プラズマ溶射装置
【課題】皮膜の質のさらなる向上を図ることができる複合トーチ型のプラズマ溶射装置を提供する。
【解決手段】本発明のプラズマ溶射装置によれば、主陽極１２の先端部に第１凹部１２１および第２凹部１２２が形成されている。第１凹部１２１は主陽極１２の径方向について材料搬送管１１よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かってくぼんでいる。第２凹部１２２は主陽極１２の径方向について第１凹部１２１の内縁１２４から材料搬送管１１に至るまで連続的または断続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かって第１凹部１２１よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる。第２凹部１２２が形成されている分だけ、第１凹部１２１のみが形成されている場合と比較して、材料搬送管１１の先端部から放出された材料がプラズマに接触するまでの間に拡散しうる空間が広く確保される。
【解決手段】本発明のプラズマ溶射装置によれば、主陽極１２の先端部に第１凹部１２１および第２凹部１２２が形成されている。第１凹部１２１は主陽極１２の径方向について材料搬送管１１よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かってくぼんでいる。第２凹部１２２は主陽極１２の径方向について第１凹部１２１の内縁１２４から材料搬送管１１に至るまで連続的または断続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かって第１凹部１２１よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる。第２凹部１２２が形成されている分だけ、第１凹部１２１のみが形成されている場合と比較して、材料搬送管１１の先端部から放出された材料がプラズマに接触するまでの間に拡散しうる空間が広く確保される。
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】
本発明は高温のプラズマアークにより、金属またはセラミックス等の物質を溶融して対象物に吹き付け、その表面に皮膜を形成する複合トーチ型のプラズマ溶射装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
図４に示されているように中心軸が交差する主トーチ１および副トーチ２を備え、主トーチ１が有する主陽極１２と副トーチ２が有する副陰極２２との間にプラズマアークＰ１およびＰ２を形成させる複合トーチ型のプラズマ溶射装置が提案されている。このプラズマ溶射装置によれば、主陽極１２の中心部を貫通する材料搬送管１１を通じて液体等の流動性のある材料が主陽極１２の先端部付近まで供給され、プラズマＰによって加熱されて溶融した粒子Ｍ２を基材Ｓに向けて飛ばすことにより、当該材料によって基材Ｓを覆う緻密なまたは質の高い皮膜Ｍが形成される（特許文献１参照）。
【０００３】
しかるに、主陽極１２の先端部および主外套１４の開口部付近等に材料Ｍ１または溶融粒子Ｍ２の一部が付着し、この付着材料がプラズマＰに不規則的に巻き込まれることによるスピッティング（過度に大径化した溶融粒子の吐き出し）が発生し、大径のスプラット（基材に衝突して扁平した後で凝固した状態の粉末材料を意味する。）が混在するため、その径に不規則性が生じ、皮膜Ｍの質が低下する可能性がある。また、溶融粒子Ｍ２が主陽極１２および主外套１４等から引き剥がされる際に、主陽極１２および主外套１４側の表面が一緒にむしりとられてしまうために主トーチ１が損傷し、その寿命が著しく低下する。そこで、主電極１２および主外套１４等への材料Ｍ１の付着を防止するため、主陽極１２にガス噴出孔を設けることが提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２３１４９８号公報
【特許文献２】特開２００７−０９０２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、それでもなお皮膜の質が低下する可能性が非常にわずかながらもあることが判明した。
【０００５】
