JP3881895B2

JP3881895B2 - プラズマ溶射装置

Info

Publication number: JP3881895B2
Application number: JP2002009764A
Authority: JP
Inventors: 康文則松; 幸男真鍋; 悦己広本; 泰幸小林; 学永田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: JP2003213398A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の表面を改質する、プラズマ溶射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、産業機械及び海洋構造物などの大型構造物の機械商品や部材には耐食性を付与するため、金属溶射及びサーメット溶射が広く用いられている。ここで、図３は大気中での溶射による溶射皮膜を示す模式的な断面図であるが、図示するように、一般にこれらの溶射皮膜２内の溶射粒子４間の未結合部には気孔２４が存在している。このような気孔２４は、溶射時の空気巻き込みにより溶射粒子４が酸化されて、溶射粒子４の周りに酸化膜２３が形成され、酸化膜２３がそのまま皮膜２中に取り込まれて各溶射粒子４間の隙間が大きくなることにより発生する。また、上記以外にも、粒子４の溶融によって発生するヒュームが溶射粒子４に付着し皮膜２中に取り込まれたり、皮膜２の表面に付着したヒュームが積層する場合に皮膜２に取り込まれたりすることにより気孔２４が生成される。
【０００３】
そして、このような気孔２４が金属素材（基材）１の表面に達すると開口気孔が形成され貫通欠陥となる。そして、このような貫通欠陥が生じると、使用環境中の腐食液等が浸透し、基材１が腐食して、皮膜２の割れや皮膜２の剥離等の問題が生じる。なお、気孔２４が多いほど欠陥生成頻度も高くなる。
このような貫通欠陥を防止するには、飛行中の溶射粒子が大気中の酸素と結合するのを防止し、溶射粒子を十分溶融させること、また、溶射粒子の溶融によって発生するヒュームを抑制することが重要である。
【０００４】
このような点に鑑みて、本願発明者らは、特願２０００−９４９４（特開２００１−２００３５４）において、図２に示すような溶射装置を提案した。
この技術では、溶射トーチ９に冷却機構（冷却通路）１２を有する空気遮断用の小型チャンバ５を取り付け、溶射トーチ９の先端から基材１近傍までを上記チャンバ５で覆っている。
【０００５】
そして、小型チャンバ５により外部からの空気の流入を制限するとともに、補助ガスだまり８より不活性ガスを流す。これにより、プラズマアーク３への酸素の混入を軽減・防止して溶射粒子の酸化を防止するとともに、小型チャンバ５と基材１との間の距離を２〜２０ｍｍ離隔することで、小型チャンバ５内に滞留したヒュームを安定して小型チャンバ５外に放出させる効果があるほか、小型チャンバ５内のヒューム濃度を低減でき溶射皮膜２の気孔率を低減することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、溶射トーチと基材との間には当然ながら適正な距離があるので、多種の溶射粒子を様々な状況において最適な条件で溶射するためには、各条件に対応した異なるチャンバが必要になるという課題がある。
また、適正条件での溶射には試行錯誤が必要となるが、多種のチャンバの交換をともなう場合、手間がかかるという課題がある。
【０００７】
一方、空気の混入を減らすには大量の不活性ガスを流す必要があるが、これはランニングコストの増大を招くという課題がある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、様々な条件への適応を容易にするとともに経済性を高めるようにした、溶射装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明のプラズマ溶射装置は、プラズマアークにより溶射を行なう溶射装置であって、溶射トーチに該溶射トーチ先端から基材近傍までを覆う空気遮断用のチャンバが取り付けられるとともに、該チャンバが、該溶射トーチの軸方向に伸縮可能に構成されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の本発明のプラズマ溶射装置は、請求項１記載の構成において、該チャンバの端部に、該チャンバと該基材との間に気流カーテンを形成する気流カーテン形成手段が設けられていることを特徴としている。
