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WO2014157491A1 - プラズマ溶射装置 - Google Patents

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Publication number
WO2014157491A1
WO2014157491A1 PCT/JP2014/058794 JP2014058794W WO2014157491A1 WO 2014157491 A1 WO2014157491 A1 WO 2014157491A1 JP 2014058794 W JP2014058794 W JP 2014058794W WO 2014157491 A1 WO2014157491 A1 WO 2014157491A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sub
main
plasma
torch
electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/058794
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
智昭 北村
田中　誠
秀雄 石丸
智司 崎山
Original Assignee
中国電力株式会社
国立大学法人山口大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 中国電力株式会社, 国立大学法人山口大学 filed Critical 中国電力株式会社
Priority to US14/780,225 priority Critical patent/US9802212B2/en
Priority to EP14772681.4A priority patent/EP2979767A4/en
Priority to CN201480018567.XA priority patent/CN105209175A/zh
Priority to KR1020157030954A priority patent/KR20150133849A/ko
Priority to JP2015508681A priority patent/JP6059337B2/ja
Publication of WO2014157491A1 publication Critical patent/WO2014157491A1/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05B7/222—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B05B7/224—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc the material having originally the shape of a wire, rod or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the present invention can supply a thermal spray material to the axial center of the plasma formed on the central axis of the main torch electrode by the electrodes of the main torch and the sub torch, and the inner wall of the opening in the mantle of the main torch.
  • the present invention relates to a plasma spraying apparatus capable of suppressing adhesion of a thermal spray material to the surface.
  • the thermal spray material may adhere to the inner wall of the opening in the outer shell of the main torch and cause the opening to be blocked.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the thermal spray material can be supplied to the axial center of the plasma formed on the central axis of the main torch electrode by the main torch and sub torch electrodes, And it aims at providing the plasma spraying apparatus which can suppress that a spraying material adheres to the inner wall of the opening part in the mantle of a main torch.
  • the present inventors have provided a gas introduction part at the inlet of the opening in the outer shell of the main torch or a tapered part between the opening and the insulator, and introduced the gas. As a result, it was found that the sprayed material could be prevented from adhering to the inner wall of the opening in the outer shell of the main torch, and the present invention was completed.
  • the present invention (1) Insulating the first electrode having the spray material discharge hole at the center of the tip of the central axis, the first mantle surrounding the first electrode, the first electrode and the first mantle, A main torch comprising: a first insulator having a first plasma gas inlet; A second electrode, a second mantle surrounding the second electrode, a second insulator that insulates the second electrode and the second mantle and has a second plasma gas inlet.
  • the first mantle includes an opening, and a tapered portion provided between the opening and the first insulator, The plasma spraying apparatus, wherein the first mantle includes a gas introduction part for introducing a gas to an inlet side of the opening and / or to the tapered part; (2) The plasma spraying apparatus according to (1), wherein the first electrode is an anode and the second electrode is a cathode; (3) The opening includes a third insulator in the center, The plasma spraying apparatus according to (2), wherein the sub-torch is provided on the outlet side of the third insulator of the opening; (4) The plasma spraying apparatus according to (1)
  • a plasma spraying apparatus according to claim 1; (10) The gas introduction hole of the first mantle spouts so that the inert gas has a velocity component in the circumferential direction with respect to the central axis so that the inert gas becomes a swirling flow inside the opening and the tapered portion.
  • a plasma spraying apparatus according to any one of the above (3) to (8), wherein the plasma spraying apparatus is provided with a gas ejection hole to be formed; (11)
  • the first mantle is composed of a porous metal, and gas introduced from the outside is ejected only through the hole in the porous metal in the inner direction of the first mantle.
  • the plasma spraying apparatus according to any one of (3) to (8), characterized in that a part is configured; Etc.
  • the spray material can be supplied to the axial center of the plasma formed on the central axis of the main torch electrode by the electrodes of the main torch and the sub-torch, and the opening in the mantle of the main torch Therefore, it is possible to provide a plasma spraying apparatus that can suppress the spraying material from adhering to the inner wall.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a cross-section taken along line III-III ′ of FIG. 1 as an embodiment of the present invention. It is a figure which shows schematic structure of the twin cathode type plasma spraying apparatus 100b demonstrated as other one Embodiment of this invention. It is a figure which shows schematic structure of the integrated plasma spraying apparatus 100c of the main torch and subtorch demonstrated as other one Embodiment of this invention. It is a figure which shows schematic structure of the mantle demonstrated as preferable one Embodiment of this invention.
  • a composite torch type plasma spraying apparatus including a main torch and a sub torch will be described as the plasma spraying apparatus of the present invention.
  • the electrode in the main torch is a main anode (anode)
  • the electrode in the sub torch is a sub electrode
  • a composite torch type plasma spraying apparatus 100a that is a cathode will be described.
  • a plasma spraying apparatus including a main torch and a sub torch is a composite in which an electrode in the main torch is a main cathode and an electrode in the sub torch is a sub anode.
  • a torch type plasma spraying apparatus may be used.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a composite torch type plasma spraying apparatus 100a described as an embodiment of the present invention.
  • the main torch 1 includes a main anode 3, a main mantle 4 surrounding the main anode 3, an insulator 27 that insulates the main anode 3 and the main mantle 4, and the like.
  • the main anode 3 is formed of a material having excellent electrical conductivity, for example, a metal such as copper.
  • the main anode 3 includes a material feeding pipe 19 having a spray material discharge hole at the center of the tip of the central axis. The main anode 3 is held concentrically by the main mantle 4 and the insulator 27.
  • the main mantle 4 includes an opening (nozzle portion) 4a at the tip, and a tapered portion 4b provided between the opening 4a and the insulator 27.
  • the taper portion 4b is provided with a gas introduction hole 4c that introduces an inert gas or the like to form a swirling gas flow.
  • the insulator 27 has a main plasma gas inlet 5 for introducing the main plasma gas 6 and a swirl flow forming means 50 for the introduced main plasma gas 6.
  • the main plasma gas 6 is introduced into the gas annular chamber 51, passes through the four swirl flow forming holes 52, and passes through the inner wall 53 (between the inner wall 53 and the main anode 3) of the insulator 27. It flows toward the opening 4a of the main mantle 4 so as to turn in the space.
  • one or a plurality of the swirl flow forming holes 52 may be disposed, and when a plurality of the swirl flow forming holes 52 are disposed, the swirl flow forming holes 52 may be evenly disposed around the central axis. preferable.
  • the positive terminal of the main power source 7 is connected to the main anode 3, and the negative terminal of the main power source 7 is connected to the main mantle 4 via the switch means 8.
  • the sub torch 2 includes a sub cathode (sub torch starting electrode) 10, a sub jacket 11 surrounding the sub cathode 10, an insulator 28 that insulates the sub cathode 10 and the sub jacket 11, and the like.
  • the axis, that is, the central axis of the sub-cathode 10 is arranged so as to intersect the central axis of the main torch 1, that is, the central axis of the main anode 3, in front of the main anode 3 and the sub-cathode 10.
  • the sub-cathode 10 is made of a material having a high melting point, such as tungsten.
  • the sub cathode 10 is held concentrically by the sub jacket 11 and the insulator 28.
  • the auxiliary mantle 11 has a hole 11a at the tip.
  • the insulator 28 has a sub-plasma gas inlet 12 for introducing the sub-plasma gas 13 and a swirl flow forming means 50 similar to the insulator 27 of the main torch 1.
  • the positive terminal of the sub power supply 14 is connected to the sub jacket 11, the negative terminal of the sub power supply 14 is connected to the sub cathode 10 via the switch means 15, and the negative terminal of the main power supply 7 via the switch means 9. Connected to.
  • a method for plasma spraying a thermal spray material for example, a conductive material such as metal, an insulating material such as ceramic, etc., the same applies hereinafter
  • An inert gas that can be turned into plasma such as argon or helium, is introduced into the main torch 1 from the main plasma gas inlet 5 as a main plasma gas 6 to form a swirling flow of the main plasma gas 6.
  • a high frequency voltage is applied between the main anode 3 and the main mantle 4 by the main power source 7 with the switch means 9 opened and the switch means 8 closed.