そこで、本発明は、皮膜の質のさらなる向上を図ることができる複合トーチ型のプラズマ溶射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明者は実験により次のような知見を得た。すなわち、流動性のある材料の溶融効率の向上のために高エネルギーのプラズマアークが形成されると、主外套がプラズマの熱によって部分的に溶融または損傷してしまう可能性がある。その一方、図５に示されている主外套１４の溶融を防止するために主外套が冷却されると、矢印で示されているように熱的ピンチ効果によってプラズマＰが緊縮するため、図５に示されているように主陽極１２の先端中央部がその軸方向についてくぼんでいるにもかかわらず、材料搬送管１１から放出された材料Ｍ１がプラズマＰに接触するまでの間の飛散スペースが狭くなる。その結果、材料が十分に拡散または分散しないうちにプラズマＰに接触することになる。そして、材料Ｍ１の飛散単位の少なくとも一部のサイズが大きくなり、これにより材料Ｍ１の溶融効率が低下し、材料Ｍ１の一部が主陽極１２または主外套１４等に付着する可能性が高くなる。また、材料Ｍ１の飛散単位のサイズおよび溶融粒子のサイズのばらつき、ならびに、スプラット径のばらつきが大きくなって、皮膜にポアまたはクラックが生じる可能性が高くなる。さらに、前記のように主外套１４等に付着した材料がスピッティングとなって不規則的にプラズマＰに巻き込まれて溶融粒子として基材まで飛散することもスプラット径のばらつきを大きくする原因となる。本発明はこのような知見に鑑みて完成された。
【０００７】
本発明のプラズマ溶射装置は、軸方向に貫通する材料搬送管を有する主陽極と、前記主陽極を囲むとともに前記主陽極の軸方向前方に位置する主開口部を有する主外套と、前記主外套を冷却する冷却要素とを有する主トーチと、前記主陽極の中心軸と交差する中心軸を有する副陰極と、前記副陰極を囲むとともに前記副陰極の軸方向前方に位置する副開口部を有する副外套とを有する複数の副トーチとを備え、前記主開口部および前記副開口部を通じて前記主陽極および前記副陰極の間に形成されるプラズマによって前記材料搬送管から放出または拡散される流動性のある材料を加熱することにより溶融粒子を生成し、前記溶融粒子を前記主陽極の軸方向前方に配置されている基材に吹き付けることにより前記材料によって構成される皮膜を前記基材の上に形成するプラズマ溶射装置において、前記主陽極の先端部に、前記主陽極の径方向について前記材料搬送管よりも外側から連続的に縮径しながら前記主陽極の軸方向後方に向かってくぼんでいる第１凹部と、前記主陽極の径方向について前記第１凹部の内縁から前記材料搬送管に至るまで連続的または断続的に縮径しながら前記主陽極の軸方向後方に向かって前記第１凹部よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる第２凹部とが形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明のプラズマ溶射装置によれば、主陽極の先端部に第１凹部および第２凹部が形成されている。「第１凹部」は主陽極の径方向について材料搬送管よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極の軸方向後方に向かってくぼんでいる。「第２凹部」は主陽極の径方向について第１凹部の内縁から材料搬送管に至るまで連続的または断続的に縮径しながら主陽極の軸方向後方に向かって第１凹部よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる。材料搬送管の先端部から放出された流動性のある材料が、第２凹部により画定される空間と、第１凹部により画定される空間とにおいて順に拡散された上で、主陽極および副陰極の間に形成されるプラズマに接触する。第２凹部が形成されている分だけ、第１凹部のみが形成されている場合と比較して、材料搬送管の先端部から放出された材料がプラズマに接触するまでの間に拡散しうる空間が広く確保される。このため、プラズマが熱的ピンチ効果によって緊縮されて材料の拡散空間が狭まったとしても、当該材料の十分な拡散、すなわち、当該材料の飛散単位のサイズの縮小化および均等化を図ることができる。さらに、熱的ピンチ効果によるプラズマの緊縮が許容される分、冷却要素による主外套の冷却が許容される。また、主外套の冷却が許容される分、主外套の損傷を防止しながらもプラズマの高エネルギー化が許容される。前記のような材料の飛散単位の縮小化およびプラズマの高エネルギー化によって当該材料の溶融効率の向上を図ることができる。そして、十分に溶融されなかった材料が主外套等に付着し、不規則的にプラズマに巻き込まれる可能性が低減される。また、材料の飛散単位のサイズおよび溶融粒子のサイズのばらつきが抑制されるため、スプラットの径のばらつきも抑制され、当該ばらつきに起因するポア形成も抑制される。したがって、皮膜のさらなる緻密化等、質の向上を図ることができる。
