，２３２，３３２ 制御線、１７３，２３３，３３３ 制御装置、１８１，１８２，２４１，２４２，３４１，３４２ サーモグラフィカメラ、１８３，２４３，３４３ 通信線、２１０ 陽極、２２０ 陰極、２２１ 作動ガス

Claims (7)

1. プラズマアーク中又はプラズマジェット中に投入され、溶融された溶射粉末材料を吹き付けることにより、基材表面に前記溶射粉末材料の皮膜を形成させるプラズマ溶射装置であって、
   前記プラズマアーク中又は前記プラズマジェット中に前記溶射粉末材料を投入する溶射粉末材料投入管と、
   前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの温度分布を計測する温度分布計測手段と、
   前記温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させる制御手段と、
   を備えるプラズマ溶射装置。
2. 前記温度分布計測手段が、サーモグラフィカメラであ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。
3. 前記サーモグラフィカメラを複数備え、
   前記複数のサーモグラフィカメラは、異なる方向から前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの二次元温度分布をそれぞれ計測できるように設置されており、
   前記制御手段は、前記複数のサーモグラフィカメラによって計測された前記複数の二次元温度分布から三次元温度分布を作成し、前記三次元温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ溶射装置。
4. 前記サーモグラフィカメラを２台備え、
   前記２台のサーモグラフィカメラは、前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの中心軸に対して真上と真横に設置され、異なる方向から前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの二次元温度分布をそれぞれ計測できるように設置されており、
   前記制御手段は、前記２台のサーモグラフィカメラによって計測された２つの二次元温度分布データから三次元温度分布データを作成し、前記三次元温度分布データの最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ溶射装置。
5. 前記温度分布は、三次元温度分布であり、
   前記制御手段は、前記三次元温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させ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。
6. 前記温度分布計測手段は、前記温度分布を連続計測し、
   前記制御手段は、前記温度分布の最高温度領域の変化に基づいて前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
7. 溶射粉末材料投入管からプラズマアーク又はプラズマジェットに投入され、溶融された溶射粉末材料を吹き付けることにより、基材表面に前記溶射粉末材料の皮膜を形成させるプラズマ溶射装置の制御方法であって、
   前記プラズマアーク又は前記プラズマジェットの温度分布を計測する工程と、
   前記温度分布の最高温度領域に前記溶射粉末材料投入管の投入口を移動する工程と、
   を含むことを特徴とするプラズマ溶射装置の制御方法。