  • a main plasma arc 16 is formed from the tip of the main anode 3 toward the opening 4 a of the main mantle 4, whereby the main plasma gas 6 is heated and becomes plasma from the opening 4 a of the main mantle 4. Released.
  • an inert gas that can be turned into plasma such as argon or helium
  • a secondary plasma gas 13 is introduced as a secondary plasma gas 13 from the secondary plasma gas inlet 12 into the secondary torch 2 to form a swirling flow of the secondary plasma gas 13.
  • a high-frequency voltage is applied between the sub-cathode 10 and the sub-mantle 11 by the sub-power supply 14 with the switch means 15 closed.
  • a sub-plasma arc 17 is formed from the tip 10a of the sub-cathode 10 toward the hole 11a of the sub-mantle 24, whereby the sub-plasma gas 13 is heated and becomes plasma and is emitted from the hole 11a of the sub-mantle 11. Is done.
  • the switch means 9 Since the central axis of the main anode 3 and the central axis of the sub-cathode 10 intersect outside the main torch 1 and the sub-torch 2 in front of the main anode 3 and the sub-cathode 10, the switch means 9 is closed, and the switch means 8, When 15 is opened, a conductive path is formed by the hairpin-shaped plasma 18 from the tip 10 a of the sub-cathode 10 to the anode point of the main anode 3.
  • the structure of the main torch 1 and the main plasma gas 6 to be supplied, and the structure of the sub torch 2 and the amount of the sub plasma gas 13 to be supplied to the sub torch 2 are appropriately set as shown in FIG.
  • the plasma flame 23 can be formed substantially coaxially with the main torch 1.
  • the thermal spray material 20 discharged from the material feed pipe 19 through the thermal spray material discharge hole is supplied to the axial center of the plasma 18 formed on the central axis of the main anode 3 by the main anode 3 and the sub-cathode 10. It is melted by the plasma flame 23.
  • an inert gas or the like for example, argon gas or the like
  • Inert gas, active gas such as air or oxygen gas
  • the plasma can be stably and uniformly focused in the space inside the mantle, and at the same time, even at sites away from the inert gas ejection holes, such as the inner wall of the opening 4a and the tip of the tapered portion 4b in the main mantle 4.
  • the thermal spray material 20 can be prevented from adhering.
  • the thermal spray material 20 can be efficiently melted.
  • the gas introduction hole 4 c is provided in the tapered portion 4 b of the main mantle 4, but it may be provided on the inlet side of the opening 4 a of the main mantle 4, or the taper of the main mantle 4. You may provide in the entrance side of the part 4b and the opening part 4a, respectively.
  • the main mantle 4 is made of a porous metal so as to form a gas flow for preventing adhesion of the sprayed material over the entire surface of the mantle. The gas supplied from the gas inlet 4d provided in the main mantle 4 through the fine holes in the porous metal material M, as shown by the arrows in FIG. You may make it eject only to.
  • the melt 21 in which the thermal spray material 20 is melted advances toward the base material 25 together with the plasma flame 23. Just before the base material 25, only the plasma 18 is separated by the plasma separation means 22 provided on the connecting pipe 26, and the melt 21 is sprayed onto the base material 25, so that the coating 24 of the dense thermal spray material 20 with few pores is formed. It can be formed efficiently.
  • a plasma spraying apparatus of the present invention a plasma spraying apparatus including a main torch and two sub-torches will be described.
  • the electrode in the main torch is a main anode (anode)
  • the electrode in the sub torch is a sub cathode (cathode).
  • the twin cathode type plasma spraying apparatus 100b will be described.
  • a plasma spraying apparatus including a main torch and two sub torches is a twin anode in which the electrode in the main torch is the main cathode and the electrode in the sub torch is the sub anode.
  • a type plasma spraying apparatus may be used.
  • FIG. 2 shows a schematic configuration of a twin cathode type plasma spraying apparatus 100b described as another embodiment of the present invention.
  • the configuration of the main torch 1 and the sub torch 2 included in the twin cathode type plasma spraying apparatus 100b is the same as that of the main torch 1 and the sub torch 2 in the composite torch type plasma spraying apparatus 100a, and thus the description thereof is omitted here.
  • the positive terminal of the main power supply 7 is connected to the sub jacket 11 via the main anode 3 and the switch means 55, and the negative terminal of the main power supply 7 is connected to the main jacket 4 via the switch means 8.
  • the positive terminal of the sub torch 2 from the sub power source 42 is connected to the sub jacket 11 via the switch means 45, and the negative terminal of the sub torch 2 from the sub power source 42 is connected to the sub cathode 10 via the switch means 46. And is connected to the negative terminal of the main power supply 7 through the switch means 9.
  • another sub torch 39 is disposed at a position facing the sub torch 2 with respect to the central axis of the main torch.
  • the sub torch 39 includes a sub cathode (sub torch starting electrode) 40, a sub jacket 41 surrounding the sub cathode 40, an insulator 47 that insulates the sub cathode 40 and the sub jacket 41, and the like.
  • the axis that is, the central axis of the sub-cathode 40, is arranged so as to intersect the central axis of the main torch 1, that is, the central axis of the main anode 3, in front of the main anode 3 and the sub-cathode 40.
  • the sub-cathode 40 is formed of a material having a high melting point, such as tungsten.
  • the sub cathode 40 is held concentrically by the sub jacket 41 and the insulator 48.
  • the auxiliary mantle 41 is provided with a hole 41a at the tip.
  • the insulator 47 has a sub-plasma gas inlet 48 for introducing the sub-plasma gas 49 and a swirl flow forming means 50 similar to the insulator 27 of the main torch 1.
  • the positive terminal of the sub torch 39 from the sub power source 42 is connected to the sub jacket 41 via the switch means 44, and the negative terminal of the sub torch 39 from the sub power source 14 is connected to the sub cathode 40 via the switch means 43. In addition, it is connected to the negative terminal of the main power supply 7 through the switch means 9 and 46.
  • An inert gas that can be turned into plasma such as argon or helium, is introduced into the main torch 1 from the main plasma gas inlet 5 as a main plasma gas 6 to form a swirling flow of the main plasma gas 6.
  • a high frequency voltage is applied between the main anode 3 and the main mantle 4 by the main power source 7 with the switch means 9 opened and the switch means 8 closed.
  • a main plasma arc 16 is formed from the tip of the main anode 3 toward the opening 4 a of the main mantle 4, whereby the main plasma gas 6 is heated and becomes plasma from the opening 4 a of the main mantle 4. Released.
  • an inert gas that can be turned into plasma such as argon or helium
  • a secondary plasma gas 13 is introduced as a secondary plasma gas 13 from the secondary plasma gas inlet 12 into the secondary torch 2 to form a swirling flow of the secondary plasma gas 13.
  • a high frequency voltage is applied between the sub cathode 10 and the sub jacket 11 by the sub power source 42 with the switch units 43 and 44 opened and the switch units 45 and 46 closed.
  • a sub-plasma arc 17 is formed from the tip 10a of the sub-cathode 10 toward the hole 11a of the sub-mantle 24, whereby the sub-plasma gas 13 is heated and becomes plasma and is emitted from the hole 11a of the sub-mantle 11. Is done.
  • the switch means 9 is closed after the switch means 9 is closed.
  • a conductive path is formed by the hairpin-shaped plasma 18 from the tip 10a of the sub-cathode 10 to the anode point of the main anode 3.
  • an inert gas that can be turned into plasma such as argon or helium
  • a secondary plasma gas 49 into the secondary torch 39 is introduced as a secondary plasma gas 49 into the secondary torch 39 from the secondary plasma gas inlet 48 to form a swirling flow of the secondary plasma gas 49.
  • a high frequency voltage is applied between the sub cathode 40 and the sub jacket 41 by the sub power source 42 with the switch means 43 and 44 closed.
  • a sub-plasma arc 56 is formed from the tip 40a of the sub-cathode 40 toward the hole 41a of the sub-cannula 41, whereby the sub-plasma gas 49 is heated and becomes plasma and is emitted from the hole 41a of the sub-clutch 41. Is done.