【発明の実施の形態】
【０００９】
本発明のプラズマ溶射装置の実施形態について図面を用いて説明ずる。
【００１０】
まず、プラズマ溶射装置の全体的な構成について説明する。図１に示されている複合トーチ型のプラズマ溶射装置は、その要部を除く構成は前記特許文献１の第２実施例のプラズマ溶射装置と同様の構成を有している。すなわち、プラズマ溶射装置は主トーチ１および２つの副トーチ２を備えている。主トーチ１および副トーチ２は相互に絶縁性が維持されるように着脱自在に固定されている。
【００１１】
主トーチ１は軸方向に貫通する材料搬送管１１を有する主陽極１２と、主陽極１２を囲むとともに主陽極１２の軸方向前方に位置する主開口部１４２を有する主外套１４と、主陽極１２および主外套１４を絶縁する略筒状の絶縁体１６と、主外套１４を冷却する冷却要素（図示略）とを有する。図２に示されているように材料搬送管１１は主陽極１２と同軸の内管１１１および外管１１２により構成されている。内管１１１を通じて流動性のある材料Ｍ１が先端部に向かって搬送され、内管１１１および外管１１２の間を通じて、内管１１１の先端部から放出または噴出された材料Ｍ１の飛散を補助するＡｒ等のガスが先端部に向かって供給される。このガスは後述する主プラズマアークＰ１の形成に際して補助的なプラズマガスとして機能しうる。なお、材料搬送管１１、すなわち、二重管の軸は必要に応じて主陽極１２の軸と一致していなくてもよい。主陽極１２は銅等の熱伝導率および電気伝導率の高い材料により形成されており、第１電源１８の正端子に接続され、かつ、スイッチ機構１８６を介して第２電源２８の正端子に接続されている。本発明のプラズマ溶射装置の要部である主陽極１２の詳細な構成については後述する。主外套１４はスイッチ機構１８４を介して第１電源１８の負端子に接続されている。冷却要素はたとえば主外套１４の内部に配管された導管と、この導管を流れる水等の冷却媒体とにより構成されている。絶縁体１６の側壁には主トーチ１の内部にＡｒ等の主プラズマガスＧ１を導入するための主プラズマガス入口１６２が設けられている。主プラズマガス入口１６２に導入された主プラズマガスＧ１は旋回流形成孔（図示略）を通じて主トーチ１の内部において主トーチ１の周方向に旋回するように導入される。旋回流形成孔の構造についてはたとえば前記特許文献１に詳述されているので本明細書では詳述を省略する。
【００１２】
副トーチ２は副陰極（副トーチ起動電極）２２と、副陰極２２を囲むとともに副陰極２２の軸方向前方に位置する副開口部２４２を有する副外套２４と、副陰極２２および副外套２４を絶縁する略筒状の絶縁体２６とを有する。主陽極１２の軸と副陰極２２の軸とが、主陽極１２の軸方向前方かつ副陰極２２の軸方向前方において交差するように主トーチ１および各副トーチ２が配置されている。２つの副トーチ２は、主トーチ１または主陽極１２の中心軸まわりの回転対称性（２回対称）を有し、かつ、各副トーチ２または副陰極２２の中心軸が主トーチ１の中心軸の一点で交差するように対向して配置されている。このような配置により、後述するプラズマフレームＰ＋の直進性および安定性が図られており、その結果としてプラズマの高出力化が可能とされている。なお、プラズマフレームＰ＋の直進性および安定性が図られるという条件下で、３つ以上の副トーチ２が配置されてもよい。たとえば、３つの副トーチ３が主トーチ１の中心軸まわりの回転対称性（３回対称）を有するように配置されてもよい。各副陰極２２はスイッチ機構２８１または２８２を介して第２電源２８の負端子に接続されている。一方（図１上側）の副トーチ２の副陰極２２はスイッチ機構１８２を介して第１電源１８の負端子に接続されている。各副外套２４はスイッチ機構２８３または２８４を介して第２電源２８の正端子に接続されている。絶縁体２６の側壁には副トーチ２の内部にＡｒ等の副プラズマガスＧ２を導入するための副プラズマガス入口２６２が設けられている。副プラズマガス入口２６２に導入された副プラズマガスＧ２は主プラズマガスＧ１と同様に旋回流形成孔（図示略）を通じて副トーチ２の内部において副トーチ２の周方向に旋回するように導入される。
【００１３】
