JPH06108221A - 熱噴射式プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加熱粉末を熱噴射プラズマ装置のプラズマ・
ガンに効果的に搬送する。 【構成】 粉末フィーダとプラズマ・ガンの間に連結さ
れた中空の加熱管７４と、加熱管７４の両端に連結され
た電源９６とを有している。電源は、粉末粒子が溶融し
て加熱管に付着するのを防止するため、粉末粒子の融点
直下の温度まで加熱管の壁面を加熱する。加熱管７４の
長さは、所与の粉末流量に対して、加熱管内での粉末粒
子の滞留時間が十分となるように選択される。このた
め、比較的大きな粉末粒子でも、プラズマ・ガンに搬送
される間に加熱管の壁の温度に比較的近い温度にまで加
熱される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ワークを被覆するため
に粉末材料の熱噴射が可能なプラズマ装置に関する。

【０００２】

【従来技術及び発明が解決しようとする課題】金属その
他の材料の粉末をプラズマ・ガンまで搬送してプラズマ
・ガンにより生成されるプラズマ流に導入するプラズマ
装置が知られている。電源や典型的には低圧源の下で不
活性ガス流により生成されるプラズマ流は、プラズマ・
ガンから、粉末を蒸着させて被覆を施すワーク等のター
ゲット上に注がれる。粉末は、プラズマ流へ導入される
前にプラズマ・ガンで予熱してもよいが、プラズマ流に
より連行されるとき融解するので、比較的高濃度の皮膜
がワーク上に形成される。

【０００３】こうしたプラズマ装置の一例は、１９８２
年５月４日に発行されて本願と共同譲渡されたミュール
バーガー他の米国特許第４３２８２５７号に開示されて
いる。ミュールバーガー他の特許に記載されているプラ
ズマ装置においては、プラズマ・ガンとワークとを収容
した閉鎖容器に低圧源としての真空ポンプを連結してプ
ラズマ気流をプラズマ・ガンからワークへ超音速で注い
でいる。粉末供給機構により、粉末を加熱してプラズマ
ガンの側部まで搬送し、プラズマ流内に導入する。

【０００４】プラズマ及び加熱粉末を供給するプラズマ
関連装置の先行例は、１９７１年８月１０日に発行され
たウェイマー他の米国特許第３５９８９４４号と、１９
７４年１０月１日に発行されたミュールバーガーの米国
特許第３８３９６１８号に開示されている。ウェイマー
他の特許には、核燃料の球状微粒子を形成する装置のプ
ラズマ加熱空間に導入する前に、微粒子状物質を加熱す
ることが記載されている。ミュールバーガーの特許に
は、電気抵抗管を使用して粉末を予熱するプラズマ装置
が記述されている。加熱搬送ガスを使用して、粉末は別
個の供給源から一対の上記管を通って供給される。粉末
は、これらの管により加熱された後、プラズマ・ガンの
内腔へ導入される。管は、管に連結された直流電源を用
いて、抵抗加熱される。

【０００５】ミュールバーガーの米国特許第３８３９６
１８号においては、粉末粒子の直径は４４ミクロン以
下、好ましくはそれよりずっと小さいとされている。従
来技術の加熱粉末搬送装置により通例要求される５０ミ
クロン以下の比較的小さい粒子の大きさは、このような
装置の特性限界であると言える。小さい粒子が必要とさ
れるのは、ワークに合理的に高濃度被覆を施す為にプラ
ズマ気流中で急速に加速されるよう、予熱され溶解され
るのを容易にするためである。

【０００６】しかしながら、直径５０ミクロン以下の小
さい粒子には相当の制約がある。まず第一にそのような
粒子は、特に耐熱性物質やガス吸着性物質等の場合、製
造費が比較的高価である。タングステンやモリブデン等
の耐熱性物質は、比較的融点が高く、また、バリウムや
チタニウム、タンタル等のガス吸着性物質は急速に酸化
する。さらに、そのような粒子は粘性あるいは流動性に
乏しく、比較的小内径の加熱管等の装置を通って搬送す
るのが比較的困難である。この粒子はまた、高度の表面
酸化を生じやすく、粒子を比較的純粋かつ非酸化状態で
ワークに供給することが困難である。こうした粒子の重
量に対する表面積比は比較的小さいので熱エネルギ移行
が低下し、粒子の加熱制御がより困難になる。

【０００７】一方、直径が約５０ミクロン以上の比較的
大型の粉末粒子は、いくつかの重要な点で小型粒子より
有利である。製造費が比較的安価であることに加えて、
そうした粒子は、優れた流動性を有する。粒子を高純度
かつ表面酸化が少ない形で製造し易いので、比較的高濃
度、非酸化の被覆をワークに行うことが容易になる。こ
の大型粒子の重要な欠点は、従来の装置と技術を使用し
て、プラズマ流内で完全に溶解させることが困難な点に
ある。粒子の溶解が困難である為に、ワークに充分な被
覆を施すのは非常に困難になる。そのような粉末が抵抗
加熱搬送管を使用して予熱されたとしても、ワークの被
覆は遂行が困難である。

【０００８】従来の比較的大型の粒子を熱噴射すること
の困難性は、一般的な熱噴射工程の理解の欠如という、
より根本的な問題に起因している。粉末粒子の加熱は、
普通上述した異なる粒子の大きさの様々な特性と同様
に、異なる物質の異なる軟化、溶解特性を考慮せずに、
規格化された方法で行なわれていた。また、通常、粉末
搬送の他の特性と同様、粉末温度の調整もプラズマ・ガ
ンで或いはすぐ外側で行う必要があるとされていた。

【０００９】従って、熱噴射に影響を及ぼすプラズマ装
置の全ての部分を最適な方法で変更することにより、熱
噴射を制御し得るプラズマ装置を提供することが望まれ
る。このような改良装置のアプローチは、異なる粒子の
大きさと異なる軟化、溶解特性を持つ多様な粉末材料
を、首尾よく熱噴射し得る能力を含むものである。

【００１０】改良プラズマ装置のより明確な目的には、
比較的高濃度で均一な皮膜をワークに形成するように、
比較的大型の粒子の粉末材料を噴射する能力が含まれ
る。また、粒子をプラズマ気流中でほぼ完全に溶解する
ようにあらゆる大きさの粉末粒子を予熱可能で、同時
に、粒子が粉末供給装置を通って比較的円滑で継続的に
流動し得る加熱粉末搬送装置の提供も有益な点である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ装置
は、前記プラズマ装置の種々の部品が、熱噴射工程に与
える影響を認識することから利益をえることができる。
その結果、前記装置の種々の部品による制御は前記熱噴
射工程を高めるよう最適化される。異なる材質や大きさ
の粉末が、全て比較的均一な預熱状態でプラズマ流の中
へ送られ、前記プラズマ流内で粒子溶融を最適化できる
ように、改良した預熱装置が用いられる。また、プラズ
マ・ガンが、粒子密度と前記プラズマ流内の加速を最適
化するように調節される。さらに、プラズマ流内の粒子
加熱を制御するために装置を設けることも可能であり、
ワークに施す被覆を改善することができる。

【００１２】本発明に係る改良型熱粉末噴射装置及び技
術により、比較的大きな粒子の粉末の使用が可能とな
る。前記噴射装置の温度は、慎重に制御され、粒子と接
触する前記装置の壁面その他の部分が、前記粒子の物質
の融点よりも低く保たれる。これにより、粒子の表面が
融解したり、前記噴射装置に付着したりすることが避け
られる。同時に、前記噴射装置の温度が粉末物質の軟化
点や粘性を考慮して設定される。このため粒子が噴射装
置を詰まらせたり、前記装置内での良好な流通に必要な
粘性を失わせることなく、前記粒子はできるだけ高い温
度にまで熱せられる。