  • the main axis 3 and the sub-cathode 40 intersect the outside of the main torch 1 and the sub-torch 39 in front of the main anode 3 and the sub-cathode 40, the main axis 3 and the sub-cathode 40 are emitted from the holes 41 a of the sub-mantle 41
  • the plasma intersects the hairpin-shaped plasma 18 extending from the tip 10 a of the sub-cathode 10 to the anode point of the main anode 3.
  • the switch means 44 and 70 are opened after the switch means 45 and 55 are closed, the T-shaped plasma 18 extending from the tip portions 10a and 40a of the sub-cathodes 10 and 40 to the anode point of the main anode 3 is used.
  • a conductive path is formed, and a plasma flame 23 is formed on the same axis as the main torch 1.
  • the thermal spray material 20 discharged from the material feed pipe 19 through the thermal spray material discharge hole is supplied to the axial center of the plasma 18 formed on the central axis of the main anode 3 by the main anode 3 and the sub-cathode 10. It is melted by the plasma flame 23.
  • gas for example, an inert gas such as argon gas
  • the gas introduction hole 4c provided in the tapered portion 4b of the main mantle 4.
  • the gas introduction hole 4 c is provided in the tapered portion 4 b of the main mantle 4, but it may be provided on the inlet side of the opening 4 a of the main mantle 4, or the taper of the main mantle 4. You may provide in the entrance side of the part 4b and the opening part 4a, respectively.
  • the main mantle 4 is made of the porous metal material M so that a gas flow for preventing spraying material adhesion is formed on the entire inner surface of the mantle.
  • the gas supplied from the gas inlet 4d provided in the gas may be ejected only in the inner direction of the main mantle 4 through the fine holes in the porous metal material M.
  • the melt 21 in which the thermal spray material 20 is melted advances toward the base material 25 together with the plasma flame 23. Just before the base material 25, only the plasma 18 is separated by the plasma separation means 22 provided on the connecting pipe 26, and the melt 21 is sprayed onto the base material 25, so that the coating 24 of the dense thermal spray material 20 with few pores is formed. It can be formed efficiently.
  • two sub-torches are provided in plasma spraying apparatus 100b, but three or more sub-torches may be provided.
  • these auxiliary torches are arranged so that their central axes intersect the front of the main anode 3 and one point of the central axis outside the main torch 1. It is more preferable that they are arranged uniformly on the outer periphery of a circle that is perpendicular to the central axis with the intersecting point as the center.
  • the sub-torches are arranged so that the central axis of each sub-torch intersects the central axis of the main torch 1 perpendicularly at the intersection point. It is preferable.
  • one or a plurality of electrically insulated floating electrodes may be provided on the distal end side of the opening 4a of the main mantle 4 in the plasma plasma spraying apparatuses 100a and 100b described above.
  • an inert gas for example, argon gas
  • an active gas for example, air or oxygen
  • the thermal spray material 20 can be prevented from adhering to the inner wall of the opening 4a on the upstream side of the floating electrode, the thermal pinch effect can be enhanced, and higher temperature plasma can be formed.
  • one or a plurality of electrically insulated floating electrodes may be provided on the distal end side of the openings (portions 11a and 41a) of the sub jackets 11 and 41, or a floating electrode may be provided.
  • a hole for introducing a gas may be further provided in the part, and an inert gas (for example, argon gas) or an active gas (for example, air or oxygen) may be introduced.
  • an inert gas for example, argon gas
  • an active gas for example, air or oxygen
  • an integrated plasma spraying apparatus of a main torch and a sub-torch in which a sub-torch is provided on the exit side of the opening in the outer shell of the main torch will be described.
  • the electrode in the main torch is a main anode (anode)
  • the electrode in the sub torch is a sub cathode (cathode).
  • An integrated plasma spray apparatus 100c will be described.
  • An integrated plasma spray apparatus of a main torch and a sub torch is an integrated plasma spray apparatus in which an electrode in the main torch is a main cathode and an electrode in the sub torch is a sub anode. It may be.
  • FIG. 3 shows a schematic configuration of an integrated plasma spray apparatus 100c described as another embodiment of the present invention.
  • the main torch 1 includes a main anode 3, a main mantle 4 surrounding the main anode 3, an insulator 27 that insulates the main anode 3 and the main mantle 4, and the like.
  • the main anode 3 is formed of a material having excellent electrical conductivity, for example, a metal such as copper.
  • the main anode 3 includes a material feeding pipe 19 having a spray material discharge hole at the center of the tip of the central axis. The main anode 3 is held concentrically by the main mantle 4 and the insulator 27.
  • the main mantle 4 is provided with an opening (nozzle part) 4 a at the tip, and a tapered part 4 b provided between the opening 4 a and the insulator 27.
  • An electrically insulating insulator 60 is provided in the opening 4a, and an inert gas introduction hole 4c that introduces an inert gas to form a swirling gas flow is provided downstream of the opening 4a. It has been.
  • a sub torch 2 is provided upstream of the opening 4a.
  • the main mantle 4 is made of a porous metal so that a gas flow for preventing spraying material adhesion is formed on the entire inner surface of the mantle instead of providing the gas ejection holes 4c for forming the swirl flow.
  • the gas that is made of the material M and that is supplied from the gas introduction port 4d provided in the main mantle 4 may be ejected only in the inner direction of the main mantle 4 through the fine holes in the porous metal material M.
  • the sub torch 2 includes a sub cathode (sub torch starting electrode) 10, a sub jacket 11 surrounding the sub cathode 10, an insulator 28 that insulates the sub cathode 10 and the sub jacket 11, and the like.
  • the axis, that is, the central axis of the sub-cathode 10 is arranged so as to intersect the central axis of the main torch 1, that is, the central axis of the main anode 3, in front of the main anode 3 and the sub-cathode 10.
  • the sub-cathode 10 is formed of a material having a high melting point, such as tungsten.
  • the sub cathode 10 is held concentrically by the sub jacket 11 and the insulator 28.
  • the auxiliary mantle 11 has a hole at the tip.
  • the insulator 28 has a sub-plasma gas inlet 12 for introducing the sub-plasma gas 13 and a swirl flow forming means 50 similar to the insulator 27 of the main torch 1.
  • the insulator 27 has a main plasma gas inlet 5 for introducing the main plasma gas 6 and a swirl flow forming means 50 for the main plasma gas 6.
  • the positive terminal of the main power supply 7 is connected to the main anode 3, and the negative terminal of the main power supply 7 is connected to the tapered portion 4 b of the main jacket 4 via the switch means 8.
  • the positive terminal of the sub power supply 14 is connected to the sub jacket 11, the negative terminal of the sub power supply 14 is connected to the sub cathode 10 via the switch means 15, and the negative terminal of the main power supply 7 via the switch means 9. Connected to.
  • An inert gas that can be turned into plasma such as argon or helium, is introduced into the main torch 1 from the main plasma gas inlet 5 as a main plasma gas 6 to form a swirling flow of the main plasma gas 6.
  • a high frequency voltage is applied between the main anode 3 and the tapered portion 4 b of the main mantle 4 by the main power source 7.
  • a main plasma arc is formed from the front end of the main anode 3 toward the opening 4a of the main mantle 4 so that the main plasma gas 6 is heated.
  • an inert gas that can be turned into plasma such as argon or helium
  • a secondary plasma gas 13 is introduced as a secondary plasma gas 13 from the secondary plasma gas inlet 12 into the secondary torch 2 to form a swirling flow of the secondary plasma gas 13.
  • a high-frequency voltage is applied between the sub-cathode 10 and the sub-mantle 11 by the sub-power supply 14 with the switch means 15 closed.
  • a sub-plasma arc is formed from the tip 10a of the sub-cathode 10 toward the hole 11a of the sub-mantle jacket 24, whereby the sub-plasma gas 13 is heated.
  • the structure of the main torch 1 and the main plasma gas 6 supplied, and the structure of the sub-torch 2 and the amount of the sub-plasma gas 13 supplied to the sub-torch 2 are appropriately set as shown in FIG.
  • the plasma flame 23 can be formed substantially coaxially with the main torch 1.
  • the thermal spray material 20 discharged from the material feed pipe 19 through the thermal spray material discharge hole is supplied to the axial center of the plasma formed on the central axis of the main anode 3 by the main anode 3 and the sub-cathode 10, and the plasma flame 23 is melted.