次に本発明のプラズマ溶射装置の要部である主陽極１２の構成について説明する。主陽極１２の先端部付近の中心軸を含むような断面図である図２に示されているように主陽極１２の先端部には、第１凹部１２１、第２凹部１２２および傾斜部１２３が形成されている。第１凹部１２１は主陽極１２の径方向またはｙ方向について材料搬送管１１１（正確には外管１１２）よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方または−ｘ方向に向かってくぼんでいる。第２凹部１２２は主陽極１２の径方向について第１凹部１２１の内縁から材料搬送管１１（正確には外管１１２）に至るまで連続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かって第１凹部１２１よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる。傾斜部１２３は主陽極１２の径方向について第１凹部１２１の外縁１２４から連続的に拡径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かって傾斜している。第１凹部１２４の外縁は主陽極１２の軸方向前方に突出しており、陽極点を構成する。なお、傾斜部１２３が省略され、第１凹部１２１の外縁の径と、主陽極１２の径とが一致するように主陽極１２の先端部が形成されていてもよい。
【００１４】
図２に示されているように主陽極１２の中心軸がｘ軸として定義され、この中心軸に直交し、かつ、第１凹部１２１の外縁１２４を通る軸がｙ軸として定義されている。第１凹部１２１が連続的に縮径しながらくぼんでいるとは、第１凹部１２１の座標ｘにおける径を表わす第１関数ｆ1（ｘ）（−ｘ1≦ｘ≦０）が連続関数であり、かつ、その導関数ｄｆ1／ｄｘ（第１凹部１２１のｘ軸に対する傾斜度合を表わす。）が正値であることを意味する。同様に、第２凹部１２２が連続的に縮径しながらくぼんでいるとは、第２凹部１２２の座標ｘにおける径を表わす第２関数ｆ2（ｘ）（−ｘ1−ｘ2≦ｘ≦−ｘ1）が連続関数であり、かつ、その導関数ｄｆ2／ｄｘ（第２凹部１２２のｘ軸に対する傾斜度合を表わす。）が正値であることを意味する。また、傾斜部１２２が連続的に拡径しながら傾斜しているとは、傾斜部１２３の座標ｘにおける径を表わす第３関数ｆ3（ｘ）（−ｘ３≦ｘ≦０）が連続関数であり、かつ、その導関数ｄｆ3／ｄｘ（傾斜部１２３のｘ軸に対する傾斜度合を表わす）が負値であることを意味する。
【００１５】
第２凹部１２２が第１凹部１２１よりも大きくくぼんでいるとは、第２関数ｆ2の定義域（−ｘ1−ｘ2≦ｘ≦−ｘ1）の幅が、第１関数ｆ1の定義域（−ｘ1≦ｘ≦０）の幅よりも大きいこと、すなわち、ｘ2がｘ1よりも大きいことを意味している。第２凹部１２２が第１凹部１２１よりも急峻にくぼんでいるとは、たとえば、第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘの平均値｛∫ｄｘ（ｄｆ2／ｄｘ）｝／ｘ2が、第１関数ｆ1の導関数ｄｆ1／ｄｘの平均値｛∫ｄｘ（ｄｆ1／ｄｘ）｝／ｘ1よりも大きいことを意味する。図２に示されている主陽極１２において第１関数ｆ1の導関数ｄｆ1／ｄｘの値および第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘの値が一定なので、第２凹部１２２が第１凹部１２１よりも急峻にくぼんでいるとは、第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘの値が、第１関数ｆ1の導関数ｄｆ1／ｄｘの値よりも大きいことを意味する。
【００１６】
なお、図２に示されている主陽極１２の先端部形状は、たとえば図３（ａ）〜（ｄ）のそれぞれに示されているようにさまざまに変更されうる。図３（ａ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘは正値であるものの一定ではなく＋ｘ方向に行くにつれて徐々に大きくなるように、すなわち、第２関数ｆ2の２階導関数ｄ2ｆ2／ｄｘ2が正値となるように形成されている。図３（ｂ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘは正値であるものの一定ではなく＋ｘ方向に行くにつれて徐々に小さくなるように、すなわち、第２関数ｆ2の２階導関数ｄ2ｆ2／ｄｘ2が負値となるように形成されている。図３（ｃ）に示されている第２凹部１２２は主陽極１２の軸方向後方について断続的に縮径するように形成されている。図３（ｃ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2のほぼすべての定義域において第１凹部１２１の外縁１２４とほぼ同径になるように形成されている。