【００１３】噴射装置の長さその他の特徴の選択は、前
記プラズマ・ガンに導入されるとすぐに前記粒子が比較
的均一に噴射装置の温度に近い温度まで熱せられるよう
になる。これにより、プラズマ流内の大粒の粒子の溶融
が比較的完全に行なわれ、密度の高いワークへの被覆が
可能となる。プラズマ流の長さと密度は、粒子の溶融を
高めるよう調節することもでき、これにより、適切な改
良型プラズマ装置が、利用できることとなる。かかる改
良型プラズマ装置は、前記熱噴射処理をさらに最適化す
るために、電極に接続された電源を増やし、プラズマ流
の異なる領域内における粒子加熱制御を行なってもよ
い。

【００１４】本発明による改良型熱粉末噴射装置の好適
な実施例においては、粉末は粉末フィーダからプラズマ
・ガンへ抵抗性発熱搬送管を用いて搬送されるが、前記
搬送管の反対側の端部は電源と連結されている。粉末源
は搬送されている粉状物質の融点よりも低いがあまり低
すぎない程度の表面温度をもつ搬送管を提供するよう調
整される。搬送ガスと粉末粒子の混合物は、前記搬送管
内を標準流量率で搬送できるようにするに十分な圧力が
ある搬送管の中へと導かれる。搬送管の長さは、粉末粒
子がプラズマ・ガンへ送られるまでに、比較的均一に搬
送管の壁面の温度に近い温度まで熱せられるように、他
の操作要因に応じて慎重に選択される。他の条件が等し
いならば、搬送管の長さが増すと、前記粉末粒子が管内
に滞留する時間も長くなる。かかる滞留時間が長くなれ
ば、管と粒子の温度差が小さくなり、粉末粒子は搬送管
の温度に非常に近い均一な温度で前記搬送管から排出さ
れる。

【００１５】熱粉末搬送管は、より効率的に加熱される
ようにするために、外側にある反射管の内側に同心円状
に配設されている。酸化防止のため不活性ガスが粉末搬
送管と反射管の間隙を循環している間、冷却水がある圧
力で外側にある反射管の二重壁内にポンピングされる。

【００１６】軟化点が融点よりもわずかに低い粉末物質
の場合には、前記改良型粉末噴射装置にあっては、ある
熱噴射に適用されるプラズマ・ガンを使い、ここから粉
末を排出するようにすることも可能である。前記搬送装
置が融点直下の温度まで粉末を熱する能力があれば、前
記粉末粒子は前記搬送装置からワーク上に直接噴射する
ことが可能となる。かかる構成では、前記搬送装置は前
記搬送装置の圧力を維持するために口径の小さな出口ノ
ズルが設けられている。

【００１７】前記プラズマ装置は、プラズマ流内にある
電極間につながっている１または複数の追加電源を備
え、プラズマ流内の粉末粒子の温度を制御できるように
してもよい。かかる実施例においては、一方がガン穴の
すぐ外に配設され、他方がプラズマ・ガンとワークの中
間の位置に配設される一対の環状電極を備えていてもよ
い。前記一対の環状電極間に繋がれる直流電源が、プラ
ズマ流の密度を上げ、粉末の加熱を向上させるようにし
ている。他の実施例では、プラズマ流に沿って間隔をお
いて設けられた複数の電極が複数の異なる直流電源に繋
がれ、プラズマ流に沿った異なる領域内の粉末粒子温度
を独立に制御できるようにしている。さらに他の実施例
においては、最下段の電極を前記ワークに相対的に近い
位置に設け、前記ワークの過剰加熱を避けるために前記
ワークを清浄した後で、前記変換アーク電源と前記ワー
クとの接続が切れるようにしている。さらに他の実施例
では、１または複数の電極に繋がれた電源が前記プラズ
マ・ガンの陰極に直列に接続された負端子を有し、所望
のプラズマ温度分散を達成できるようにしている。さら
に他の実施例では、前記プラズマ流の一部分を取り囲む
永久磁石部材や電磁石部材を設け、前記プラズマ流を成
形し、電極でのプラズマ温度を分散し、過剰加熱を避け
るようにしている。

【００１８】混合粒子を用いる構成において、必要もし
くは望ましい場合には、粉末粒子の表面の少なくとも一
部にクロムなどの適当な被覆部材を用いて処理を施すこ
とにより、異なる組成の粉末粒子の付着性を増加させる
こととしている。被覆は、混合、メッキまたはボール混
合によりなされる。

【００１９】

【実施例】本発明のよりよい理解は、添付図面を参照し
つつ後述の詳細な説明を読むことにより得られる。

【００２０】図１は、本発明に関る改良型熱粉末噴射装
置を有するプラズマ装置と、本発明の他の特色とを示し
ている図である。図１の装置は、耐圧性、絶縁性を有
し、真空を保持しうる密閉された容器であるプラズマ・
チャンバ10を有している。チャンバ10は、筒状の本体部
12とこれに連結される上蓋部13とにより画成されてい
る。プラズマ・チャンバ10の本体部には、底部コレクタ
錐体14を有している。前記錐体14は、所望の環境圧を維
持しつつ、排出された気体や粒子を処理する関連装置と
つながっており、連動している。

【００２１】下方に流れるプラズマ流は、上蓋部13の内
部に装備されたプラズマ・ガン16により作られる。そし
て前記ガン16の位置は、プラズマ・ガン作動装置18によ
り制御される。プラズマ・チャンバ10は、二重の壁を有
する水冷式の容器として構成されていることが望まし
く、上蓋部13は、作動部にアクセスできるよう着脱自在
となっている。前記ガン作動装置18は、前記上蓋部13の
壁にある密封されたベアリングと連結器を介して、前記
プラズマ・ガン16を支持し、制御している。

【００２２】粉末供給装置20は、図２に示された改良型
熱粉末噴射装置を有しており、上蓋部13に連結されてい
る。粉末供給装置20は、プラズマ・ガン16に連結する装
置を介して、プラズマ流の中へ、熱した粉末を制御され
た状態で供給している。粉末供給装置20から供給された
熱粉末は、プラズマ・ガン16により生成されたプラズマ
流の中へ運ばれる。

【００２３】プラズマ・ガン16から出てくる、下方に向
かうプラズマ流は、ワーク24に当たる。ワーク24は、内
部が冷却された、伝導性のワーク保持具25に支えられて
おり、作動中はチャンバ本体12を通って外部にあるワー
ク移動装置26まで延びているシャフトを介して、位置決
めされたり動かされたりする。ワーク24の一方の端の近
傍であって、当前記ワーク24に接触しない位置28があ
る。ダミー・スティング28は、同様に内部が冷却されて
おり、チャンバ本体12の側壁を通して、ダミー・スティ
ング作動装置30に連結されている。ワーク保持具25とダ
ミー・スティング28とは、チャンバ10の中心軸に関する
挿入位置として調整可能であり、通電することができ
る。これは、前記保持具25と前記スティング28とを、操
作中の種々の局面において、変換アーク発生のための選
択された電位に保つことができるようにするために行な
われる。

【００２４】ワーク24と、ダミー・スティング28の下
で、コレクタ錐体14は過剰に吹き付けられた気体状や粒
子状になっている物質を、バッフル・フィルタ・モジュ
ール32に導く。バッフル・フィルタ・モジュール32は、
過剰吹き付けを最初に一緒にするための水冷バッフル部
と、連行粒子状物質の大部分を抽出するための、イン・
ライン・フィルタ部とを有する。バッフル・フィルタ・
モジュールを通った流出物は、次に、別の水冷装置であ
る、熱変換モジュール36を通して、真空多岐管38に導か
れる。真空多岐管38は、前記流出物に残っている、ほと
んど全ての粒子を抽出する、オーバースプレ・フィルタ
収集装置を有している。真空多岐管38は、チャンバ10内
の所望の環境圧を維持するに十分な能力を有する真空ポ
ンプ42に通じている。特に、0.6 気圧から0.001 気圧の
間の環境圧下においては、超音速のプラズマを発生させ
るに十分な、静止圧が生じる。