  • the sub-torch 2 is embedded in the upstream (tip) of the insulator 60 of the main mantle 4 of the main torch 1 to confine the plasma arc in the main torch 1 and enhance the thermal pinch effect, The plasma arc input can be increased.
  • gas for example, an inert gas such as argon gas, air, etc.
  • an active gas such as oxygen gas
  • the thermal spray material 20 can be efficiently melted.
  • the melt in which the thermal spray material 20 is melted is sprayed onto the base material 25, and a dense coating of the thermal spray material 20 with few pores is efficiently formed.
  • the gas introduction hole 4c is provided on the inlet side of the opening 4a of the main mantle 4.
  • the gas introduction hole 4c may be provided on the tapered portion 4b of the main mantle 4 or the taper of the main mantle 4. You may provide in the entrance side of the part 4b and the opening part 4a, respectively.
  • the main mantle 4 is made of the porous metal material M so as to form a gas flow for preventing the spraying material from adhering to the entire inner surface of the mantle.
  • the gas supplied from the gas inlet 4d provided in the main mantle 4 may be jetted only in the inner direction of the main mantle 4 through the fine holes in the porous metal material M.
  • FIG. 6 to 8 are schematic configuration diagrams of the front end portion of the main anode 3 described as a preferred embodiment of the present invention.
  • the main anode 3 is provided with a cooling passage 3 ⁇ / b> A for circulating the cooling water W between the outer peripheral surface of the main anode 3 and the material feeding pipe 19.
  • the front end surface 3f of the main anode 3 is formed in an inwardly protruding shape (for example, an inwardly protruding frustoconical shape) on the central axis, and a material feeding tube is provided at the center of the end surface 3f of the main anode 3
  • the spraying material discharge hole 19P which is the exit of 19 is arrange
  • the spray material 20 fed from the material feed pipe 19 has a position of the anode point 3 ⁇ / b> P of the main anode 3 closer to the cathode spot than a position of the spray material discharge hole 19 ⁇ / b> P of the material feed pipe 19.
  • the thermal spray material 20 and the anode point of the plasma (plasma arc) 18 do not interfere when supplying the thermal spray material 20.
  • the thermal spray material 20 can be supplied to the high temperature portion of the plasma 18 and can be almost completely melted.
  • the spraying material 20 to be supplied a powder such as a conductive material such as metal or an insulating material such as ceramics can be used.
  • the material feeding tube 19 is preferably made of a material such as ceramic having heat resistance and insulation.
  • the structure of the tip of the main anode 3 is particularly as long as the anode point 3P is positioned on the outer peripheral side of the spraying material discharge hole 19P and arranged so as not to interfere with the spraying material discharge hole 19P. It is not limited. Further, as shown in FIG. 7, the tip portion of the main anode 3 is located at a position where the spray material discharge hole 19P and the anode point 3P do not interfere with each other, for example, the spray material discharge hole 19P and the anode point 3P on the tip surface 3f. It is preferable to provide one or a plurality of gas ejection holes 31 penetrating from the outer peripheral surface at positions in between to prevent adhesion of the thermal spray material. Further, as shown in FIG.
  • the front end portion of the main anode 3 is formed in a truncated cone shape, and the thermal spray material discharge hole 19P and the anode point 3P in the front end surface 3f interfere with the gas ejection hole 31, respectively. More preferably, it is provided so as to penetrate from the outer peripheral surface at a position where there is no problem.

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Abstract

