JP5284774B2 - 粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマジェット中の溶融粒子の飛行速度を加速させることにより緻密な皮膜を形成することができる粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法に関するものである。

プラズマ溶射は、高温、高速のプラズマフレームを熱源として利用するため、融点の高い材料についても容易に溶融させて基材表面に吹き付けることができ、機械部品の摺動部等に好適で緻密な皮膜をその表面に形成することができる。

図９は従来のプラズマ溶射装置によって基材表面に皮膜が形成される様子を示した説明図である。

同図において、プラズマ溶射装置（プラズマガン）５０は、銅合金とタングステンからなる陽極５０ａ及び陰極５０ｂを有し、これらの電極は図示しない直流電源に接続されている。また、陽極５０ａおよび陰極５０ｂにはそれぞれ冷却水が供給され高温のプラズマフレームから保護されるようになっている。

５０ｃはプラズマガスとしての例えば高圧アルゴンガスＡｒを供給する供給口であり、５０ｄは粉末原料Ｍを供給するポートである。

プラズマ発生室に発生したプラズマフレームは、ノズル部５０ｅによって収束され高温、高速のプラズマジェットとして噴射され、プラズマジェットに投入されて溶融した溶融粒子はそのプラズマジェットによって加速され、基材５１の表面に衝突し皮膜Ｌを形成する。

ところが、従来のプラズマ溶射装置５０によって形成された皮膜Ｌの内部組織には５〜１０μｍ程度の空隙が多数存在しており、これらの空隙は皮膜性能の低下に少なからず影響を及ぼしている。

そこで、溶融粒子の飛行速度をより加速させることにより、空隙の少ないより緻密な皮膜を形成し得るプラズマ溶射装置が検討されている。

溶融粒子の飛行速度を加速させる加速ノズルとしては、例えば、ノズル孔の周方向内壁に噴射口を備え、高速ガス流をノズル先端側に向けて略筒状に噴射するように構成された加速ノズルが知られている（特許文献１参照）。

図１０は、上記加速ノズルの構成を示したものであり、同図(ａ)はノズル断面図、同図(ｂ)は図１０(ａ)のＳ部拡大図である。

両図において、加速ノズル６０は、ノズル入口部６０ａにキャリアガスを導入するようになっており、導入されたキャリアガスは、内径が絞られたスロート部６０ｂを通過することによって高速の主流ガス流Ｇｓを形成し、その主流ガス流Ｇｓによって溶融した材料を微粒化し、その微粒化した粒子をノズル出口部６０ｃから噴射するようになっている。

また、加速ノズル６０は、複数のリング状部品６１ａ〜６１ｊを、ノズル中心軸方向に連結した多段ノズルから構成されている。

なお、６０ｄは各リング状部品６１ａ〜６１ｉを貫通しているシールドガス供給路であり、このシールドガス供給路６０ｄは、リング状部品６１ａ〜６１ｊの連結部分に設けられた環状通路６０ｅと連通し、各環状通路６０ｅはさらにノズル内壁に形成された環状のスリット（噴射口）Ｔと連通している。

上記スリットＴは、連結された上流側リング状部品６１ａと下流側リング状部品６１ｂの内壁段差部分に環状に開口しており、加速ノズル６０の筒軸方向に複数段設けられている。それにより、主流ガス流Ｇｓの周囲に筒状のシールドガス流ＳＧｓを形成し、粒子の飛行速度を加速することができるようになっている。

したがって、プラズマジェットを主流ガス流Ｇｓとし、その周囲に配置された複数のスリットＴからキャリアガスの一部をシールドガスＳＧｓとして供給すれば、粒子の飛行速度が高速化されるとともに、プラズマジェットが延長されプラズマジェットの高温域を延長する効果が得られるはずである。
特開２００８−８０３２３号公報

しかしながら、プラズマ溶射装置のノズル先端に上記加速ノズルを接続し、ノズル内壁への溶融粒子の付着を防止しつつ溶融粒子の高速化を図るには、膨大な量のシールドガスを必要とし、上記シールドガスとして不活性ガスを使用することはコスト面から見ても現実的でない。

そこで、不活性ガス以外のガスを使用することも考えられるが、その場合、プラズマジェットの温度を低下させてしまうという新たな問題が発生する。

また、加速ノズルの上流側に位置するプラズマ溶射装置については現状より高い圧力のキャリアガスを用いて粉末原料をプラズマジェットの中心に投入する必要が生じるため、粉末原料の供給をコントロールすることが難しくなるという課題がある。また、キャリアガスの圧力を高めるとプラズマジェットに偏りが生じ加速ノズルの内壁に粒子が付着するという課題もある。