【００２５】オーバースプレ・フィルタ・モジュール32
や、熱変換モジュール36も、壁が二重で、水冷式の装置
であることが望ましいが、プラズマ装置において広く用
いられる良く知られた型のものであれば、いずれを用い
てもよい。

【００２６】装置の様々な部品の操作や修理をし易くす
るために、装置全体をローラに乗せ、レールにするた
め、従来ののぞき窓、水冷接近扉、及び電気的に接続す
るための絶縁フィードスル・プレートについては、示し
たり、詳細に説明したりすることはしなかった。ワーク
支持具と作動制御装置とは、チャンバ本体12内の、ちょ
うつがい式の正面接近扉43に取り付けるのが望ましい。

【００２７】電気エネルギーは、チャンバの上蓋部13に
据えつけられた固定バスバー44を介して、装置の操作部
に供給される。可撓性のある、水冷式ケーブルが、プラ
ズマ電源46、高周波電源48及び陰極変換アーク電源40
を、バスバー44を介して、プラズマ流を生成するための
プラズマ・ガン16につないでいる。プラズマ電源46は、
プラズマ・ガン16の電極間に、必須の電位差を供給す
る。高周波電源48は、プラズマ電源46を有する直流電源
に、高周波放電を加えることにより、プラズマ・ガン16
内に、アーク放電を開始させるために用いられる。しか
る後に、プラズマ・ガン16とワーク24との間に連結され
た陰極変換アーク電源50が、本発明では、連結的な陰極
変換アーク放電を両者間に供給するのである。

【００２８】プラズマ・ガン16の内部を充分な冷却水が
流れるようにするための水ブースタ・ポンプ52の使用が
必要となる。プラズマ・ガス源54は、プラズマ流を発生
させるための適切なイオン化ガスを供給している。ここ
で用いられる気体は、アルゴン単体、または、ヘリウム
もしくは水素と種晶しているアルゴンである。もっと
も、他の気体も用いることができることは、当業者に周
知の通りである。

【００２９】図１の装置の作動順序が、種々の作動装置
の作動速度や作動幅をどのようにするかについての制御
は、装置制御コンソール56によりなされる。プラズマ・
ガン16は、プラズマ制御コンソール58の制御の下に、独
立に操作される。これらのコンソールにより遂行される
機能や、コンソール内部の回路については、よく知られ
ているので、図示したり詳細に説明したりすることはし
なかった。変換アーク制御回路60は、陰極アーク電源50
を制御するために用いられる場合もある。図１に関して
説明された事項の大部分は、先に述べた、ミュールバー
ガー等による、米国特許 4,328,257と近似しており、プ
ラズマ装置の１つ以上の部品について、さらに説明が必
要になった際に、必要に応じて言及するつもりである。

【００３０】図１の粉末供給装置20が、プラズマ・ガン
16との関連において、図２に詳細に示されている。粉末
供給装置20は、プラズマ・ガンに供給される粉末を、選
択された分量だけ含有する不活性ガスを流す、粉末フィ
ーダ70を有している。粉末フィーダ70は、適切なもので
あれば、従来よりある型のどれを用いてもよい。一例と
して、1989年２月28日に特許された、ミュールバーガー
等による米国特許第 4,808,042号に記載された、粉末フ
ィーダがある。この例の場合、粉末フィーダ70が、アル
ゴンと水素の混合気体を運搬用気体として用い、毎分約
60グラムの標準流量率で、粉末を供給する。

【００３１】粉末を運搬する不活性ガスは、導管71を介
して、熱粉末噴射装置76の第１端74にある粉末取り付け
部品72に供給される。熱粉末噴射装置76は、反対側にプ
ラズマ・ガン16の側面の内部に装着された、第２端78を
有しており、主として、細長く抵抗値の高い加熱管80よ
り成る。加熱管80は、粉末取付部品72とほぼ連続してお
り、第１端74にある電源接続留具82から第１端74の近傍
にある多岐管84を通って、第２端78にある多岐管86まで
延びている。加熱管80は、多岐管86を通り、プラズマ・
ガン16の陽極の側壁88の仲まで延びており、側壁88の内
部にある孔92で終わっている。穴92は、陽極90内部の内
部孔94まで延びている。陽極90では、従来の方法で、プ
ラズマ・ガン16によりプラズマ流が形成される。

【００３２】加熱管80は、加熱管80の両端への直流電源
96の印加に応じて熱せられる物質からできている。本例
においては、加熱管80はタングステンでできており、長
さがおよそ10フィート、外径 0.375インチ、内径 0.171
インチである。電源96は、第１端74にある電源接続留具
82に接続される正端子と、プラズマ・ガン16の陽極に接
続される負端子とを有している。そして、プラズマ・ガ
ン16は、第２端78にある加熱管80の反対側の端部と電気
的に接続されている。電源96は、加熱管80を通して、15
00アンペアまでの電流を供給できる、 120ＫＷの直流電
源である。

【００３３】以下に述べるように、電源96は、所望の電
圧降下と、加熱管80を通る電流を供給するよう調節され
る。この結果、加熱管80は、長手方向にそって、所望の
温度まで熱せられる。加熱管80を熱するのは、粉末運搬
用の不活性ガスにより、粉末フィーダ70の長手方向を通
って、プラズマ・ガン16の孔94まで運ばれる間に所望の
温度まで粉末を熱するためである。

【００３４】加熱管80の外周の周囲に、前記外周よりも
大きな径をもつ反射管98を、ほぼ同心円状に配設したた
め、加熱管80の加熱効率が向上している。加熱管80のま
わりに反射管98を配設する、同心円構造は、セラミック
・スペーサ99により維持されている。反射管98は、同心
円状に構成されている管の内壁と外壁の間が中空となっ
ていて、多岐管84と86の間に設けられている。反射管98
は、ステンレス鋼で作ってもよい。また、反射管98は、
管の内壁の内側にみがき上げた表面を有しており、前記
表面が加熱管80より発せられた熱を加熱管80へ反射し返
すようになっている。このように、反射管98を設けるこ
とにより、電源76から供給される電流をより少なく用い
て、加熱管80の加熱を行なうことが可能となる。

【００３５】反射管98は、高圧水ポンプ 100から流れて
くる水により冷却される。まず、ポンプ 100から流れて
くる水は、電源接続留具82内を通り、前記留具82を冷却
する。電源接続留具82から流れ出た水は、導管 102を通
過し、多岐管84に入る。多岐管84から流れ出た水は、矢
印 104により示されるように、反射管98の中空な内部に
入り、反射管98の長手方向に沿って流れ、多岐管86に至
る。多岐管86のところで、冷却水は反射管を出て、排水
口 106に至る。この例においては、高圧ポンプ100が、
毎分約７ガロンの水を流す。

【００３６】多岐管84は、不活性ガス源 108からの不活
性ガスをも受け、加熱管80の外側と反射管98の内側との
間の空間に、この不活性ガスを導く。前記不活性ガス
は、セラミック・スペーサ99にある穴を通り、管80と管
98に沿って流れ多岐管86に至る。そして、不活性ガス
は、穴 110を通り、多岐管86から排出される。不活性ガ
スは、加熱管80と反射管98の酸化を防止する働きがあ
る。

【００３７】本発明によれば、加熱管80は、加熱管80の
表面温度が、粉末フィーダ70から当前記管内を通って供
給される粉末の融点を越える程度にまで熱せられること
は、決してない。加熱管80の表面温度は、粉末が自在に
流れうるに必要とされる速度を失わない程度にまで粉末
が軟化する温度よりも僅かに低い方がよい。融点と軟化
点がすでにわかって粉状物への代表的な対処方法として
は、融点と軟化点の間の温度であって、粉末の流れが悪
くなり、粉末が付着したり、詰まったりする温度を測定
することである。かかる温度を測定した後に、加熱管
は、およそ華氏 300度未満の温度まで熱せられる。図２
に示された装置内の加熱管80の温度は、下記の要領で、
慎重に制御することができる。