　本発明は、溶射材料吐出孔を有する第１の電極（３）と、第１の外套（４）と、第１のプラズマガス導入口（５）を有する第１の絶縁体（２７）と、を備える主トーチ（１）と、第２の電極（１０）と、第２の外套（１１）と、第２のプラズマガス導入口（１２）を有する第２の絶縁体（２８）と、を備える副トーチ（２）と、を備え、第１の電極（３）と第２の電極（１０）により、第１の電極（３）の中心軸上に形成されるプラズマ（１８）の軸中心で、溶射材料吐出孔から供給された溶射材料（２０）を溶融するプラズマ溶射装置（１００ａ）において、第１の外套（４）における、開口部（４ａ）の入口側及び／又は該開口部（４ａ）と第１の絶縁体（２７）との間に設けられたテーパー部（４ｂ）にガスを導入するガス導入部（４ｃ）を設けるものである。当該構成により、開口部（４ａ）の内壁に溶射材料（２０）が付着するのを抑制することができる。

Description

プラズマ溶射装置
　本発明は、主トーチ及び副トーチの電極により、主トーチの電極の中心軸上に形成されるプラズマの軸中心に溶射材料を供給することができ、かつ、主トーチの外套における開口部の内壁に溶射材料が付着するのを抑制できるプラズマ溶射装置に関する。
　従来、電極と、その電極を囲む外套と、電極と外套とを絶縁し、プラズマガス導入口を有する絶縁体とを有する主トーチ及び副トーチを備えるプラズマ溶射装置において、主トーチの電極の中心軸の先端中央に材料吐出孔を設け、材料吐出孔からプラズマ軸の中心に溶射材料を供給し、溶射材料を効率よく溶融させ、主トーチに溶着することなく、気孔が少ない緻密な溶射材料の膜を効率よく形成することができるプラズマ溶射装置が開発されている（例えば、特許第３７３３４６１号明細書、特許第４８０４８５４号明細書、特開２０１０－１１０６６９号公報などを参照）。
　しかしながら、上述のようなプラズマ溶射装置であっても、主トーチの外套における開口部の内壁に溶射材料が付着し、開口部の閉塞を生じさせる恐れがあることが判明した。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、主トーチ及び副トーチの電極により、主トーチの電極の中心軸上に形成されるプラズマの軸中心に溶射材料を供給することができ、かつ、主トーチの外套における開口部の内壁に溶射材料が付着するのを抑制できるプラズマ溶射装置を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、主トーチの外套における開口部の入口、あるいは開口部と絶縁体との間のテーパー部にガス導入部を設け、ガスを導入することにより、主トーチの外套における開口部の内壁に溶射材料が付着することを防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明は、
(1) 中心軸の先端中央に溶射材料吐出孔を有する第１の電極と、前記第１の電極を囲む第１の外套と、前記第１の電極と前記第１の外套とを絶縁し、第１のプラズマガス導入口を有する第１の絶縁体と、を備える主トーチと、
　第２の電極と、前記第２の電極を囲む第２の外套と、前記第２の電極と前記第２の外套とを絶縁し、第２のプラズマガス導入口を有する第２の絶縁体と、を備え、中心軸が前記主トーチの中心軸と交差する副トーチと、
を備え、
　前記第１の電極と前記第２の電極により、前記第１の電極の中心軸上に形成されるプラズマの軸中心に、前記溶射材料吐出孔から供給された溶射材料を溶融し、溶融した前記溶射材料を基材に吹き付けることにより前記溶射材料の被膜を形成するプラズマ溶射装置において、
　前記第１の外套は、開口部と、前記開口部と前記第１の絶縁体との間に設けられたテーパー部とを備え、
　前記第１の外套は、前記開口部の入口側及び／又は前記テーパー部に、ガスを導入するガス導入部を備えることを特徴とするプラズマ溶射装置；
(2) 前記第１の電極が陽極であり、前記第２の電極が陰極であることを特徴とする上記(1)に記載のプラズマ溶射装置；
(3) 前記開口部は、中央に第３の絶縁体を備え、
　前記副トーチは、前記開口部の前記第３の絶縁体より出口側に設けられていることを特徴とする上記(2)に記載のプラズマ溶射装置；
(4) 前記主トーチと前記副トーチは、プラズマアークが外部で形成されるように配置されていることを特徴とする上記(2)に記載のプラズマ溶射装置；
(5) 前記副トーチを複数備え、
　複数の前記副トーチは、複数の前記副トーチの中心軸が、前記主トーチの外部において、前記主トーチの中心軸の一点でそれぞれ交差するように配置されていることを特徴とする上記(4)に記載のプラズマ溶射装置；
(6) 前記第１の電極の陽極点と、前記溶射材料吐出孔とが互いに干渉することのない構造とすることを特徴とする上記(3)～(5)のいずれかに記載のプラズマ溶射装置；
(7) 前記第１の電極の先端面が内側に突の円錐台状に形成されていることを特徴とする上記(3)～(5)のいずれかに記載のプラズマ溶射装置；
(8) 前記第１の電極の先端に溶射材料の付着を防止するためのガス噴出孔を設けることを特徴とする上記(3)～(7)のいずれかに記載のプラズマ溶射装置などである。
(9) 前記外套のガス導入部は，前記開口部の入口側及び／又は前記テーパー部に、ガスを導入するガス噴出孔を設けることを特徴とする上記(3)～(8)のいずれかに記載のプラズマ溶射装置；
(10) 前記第１の外套のガス導入孔は、不活性ガスが前記開口部及び前記テーパー部の内部で旋回流となるよう、中心軸に対して円周方向の速度成分をもつように噴出されるガス噴出孔を備えることを特徴とする上記（3）～(8)のいずれかに記載のプラズマ溶射装置；
 (11) 前記第１の外套は多孔質金属により構成され、外部より導入されたガスが、前記多孔質金属内の孔を通して、前記第１の外套の内部方向にのみ噴出されることによりガス導入部が構成されていることを特徴とする (3)～(8)のいずれかに記載のプラズマ溶射装置；
　などである。
　本発明によれば、主トーチ及び副トーチの電極により、主トーチの電極の中心軸上に形成されるプラズマの軸中心に溶射材料を供給することができ、かつ、主トーチの外套における開口部の内壁に溶射材料が付着するのを抑制できるプラズマ溶射装置を提供することができる。
本発明の一実施形態として説明する、複合トーチ型プラズマ溶射装置１００ａの概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態として説明する、図１のIII－III’線の断面を示す図である。 本発明の他の一実施形態として説明する、ツインカソード型プラズマ溶射装置１００ｂの概略構成を示す図である。 本発明の他の一実施形態として説明する、主トーチと副トーチの一体型プラズマ溶射装置１００ｃの概略構成を示す図である。 本発明の好ましい一実施形態として説明する外套の概略構成を示す図である。 本発明の好ましい一実施形態として説明する主陽極の先端部の概略構成を示す図である。 本発明のより好ましい一実施形態として説明する主陽極の先端部の概略構成を示す図である。 本発明の特に好ましい一実施形態として説明する主陽極の先端部の概略構成を示す図である。
　以下、本発明に本発明に係るプラズマ溶射装置の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明の目的、特徴、利点、及びそのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば、容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態及び図面等は、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示又は説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図ならびに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々に修飾ができることは、当業者にとって明らかである。
　まず、本発明のプラズマ溶射装置として、主トーチと副トーチとを備える複合トーチ型プラズマ溶射装置について説明する。なお、本実施の形態においては、主トーチと副トーチとを備える複合トーチ型プラズマ溶射装置の好ましい例として、主トーチにおける電極が主陽極（アノード）であって、副トーチにおける電極が副電極（カソード）である複合トーチ型プラズマ溶射装置１００ａについて説明するが、主トーチと副トーチとを備えるプラズマ溶射装置は、主トーチにおける電極が主陰極であって、副トーチにおける電極が副陽極である複合トーチ型プラズマ溶射装置であってもよい。図１に、本発明の一実施形態として説明する複合トーチ型プラズマ溶射装置１００ａの概略構成を示す。
　主トーチ１は、主陽極３と、該主陽極３を囲む主外套４と、主陽極３と主外套４とを絶縁する絶縁体２７などを備える。
　主陽極３は、電気伝導率に優れた材料、例えば、銅などの金属により形成されている。主陽極３は、中心軸の先端中央に溶射材料吐出孔を有する材料送入管１９を備える。主陽極３は、主外套４と、絶縁体２７によって同心に保持されている。
　主外套４は、先端部の開口部（ノズル部）４ａと、該開口部４ａと絶縁体２７との間に設けられたテーパー部４ｂとを備えている。テーパー部４ｂには、不活性ガス等を導入して旋回ガス流を形成するガス導入孔４ｃが設けられている。
　絶縁体２７は、主プラズマガス６を導入する主プラズマガス導入口５と、導入した主プラズマガス６の旋回流形成手段５０を有している。主プラズマガス６は、図２に示すように、ガス環状室５１へ導入され、４個の旋回流形成孔５２を通って、絶縁体２７の内壁５３（内壁５３と主陽極３との間の空間）を旋回するようにして主外套４の開口部４ａに向かって流れる。なお、上記旋回流形成孔５２は、１個配置されていても、複数個配置されていてもよく、複数個配置されている場合には、中心軸を中心に均等に配置されていることが好ましい。