すなわち、図３（ｃ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘがｘ＝−ｘ1−ｘ2において無限大に近い値をとり、その他の定義域においては０になるというようにδ関数に近い振る舞いを示すように形成されている。図３（ｄ）に示されている第２凹部１２２も主陽極１２の軸方向後方について断続的に縮径するように形成されている。図３（ｄ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の定義域のうちｘ＝−ｘ1−ｘ2〜−ｘ1−ｘ21−ｘ22において材料搬送管１１の径と第１凹部１２１の外縁１２４の径との間の一定径であり、ｘ＝−ｘ1−ｘ21−ｘ22〜−ｘ1−ｘ21においては主陽極１２の軸方向後方に連続的に縮径し、ｘ＝−ｘ2−ｘ21〜−ｘ1−ｘ2において第１凹部１２１の外縁１２４と同径となるように形成されている。すなわち、図３（ｄ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘがｘ＝−ｘ1−ｘ2において無限大に近い値をとり、ｘ＝−ｘ1−ｘ2〜−ｘ1−ｘ21−ｘ22においては０であり、ｘ＝−ｘ1−ｘ21−ｘ22において不連続的に増加し、ｘ＝−ｘ1−ｘ21−ｘ22〜−ｘ1−ｘ21において正の一定値であり、ｘ＝−ｘ1−ｘ21において不連続的に減少し、ｘ＝−ｘ1−ｘ21〜−ｘ1において０であるように形成されている。このほか、第２凹部１２２の深さｘ2が第１凹部１２１の深さｘ1よりも大きいという条件が満たされていれば、第１凹部１２１が第２凹部１２２よりも急峻にくぼんでいてもよい、また、第２凹部１２２が第１凹部１２１よりも急峻にくぼんでいるという条件が満たされていれば、第２凹部１２２の深さｘ2が第１凹部１２１の深さｘ1よりも小さくてもよい。
【００１７】
続いて前記構成のプラズマ溶射装置の機能について説明する。
【００１８】
まず主プラズマガス入口１６２からＡｒ等の不活性ガスが主プラズマガスＧ１として主トーチ１に旋回流を形成するように導入される。また、スイッチ機構１８２および１８６が開かれた状態で、スイッチ機構１８４が閉じられ、第１電源１８により主陽極１２と主外套１４との間に高周波電圧が印加される。その結果、主陽極１２の先端部から主外套１４の主開口部１４２に向かう主プラズマアークＰ１が形成され、これによって主プラズマガスＧ１が加熱され、プラズマＰとなって主外套１４の主開口部１４２を通じて主トーチ１から放出される。
【００１９】
次に一方（図１上側）の副トーチ２において副プラズマガス入口２６２からＡｒ等の不活性ガスが副プラズマガスＧ２として旋回流を形成するように導入される。また、スイッチ機構２８２および２８４が開かれた状態で、スイッチ機構２８１および２８３が閉じられ、第２電源２８により副陰極２２と副外套２４との間に高周波電圧が印加される。その結果、副陰極２２の尖端から副外套２４の副開口部２４２に向かう副プラズマアークＰ２が形成され、これによって副プラズマガスＧ２が加熱され、プラズマＰとなって副外套２４の副開口部２４２を通じて一方の副トーチ２から放出される。
【００２０】
前記のように主陽極１２の中心軸および副陰極２２の中心軸が軸方向前方において交差するように主トーチ１および副トーチ２が配置されているので、主トーチ１および副トーチ２のそれぞれから放出されるプラズマＰは主トーチ１の前方および副トーチ２の前方において交差する。この状態でスイッチ機構２８１が開かれ、これと同時にスイッチ機構１８２が閉じられ、かつ、スイッチ機構１８４および２８３が開かれる。その結果、プラズマＰは導電性であるので、副陰極２２の先端部から主陽極１２の陽極点に至るヘアピン状のプラズマＰによる導電路が形成される。
【００２１】
その直後、他方（図１下側）の副トーチ２においても副プラズマガス入口２６２からＡｒ等の不活性ガスが副プラズマガスＧ２として旋回流を形成するように導入される。また、スイッチ機構２８１および２８３が開かれた状態で、スイッチ機構２８２および２８４が閉じられ、第２電源２８により副陰極２２と副外套２４との間に高周波電圧が印加される。その結果、副陰極２２の尖端から副外套２４の副開口部２４２に向かう副プラズマアークＰ２が形成され、これによって副プラズマガスＧ２が加熱され、プラズマＰとなって副外套２４の副開口部２４２を通じて他方の副トーチ２からも放出される。
【００２２】
他方の副トーチ２から放出されたプラズマＰは、一方の副トーチ２の副陰極２２の先端部から主陽極１２の陽極点にまで至るヘアピン状のプラズマＰと交差する。この状態でスイッチ機構１８６が閉じられる一方、スイッチ機構２８４が開かれると、プラズマＰは導電性なので全体としてＴ字状のプラズマＰが形成される。