【００３８】管の表面温度が、粉末の融点に達しないこ
とという制約を受けることを条件として、他のパラメー
タの調整は、粉末粒子が第２端に到着しプラズマ・ガン
16の穴94に導かれるまでの間、加熱管80の表面温度に比
較的近い温度になるまで粉末の粒子が比較的均一に熱せ
られるようになる。かかる粉末排出温度は、不活性ガス
の体積及び流量率と、当前記ガスにより運搬される粉末
とに影響される。所定の管温度、ガスの体積、ガスの流
量率、粉末の体積と粉末の流量率のもとでは、加熱管80
の長さを変えることによりプラズマ・ガン16における粉
末排出温度を変えることができる。特に、図２に示され
た装置内の加熱管80の長さは、従来技術における抵抗性
加熱粉末搬送管よりもかなり長い、このため、加熱管80
の表面温度にかなり近い粉末排出温度を得ることができ
る。従って、粉末排出温度が粉末の融点よりもかなり低
くなるということは避けられる。このことは、直径が50
ミクロンを超えるような比較的大きな粉末粒子の場合に
特に有利に働く。かかる大きな粒子は、比較的高温の排
出温度にまで熱せられると、プラズマ流内でずっと容易
に溶融し、所望の比較的均一な高密度皮膜が達成され
る。

【００３９】図３は、加熱管80内を流れる電流と、その
関数である加熱管80の表面温度及び粉末排出温度との関
係を示した表である。ここでは、図２の装置について、
1.450 アンペアのアーク電流、52ボルトのアーク電圧、
総電力75.4ｋｗで作動するプラズマ・ガン16を用いた場
合が示されている。電源96は前記加熱管電流を増加させ
るように調整されているため、前記管の表面温度は、ほ
ぼ線型の態様で増加しているということがわかるであろ
う。管電流が 400アンペアである点において、前記管の
表面温度は華氏 1,250度よりも僅かに低い。前記管電流
が 800アンペアにまで増加すると、それに伴い前記管の
表面温度は、華氏約2000度まで上昇する。管温度の点
は、前記加熱管80において均衡が確立した後の条件を示
している。前記加熱管80に最初に電流が印加されたとき
には、前記管が均衡状態にまで熱せられるまでに少なく
とも数分間の時間が必要となる。同様に、加熱管80に印
加される電圧がかなりの量で突然増加または減少したと
き、均衡状態が確立するまでに、わずかながら時間が必
要となる。

【００４０】前記電源96の調整は、先に述べたように、
加熱管電流により、管表面温度が、プラズマ・ガン16に
供給されている粉末の融点よりも僅かに低くなるように
なされている。これにより、粉末粒子の表面が加熱管80
の内壁に付着したり、管が詰まったりするという深刻な
粉末流についての問題を引き起こすことがなくなる。管
表面温度に加えて、図３は、管電流の関数としての粉末
排出温度の変化も示している。粉末排出温度は管電流の
増加とほぼ線型の態様で増加していることがわかるであ
ろう。図２の装置の場合において、気体の所定体積及び
流量と、粉末の所定体積及び流量のもとにおいては、前
記粉末排出温度は 400アンペアの管電流における華氏約
750度から 800アンペアの管電流における華氏 1,750度
よりも僅かに低い温度まで増加する。

【００４１】前記管電流は粉末の融点や軟化点により制
約を受ける。それにも拘らず、所定の電流についての粉
末排出温度の調整は、粉末や加熱管80内を流通する粉末
を運ぶ不活性キャリア・ガスの流量率や分量の最適範囲
は、使用されている所定の熱粉末噴射装置によりきま
る。かかる場合において、以下に述べるように、加熱管
80の長さをより長く選定することにより、粉末排出温度
を、管表面温度よりも低い温度であって、比較的これに
近い温度にまで上昇させることができる。

【００４２】図４は、加熱管の長さと、その関数である
粉末排出温度との関係を、表に表したものである。図４
は、キャリア・ガスとそれにより運ばれる粉末の体積と
流量は最適値である定数に保たれているということを前
提としている。前記管温度は、図４にも示されている
が、ほぼ定数に近いものとして示されている。先述のよ
うに、前記管の長さが変化するにつれて、管電流の調整
は、管表面温度が粉末の融点よりわずかに低くなるよう
に調整されるということが前提となっている。温度差Δ
ｔは、粉末排出温度と管温度との差である。Δｔは、小
さくなり、理想的にはゼロまで減少し、粉末排出温度が
管表面温度に近くなるか等しくなることが望ましい。こ
れにより、粉末はできるだけ高温でプラズマ・ガン16に
導かれるとともに、粉末粒子が加熱管80を通過する間に
溶融してしまうということがなくなる。

【００４３】図４に示されるように、管の長さが長くな
るにつれて、粉末排出温度は徐々に上昇するとともに、
Δｔは減少する。結局、粉末排出温度が管表面温度とほ
ぼ等しくなる点まで到達する。これが最適な操作範囲と
考えられているが、必要な管の長さと、かかる長さの管
を所望の管表面温度にまで熱するのを必要とされる電力
との経済性と実用性とを勘案して選択される。多くの場
合、管の長さが長くなるにつれて管内に粉末が滞留する
時間も長くなるので、管表面温度と同じかそれに近い粉
末排出温度を得ることができる。管に滞留する時間が長
くなるにつれて、粉末の加熱の均一性が高まる傾向があ
る。特に、外皮もしくは表面温度が高くなった後も長時
間、粒子内部の温度が室温のままである、比較的大粒の
粉末粒子の場合にこの傾向が顕著である。大粒の粉末粒
子を管表面温度までまたはそれに近くなるまで熱する
と、粉末がプラズマ・ガン16内のプラズマ流に導かれた
ときに粉末の溶融が促進される。比較的高い付着効率
と、ワークに対する比較的均一で高密度の皮膜加工を実
現するためには、プラズマ流内の粒子の溶融がほぼ完全
になされていることが必要である。

【００４４】図５は、加熱管80内を通る電流と、その関
数である付着効率との関係を示す表である。付着効率
は、プラズマ・ガン16により噴射されワーク24の皮膜に
変わる粉末の割合を百分率で表してある。図５において
は、管電流は 700アンペアから800アンペアの間の範囲
で示してある。

【００４５】第２図に示された熱粉末噴射装置76を用い
ると、図５の「延長管なし」と表示された曲線が得られ
た。付着効率は、700 アンペアにおける約２％から 800
アンペアにおける約10％まで上昇しているのがわかる。

【００４６】図２の装置に図２Ａの加熱管延長装置が付
加されると、付着効率が改善される。図２Ａの延長装置
は、粉末付属部品72と粉末フィーダ70に連なる導管71と
を連結する16長ステンレス管 112を有している。電源 1
14は、前記管 112の両端に接続され、前記管 112に抵抗
性発熱を供給している。

【００４７】図５に「延長管あり」と表示された曲線
は、図２Ａに示された延長装置を用いた場合の付着効率
を示している。電源96から流れる電流が 700アンペアか
ら 800アンペアまで増加するに伴い、前記管 112に接続
された独立電源 114は、45アンペアから80アンペアに増
加する電流を発生させるよう調整される。これにより、
管 112の電圧降下は55ボルトから49ボルトまでの減少と
なり、その後56ボルトに上昇した。図５からは、図２Ａ
の延長装置を付加した場合、加熱管80の場合の 700アン
ペアから 800アンペアの電流範囲と同一の電流範囲にお
いても、付着効率はかなり向上する。特に、前記範囲内
でも高い電流値においてその傾向が顕著である。付着効
率は 700アンペアにおける約６％から 750アンペアにお
ける約８％へと徐々に上昇する。 750アンペアを超える
と、付着効率は、かなり高い割合で上昇し、 800アンペ
アで22％の値になる。