　図１に示すように、主電源７の正端子は主陽極３に接続され、主電源７の負端子はスイッチ手段８を介して主外套４に接続される。
　副トーチ２は、副陰極（副トーチ起動電極）１０と、該副陰極１０を囲む副外套１１と、副陰極１０と副外套１１とを絶縁する絶縁体２８などを備え、副トーチ２の中心軸、すなわち副陰極１０の中心軸は、主トーチ１の中心軸、すなわち主陽極３の中心軸と、主陽極３と副陰極１０との前方で交差するように配置されている。
　副陰極１０は、融点が高い材料、例えば、タングステンなどの材料により形成されている。副陰極１０は、副外套１１と、絶縁体２８によって同心に保持されている。
　副外套１１は、先端部に孔１１ａを備えている。絶縁体２８は、副プラズマガス１３を導入する副プラズマガス導入口１２と、主トーチ１の絶縁体２７と同様の旋回流形成手段５０を有している。
　副電源１４の正端子は、副外套１１に接続され、副電源１４の負端子は、スイッチ手段１５を介して副陰極１０に接続され、また、スイッチ手段９を介して主電源７の負端子に接続される。
　次に、複合トーチ型プラズマ溶射装置１００ａを用いて溶射材料（例えば、金属等の導電性材料、セラミックス等の絶縁性材料など。以下同じ。）をプラズマ溶射する方法について説明する。
　アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを主プラズマガス６として、主プラズマガス導入口５から主トーチ１内に導入し、主プラズマガス６の旋回流を形成させる。また、スイッチ手段９を開き、スイッチ手段８を閉じた状態で、主電源７により主陽極３と主外套４との間に高周波電圧を印加する。その結果、主陽極３の先端から主外套４の開口部４ａの方に向かう主プラズマアーク１６が形成され、これにより主プラズマガス６が加熱され、プラズマとなって主外套４の開口部４ａから放出される。
　加えて、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを副プラズマガス１３として、副プラズマガス導入口１２から副トーチ２内に導入し、副プラズマガス１３の旋回流を形成させる。また、スイッチ手段１５を閉じた状態で、副電源１４により副陰極１０と副外套１１との間に高周波電圧を印加する。その結果、副陰極１０の先端１０ａから副外套２４の孔１１ａの方に向かう副プラズマアーク１７が形成され、これにより副プラズマガス１３が加熱され、プラズマとなって副外套１１の孔１１ａから放出される。
　主陽極３の中心軸と副陰極１０の中心軸は、主陽極３と副陰極１０の前方において、主トーチ１及び副トーチ２の外部で交差するため、スイッチ手段９を閉じ、スイッチ手段８，１５を開くと、副陰極１０の先端部１０ａから主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
　この場合、主トーチ１の構造と供給される主プラズマガス６、及び副トーチ２の構造と副トーチ２に供給される副プラズマガス１３の量を適切に設定することにより、図１に示されたように、主トーチ１のほぼ同軸上にプラズマ炎２３を形成することができる。
　材料送入管１９から溶射材料吐出孔を介して吐出された溶射材料２０は、主陽極３と副陰極１０により、主陽極３の中心軸上に形成されるプラズマ１８の軸中心に供給され、プラズマ炎２３によって溶融される。本発明の実施の形態においては、溶射材料２０が溶射材料吐出孔から吐出される際に、主外套４のテーパー部４ｂに設けたガス導入孔４ｃにより不活性ガス等（例えば、アルゴンガスなどなどの不活性ガス、空気や酸素ガスなどの活性ガス）を導入して旋回ガス流を形成させる。このようにすることで、直接、中心軸に向かって不活性ガス噴出孔から不活性ガスを噴出させる場合よりも、主外套４の内部の空間において、主外套４の内壁から中心軸に向かって、負の圧力勾配を軸対称状に一様に発生させることが可能となる。これにより、外套内部の空間でプラズマを安定かつ一様に集束させると同時に、主外套４における開口部４ａの内壁やテーパー部４ｂの先端部などの、不活性ガス噴出孔より離れた部位においても溶射材料２０が付着するのを防止することができる。
また、溶射材料２０の付着を防止することができるので、溶射材料２０を効率よく溶融することができる。なお、本実施の形態においては、ガス導入孔４ｃを主外套４のテーパー部４ｂに設けることとしているが、主外套４の開口部４ａの入口側に設けてもよいし、主外套４のテーパー部４ｂ及び開口部４ａの入口側にそれぞれ設けてもよい。
　また、旋回流を形成するためのガス噴出孔４ｃを設ける代わりに、図５に示すように、溶射材料付着防止のためのガス流を外套内部全面に形成するよう、主外套４を多孔質金属材料Ｍにより構成し、主外套４に設けたガス導入口４ｄから供給されたガスを、多孔質金属材料Ｍ内の微細孔を通して、同図中に矢印で示すように、主外套４の内部方向にのみ噴出させるようにしてもよい。
　溶射材料２０が溶融された溶融物２１は、プラズマ炎２３とともに基材２５に向かって進行する。基材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によってプラズマ１８のみを分離して、溶融物２１を基材２５に吹き付け、気孔が少ない緻密な溶射材料２０の皮膜２４を効率よく形成することができる。
　次に、本発明のプラズマ溶射装置として、主トーチと２つの副トーチを備えるプラズマ溶射装置について説明する。なお、本実施の形態においては、主トーチと２つの副トーチを備えるプラズマ溶射装置の好ましい例として、主トーチにおける電極が主陽極（アノード）であって、副トーチにおける電極が副陰極（カソード）であるツインカソード型プラズマ溶射装置１００ｂについて説明するが、主トーチと２つの副トーチを備えるプラズマ溶射装置は、主トーチにおける電極が主陰極であって、副トーチにおける電極が副陽極であるツインアノード型プラズマ溶射装置であってもよい。図２に、本発明の他の一実施形態として説明するツインカソード型プラズマ溶射装置１００ｂの概略構成を示す。
　ツインカソード型プラズマ溶射装置１００ｂが備える主トーチ１及び副トーチ２の構成は、複合トーチ型プラズマ溶射装置１００ａにおける主トーチ１及び副トーチ２と同じであるため、ここでは説明を省略する。
　なお、主電源７の正端子は、主陽極３及びスイッチ手段５５を介して副外套１１に接続され、主電源７の負端子はスイッチ手段８を介して主外套４に接続される。また、副電源４２からの副トーチ２の正端子は、スイッチ手段４５を介して副外套１１に接続され、副電源４２からの副トーチ２の負端子は、スイッチ手段４６を介して副陰極１０に接続され、また、スイッチ手段９を介して主電源７の負端子に接続される。
　本実施の形態においては、主トーチの中心軸に対して副トーチ２に対向する位置に、別の副トーチ３９を配置させている。副トーチ３９は、副陰極（副トーチ起動電極）４０と、該副陰極４０を囲む副外套４１と、副陰極４０と副外套４１とを絶縁する絶縁体４７などを備え、副トーチ３９の中心軸、すなわち副陰極４０の中心軸は、主トーチ１の中心軸、すなわち主陽極３の中心軸と、主陽極３と副陰極４０との前方で交差するように配置されている。
　副陰極４０は、融点が高い材料、例えば、タングステンなどの材料により形成されている。副陰極４０は、副外套４１と、絶縁体４８によって同心に保持されている。
　副外套４１は、先端部に孔４１ａを備えている。絶縁体４７は、副プラズマガス４９を導入する副プラズマガス導入口４８と、主トーチ１の絶縁体２７と同様の旋回流形成手段５０を有している。
　副電源４２からの副トーチ３９の正端子は、スイッチ手段４４を介して副外套４１に接続され、副電源１４からの副トーチ３９の負端子は、スイッチ手段４３を介して副陰極４０に接続され、また、スイッチ手段９，４６を介して主電源７の負端子に接続される。
　次に、ツインカソード型プラズマ溶射装置１００ｂを用いて溶射材料をプラズマ溶射する方法について説明する。
　アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを主プラズマガス６として、主プラズマガス導入口５から主トーチ１内に導入し、主プラズマガス６の旋回流を形成させる。また、スイッチ手段９を開き、スイッチ手段８を閉じた状態で、主電源７により主陽極３と主外套４との間に高周波電圧を印加する。その結果、主陽極３の先端から主外套４の開口部４ａの方に向かう主プラズマアーク１６が形成され、これにより主プラズマガス６が加熱され、プラズマとなって主外套４の開口部４ａから放出される。
　加えて、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを副プラズマガス１３として、副プラズマガス導入口１２から副トーチ２内に導入し、副プラズマガス１３の旋回流を形成させる。また、スイッチ手段４３，４４を開き、スイッチ手段４５，４６を閉じた状態で、副電源４２により副陰極１０と副外套１１との間に高周波電圧を印加する。その結果、副陰極１０の先端１０ａから副外套２４の孔１１ａの方に向かう副プラズマアーク１７が形成され、これにより副プラズマガス１３が加熱され、プラズマとなって副外套１１の孔１１ａから放出される。