また、請求項３記載の本発明のプラズマ溶射装置は、請求項２記載の構成において、該気流カーテンが、空気により形成されることを特徴としている。
また、請求項４記載の本発明のプラズマ溶射装置は、請求項３記載の構成において、該気流カーテン形成手段は、該チャンバの先端側の外周に形成された空気だまりと、外部から該空気だまり内に高圧空気を供給する空気供給ポートと、該空気供給ポートから供給される空気を噴射するための空気噴射スリットとをそなえ、該空気噴射スリットが該チャンバ先端側の円周上に形成されたスリットであって、該スリットの開口方向が該基材に対して所定の角度になるように設定されていることを特徴とする、請求項３記載のプラズマ溶射装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかるプラズマ溶射装置について説明すると、図１はその全体構成示す模式的な断面図である。
図中の符号９は溶射トーチを示している。この溶射トーチ９の内部には複数の小径のプラズマ生成流路１４が設けられており、これらのプラズマ生成流路１４は混合流路１３で合流するようになっている。
【００１１】
また、溶射トーチ９の内部には粉末供給ポート１０が形成されており、この粉末供給ポート１０の先端は混合流路１３内に接続されている。
したがって、溶射時には、各プラズマ生成流路１４のプラズマが混合流路１３内で合流するとともに、粉末供給ポート１０を通って溶射粉末１１が混合流路１３のプラズマの中央部に供給されるようになっている。これにより、混合流路１３から基材１方向に向けて溶射粒子４が噴出し、溶射炎（プラズマアーク）３が形成されるようになっている。また、溶射粒子４はプラズマアーク３内で加熱されて溶融し、基材１に衝突後に固化して溶射皮膜２が形成されるようになっている。
【００１２】
ところで、図示するように、溶射トーチ９には、溶射トーチ９の先端側全周を覆うような小型チャンバ５が嵌着されており、この小型チャンバ５により溶射時に発生したプラズマアーク３が大気から遮断されるようになっている。また、上記小型チャンバ５の一部は溶射トーチ９の外周に嵌着されて溶射トーチ９と一体化されている。
【００１３】
また、小型チャンバ５の内周には、溶射トーチ９の混合流路１３をとり囲む形で略リング状（ドーナツ状）の補助ガスだまり８が設けられている。この補助ガスだまり８には、外部から補助ガス供給するためのガス供給ポート８ａが形成されるとともに、補助ガスだまり８の基材１方向の面には複数個の補助ガス噴射口７が形成されている。そして、このような構成により、上記の補助ガス供給ポート８ａから供給される補助ガス６が、補助ガス噴出口７から基材１に向けて噴出するようになっている。なお、補助ガス６は例えば窒素ガスやアルゴンガス、あるいはこれらのガスの混合物である。
【００１４】
また、図示するように、補助ガス噴出口７は、溶射トーチ９の中心軸線に対して傾いて形成され、補助ガス６が上記中心軸線（すなわち、プラズマ中心軸）に対して所定角度（例えば５〜３０゜）で噴出口７から噴出するように設定されている。さらに、この補助ガス噴出口７からは、プラズマ気流に対して１〜３倍の流速で補助ガス６が噴流（噴出）するようになっている。
【００１５】
一方、小型チャンバ５の基材１側の内周には、円筒状のスライディングチャンバ２０が設けられている。このスライディングチャンバ２０は、小型チャンバに対して軸方向に摺動可能に設けられており、摺動可能な範囲で任意に固定可能に構成されている。つまり、小型チャンバ５及びスライディングチャンバ２０からなるチャンバ２５が溶射トーチ９の軸方向に伸縮可能なテレスコピック機構を有しているのである。これにより、基材１と溶射トーチ９との距離が変化する場合にも、チャンバ２０の端部と基材１との距離を一定にすることができる。
【００１６】
また、スライドチャンバ２０の先端側（基材側、即ち図中右側）には気流カーテン形成手段２６が設けられている。この気流カーテン形成手段２６はチャンバ２５と基材１との間に気流カーテンを形成して、チャンバ２５内に空気が流入するのを防止するものである。具体的に説明すると、スライドチャンバ２０の先端側の外周には空気だまり２１が設けられている。この空気だまり２１には、外部から空気だまり２１内に高圧空気を供給するため空気供給ポート２４が設けられるとともに、図示するように空気供給ポート２４から供給される空気を噴射するための空気噴射スリット２２が形成されている。この空気噴射スリット２２は円周上に形成されたスリットであって、その開口方向が基材１に対して所定の角度（例えば６０〜８０°）になるように設定されている。