【００４８】先に述べたように、加熱管80は粉末の軟化
点以上融点以下の温度まで熱するのが望ましい。実験に
よれば、所定の粉末物質について、粉末の流れが悪くな
り、粉末の粒子は、粒子同士で付着したり加熱管の壁面
に付着し始める程度まで前記物質は柔らかくなり、潜在
的な目詰まりの問題を引き起こすということが示されて
いる。かかる臨界点は、融点よりも低いが軟化点よりも
高い温度にある。いったん臨界点が測定されたら、加熱
管80は前記臨界点との差を華氏 300度残した低い温度に
熱せられる。

【００４９】粉末物質により軟化特性が異なるので、実
験が必要である。たとえば、タングステン・カーバイト
の場合、流れの滑らかさを失ったりめづまりの危険を生
じることなく融点との差が数度になるまで熱することが
できる。一方、アルミニウムの場合は、融点が華氏約12
00度であり、軟化点が約 800度である。アルミニウム粉
末が噴射される場合は、加熱管80は特にめづまりの発生
や粉末流通の円滑さの喪失を来さずに、華氏 700度を大
幅に超える温度にまで熱することは不可能である。かか
る状況下にあっては、後述するように、プラズマ流内に
おいてさらに熱する必要を生じる場合がある。しかし、
本発明によれば、プラズマ・ガンに運ばれる前にできる
だけ多くの、しかも、管内に導かれた分量に比例する粉
末を熱することが可能となる。

【００５０】タングステン・カーバイトのように、加熱
管80の加熱を粉末の融点に近い温度にまで熱することの
できる粉末物質の場合は、プラズマ・ガン16を含めず、
熱粉末噴射装置76を唯一の熱噴射を行なう装置として用
いる構成が可能となる。かかる構成が図６に示されてい
る。

【００５１】熱粉末噴射装置76は、ワーク24と一緒にな
っておりその中に示されている第２端78を除き、本質的
には図６の構成においても変わらない。加熱管80は径が
小さくなっている部分 118を有するノズル部材 116で終
わっている。前記部材 118は、熱粉末がワーク24に到達
し皮膜を形成するに十分な速度で前記部材 118から排出
されるように保ちつつ、加熱管80の圧力を維持してい
る。熱粉末噴射装置76は粉末をほぼ均一に融点のわずか
に下の温度まで熱することができるので、かなり軟らか
くほぼ溶けかかっている粉末をかなり均一な態様でワー
ク24皮膜することができる。

【００５２】図２の熱粉末噴射装置76は直径50ミクロン
といった比較的大きな粉末粒子を用いるときに有利なの
だが、かかる装置は、ほとんどどのような大きさの粉末
粒子を用いても役に立つ。なぜなら、加熱管80は融点よ
りもかなり低い温度に保たれているので、小さな粒子も
過剰に熱せられることがないからである。代わりに、そ
れらは、より迅速にしかも前記管80の短い全長にわたっ
て加熱管80の壁面温度まで熱するにすぎないのである。
熱吹き付けに用いられる混合粉末は、ほとんどの場合、
粒子の直径にばらつきがある。かかる場合、装置76は、
粉末が装置76から排出される前に小さな粉末だけでなく
大きな粉末も加熱管80の温度と同じかそれに近い温度に
まで熱せられることを保証している。

【００５３】図２の熱粉末噴射装置76はプラズマ流内に
おいて粒子をほぼ完全に溶融してしまう程度にまでほと
んどの粉末を熱することができるのだが、前記装置76は
前記預熱プラズマ装置内の数個ある段階のひとつだけを
形成している。第２段階はプラズマ・ガン16により形成
されている。第３段階はプラズマ流により形成されてい
る。後述するように、粉末粒子の加熱を別途制御する付
加された電源や電極等を装備していれば、プラズマ流は
さらに第４段階をもつこともできる。

【００５４】プラズマ・ガン16を有する第２段階は粒子
の速度や密度を変化させるために用いられる。粒子速度
は、最低でも、ワーク24に許容しうる皮膜を形成しうる
程度必要である。また、粒子が大きいほどプラズマ流に
入った途端に加速させることが難しくなる。プラズマ・
ガン16内のプラズマ流を調整することにより粒子速度を
最適化させることができる。プラズマ密度を変える必要
が生じたときは、かかる変更は不活性ガスの流量やプラ
ズマ・ガン16内のアーク電源を変更することにより可能
となる。

【００５５】プラズマ流を含む第３段階は最適熱噴射を
行なうための粉末の条件を変更するためにも用いられ
る。プラズマ流は超音速であるにも拘らず、粉末粒子の
温度をこの場合にも変更しうることがわかっている。反
転アーク電源を増加させることにより、より多くのエネ
ルギーがプラズマ流に加えられ、プラズマ流内の粒子へ
のさらなる加熱がおこる。粉末粒子がとても大きいかま
たは加熱管80により融点近くまで熱することのできない
物質からできているため、プラズマ流内でのほぼ完全な
溶融が起こらない場合においては、前記プラズマ流内で
もっと粒子を加熱するようにするため転換アーク電源を
増やすこともできる。

【００５６】図７には、プラズマ流に粉末へのさらなる
加熱を行ないこれを制御する第４領域形成装置を備えた
構成の一例が示されている。図７のプラズマ装置は、プ
ラズマ・ガン16と、熱粉末粒子を先述の態様でプラズマ
・ガン16に運ぶための熱粉末運搬装置76とから成ってい
る。図１に図示され、これとの関連で説明されているプ
ラズマ源46はプラズマ・ガン16の電極間に必要な電位差
を作り出す。その一方、図１に示されかつ説明されてい
る変換アーク電流源50は、プラズマ・ガン16の陽極と、
負の変換アークとなるワーク24との電圧降下を作ってい
る。プラズマ・ガン16は順にプラズマ流 120を形成す
る。図７に波線で示してあるプラズマ流 120はプラズマ
・ガン16からワーク24に流れる。熱粉末噴射装置76から
プラズマ・ガン16に導かれた熱粉末はプラズマ・ガン16
により起こされたプラズマ流 120に乗せられる。ワーク
24に皮膜を作るため粉末粒子がプラズマ流 120により運
ばれているあいだ、プラズマ流 120は粉末粒子を加速し
加熱し続ける。

【００５７】図７のプラズマ装置は、プラズマ・ガン16
に連結される環状電極 122を有している。このように、
環状電極 122は直流電源 124にのみならずプラズマ電源
46用にも便利な電極を形成する。直流電源 124は、環状
電極 122と、プラズマ・ガン16とワーク24との中間の位
置に配設された第２環状電極 126との間を連結してい
る。

【００５８】さきに見たように、プラズマ流 120のエネ
ルギーにより、粉末粒子のさらなる加熱が行われる。し
かしながら、第２環状電極 126と、プラズマ加速と加熱
電源124とにより与えられた、第２環状電極 126と環状
電極 122との電位差とは、粉末粒子のさらなる加速と加
熱に用いることができる。これは、比較的大きな粉末粒
子の場合に有効である。なぜなら、比較的小さな粉末粒
子の場合よりも、加速したり完全に溶融したりすること
が、より困難だからである。その結果、より高い均一性
とより高密度を有するワーク24の皮膜加工が可能とな
る。直流電源 124は前記電源によるプラズマ流に付加さ
れるエネルギー量を変えるよう調整される。