　主陽極３の中心軸と副陰極１０の中心軸は、主陽極３と副陰極１０の前方において、主トーチ１及び副トーチ２の外部で交差するため、スイッチ手段９を閉じた後に、スイッチ手段４５，４６を開くと、副陰極１０の先端部１０ａから主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８による導電路が形成される。
　その後、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを副プラズマガス４９として、副プラズマガス導入口４８から副トーチ３９内に導入し、副プラズマガス４９の旋回流を形成させる。また、スイッチ手段４３，４４を閉じた状態で、副電源４２により副陰極４０と副外套４１との間に高周波電圧を印加する。その結果、副陰極４０の先端４０ａから副外套４１の孔４１ａの方に向かう副プラズマアーク５６が形成され、これにより副プラズマガス４９が加熱され、プラズマとなって副外套４１の孔４１ａから放出される。
　主陽極３の中心軸と副陰極４０の中心軸は、主陽極３と副陰極４０の前方において、主トーチ１及び副トーチ３９の外部で交差するため、副外套４１の孔４１ａから放出されたプラズマは、副陰極１０の先端部１０ａから主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマ１８と交差する。この状態において、スイッチ手段４５，５５を閉じた後に，スイッチ手段４４，７０を開くと、副陰極１０，４０の先端部１０ａ，４０ａから主陽極３の陽極点に至るＴ字状のプラズマ１８による導電路が形成され、主トーチ１の同軸上にプラズマ炎２３が形成される。
　材料送入管１９から溶射材料吐出孔を介して吐出された溶射材料２０は、主陽極３と副陰極１０により、主陽極３の中心軸上に形成されるプラズマ１８の軸中心に供給され、プラズマ炎２３によって溶融される。本発明の実施の形態においては、溶射材料２０が溶射材料吐出孔から吐出される際に、主外套４のテーパー部４ｂに設けたガス導入孔４ｃによりガス（例えば、アルゴンガスなどの不活性ガス、空気や酸素ガスなどの活性ガス）を導入して旋回ガス流を形成させることにより、主外套４における開口部４ａやテーパー部４ｂの先端部の内壁に溶射材料２０が付着することを防止することができる。また、溶射材料２０の付着を防止することができるので、溶射材料２０を効率よく溶融することができる。なお、本実施の形態においては、ガス導入孔４ｃを主外套４のテーパー部４ｂに設けることとしているが、主外套４の開口部４ａの入口側に設けてもよいし、主外套４のテーパー部４ｂ及び開口部４ａの入口側にそれぞれ設けてもよい。
また、上述のように、ガス噴出孔４ｃを設ける代わりに、溶射材料付着防止のためのガス流を外套内部全面に形成するよう、主外套４を多孔質金属材料Ｍにより構成し、主外套４に設けたガス導入口４ｄから供給されたガスを、多孔質金属材料Ｍ内の微細孔を通して、主外套４の内部方向にのみ噴出させるようにしてもよい。
　溶射材料２０が溶融された溶融物２１は、プラズマ炎２３とともに基材２５に向かって進行する。基材２５の直前で、連結管２６上に設けられたプラズマ分離手段２２によってプラズマ１８のみを分離して、溶融物２１を基材２５に吹き付け、気孔が少ない緻密な溶射材料２０の皮膜２４を効率よく形成することができる。
　なお、本実施の形態においては、プラズマ溶射装置１００ｂにおいて副トーチを２つ設けることとしているが、副トーチを３つ以上設けてもよい。副トーチを２つ以上設ける場合には、これらの副トーチは、それらの中心軸が、主トーチ１の外部において、主陽極３の前方かつ中心軸の一点で交差するように、配置されていることが好ましく、その交差する点を中心とした、中心軸に垂直な円の外周上に均一に配置されていることがより好ましい。また、プラズマ溶射装置１００ｂにおいて副トーチを２つ以上設ける場合には、各副トーチの中心軸が上記交差する点で主トーチ１の中心軸に垂直に交差するように、各副トーチが配置されていることが好ましい。
　また、上述のプラズマプラズマ溶射装置１００ａ，１００ｂにおける主外套４の開口部４ａの先端側に、電気的に絶縁された浮遊電極を１又は複数設けてもよい。これにより、熱ピンチ効果を高め、高温のプラズマを形成することが可能となり、溶射材料２０を効率的に溶融させることができるようになる。さらに、上記浮遊電極を設けた部分にガスを導入する孔をさらに設けて不活性ガス（例えばアルゴンガスなど）又は活性ガス（例えば、空気や酸素など）を導入することとしてもよい。これにより、浮遊電極より上流側において開口部４ａの内壁に溶射材料２０が付着することを防止するとともに、熱ピンチ効果を高め、より高温のプラズマを形成することができるようになる。また、同様に、副外套１１，４１の開口部（孔１１ａ，４１ａの部分）の先端側に、電気的に絶縁された浮遊電極を１又は複数設けてもよいし、さらに、浮遊電極を設けた部分にガスを導入する孔をさらに設けて不活性ガス（例えばアルゴンガスなど）又は活性ガス（例えば、空気や酸素など）を導入することとしてもよい。これにより、熱ピンチ効果を高め、より高温のプラズマを形成することができるようになる。
　次に、本発明のプラズマ溶射装置として、主トーチの外套における開口部の出口側に副トーチが設けられた、主トーチと副トーチの一体型プラズマ溶射装置について説明する。なお、本実施の形態においては、主トーチと副トーチの一体型プラズマ溶射装置の好ましい例として、主トーチにおける電極が主陽極（アノード）であって、副トーチにおける電極が副陰極（カソード）である一体型プラズマ溶射装置１００ｃについて説明するが、主トーチと副トーチの一体型プラズマ溶射装置は、主トーチにおける電極が主陰極であって、副トーチにおける電極が副陽極である一体型プラズマ溶射装置であってもよい。図３に、本発明の他の一実施形態として説明する一体型プラズマ溶射装置１００ｃの概略構成を示す。
　主トーチ１は、主陽極３と、該主陽極３を囲む主外套４と、主陽極３と主外套４とを絶縁する絶縁体２７などを備える。
　主陽極３は、電気伝導率に優れた材料、例えば、銅などの金属により形成されている。主陽極３は、中心軸の先端中央に溶射材料吐出孔を有する材料送入管１９を備える。主陽極３は、主外套４と、絶縁体２７によって同心に保持されている。
　主外套４は、先端部の開口部（ノズル部）４ａと、該開口部４ａと絶縁体２７との間に設けられたテーパー部４ｂとを備えている。開口部４ａには、電気的に絶縁された絶縁体６０が設けられており、開口部４ａの下流には、不活性ガスを導入して旋回ガス流を形成させる不活性ガス導入孔４ｃが設けられている。一方、開口部４ａの上流には、副トーチ２が設けられている。
　また、上記実施形態と同様に、旋回流を形成するためのガス噴出孔４ｃを設ける代わりに、溶射材料付着防止のためのガス流を外套内部全面に形成するよう、主外套４を多孔質金属材料Ｍにより構成し、主外套４に設けたガス導入口４ｄから供給されたガスを、多孔質金属材料Ｍ内の微細孔を通して、主外套４の内部方向にのみ噴出させるようにしてもよい。
　副トーチ２は、副陰極（副トーチ起動電極）１０と、該副陰極１０を囲む副外套１１と、副陰極１０と副外套１１とを絶縁する絶縁体２８などを備え、副トーチ２の中心軸、すなわち副陰極１０の中心軸は、主トーチ１の中心軸、すなわち主陽極３の中心軸と、主陽極３と副陰極１０との前方で交差するように配置されている。
　副陰極１０は、融点が高い材料、例えば、タングステンなどの材料により形成されている。副陰極１０は、副外套１１と、絶縁体２８によって同心に保持されている。
　副外套１１は、先端部に孔を備えている。絶縁体２８は、副プラズマガス１３を導入する副プラズマガス導入口１２と、主トーチ１の絶縁体２７と同様の旋回流形成手段５０を有している。
　絶縁体２７は、主プラズマガス６を導入する主プラズマガス導入口５と、主プラズマガス６の旋回流形成手段５０を有している。
　主電源７の正端子は主陽極３に接続され、主電源７の負端子はスイッチ手段８を介して主外套４のテーパー部４ｂに接続される。
　副電源１４の正端子は、副外套１１に接続され、副電源１４の負端子は、スイッチ手段１５を介して副陰極１０に接続され、また、スイッチ手段９を介して主電源７の負端子に接続される。
　次に、一体型プラズマ溶射装置１００ｃを用いて溶射材料をプラズマ溶射する方法について説明する。
　アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを主プラズマガス６として、主プラズマガス導入口５から主トーチ１内に導入し、主プラズマガス６の旋回流を形成させる。また、スイッチ手段９を開き、スイッチ手段８を閉じた状態で、主電源７により主陽極３と主外套４のテーパー部４ｂとの間に高周波電圧を印加する。その結果、主陽極３の先端から主外套４の開口部４ａの方に向かう主プラズマアークが形成され、これにより主プラズマガス６が加熱される。
　加えて、アルゴン、ヘリウムなどのプラズマ化が可能な不活性ガスを副プラズマガス１３として、副プラズマガス導入口１２から副トーチ２内に導入し、副プラズマガス１３の旋回流を形成させる。また、スイッチ手段１５を閉じた状態で、副電源１４により副陰極１０と副外套１１との間に高周波電圧を印加する。その結果、副陰極１０の先端１０ａから副外套２４の孔１１ａの方に向かう副プラズマアークが形成され、これにより副プラズマガス１３が加熱される。
　主陽極３の中心軸と副陰極１０の中心軸は、主陽極３と副陰極１０の前方において交差するため、スイッチ手段９を閉じ、スイッチ手段８，１５を開くと、副陰極１０の先端部から主陽極３の陽極点に至るヘアピン状のプラズマによる導電路が形成される。