【００２３】
材料搬送管１１の内管１１１を通じて、粉末状の材料が溶媒に分散されたスラリー状の流動性のある材料Ｍ１が搬送される。なお、スラリーに代えてプリカーサまたは粉末状の材料そのものが流動性のある材料Ｍ１として内管１１１を通じて搬送されてもよい。内管１１１の先端部から放出された材料Ｍ１は、外管１１２を通じて供給された搬送用のガスの勢いにより飛散する。主陽極１２における陽極点１２４が材料搬送管１１の先端部より副陰極２２における陰極点（副陰極の尖端部）に近いため、材料Ｍ１とプラズマＰの陽極点１２４とが干渉することなくプラズマ中心軸と同軸の方向に高温のプラズマＰに確実に供給される。材料Ｍ１が高融点を有していても、１００００℃以上のプラズマＰによって直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子Ｍ２となってプラズマフレームＰ＋に同伴されるように、主陽極１２の径方向について広がらないように基材Ｓに向かう。
【００２４】
この溶融粒子Ｍ２を含むプラズマフレームＰ＋は、必要に応じて基材Ｓに及ぼす熱負荷を軽減すべく基材Ｓの直前においてプラズマ分離要素（たとえば、無駄なフレームまたは未溶融粒子等の材料を除去するためのセパレートガスまたはセパレータ）Ｐ−によりプラズマＰのみが分離され、その直後に溶融粒子Ｍ２が基材Ｓに衝突し、皮膜Ｍが形成される。
【００２５】
本発明のプラズマ溶射装置によれば、主陽極１２の先端部に第１凹部１２１および第２凹部１２２が形成されている（図２参照）。第１凹部１２１は主陽極１２の径方向について材料搬送管１１よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かってくぼんでいる。第２凹部１２２は主陽極１２の径方向について第１凹部１２１の内縁１２４から材料搬送管１１に至るまで連続的または断続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かって第１凹部１２１よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる。材料搬送管１１の先端部から放出された流動性のある材料Ｍ１が、第２凹部１２２により画定される空間と、第１凹部１２１により画定される空間とにおいて順に拡散された上で、主陽極１２および副陰極２２の間に形成されるプラズマＰに接触する。第２凹部１２２が形成されている分だけ、第１凹部１２１のみが形成されている場合（図５参照）と比較して、材料搬送管１１の先端部から放出された材料Ｍ１がプラズマＰに接触するまでの間に拡散しうる空間が広く確保される。このため、プラズマＰが熱的ピンチ効果によって緊縮されて材料Ｍ１の拡散空間が狭まったとしても（図５参照）、当該材料Ｍ１の十分な拡散、すなわち、当該材料Ｍ１の飛散単位（スラリーの場合は粉末状の材料を含む溶媒の微小な滴）のサイズの縮小化および均等化を図ることができる。さらに、熱的ピンチ効果によるプラズマの緊縮が許容される分、冷却要素による主外套１４の冷却が許容される。また、主外套１４の冷却が許容される分、主外套１４の損傷を防止しながらもプラズマＰの高エネルギー化が許容される。前記のような材料Ｍ１の飛散単位の縮小化およびプラズマＰの高エネルギー化によって当該材料Ｍ１の溶融効率の向上を図ることができる。そして、十分に溶融されなかった材料Ｍ１が主外套１４等に付着し、不規則的にプラズマＰに巻き込まれる可能性が低減される。また、材料Ｍ１の飛散単位のサイズおよび溶融粒子のサイズのばらつきが抑制されるため、スプラットの径のばらつきも抑制され、当該ばらつきに起因するポア形成も抑制される。したがって、皮膜Ｍのさらなる緻密化（たとえば、皮膜の気孔率が１０％以下においてさらに低くすることを意味する。）等、皮膜Ｍの質の向上を図ることができる。
【００２６】
そのほか、第２凹部１２２が形成されることによって材料搬送管１１の先端部が主陽極１２の軸方向についてプラズマＰから遠ざけられている分、材料搬送管１１の先端部がプラズマＰの熱によって損傷することを防止し、その結果として装置全体の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のプラズマ溶射装置の構成説明図
【図２】本発明のプラズマ溶射装置における主陽極の構成説明図
【図３】主陽極の他の構成説明図
【図４】従来のプラズマ溶射装置の構成説明図