本発明は以上のような従来のプラズマ溶射における課題を考慮してなされたものであり、第一の目的は、プラズマ溶射において溶融した粒子のノズル内壁への付着を防止しつつ飛行速度を高め、皮膜性能の向上を図ることができる粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法を提供することにあり、第二の目的は、プラズマジェットを偏らせることなく粉末原料をプラズマジェットに投入してノズル内壁に粒子が付着することを防止できる粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の第一の形態は、粉末原料を供給して溶射原料とし、成膜するプラズマ溶射装置において、
上記プラズマジェットを噴射するプラズマガンのノズル部と接続される加速ノズルを有し、
上記加速ノズルは、その先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有し、上記ノズル孔における周方向内壁に、加速ノズル先端側に向けて略筒状のシールドガスを噴射するための噴射口が形成され、
上記噴射口は、上記ノズル孔の中心軸方向に複数段設けられ、各段の噴射口にガスを供給するガス供給路が個別に設けられ、プラズマジェットの噴射方向において少なくとも最上流側の上記噴射口に通じる上記ガス供給路に、不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスが供給されるように構成されている粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置である。

上記プラズマ溶射装置において、上記プラズマガンと上記加速ノズルの間に、上記粉末原料をキャリアガスを介して上記プラズマジェットに供給する粉末原料供給路を設けることが好ましい。

また、上記粉末原料供給路は、上記ノズル孔の中心軸と略直交する方向において上記ノズル孔の両側に一対設けることができ、また、上記ノズル孔の中心から等角度で放射状に延びる線上に配設することもできる。

また、上記加速ノズルは、内径が異なる複数のリング状部品を筒状に連結したものから構成すれば、隣接する上記リング状部品の段差部に、上記噴射口を環状に開口させることができる。

また、上記リング状部品の内周側端部に、上記ガスの流れを上記加速ノズルの中心軸と略平行に向けるガス流偏向部を形成することが好ましい。

本発明の第二の形態は、電極間に発生させたアークにガスを供給してプラズマガスを形成し、そのプラズマガスを収束させたプラズマジェットに粉末原料を供給して被処理対象に溶射するプラズマ溶射方法において、
上記プラズマジェットを噴射するプラズマガンのノズル部に、先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有する加速ノズルを接続し、
上記ノズル孔の中心軸方向に複数段設けられた噴射口からガスを噴射し、プラズマジェット噴射方向における少なくとも最上流側の噴射口からは不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを筒状に噴射し、
上記プラズマガンから噴射されるプラズマジェットの周囲にシールドガス流を形成し、上記ノズル孔を通過する溶融粒子を加速させるプラズマ溶射方法である。

上記プラズマ溶射方法において、上記プラズマガンと上記加速ノズルの間に設けられた粉末原料供給路からキャリアガスを介して粉末原料を供給することが好ましい。

また、上記ノズル孔の中心軸と略直交する方向において上記ノズル孔の両側に一対設けられた粉末原料供給路から、または上記ノズル孔の中心から等角度で放射状に延びる線上に配設された粉末原料供給路から上記粉末原料を上記プラズマジェットに供給することができる。

なお、本発明におけるプラズマ溶射とは、大気圧中で行う大気圧プラズマ溶射と、減圧環境下で行う減圧プラズマ溶射の両方が含まれる。

本発明の加速ノズルのガス供給路に供給されるガスとしては、酸素、圧縮空気、水素、炭酸ガスや、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガス、またはこれらの混合ガスが示される。

また、不活性ガスを主成分とするガスとは、例えば不活性ガスに体積パーセントで１〜３０％の水素ガスを含むようなガスが示される。

本発明において、粉末原料には、金属材料、セラミックス、サーメット、ポリマー材料等が含まれる。

本発明において、プラズマジェットに供給する粉末原料は、同種の材料を供給する場合に限らず、異種材料の混合供給も含まれる。また、例えば金属材料を投入した後、セラミックスを投入する等、材料の種類を経時的に変えて供給する場合も含まれる。

本発明の粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置およびプラズマ溶射方法によれば、プラズマ溶射において溶融した粒子の飛行速度を加速させて皮膜性能の向上を図ることができる。

また、プラズマジェットを偏らせることなく粉末原料をプラズマジェットに投入してノズル内壁への粒子の付着を防止することができる。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

1 粒子加速ノズル付き溶射装置の構成
図１は本発明に係る粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置（以下、粒子加速溶射装置と略称する）の構成を示したものである。

同図において、粒子加速溶射装置１は、プラズマを発生させプラズマジェットをプラズマガンノズル部２から噴射するプラズマガン３と、そのプラズマガン３の先端に設けられるアタッチメント部品（接続部品）４と、このアタッチメント部品４の先端に設けられる加速ノズル５とから主として構成されている。