【００５９】図７の構成においては、単一の電極 126と
それに連なる直流電源 124とを加えたが、よりよく制御
できるようにするため図８に示すようにかかる電極と電
源を複数加えることとしてもよい。図８は、付加電極 1
28、 130と、直流電源 132、134を有する点を除き、図
７と同様である。直流電源 132は前記電極 126と 128と
の間に連結され、直流電源 134は前記電極 128と 130と
の間に連結されている。電極 126、 128、 130は、プラ
ズマ流 120を効果的に４つの異なる領域に分割してい
る。そして、かかる４領域は、直流電源 124、 132、 1
34によりある程度独立に制御されている。直流電源 12
4、 132、 134は所望の同一電圧もしくは異なる電圧を
供給するよう調整される。

【００６０】図８の構成は、プラズマ流 120が非常に長
く、変換アーク電源50により適当に電圧を加えることが
できない場合に特に有効である。しかし、かかる構成
は、温度、そしてある程度までプラズマ流 120に沿った
異なる領域内にある粉末粒子の速度とを制御することが
必要であるかまたは望ましい、いかなる長さのプラズマ
流を持つ場合にも、有効である。

【００６１】電極 126、 128、 130は、電極 122とワー
ク24との間に等間隔に配置されるよう図示されている
が、かかる間隔は必要ならば変えることができる。ま
た、電極間の組み合わせを変えて直流電源を連結した
り、１つもしくは複数の電源の電極を反対にしたりする
ことにより、領域の加熱や加速の効果を変えることが可
能である。

【００６２】図８の構成では、変換アーク電源50はワー
ク24に直接接続されている。所望のプラズマ動作をワー
ク24で得ることに加え、かかる直接接続は、ワーク24を
熱粉末噴射装置76からワーク24上に粉末を噴射する前
に、ワーク24を清浄しなければならない場合に必要とな
る。しかしながら、各電源50とワーク24との接続の場合
のように直接接続をすると、ワーク24上に粉末を噴射す
る前に、ワーク24を清浄しなければならない場合に、必
要となる。しかしながら、前記電源50とワーク24との接
続の場合のように直接接続をすると、ワーク24において
かなりの熱が発生する。電源を直接延長接続したことに
より生じた熱に耐えることのできない比較的脆弱な物質
でできているワーク24については、噴射中は変換アーク
電源50をワーク24から切り離すことが望ましい場合もあ
る。図９に示す構成は、変換アーク電源50とワーク24と
の間にスイッチ 140を有している。また、前記電極 130
は図８に示す位置より幾分下げて、ワーク24にかなり近
くなるようにしてもよい。その他の点についてはすべ
て、図９のプラズマ装置は図８のものと同様である。ワ
ーク24の清浄中に、スイッチ 140は閉じられ変換アーク
電源50とワーク24とを直接つなぐ。先に見たとおり、ワ
ーク24の清浄を行うには、かかる直接接続が必要とな
る。清浄工程が終了するとすぐに、スイッチ 140は開か
れ変換アーク電源50をワーク24から切り離す。スイッチ
140を開いた状態で、プラズマ噴射作業は行われる。前
記電極 130をワーク24にかなり接近させると、変換アー
ク電源50がワーク24に接続されることなく、皮膜動作が
ワーク24で行われる。このように、ワーク24は電源が直
接接続されたときに起こる強い熱を受けないですむ。

【００６３】プラズマ・ガン16、プラズマ電源46、およ
び電極 122、 126、 128を有する図１０の構成は、電源
とプラズマ・ガン16の陰極 142との直接接続を利用する
図８の構成の変形である。プラズマ・ガン16の陰極 142
はプラズマ・ガン16内にある電子の共通エミッタであ
る。１または複数の直流電源を陰極 142に接続すること
により、ある適用例については、所望のプラズマ温度分
散が達成できるということがわかっている。しかし、電
源の負極しか陰極 142に直接接続することができない。

【００６４】プラズマ電源46の負極は常に陰極 142と接
続されているのは、この接続方法がプラズマ・ガンの電
源の接続法としては普通だからである。図１０の構成に
おいては、電極 126、 128にそれぞれ接続された直流電
源の負端子 144、 146は、プラズマ・ガン16の陰極 124
にも直接に接続されている。直流電極 144、 146は、図
８の直流電源 124、 132とほぼ同じ機能を持つ。しか
し、電源 144、 146は、プラズマ・ガン16の陰極 142に
直接接続されているので、図１０に示すような関係で電
極の極同士を繋がなければならない。図８の構成におい
て、陰極 130に接続された直流電源 134のようなプラズ
マ構成における他の直流電源の負端子が陰極 142に接続
されている限り、必要ならばかかる電源はプラズマ・ガ
ン16の陰極142に直接接続することができる。このよう
に、１または複数の直流電源をプラズマ・ガン16の陰極
142に直接接続することは、ある適用例においては、所
望のプラズマ温度分散を達成するのに有効であるという
ことがわかっている。

【００６５】１または複数の直流電源を陰極 142に接続
することはかかる電源の負端子を陰極 142に接続するこ
とを必要とする。これに対して、プラズマ装置内の他の
電源は異なる電極構成で接続することができる。これ
は、直流電源 148があることを除き図１０の構成と同じ
である図１１のプラズマ装置により示されている。直流
電源 148は陰極 142に直接には接続されていないので、
図１１に示すように当前記正極が電極 126とつながり当
前記負極が電極 128とつながるように極を配置してもよ
い。しかし、必要ならば直流電源 128の極性を逆にし、
プラズマ流 120の長手方向に沿っての特別の温度特性を
得るようにしてもよい。

【００６６】図１２は、図８のプラズマ装置と近似して
おり、プラズマ・ガン16、プラズマ電源46、電極 122、
126、 128、および直流電源 124、 132を備えたプラズ
マ装置の一部を示している。また、図１２の構成は異な
る永久磁石部材 150、 152を有している。中空で概ね円
筒形に構成されている第１の永久磁石部材 150は、電極
122と電極 126との間におかれ、その間にあるプラズマ
流 120をぐるりと取り囲んでいる。やはり中空で概ね円
筒形に構成されている永久磁石部材 152は、電極 126と
電極 128との間におかれ、その間にあるプラズマ流 120
をぐるりと取り囲んでいる。

【００６７】プラズマ流 120の正常な概形が図４の実線
で示されている。しかし、永久磁石部材 150、 152が配
設されているので、有利になるようプラズマ流 120を成
形することができる。このように、永久磁石部材 150を
配設しているので、電極 122と電極 126間のプラズマ流
120の概形を実線 154で示された概形から波線 156で示
された構成へと変えることができる。同様に、永久磁石
部材 152を配設しているので、電極 126と電極 128間の
プラズマ流 120の部分を波線 156で示される概形に成形
し直すことができる。永久磁石部材 150、 152によりプ
ラズマ流 120の概形がこのように変形されると、電極 1
26、 128 において、プラズマ流 120内にある電子が円く
渦をまく。これは、電極 126、 128の過剰加熱を防止す
るために電極 126、 128にあるプラズマにより引き起こ
される熱分散の効果として起こるものである。

【００６８】永久磁石部材 150、 152の極性は、説明の
みを目的として図１２に示されている。かかる極性は、
必要ならば反転させることもできるが、それでもなおプ
ラズマ流成形の有利な効果を達成することができる。図
１２においては２つの永久磁石部材 150、 152が示され
ているが、図８に示される電極 128、 130間にあるプラ
ズマ電流全体に関係するように永久磁石部材をさらに追
加してもよい。また、永久磁石部材 150、 152は、中空
の円筒形の形以外の形や構成となるようにしてもよい。

【００６９】図１３は、電極 122と電極 126との間に電
磁石 158を配設しプラズマ流 120の一部を取り囲むよう
にした他の構成を示している。電磁石 158は概ね円筒形
をしており、プラズマ流 120の概形を変形し電極 126で
のより均一な温度分散を得る際に図１２の永久磁石部材
150、 152と同様の効果を生じる。図１２の永久磁石部
材 150、 152と異なり、電磁石 158は必要な磁場を得る
ために直流電源に接続しなければならない。