【００１７】
そして、このようなスリット２２から噴出する空気により、基材１とスライディングチャンバ２０との間には、気流カーテンとしての空気カーテン（エアカーテン）２３が形成されるようになっている。
また、このようにして形成された空気カーテン２３により、スライディングチャンバ２０と基材１との間からの大気の流入が遮断され、溶射粒子４の酸化が防止されるようになっている。
【００１８】
本発明の一実施形態にかかる溶射装置は、上述のように構成されているので、溶射時には、まず小型チャンバ５を溶射トーチ９に嵌着し、スライディングチャンバ２０の端部と基材１との間を所定距離に調整してスライディングチャンバ２０を固定する。
そして、この状態で溶射を行なうと、粉末供給ポート１０を介して供給される溶射粉末１１が混合流路１３に供給されて、混合流路１３から基材方向に向けて溶射粒子４が噴出し、プラズマアーク３が形成される。この溶射トーチ９から噴出したプラズマアーク３内の中央部には溶射粉末４が混入しており、高温のプラズマアーク３によって溶射粉末４は昇温，溶融し、基材１の表面に溶射皮膜２が形成される。また、溶融した溶射粉末４の一部はヒュームとなり、チャンバ２５内で漂う。
【００１９】
ところで、一般にプラズマアーク３の外周部と周囲の気体との混合は、溶射トーチ９の噴出口からの距離が大きくなるほど中心部におよぶ。したがって、周囲の流体中に酸素が含まれていると、プラズマアーク３の中心部であっても溶射トーチ９から離れると、高温となった溶射粉末４と酸素とが反応して溶射粉末４が酸化し、基材１に接触固化後、溶射粒子４の酸化膜となり溶射膜の性状が悪化する（図３参照）。
【００２０】
これに対して、本発明のプラズマ溶射装置では、酸化膜の生成を防止するために、溶射トーチ９に小型チャンバ５およびスライディングチャンバ２０からなる伸縮可能なチャンバ２５を設けることにより、大気の自由流通が防止される。
また、基材１とスライディングチャンバ２０との距離は溶射粉末４，基材性状，ヒューム発生量及び溶射条件から決まる最適な値に設定すればよい。スライディングチャンバ２０は摺動可能であるためこの設定は容易である。
【００２１】
また、小型チャンバ５内の補助ガスだまり８には補助ガス６が供給され、補助ガス噴射口７からこの補助ガス６を周方向にほぼ均一に噴出させる。補助ガス６は窒素ガスやアルゴンガスあるいはこれらの混合物であり、小型チャンバ５及びスライディングチャンバ２０で仕切られた空間に流入し、プラズマアーク３を取りとり囲む。このように、チャンバ内５を補助ガス６で充満させることにより、プラズマアーク３を補助ガス６で保護して酸化膜の形成が極力防止され、プラズマアーク３への酸素の混入は最小限に軽減されることとなる。
【００２２】
また、補助ガス６はチャンバ２５内に漂うヒュームとともにスライディングチャンバ２０と基材１との間から排出される。また、チャンバ２５の中心部では、プラズマアーク３及び補助ガス６は基材１に衝突した後、外周方向に偏向してスライディングチャンバ２０と基材１との間から流出する。このときの流速は高速であるため、チャンバ２５内が大気に対して負圧気味となる。このためスライディングチャンバ２０の端部付近より大気が流入しやすい状態となるが、本願発明では空気カーテン２３を形成することにより大気の流入が遮断され、チャンバ２５内への大気の流入が防止される。
【００２３】
以上のように、本発明のプラズマ溶射装置によれば、溶射トーチ９に、軸方向に伸縮可能なチャンバ２５を設けるという簡素な構成により、溶射トーチ９と基材１との距離にかかわらず、チャンバ２５と基材１との間の距離を一定に保つことが可能となり、多種多様の溶射条件へ容易に適応させることができるようになる。
また、チャンバ２５と基材１との間に空気カーテンを形成することにより、チャンバ２５内への大気の浸入が防止でき、溶射粒子４の酸化を防止することができる。そして、これにより溶射皮膜２の性状が大幅に向上するという利点がある。さらには、チャンバ２５内への大気の流入を防止できるので、その分補助ガス６の流量を低減ができ、コスト低減が図れる（即ち、経済性が増す）という利点がある。