以下、各部の構成について詳しく説明する。

1.1 アタッチメント部品
上記アタッチメント部品４には、キャリアガスを介し粉末原料ＭをプラズマジェットＦ中に投入するための粉末原料供給路６，６が設けられている。

これら粉末原料供給路６，６は、加速ノズル５の中心軸Ｃと略直交する方向においてノズル孔Ｈの上下両側に対向する状態で設けられており、プラズマジェットＦに対し２方向から粉末原料Ｍを供給するようになっている。

従来の粉末原料供給方法のように、プラズマジェットＦに対して直交する１方向のみからキャリアガスを介して粉末原料を供給すると、プラズマジェットＦが偏りやすくなり、ノズル内壁への溶融粒子の付着が増加する。

これに対し、本実施形態の粉末原料供給路６，６のように、対向する２方向から粉末原料Ｍを供給するとともに、供給量を１／２にしてプラズマジェットＦに投入すれば、キャリアガスの圧力が相殺されることになり、プラズマジェットＦの偏り量を少なくすることができる。それにより、ノズル内壁への溶融粒子の付着を低減することができる。

なお、本実施形態では対向する２方向から粉末原料Ｍを供給する構成について説明したが、２方向以上の方向から粉末原料Ｍを供給することもできる。例えば、ノズル孔Ｈと略直交する方向においてノズル孔Ｈの中心から等角度で放射状に延びる線上に粉末原料供給路を配設し、プラズマジェットＦの中心に向けて複数方向から粉末原料Ｍを供給することもできる。

1.2 加速ノズル
加速ノズル５は、そのノズル孔Ｈを通過するプラズマジェットＦの周囲に筒状のシールドガス流を形成するようになっており、筒状の本体部５ａと、その本体部５ａの内周側に配置されるノズル部５ｂとから主として構成されている。

上記ノズル部５ｂは、複数のリング状部品５ｃ〜５ｆを有し、それらの中心をプラズマジェットＦが通過するようになっている。

各リング状部品５ｃ〜５ｆは、加速ノズル５の中心軸Ｃ方向に連結されており、プラズマジェットＦの噴射方向（矢印Ｂ方向）において最も上流側に、１段目となる金属製のリング状部品５ｃが配置され、下流側に向けて同じく２段目となるリング状部品５ｄ、３段目となるリング状部品５ｅ、４段目となるリング状部品５ｆがそれぞれ順番に配置されている。

ノズル部５ｂにおいて最も下流側に位置し、５段目となるノズルエンド５ｇは上記本体部５ａの一部で構成されている。

隣接するリング状部品５ｃと５ｄ、５ｄと５ｅ、５ｅと５ｆおよびリング状部品５ｆとノズルエンド５ｇの間にはそれぞれプラズマジェットＦの噴射方向に向けてスリット（圧縮空気を噴射するための噴射口）Ｔ_１〜Ｔ_４が環状に形成されており、また、各スリットＴ_１〜Ｔ_４には、本体部５ａに一対設けられた圧縮空気供給ポート５ｈ，５ｈから連通路５ｉ、ガス供給路５ｊ〜５ｍを通じ、ガスＳＧ_１が供給されるようになっている。

本実施形態ではガスＳＧ_１として圧縮空気を使用し、その供給条件は、例えば、圧力０．５ＭＰａ、流量３Ｎｍ^３／ｍｉｎである。

なお、ガス供給路５ｊ〜５ｍに供給するガスＳＧ_１は、一種に限らず、複数種類から構成することもできる。例えば、ガス供給路５ｊに不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを供給し、残りのガス供給路５ｋ〜５ｍに圧縮空気を供給することもできる。

また、ガス供給路５ｊ〜５ｍのうちの複数のガス供給路に不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを供給し、残りのガス供給路に圧縮空気を供給することもできる。

また、ガス供給路５ｊ〜５ｍのすべてのガス供給路に不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを供給することもできる。

また、圧縮空気に代えて酸素、水素、炭酸ガス等を使用することもできる。

さらにまた、上記圧縮空気と不活性ガス（または不活性ガスを主成分とするガス）とを混合した混合ガスを供給することもできる。

一方、アタッチメント部品４とリング状部品５ｃとの間には、不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスＳＧ_２を供給するガス供給路５ｎが設けられ、このガス供給路５ｎはスリット（最も上流側の噴射口）Ｔ_０と連通しており、不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスをそのスリットＴ_０から加速ノズル５内に噴射するようになっている。