【００７０】直流電源 160は、電磁石 158の第１端と電
極 126との間に接続される。同時に、反対側にある電磁
石 158の第２端はプラズマ・ガン16の陰極 142に接続さ
れる。電磁石 158をこのように接続することにより、単
一の直流電源 160は電磁石 158に電圧を供給し、プラズ
マ・ガン16と電極 126との間に必要な電圧を供給する。
しかし、共通直流電源 160を使うと、電磁石 158に印加
される電圧と電極 126に印加される電圧とを別々に調
整することができなくなる。直流電源 160を電磁石 158
を介してプラズマ・ガン16の陰極 142に接続することに
より、直流電源160は前記陰極 142に有効に直接に接続
されているので、直流電源 160の負端子は、先述した理
由から、電磁石 158に接続しなければならない。

【００７１】電磁石 158とは異なる形や構成を有する電
磁石を使うこともできる。また、電磁石 158は、直流電
源を必要とするような先述の電磁石部材ではなく、永久
磁石として構成してもよい。

【００７２】時折、熱噴射処理に用いられる粉末は異な
る材料の混合物である。この場合、材料によりは、特に
熱した際に、他の材料と容易に混じり合わないものもあ
るので、問題となる場合がある。この問題を克服するた
めに、かかる容易に混合しない粒子に処理を施し他の物
質の粒子に付着するようにすることが可能である。クロ
ムのような物質は、付着しにくい粒子の表面の一部もし
くは全面に塗った場合、付着性が高まることが知られて
いる。クロムは室温での混合、ボールを使う混合、電気
メッキなどのさまざまな技術を使い塗ることができる。
クロム被覆は他の粒子と混合しにくい酸化粒子の場合に
特に有効である。

【００７３】本発明は、本発明の好適な実施例とともに
示されかつ説明されているが、本発明の本質と範囲から
逸脱しない限り態様や詳細を種々に変更しうることは当
業者であれば理解しうるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る改良型熱粉末噴射装置および本発
明のその他の特徴を有するプラズマ装置についてのブロ
ック図と一部破断面となっている斜視図とを組み合わせ
た図である。

【図２】図１の装置の改良型熱粉末噴射装置の断面図で
あり、図２Ａの熱粉末噴射装置との関連で用いられ、付
着効率を高めるための加熱管延長装置の正面図である。

【図３】図２の装置の粉末噴射管を熱するために印加さ
れた電流と、この関数である粉末温度および管温度との
関係を示す図表である。

【図４】所定の粉末速度や前記粉末搬送管内のキャリア
・ガスの状態について、図２の装置と同様の装置の粉末
搬送管の長さと、その関数としての粉末排出温度との関
係を示す図表である。

【図５】図２の装置の場合と、かかる装置に延長管装着
した場合とについて、前記粉末搬送管を抵抗性加熱する
ために印加される電流と、その関数である、プラズマ装
置内のワーク上に吹き付けられる粉末粒子の塗布効率と
の関係を示す図表である。

【図６】図２の改良型粉末噴射装置を、ある種の粉末物
質用のプラズマ・ガンを用いて熱吹付を行うように改良
した装置の一部分の断面図である。

【図７】電源と電極リングを付加することにより装置内
のプラズマ流内の粉末粒子の加熱を向上させるようにし
た改良型プラズマ装置の一部分を示す概念図である。

【図８】電源と電極を付加することにより、プラズマ流
に沿った異なる領域内の粉末粒子加熱を制御するように
した改良型プラズマ装置の一部を示す概念図である。

【図９】図８のプラズマ装置と同様のプラズマ装置であ
って、ワークの過剰加熱を防止するために変換アーク電
源をワークから切り放すことができるようにしたプラズ
マ装置の一部分を示す概念図である。

【図１０】図８のプラズマ装置と同様のプラズマ装置で
あって、前記プラズマ・ガンの陰極に直列に接続された
電極用の直流電源を備えたプラズマ装置の一部を示す概
念図である。

【図１１】図１０のプラズマ装置と同様のプラズマ装置
であって、前記プラズマ・ガンに直列以外の態様で接続
された直流電源を有するプラズマ装置の一部を示す概念
図である。

【図１２】図８のプラズマ装置と同様のプラズマ装置で
あって、プラズマ流の流れる場所付近に複数の永久磁石
部材を配設しプラズマ流の成形と電極におけるプラズマ
熱を分散するようにしたプラズマ装置の一部分を示す概
念図である。