　この場合、主トーチ１の構造と供給される主プラズマガス６、及び副トーチ２の構造と副トーチ２に供給される副プラズマガス１３の量を適切に設定することにより、図４に示されたように、主トーチ１のほぼ同軸上にプラズマ炎２３を形成することができる。
　材料送入管１９から溶射材料吐出孔を介して吐出された溶射材料２０は、主陽極３と副陰極１０により主陽極３の中心軸上に形成されるプラズマの軸中心に供給され、プラズマ炎２３によって溶融される。本発明の実施の形態においては、副トーチ２を主トーチ１の主外套４の絶縁体６０の上流（先端）に埋め込むことにより、プラズマアークを主トーチ１内に閉じ込めて熱ピンチ効果を高め、プラズマアークの入力を増大させることができる。また、溶射材料２０が溶射材料吐出孔から吐出される際に、主外套４の開口部４ａの入口側に設けた不活性ガス導入孔４ｃによりガス（例えばアルゴンガスなどなどの不活性ガス、空気や酸素ガスなどの活性ガス）を導入して旋回ガス流を形成させることにより、主外套４における開口部４ａの内壁に溶射材料２０が付着することを防止することができる。さらに、溶射材料２０の付着を防止することができるので、溶射材料２０を効率よく溶融することができる。溶射材料２０が溶融された溶融物は、基材２５に吹き付けられ、気孔が少ない緻密な溶射材料２０の皮膜が効率よく形成される。なお、本実施の形態においては、ガス導入孔４ｃを主外套４の開口部４ａの入口側に設けることとしているが、主外套４のテーパー部４ｂに設けてもよいし、主外套４のテーパー部４ｂ及び開口部４ａの入口側にそれぞれ設けてもよい。
　また、上記のように、旋回流を形成するためのガス噴出孔４ｃを設ける代わりに、溶射材料付着防止のためのガス流を外套内部全面に形成するよう、主外套４を多孔質金属材料Ｍにより構成し、主外套４に設けたガス導入口４ｄから供給されたガスを、多孔質金属材料Ｍ内の微細孔を通して、主外套４の内部方向にのみ噴出させるようにしてもよい。
　次に、上述のプラズマ溶射装置１００ａ～１００ｃにおける主陽極３の好ましい実施形態を例に挙げて説明する。図６～８に、本発明の好ましい実施形態として説明する主陽極３の先端部の概略構成図を示す。
　図６に示すように、主陽極３には、主陽極３の外周面と材料送入管１９との間に、冷却水Ｗを循環させる冷却通路３Ａが設けられている。
　主陽極３の先端面３ｆは、中心軸上に内側に突の形状（例えば、内側に突の円錐台状など）に形成されており、主陽極３の先端面３ｆの中央に材料送入管１９の出口である溶射材料吐出孔１９Ｐが配置され、主陽極３の先端外周の突出部（先端の縁）が陽極点３Ｐとなる。
　材料送入管１９より送入された溶射材料２０は、図６に示すように、主陽極３の陽極点３Ｐの位置を材料送入管１９の溶射材料吐出孔１９Ｐの位置より陰極点に近くなるように設けることにより、溶射材料２０を供給する際には、溶射材料２０とプラズマ（プラズマアーク）１８の陽極点とが干渉することない。また、主トーチ１の中心軸Ｃと同一直線上にプラズマ１８の軸中心がくるため、プラズマ１８の高温部に溶射材料２０を供給し、ほぼ完全に溶融することができる。供給する溶射材料２０としては、金属等の導電性材料、セラミックス等の絶縁性材料などの粉末を用いることができる。なお、金属等の導電性材料を用いる場合には、材料送入管１９は、耐熱性かつ絶縁性を有するセラミックス等の材質で作製することが好ましい。
　なお、主陽極３の先端部の構造は、陽極点３Ｐが、溶射材料吐出孔１９Ｐより外周側に位置し、溶射材料吐出孔１９Ｐと互いに干渉することのないように配置されていれば、特に制限されるものではない。また、主陽極３の先端部は、図７に示すように、溶射材料吐出孔１９Ｐと陽極点３Ｐがそれぞれ干渉することのない位置、例えば先端面３ｆにおける溶射材料吐出孔１９Ｐと陽極点３Ｐの間の位置に外周面から貫通する、溶射材料の付着を防止するためのガス噴出孔３１を１又は複数備えることが好ましい。さらに、主陽極３の先端部は、図８に示すように、円錐台状に形成されており、上記ガス噴出孔３１を、先端面３ｆにおける溶射材料吐出孔１９Ｐと陽極点３Ｐがそれぞれ干渉することのない位置に外周面から貫通するように設けることがより好ましい。
１　主トーチ、２　副トーチ、３　主陽極、３Ａ　冷却通路、３ｆ　先端面、３Ｐ　陽極点、４　主外套、４ａ　開口部、４ｂ　テーパー部、４ｃ　ガス導入孔、４ｄ　ガス導入口，　５　主プラズマガス導入口、６　主プラズマガス、７　主電源、８，９　スイッチ手段、１０　副陰極、１０ａ　副陰極の先端、１１　副外套、１１ａ　孔、１２　副プラズマガス導入口、１３　副プラズマガス、１４　副電源、１５　スイッチ手段、１６　主プラズマアーク、１７　副プラズマアーク、１８　プラズマ、１９　材料送入管、１９Ｐ　溶射材料吐出孔、２０　溶射材料、２１　溶融物、２２　プラズマ分離手段、２３　プラズマ炎、２４　皮膜、２５　基材、２６　連結管、２７，２８　絶縁体、３１　ガス噴出孔、３９　副トーチ、４０　副陰極、４０ａ　副陰極の先端、４１　副外套、４１ａ　孔、４２　副電源、４３，４４，４５，４６　スイッチ手段、４７　絶縁体、４８　副プラズマガス導入口、４９　副プラズマガス、５０　旋回流形成手段、５１　ガス環状室、５２　旋回流形成孔、５３　内壁、５５　スイッチ手段、５６　副プラズマアーク、６０　絶縁体、７０　スイッチ手段、１００ａ　複合トーチ型プラズマ溶射装置、１００ｂ　ツインカソード型プラズマ溶射装置、１００ｃ　一体型プラズマ溶射装置、Ｃ　中心軸、Ｍ　多孔質金属体、　Ｗ　冷却水

Claims (11)

  1. 　中心軸の先端中央に溶射材料吐出孔を有する第１の電極と、前記第１の電極を囲む第１の外套と、前記第１の電極と前記第１の外套とを絶縁し、第１のプラズマガス導入口を有する第１の絶縁体と、を備える主トーチと、
    　第２の電極と、前記第２の電極を囲む第２の外套と、前記第２の電極と前記第２の外套とを絶縁し、第２のプラズマガス導入口を有する第２の絶縁体と、を備え、中心軸が前記主トーチの中心軸と交差する副トーチと、
    を備え、
    　前記第１の電極と前記第２の電極により、前記第１の電極の中心軸上に形成されるプラズマの軸中心に、前記溶射材料吐出孔から供給された溶射材料を溶融し、溶融した前記溶射材料を基材に吹き付けることにより前記溶射材料の被膜を形成するプラズマ溶射装置において、
    　前記第１の外套は、開口部と、前記開口部と前記第１の絶縁体との間に設けられたテーパー部とを備え、
    　前記第１の外套は、前記開口部の入口側及び／又は前記テーパー部に、ガスを導入するガス導入部を備えることを特徴とするプラズマ溶射装置。
  2. 　前記第１の電極が陽極であり、前記第２の電極が陰極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. 　前記開口部は、中央に第３の絶縁体を備え、
    　前記副トーチは、前記開口部の前記第３の絶縁体より出口側に設けられてい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. 　前記主トーチと前記副トーチは、プラズマアークが外部で形成されるように配置されてい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. 　前記副トーチを複数備え、
    　複数の前記副トーチは、複数の前記副トーチの中心軸が、前記主トーチの外部において、前記主トーチの中心軸の一点でそれぞれ交差するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ溶射装置。
  6. 　前記第１の電極の陽極点と、前記溶射材料吐出孔とが互いに干渉することのない構造とすることを特徴とする請求項３～５のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
  7. 　前記第１の電極の先端面が中心軸上に内側に突の形状に形成されていることを特徴とする請求項３～５のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
  8. 　前記第１の電極の先端に溶射材料の付着を防止するためのガス噴出孔を設けることを特徴とする請求項３～７のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
  9. 前記第１の外套のガス導入部は，前記開口部の入口側及び／又は前記テーパー部に、ガスを導入するガス噴出孔を備えることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載のプラズマ溶射装置
  10. 　前記第１の外套のガス導入部は、ガスが前記開口部及び前記テーパー部の内部で旋回流となるよう、中心軸に対して円周方向の速度成分をもつように噴出されるガス噴出孔を備えることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
  11. 　前記第１の外套は多孔質金属により構成され、外部より導入されたガスが、前記多孔質金属内の孔を通して、前記第１の外套の内部方向にのみ噴出されることにより前記ガス導入部が構成されていることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載のプラズマ溶射装置。
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