以下の説明では不活性ガスとしてのアルゴンガスをガス供給路５ｎに供給する場合について説明する。

上記構成において、粒子を加速させる際に、まず、加速ノズルの上流側においてはプラズマジェットＦの周囲の空気に対して熱容量の小さいアルゴンガスＳＧ_２を第一のシールドガスとして供給し、空気の巻き込みによるプラズマジェットの温度低下を防ぐことによりプラズマジェットＦを安定させ、次いで溶融した粒子を加速させるだけの目的には第二のシールドガスとして例えば圧縮空気ＳＧ_１用を用い、それにより、アルゴンガスのみで粒子を加速させる場合と同程度の加速効果を得つつ、不活性ガスの消費量削減を可能にしている。

また、各リング状部品５ｃ〜５ｆにおいて、上流側のリング状部品に対し下流側のリング状部品のノズル孔径は大きく形成されており、その孔径の違いによって生じる段差を利用して上記スリットＴを確保している。このように、下流側に向けてノズル孔径を段階的に拡径することにより、同時に、溶融状態の粒子が多く飛行している領域からノズル内壁を遠ざけることを可能にしている。

なお、一つのスリットＴから加速ノズル５内に圧縮空気ＳＧ_１を供給しても、ある距離についてガスと粒子が移動すると、やがては加速ノズル５内に少なからず存在する乱れによって粒子が加速ノズル５の内壁近くまで拡散してしまう。

そこで、本実施形態の加速ノズル５では、複数のリング状部品５ｃ〜５ｆを連結することによって加速ノズル５を構成するとともに、リング状部品５ｃ〜５ｆおよびリング状部品５ｆとノズルエンド５ｇの各連結部分に形成されたスリットＴからそれぞれ圧縮空気ＳＧ_１を、ノズル中心軸Ｃと略平行な方向で加速ノズル５内に噴射し、圧縮空気ＳＧ_１の噴射を、粒子の加速に必要な長さまで繰り返し行っている。

また、加速ノズル５内に圧縮空気ＳＧ_１を供給する間隔は、リング状部品５ｃ〜５ｆの厚みによって決定されるが、通常は５〜２０ｍｍの範囲内で選択することができる。

例えば、加速ノズル５の内壁に粒子の付着が見られた場合には厚みの薄いリング状部品に交換し、粒子の付着がない場合にはリング状部品の厚さを増すといった厚み調整を行うことができる。

粒子の加速に必要な加速ノズル５の長さは、溶射材やその供給方法によって、或いは、加速ノズル５内のガス流速によって変更する必要があるが、リング状部品の連結枚数を変更することによって加速ノズル５の長さを比較的簡単に調節することができる。

本実施形態では上記したようにリング状部品の連結枚数を変えるという簡単な方法で加速ノズル５の長さを調整できるようにしているため、加速ノズル５全体をその都度製作し直す必要がないという利点がある。

また、メンテナンス時には、加速ノズル５の分解清掃が必要になるが、本実施形態の加速ノズル５はリング状部品単位で分解できるため、加速ノズル５におけるどの部位についても清掃が可能であり、メンテナンスに要する時間を大幅に短縮することが可能になっている。

1.3 シールドガスの供給方法
圧縮空気ＳＧ_１およびアルゴンガスＳＧ_２の供給方法について説明する。

加速ノズル５内で、プラズマガス、圧縮空気ＳＧ_１、アルゴンガスＳＧ_２が釣り合った状態となるように、圧縮空気ＳＧ_１およびアルゴンガスＳＧ_２の供給量を制御し、圧縮空気ＳＧ_１は連通路５ｉおよびガス供給路５ｊ〜５ｍを通じ、隣接するリング状部品５ｃ〜５ｆの間およびリング状部品５ｆとノズルエンド５ｇの間の通路に分岐させ、各スリットＴ_１〜Ｔ_４から噴出させる。

また、アルゴンガスＳＧ_２については、アタッチメント部品４とリング状部品５ｃとの間のガス供給路５ｎに直接供給し、スリットＴ_０から噴出させる。

1.4 リング状部品
リング状部品５ｃ〜５ｆは基本的に同じ構成であるため、以下、リング状部品５ｅを代表して構成を説明する。

図２において、ガス流偏向部５ｓは、リング状部品５ｅにおける下流側内周縁が顎状に突出形成されたものであり、隣接するリング状部品５ｆにおける上流側端面５ｆ′を超えてさらに下流側に延設されることにより、環状のスリットＴ_３を形成している。すなわち、ガス流偏向部５ｓは、圧縮空気ＳＧ_１をノズル中心軸Ｃと平行に供給するための助走区間として機能するようになっている。

このような環状のスリットＴ_３が、隣接するリング状部品５ｃ〜５ｆの間、およびノズルエンド５ｇとの間にそれぞれに形成されている（図１のスリットＴ_１〜Ｔ_４参照）。