【図１３】図１２のプラズマ装置と同様のプラズマ装置
であって、永久磁石の代わりに電磁石を用いるようにし
たプラズマ装置の一部分を示す概念図である。

【符号の説明】

１０ プラズマ・チャンバ １６ プラズマ・ガン １８ プラズマ・ガン作動装置 ２０ 粉末供給装置

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１２月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉末搬送管の温度を、前記搬送管により
   搬送される粉末の融点直下にまで加熱する工程と、 粉末が実質的に粉末搬送管の温度以上の温度にまで加熱
   されるに十分な時間だけ粉末搬送管内に滞留するよう
   に、粉末を粉末搬送管内に通過させる工程と、 を備えたことを特徴とするプラズマ・ガンへ加熱粉末を
   搬送する方法。
2. 【請求項２】 前記粉末を粉末搬送管内に通過させる工
   程が、 粉末搬送管を通る粉末の所与の流量に対し、粉末が搬送
   管から排出されるまでに粉末搬送管の温度に比較的近い
   温度にまで加熱されるように管の長さを選択する工程を
   備えたことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記融点直下の温度は、軟化点を超えて
   粉末が付着や目詰まりをし始める臨界点まで粉末を加熱
   した後さらに臨界点温度を安全限界だけ下げることによ
   り、決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 所与の粒子の大きさと融点を有する粉末
   を所与の流量で供給する粉末フィーダからプラズマ・ガ
   ンへ加熱粉末を搬送する方法であって、 粉末フィーダとプラズマ・ガンを管で連結して粉末を所
   与の流量で粉末フィーダからプラズマ・ガンへ供給する
   工程と、 管の温度を、粉末の融点に比較的近く、しかし融点に達
   しない温度まで加熱する工程と、 所与の流量と粉末粒子の大きさと管の温度に対し、粉末
   をプラズマ・ガンへ供給する間に、管の温度に比較的近
   い温度に粉末を加熱するにたる長さを管に付与する工程
   と、 を備えたことを特徴とする方法。
5. 【請求項５】 加熱粉末を粉末源からプラズマ・ガンへ
   搬送する装置であって、 粉末源とプラズマ・ガンを連結する中空の加熱管と、 加熱管の両端に連結された電源と、 加熱管を中心に略同心的に配設されると共に、加熱管に
   より放射された熱を反射する中空の反射管と、 の組み合わせより成ることを特徴とする装置。
6. 【請求項６】 前記反射管が、同心でその間に空間を有
   する円筒状の内側と外側の壁を備え、 さらに、反射管の円筒状の内外壁間の空間を通って冷却
   流体を流動させる手段を設けたことを特徴とする請求項
   ５記載の装置。
7. 【請求項７】 前記反射管が反射内壁を有し、 さらに、反射管内に加熱管を同心円状に取り付けるた
   め、反射管の反射内壁と加熱管との間に複数のセラミッ
   ク・スペーサ素子を設けたことを特徴とする請求項５記
   載の装置。
8. 【請求項８】 前記反射管と加熱管の間に空間を有し、 さらに、前記反射管と加熱管との間の空間を通って不活
   性ガスを流動させる手段を備えたことを特徴とする請求
   項５記載の装置。
9. 【請求項９】 前記加熱管は、粉末が加熱管の略表面温
   度以上の温度で粉末源からプラズマ・ガンへ搬送される
   ように、前記加熱管を通る粉末の流量と加熱管の表面温
   度により決定される長さを有することを特徴とする請求
   項５記載の装置。
10. 【請求項１０】 圧力をかけた搬送ガス内の粉末を搬送
    する粉末源と、 前記粉末源と連結され、前記圧力をかけた搬送ガス内の
    粉末を受容する中空の加熱管と、 加熱管を粉末の略融点以上の温度まで加熱するために、
    加熱管に連結された電源と、 ワーク上に粉末の被覆を施すために、加熱管から離隔す
    るようにワークを位置決めする手段と、 の組み合わせより成ることを特徴とする請求項１記載の
    熱噴射装置。
11. 【請求項１１】 前記加熱管は、径が小さくなった頸部
    を有するノズルで終端していることを特徴とする請求項
    １記載の装置。
12. 【請求項１２】 ワークと、 前記ワークから離隔し、ワークにプラズマ流を供給する
    プラズマ・ガンと、 前記プラズマ・ガンにより供給されるプラズマ流に粉末
    を搬送する手段と、 プラズマ・ガンとワークの間のプラズマ流内に配設した
    電極と、 プラズマ・ガンと電極との間に電位差を生起するために
    連結した電源と、 の組み合わせから成ることを特徴とするプラズマ装置。
13. 【請求項１３】 前記電極が、プラズマ・ガンとワーク
    の中間位置に配設された環状の電極であり、前記電源
    が、プラズマ・ガンの陽極に接続される端子とワークに
    接続される反対側の端子を有する直流電源から成ること
    を特徴とする請求項１２記載のプラズマ装置。
14. 【請求項１４】 前記電源が、前記電極に接続される正
    端子とプラズマ・ガンの陰極に接続される負端子とを有
    する直流電源であることを特徴とする請求項１２記載の
    プラズマ装置。
15. 【請求項１５】 さらに、プラズマ流を取り囲んでプラ
    ズマ・ガンと電極との間に配設される中空の磁気部材を
    備え、前記磁気部材が、プラズマ流を形成してプラズマ
    流により電極に生じる熱を分散させる磁場を形成するこ
    とを特徴とする請求項１２記載のプラズマ装置。
16. 【請求項１６】 前記プラズマ流に粉末を搬送するため
    の手段は、粉末の略融点以上の温度に加熱された粉末を
    搬送することを特徴とする請求項１２記載のプラズマ装
    置。
17. 【請求項１７】 前記電極が、プラズマ流に沿って離隔
    して配設された複数の電極から成り、前記電源が、前記
    複数の電極の異なる一対の間に連結された複数の電源か
    ら成ることを特徴とする請求項１２記載のプラズマ装
    置。
18. 【請求項１８】 さらに、前記プラズマ・ガンに連結さ
    れる変換アーク電源と、前記変換アーク電源とワークの
    間に連結されるスイッチとを備えたことを特徴とする請
    求項１２記載のプラズマ装置。
19. 【請求項１９】 ワークと、 ワークから離隔してプラズマ流をワークへ供給するプラ
    ズマ・ガンと、 プラズマ流内でプラズマ・ガンとワークとの間にワーク
    と隣接して配設される電極と、 前記電極に連結されてワーク近傍に変換アークを生成す
    る直流電源と、 の組み合わせより成ることを特徴とする請求項１２記載
    のプラズマ装置。
20. 【請求項２０】 さらに、 第二の直流電源と、 ワークの清浄中以外は前記第二の直流電源がワークから
    切り離されるように第二の直流電源をワークに選択的に
    連結する手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１９記載のプラズマ装
    置。
21. 【請求項２１】 ワークと、 前記ワークから離隔して陰極を有すると共に、ワークに
    プラズマ流を付与するプラズマ・ガンと、 前記プラズマ・ガンとワーク間のプラズマ流内に配設さ
    れる電極と、 前記電極に接続される正端子とプラズマ・ガンの陰極に
    接続される負端子とを有する直流電源と、 の組み合わせより成ることを特徴とするプラズマ装置。
22. 【請求項２２】 前記電極が、プラズマ・ガンとワーク
    間のプラズマ流内に、互いに離隔して配設される複数の
    電極から成り、 前記直流電源が、それぞれ異なる電極に接続される正端
    子とプラズマ・ガンの陰極に接続される負端子とを有す
    る複数の直流電源から成る、 ことを特徴とする請求項２１記載のプラズマ装置。
23. 【請求項２３】 前記電極が、プラズマ・ガンとワーク
    の間のプラズマ流内に、互いに離隔して配設される複数
    の電極から成り、 前記直流電源が複数の直流電源から成り、少なくともそ
    の１つが前記複数の電極の１つに接続される正端子とプ
    ラズマ・ガンの陰極に接続される負端子とを有し、少な
    くともその１つが前記複数の電極の１つに接続される正
    端子と前記複数の電極の他の１つに接続される負端子と
    を有する、 ことを特徴とする請求項２１記載のプラズマ装置。
24. 【請求項２４】 ワークと、 前記ワークから離隔してプラズマ流をワークへ供給する
    プラズマ・ガンと、 前記プラズマ・ガンとワーク間のプラズマ流内に配設さ
    れる電極と、 前記電極に連結される直流電源と、 プラズマ・ガンと電極間のプラズマ流の周囲に配設され
    る磁気部材であって、磁場を形成してプラズマ流を形成
    し、それにより電極に生じる熱を分散させる磁気部材
    と、 の組み合わせより成ることを特徴とするプラズマ装置。
25. 【請求項２５】 前記電極が、電極から離隔してプラズ
    マ・ガンとワーク間のプラズマ流内に配設された複数の
    電極から成り、 前記直流電源が、それぞれ前記複数の電極の異なる１つ
    に連結された複数の直流電源から成り、 前記磁気部材が、プラズマ流の周囲に配設されると共に
    それぞれ前記複数の電極の異なる１つの上方に配設され
    る複数の磁気部材から成る、 ことを特徴とする請求項２４記載のプラズマ装置。
26. 【請求項２６】 前記磁気部材が、中空で略円筒形の永
    久磁化部材から成ることを特徴とする請求項２４記載の
    プラズマ装置。
27. 【請求項２７】 前記磁気部材が、略円筒形のコイル
    と、このコイルに連結された直流電源より成ることを特
    徴とする請求項２４記載のプラズマ装置。
28. 【請求項２８】 前記プラズマ・ガンが、陰極を有し、 前記磁石部材が、略円筒形のコイルから成り、 前記直流電源が、電極に接続される負端子とコイルの第
    一の端部に接続される負端子とを有し、 さらに、 前記コイルの第一の端子の反対側にある第二の端子をプ
    ラズマ・ガンの陰極に接続する手段を設けたことを特徴
    とする請求項２４記載のプラズマ装置。
29. 【請求項２９】 第一の材料の粉末粒子表面を、少なく
    とも一部被覆する工程と、 前記第一の材料の粉末粒子と、第一の材料とは異なる第
    二の材料の粉末粒子とを混合し、混合粉末を形成する工
    程と、 前記混合粉末を加熱する工程と、 前記加熱された混合粉末をプラズマ流の中へ導入してワ
    ークに熱噴射を施す工程と、 を備えたことを特徴とする混合粉末の熱噴射方法。
30. 【請求項３０】 前記第一の粉末粒子の表面を少なくと
    も一部被覆する工程が、前記第一の粉末粒子の表面をク
    ロムで被覆する工程より成ることを特徴とする請求項２
    ９記載の方法。
31. 【請求項３１】 熱噴射のために混合粉末を用意する方
    法であって、 第一及び第二の材料の粉末粒子を供給する工程と、 第一及び第二の材料が互いに引きつけ合うように、前記
    第一の材料の粉末粒子表面の少なくとも一部を第三の材
    料で被覆する工程と、 第一及び第二の材料の粉末粒子を混合する工程と、 を備えたことを特徴とする方法。
32. 【請求項３２】 前記第一の材料が金属酸化物であり、
    第三の材料がクロムであることを特徴とする請求項３１
    記載の方法。