【００２４】
また、チャンバ２５の外周に形成される気流カーテンを安価な空気により形成することにより、コストの増大を招くことなく大気遮断効果を得ることができるという利点がある。
なお、本願発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上述の実施形態では、気流カーテン２３を空気により形成した場合について説明したが、他の流体で気流カーテンを形成してもよい。また、小型チャンバ５とスライディングチャンバ２０との間の伸縮機構についてはどのような構造のものを適用してもよい。また、小型チャンバ５やスライディングチャンバ２０には、冷却通路等の冷却機構を設けてもよい。この冷却通路は溶射時の高温度の熱による加熱を防止するものである。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明のプラズマ溶射装置によれば、溶射トーチに溶射トーチ先端から基材近傍までを覆う空気遮断用のチャンバが取り付けられるとともに、チャンバが、溶射トーチの軸方向に伸縮可能に構成されているという構成により、溶射トーチと基材との距離にかかわらず、チャンバと基材との間の距離を一定に保つことが可能となり、多種多様の溶射条件への適応が容易になるという利点がある。
【００２６】
また、請求項２記載の本発明のプラズマ溶射装置によれば、上記請求項１記載の構成に加えて、チャンバと基材との間に気流カーテンを形成する気流カーテン形成手段が設けるという構成により、チャンバ内への大気の浸入が防止でき、溶射粒子の酸化を防止することができる利点がある。また、これにより溶射皮膜の性状が大幅に向上するという利点がある。さらには、補助ガスの流量を減少することができコスト低減が図れるという利点がある。
【００２７】
また、請求項３記載の本発明のプラズマ溶射装置によれば、上記請求項２記載の構成に加えて、チャンバ外周の気流カーテンを安価な空気により形成することにより、コストの増大を招くことなく大気遮断効果を得ることができるという利点がある。
また、請求項４記載の本発明のプラズマ溶射装置によれば、上記請求項３記載の構成に加えて、スリットから噴出する空気により、基材とチャンバとの間には空気カーテン（エアカーテン）を形成することができる。また、このようにして形成された空気カーテンにより、チャンバと基材との間からの大気の流入が遮断され、溶射粒子の酸化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるプラズマ溶射装置の全体構成を示す模式的な断面図である。
【図２】従来のプラズマ溶射装置の一例を示す模式図である。
【図３】従来の溶射装置により形成された溶射皮膜を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１基材
２溶射皮膜
３プラズマアーク
４溶射粒子
５小型チャンバ
６補助ガス
７補助ガス噴射口
８補助ガスだまり
９溶射トーチ
１０粉末供給ポート
１１溶射粉末
１３混合流路
１４プラズマアーク流路
２０スライディングチャンバ
２１空気だまり
２２空気噴射スリット
２３空気カーテン
２４空気供給ポート
２５チャンバ
２６気流カーテン形成手段

Claims

プラズマアークにより溶射を行なう溶射装置であって、
溶射トーチに該溶射トーチ先端から基材近傍までを覆う空気遮断用のチャンバが取り付けられるとともに、
該チャンバが、該溶射トーチの軸方向に伸縮可能に構成されている
ことを特徴とする、プラズマ溶射装置。
該チャンバの端部に、該チャンバと該基材との間に気流カーテンを形成する気流カーテン形成手段が設けられている
ことを特徴とする、請求項１記載のプラズマ溶射装置。
該気流カーテンが、空気により形成される
ことを特徴とする、請求項２記載のプラズマ溶射装置。
該気流カーテン形成手段は、
該チャンバの先端側の外周に形成された空気だまりと、
外部から該空気だまり内に高圧空気を供給する空気供給ポートと、
該空気供給ポートから供給される空気を噴射するための空気噴射スリットとをそなえ、
該空気噴射スリットが該チャンバ先端側の円周上に形成されたスリットであって、該スリットの開口方向が該基材に対して所定の角度になるように設定されている
ことを特徴とする、請求項３記載のプラズマ溶射装置。