したがって、各圧縮空気供給ポート５ｈ，５ｈから供給される圧縮空気ＳＧ_１は、ガス流偏向部５ｓと隣接するリング状部品５ｆとによって鉤状に形成される通路Ｄを流れることによってガス流の向きがノズル中心軸Ｃ方向に変更され、スリットＴ_３から加速ノズル５内に噴射されるようになっている。

また、リング状部品５ｃ〜５ｆの中心に形成されている貫通孔の径は、噴射方向Ｂ（図１参照）に向けて段階的に大きくなるように構成されており、各リング状部品５ｃ〜５ｆを連結すると、上記貫通孔が先拡がり形状となっている。

また、図３は粒子加速溶射装置１の別の断面を示したものである。

なお、同図において図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

加速ノズル５にはアルゴンガス供給ポート５ｑ，５ｑが設けられ、アルゴンガスＳＧ_２が供給されるようになっている。

詳しくは、アルゴンガス供給ポート５ｑ，５ｑに供給されたアルゴンガスＳＧ_２は、連通路５ｒを通じ、アタッチメント部品４と１段目のリング状部品５ｃと間のガス供給路５ｎを流れ、１段目リング状部品５ｃの上流側のスリットＴ_０からアルゴンガスＳＧ_２を噴出するようになっている。

上記アルゴンガス供給ポート５ｑ、連通路５ｒ、ガス供給路５ｎは不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを供給するガス供給路として機能する。

なお、アタッチメント部品４においてプラズマジェットＦを通過させる貫通孔の周縁部にもリング状部品のガス流偏向部５ｓと同じ形状のガス流偏向部４ａが形成されている。

また、上記実施形態では同じ厚さのリング状部品を複数枚連結することによってノズルを構成したが、異なる厚さのものを混在させて連結することもできる。

また、上記実施形態の加速ノズル５ではノズル出口に向けて内径が段階的に拡大する末広ノズルで構成したが、連続的に拡大する末広ノズルで構成することもできる。この場合、ノズル内壁円周位置に噴射口を多数配列することによってノズル中心軸と略平行に且つ下流側に向けて圧縮空気を噴射することになる。

2 粒子加速溶射装置による溶射方法
次に、上記構成を有する粒子加速溶射装置１の溶射方法について図１及び図３を参照しながら説明する。

圧縮空気供給ポート５ｈから供給された圧縮空気ＳＧ_１を、各リング状部品５ｃ〜５ｆの間、およびリング状部品５ｆとノズルエンド５ｇの間の各スリットＴ_１〜Ｔ_４から高速ガス流として加速ノズル５内に噴射するとともに、アルゴンガス供給ポート５ｑから供給されたアルゴンガスＳＧ_２を、アタッチメント部品４と１段目リング状部品５ｃとの間のスリットＴ_０から加速ノズル５内に噴射する。それにより、圧縮空気ＳＧ_１とアルゴンガスＳＧ_２の混合流でノズル内壁を覆う高速のシールドガス流が形成される。

ノズル内壁への粒子付着防止効果を得るためには、粒子を十分加速させる必要がありそのためには多量の不活性ガスを消費する。これに対し本実施形態のように、圧縮空気を併用する構成では消費ガスを削減することも可能になる。

一方、粉末原料供給路６，６からキャリアガスを介して粉末原料Ｍを供給し、プラズマガン３から噴射されるプラズマジェットＦに対し、対向する２方向からそれぞれ１／２の供給量（１方向からのみから投入する場合の投入量を１とした場合）で粉末原料Ｍが投入される。それにより、プラズマジェットの偏りが抑制され、ノズル内壁への粒子の付着も防止できる。

プラズマジェットＦ中で溶融された粒子は、さらに加速ノズル５内を通過することによりノズル内壁に粒子を付着することなく粒子飛行速度の減衰も抑制され、加速ノズル５の出口部から噴射されることによりさらに溶融粒子が超音速まで加速され、その結果、高速で基材表面（図示しない）に衝突して皮膜を形成する。

2.1 粒子速度分布
図４は本実施形態の粒子加速溶射装置１による粒子速度と、従来構成のプラズマガンによる粒子速度とを比較したグラフである。

横軸はプラズマガンノズル先端からの距離（加速ノズルをプラズマガンに装着した場合も同じ）を示し、縦軸は粒子速度を示している。また、粉末原料の平均粒子径は６μｍである。

従来のプラズマガンの粒子速度特性Ｇ１において、プラズマガンノズル先端からの距離７０ｍｍにおいては粒子速度は５７０ｍ／ｓｅｃであるが、距離９０ｍｍでは粒子速度は５２５ｍ／ｓｅｃまで低下する。

従来のプラズマガンよりも緻密な皮膜を得るため、本実施形態では、粒子速度の目標値を６００〜６５０ｍ／ｓｅｃに設定し、溶射実験を行った。

その結果、本実施形態による特定Ｇ２では、プラズマガンノズル先端から８５ｍｍの位置では粒子速度が７３２ｍ／ｓｅｃと目標値を大きく超える粒子加速効果が得られた。

さらに、プラズマガンノズル先端から１０５ｍｍの位置でも粒子速度は７２１ｍ／ｓｅｃと粒子加速効果が得られ、プラズマガンノズル先端から１３５ｍｍの位置でも粒子速度は６６６ｍ／ｓｅｃと目標値を上回る粒子加速効果が得られた。

このように、シールドガスとして圧縮空気ＳＧ_１とアルゴンガスＳＧ_２を併用することで不活性ガスの消費量を抑えつつ、粒子速度の高速化が達成された。

3 皮膜性能
3.1 Ｃｕ皮膜断面組織
次に、プラズマジェット内への空気巻き込みを極力抑え、粒子を加速することによる皮膜性能への影響を調べるために、まず、溶射された皮膜の断面組織を観察した。

図５(ａ)は従来のプラズマガンを用い、粉末原料としてのＣｕを外部供給方式によって供給し溶射を行った場合の皮膜断面組織を示し、同図(ｂ)は本実施形態の粒子加速溶射装置によってＣｕを溶射した場合の皮膜断面組織を示したものである。

なお、各図において、堆積物のミクロ観察写真を分析した皮膜断面組織の左側は倍率２００倍、右側は倍率１５００倍を示している。粉末原料の平均粒子径はいずれも３０μｍである。

従来の溶射では、溶射後の外観は表面が酸化によって黒く変色しており、同図(ａ)に示すように、断面組織には酸化物の巻き込み（図中、ａ参照）や空隙（図中、ｂ参照）が多数存在している。

これに対し、本実施形態による溶射では、溶射後の外観は酸化が極めて少なく、表面が明るい茶色を呈している。また、同図(ｂ)に示すように、断面組織には酸化物の巻き込みがなく、空隙も極めて少ない。

このように、本実施形態によって形成されたＣｕ皮膜は、従来のＣｕ皮膜と比較して酸化物の巻き込みが少なく、酸化抑制効果の得られることが確認できた。

なお、上記実施形態では、加速ノズル内部において粉末原料と雰囲気ガスとの反応が抑制されるよう不活性ガスを使用した場合について説明したが、積極的に粉末原料とガスとを化学的に反応させることを目的とする場合には、粉末原料に対して活性なガスを加速ノズル内に導入することもできる。

具体的には、粉末原料と反応性ガス（または不活性ガスと反応性ガスとの混合ガス）とを加速ノズル内に導入し、反応性ガス濃度を変化させることによって粉末原料と反応性ガスとの化学反応をコントロールすれば、目的とする組成の皮膜を形成することができる。

例えば、チタンの粉末原料を使用するとともに、不活性ガスとしてアルゴン、反応性ガスとして窒素をそれぞれ使用し、反応性ガス濃度を変化させることにより、柔らかくて延性の高いチタン皮膜やチタンナイトライドを含む硬質なチタン皮膜を形成することができる。

また、溶射中、反応性ガス濃度を連続的に変化させれば、厚み方向に硬さが連続的に変化する皮膜を形成することもできる。

3.2 アルミナ皮膜断面組織
図６は、従来装置によって形成されたアルミナ皮膜と本実施形態によって形成されたアルミナ皮膜の断面組織を比較した図である。

同図(ａ)は粉末原料を外部供給方式によって供給した従来のアルミナ皮膜を示し、同図(ｂ)は本実施形態によるアルミナ皮膜を示している。

図６(ａ)に示すように、従来装置で形成されたアルミナ皮膜では、気孔率が１０％以上であり、また、粒子間の隙間が多いことから結合力の弱いことが推定される。また、絶縁破壊電圧を測定したところ、膜厚２００μｍのとき１ｋＶＤＣを下回った。

これに対し、本実施形態によるアルミナ皮膜では、気孔率が２〜４％に留まり、１〜２μｍ程度の小さな気孔しか存在していない。また、絶縁破壊電圧を測定したところ、膜厚２００μｍのとき１０ｋＶＤＣ以上であり、従来の皮膜に比べ皮膜性能の優れていることが確認できた。

3.3 摩耗試験結果
図７は従来装置によるアルミナ皮膜の耐摩耗性と本実施形態によるアルミナ皮膜の耐摩耗性を比較したグラフである。

同グラフは、アブレシブ摩耗を評価するスガ式摩耗試験による試験結果であり、横軸は粉末原料として用いたアルミナの平均粒径を示し、縦軸は総摩耗量を示している。

また、溶射距離は７０ｍｍとした。

特性Ｇ３に示すように、平均粒径６μｍのアルミナを使用して形成された皮膜において、従来装置による皮膜では総摩耗量が３８．２ｍｇであったが、本実施形態による皮膜では特性Ｇ４に示すように、総摩耗量が１７．６ｍｇにまで低減され、皮膜性能の向上が確認された。

なお、平均粒径２０μｍのアルミナを使用した場合は、従来装置による皮膜と本実施形態による皮膜との間で総摩耗量の差はほとんど無くなることから、粉末原料の粒径が小さくなるほど皮膜の粒子間結合強度が大きくなると推定される。

また、平均粒径６μｍのアルミナを使用し、溶射距離を５０ｍｍとして溶射を行ったところ、総摩耗量は１１．８ｍｇ（図中、白三角記号のｃ点参照）まで低減され、より耐摩耗性の優れた皮膜の得られることが確認された。

また、図中、ｄ点は参考例として、平均粒径３μｍのアルミナを使用し従来装置によって形成した皮膜の耐摩耗性を示したものであり、摩擦回数４００回で基材が露出した。

一方、本実施形態により形成した皮膜の総摩耗量は１１ｍｇ（グラフ中、ｅ点参照）まで低減され、より耐摩耗性の優れた皮膜が得られることが確認された。

3.4 絶縁破壊電圧測定結果
図８は、従来装置によって１方向から粉末原料を供給し溶射することによって形成された皮膜と本実施形態の２方向から粉末原料を供給し溶射することによって形成された皮膜の絶縁破壊電圧を比較したグラフである。

同グラフにおいて、横軸は溶射距離を示し、縦軸は絶縁破壊電圧値を示している。

溶射膜厚は２００μｍとした。

図中、特性Ｇ５〜Ｇ７は溶射材料として平均粒径１０μｍのアルミナを使用し、溶射距離を変化させた場合の絶縁破壊電圧を測定したものである。絶縁破壊電圧値（平均値）は９．３８（Ｇ５）、１０．１１（Ｇ６）、１０．１１（Ｇ７）ｋＶＤＣであったが、溶射時にいずれもノズル内壁に粒子の付着が見られた。

特性Ｇ８およびＧ９は、平均粒径２０μｍのアルミナを使用し、同じく溶射距離を変化させた場合の絶縁破壊電圧を測定したものである。絶縁破壊電圧値（平均値）は８．９３（Ｇ８）、８．６１（Ｇ９）ｋＶＤＣであり、平均粒径１０μｍのアルミナを使用した場合の皮膜に比べて絶縁破壊電圧値は低下するものの溶射時においてノズル内壁への粒子の付着は見られなかった。

緻密な皮膜を形成するには平均粒径２０μｍよりも小さい粒径、より好ましくは１０μｍを下回る平均粒径を粉末原料として使用することが望ましい。そこで、平均粒径６μｍのアルミナを使用し、溶射距離７５ｍｍで溶射を行ったところ、絶縁破壊電圧値（平均値）は８．１１（Ｇ１０）であったが、ノズル内壁への付着があった。

上記の特性Ｇ５〜Ｇ１０はいずれも１方向から粉末原料を供給したものである。

これに対し、本実施形態の対向する２方向から粉末原料を供給し溶射を行う方法では、従来装置によって形成された皮膜の絶縁破壊電圧を上回る絶縁破壊電圧値（平均値）１１．４８（Ｇ１１）ｋＶＤＣが得られ、しかも、ノズル内壁への粒子の付着は見られなかった。

なお、上記実施形態では粉末原料を対向する２方向から供給する構成について説明したが、これに限らず、ノズルの中心軸Ｃに沿って供給することもできる。

プラズマ溶射装置には、３本の電極よりプラズマジェットを発生させるように構成された溶射ガンがある。このような構成の溶射ガンに本発明の加速ノズルを装着する場合、複数の電極の中心付近からプラズマジェットの噴射方向と同方向に粉末原料を投入し、溶融粒子を加速ノズルで加速させることができる。

本発明に係る粒子加速溶射装置の構成を示す断面図である。 図１に示すリング状部品におけるガス流偏向部の形状を説明する要部断面図である。 本発明に係る粒子加速溶射装置の別の断面を示す図１相当図である。 本実施形態の粒子加速溶射装置による粒子飛行速度と従来装置による粒子飛行速度とを比較したグラフである。 (ａ)は従来装置によって形成された皮膜断面組織であり、(ｂ)は本実施形態の粒子加速溶射装置によって形成された皮膜断面組織である。 (ａ)は従来装置によって形成された皮膜の気孔率を説明する断面組織であり、(ｂ)は本実施形態の粒子加速溶射装置によって形成された皮膜の気孔率を説明する断面組織である。 本実施形態によるアルミナ皮膜と従来装置によるアルミナ皮膜の耐摩耗性を比較したグラフである。 従来装置による１方向粉末原料供給方式と本実施形態による２方向粉末原料供給方式とによる絶縁破壊電圧値を比較したグラフである。 従来のプラズマ溶射装置による溶射原理を説明する説明図である。 (ａ)は従来の加速ノズルの構成を示す断面図、(ｂ)はそのＳ部拡大図である。

符号の説明

１ 粒子加速溶射装置
２ プラズマガンノズル部
３ プラズマガン
４ アタッチメント部品
４ａ ガス流偏向部
５ 加速ノズル
５ａ 本体部
５ｂ ノズル部
５ｃ〜５ｆ リング状部品
５ｇ ノズルエンド
５ｈ 圧縮空気供給ポート
５ｉ 連通路
５ｊ〜５ｍ ガス供給路
５ｎ ガス供給路
５ｑ アルゴンガス供給ポート
６ 粉末原料供給路
５ｒ 連通路
５ｓ ガス流偏向部
Ｆ プラズマジェット
ＳＧ_１ 圧縮空気
ＳＧ_２ アルゴンガス
Ｔ_０，Ｔ_１〜Ｔ_４ スリット（噴射口）

Claims (8)

1. 粉末原料を供給して溶射原料とし、成膜するプラズマ溶射装置において、
   プラズマジェットを噴射するプラズマガンのノズル部と接続される加速ノズルを有し、
   上記加速ノズルは、その先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有し、上記ノズル孔における周方向内壁に、加速ノズル先端側に向けて略筒状のシールドガスを噴射するための噴射口が形成され、
   上記噴射口は、上記ノズル孔の中心軸方向に複数段設けられ、各段の噴射口にガスを供給するガス供給路が個別に設けられ、プラズマジェットの噴射方向において少なくとも最上流側の上記噴射口に通じる上記ガス供給路に、不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスが供給されるように構成され、上記最上流側の噴射口以外の上記各段の噴射口のうち、少なくとも一つの上記噴射口に通じる上記ガス供給路に圧縮空気、酸素、水素、又は炭酸ガスが供給されるように構成されていることを特徴とする粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置。
2. 上記プラズマガンと上記加速ノズルの間に、上記粉末原料をキャリアガスを介して上記プラズマジェットに供給する粉末原料供給路が設けられている請求項１記載の粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置。
3. 上記粉末原料供給路は、上記ノズル孔の中心軸と略直交する方向において上記ノズル孔の両側に一対、または上記ノズル孔の中心から等角度で放射状に延びる線上に配設されている請求項２記載の粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置。
4. 上記加速ノズルは、内径が異なる複数のリング状部品を筒状に連結したものからなり、隣接する上記リング状部品の段差部に、上記噴射口が環状に開口している請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置。
5. 上記リング状部品の内周側端部に、上記ガスの流れを上記加速ノズルの中心軸と略平行に向けるガス流偏向部が形成されている請求項４に記載の粒子加速ノズル付きプラズマ溶射装置。
6. 電極間に発生させたアークにガスを供給してプラズマガスを形成し、そのプラズマガスを収束させたプラズマジェットに粉末原料を供給して被処理対象に溶射するプラズマ溶射方法において、
   上記プラズマジェットを噴射するプラズマガンのノズル部に、先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有する加速ノズルを接続し、
   上記ノズル孔の中心軸方向に複数段設けられた噴射口からガスを噴射し、プラズマジェット噴射方向における少なくとも最上流側の噴射口からは不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを筒状に噴射し、プラズマジェット噴射方向における上記最上流側の噴射口以外の上記各段の噴射口のうち、少なくとも一つの上記噴射口から圧縮空気、酸素、水素、又は炭酸ガスを筒状に噴射し、
   上記プラズマガンから噴射されるプラズマジェットの周囲にシールドガス流を形成し、上記ノズル孔を通過する溶融粒子を加速させることを特徴とするプラズマ溶射方法。
7. 上記プラズマガンと上記加速ノズルの間に設けられた粉末原料供給路からキャリアガスを介して粉末原料を供給する請求項６記載のプラズマ溶射方法。
8. 上記ノズル孔の中心軸と略直交する方向において上記ノズル孔の両側に一対設けられ粉末原料供給路から、または上記ノズル孔の中心から等角度で放射状に延びる線上に配設された粉末原料供給路から上記粉末原料を上記プラズマジェットに供給する請求項７記載のプラズマ溶射方法。