【図５】従来のプラズマ溶射装置における主陽極の構成説明図
【符号の説明】
【００２８】
１‥主トーチ、２‥副トーチ、１１‥材料搬送管、１２‥主陽極、１４‥主外套、１８‥第１電源、２２‥副陰極、２４‥副外套、２８‥第２電源、１２１‥第１凹部、１２２‥第２凹部
【産業上の利用分野】
【０００１】
本発明は高温のプラズマアークにより、金属またはセラミックス等の物質を溶融して対象物に吹き付け、その表面に皮膜を形成する複合トーチ型のプラズマ溶射装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
図４に示されているように中心軸が交差する主トーチ１および副トーチ２を備え、主トーチ１が有する主陽極１２と副トーチ２が有する副陰極２２との間にプラズマアークＰ１およびＰ２を形成させる複合トーチ型のプラズマ溶射装置が提案されている。このプラズマ溶射装置によれば、主陽極１２の中心部を貫通する材料搬送管１１を通じて液体等の流動性のある材料が主陽極１２の先端部付近まで供給され、プラズマＰによって加熱されて溶融した粒子Ｍ２を基材Ｓに向けて飛ばすことにより、当該材料によって基材Ｓを覆う緻密なまたは質の高い皮膜Ｍが形成される（特許文献１参照）。
【０００３】
しかるに、主陽極１２の先端部および主外套１４の開口部付近等に材料Ｍ１または溶融粒子Ｍ２の一部が付着し、この付着材料がプラズマＰに不規則的に巻き込まれることによるスピッティング（過度に大径化した溶融粒子の吐き出し）が発生し、大径のスプラット（基材に衝突して扁平した後で凝固した状態の粉末材料を意味する。）が混在するため、その径に不規則性が生じ、皮膜Ｍの質が低下する可能性がある。また、溶融粒子Ｍ２が主陽極１２および主外套１４等から引き剥がされる際に、主陽極１２および主外套１４側の表面が一緒にむしりとられてしまうために主トーチ１が損傷し、その寿命が著しく低下する。そこで、主電極１２および主外套１４等への材料Ｍ１の付着を防止するため、主陽極１２にガス噴出孔を設けることが提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２３１４９８号公報
【特許文献２】特開２００７−０９０２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、それでもなお皮膜の質が低下する可能性が非常にわずかながらもあることが判明した。
【０００５】
そこで、本発明は、皮膜の質のさらなる向上を図ることができる複合トーチ型のプラズマ溶射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明者は実験により次のような知見を得た。すなわち、流動性のある材料の溶融効率の向上のために高エネルギーのプラズマアークが形成されると、主外套がプラズマの熱によって部分的に溶融または損傷してしまう可能性がある。その一方、図５に示されている主外套１４の溶融を防止するために主外套が冷却されると、矢印で示されているように熱的ピンチ効果によってプラズマＰが緊縮するため、図５に示されているように主陽極１２の先端中央部がその軸方向についてくぼんでいるにもかかわらず、材料搬送管１１から放出された材料Ｍ１がプラズマＰに接触するまでの間の飛散スペースが狭くなる。その結果、材料が十分に拡散または分散しないうちにプラズマＰに接触することになる。そして、材料Ｍ１の飛散単位の少なくとも一部のサイズが大きくなり、これにより材料Ｍ１の溶融効率が低下し、材料Ｍ１の一部が主陽極１２または主外套１４等に付着する可能性が高くなる。また、材料Ｍ１の飛散単位のサイズおよび溶融粒子のサイズのばらつき、ならびに、スプラット径のばらつきが大きくなって、皮膜にポアまたはクラックが生じる可能性が高くなる。さらに、前記のように主外套１４等に付着した材料がスピッティングとなって不規則的にプラズマＰに巻き込まれて溶融粒子として基材まで飛散することもスプラット径のばらつきを大きくする原因となる。本発明はこのような知見に鑑みて完成された。
【０００７】
本発明のプラズマ溶射装置は、軸方向に貫通する材料搬送管を有する主陽極と、前記主陽極を囲むとともに前記主陽極の軸方向前方に位置する主開口部を有する主外套と、前記主外套を冷却する冷却要素とを有する主トーチと、前記主陽極の中心軸と交差する中心軸を有する副陰極と、前記副陰極を囲むとともに前記副陰極の軸方向前方に位置する副開口部を有する副外套とを有する複数の副トーチとを備え、前記主開口部および前記副開口部を通じて前記主陽極および前記副陰極の間に形成されるプラズマによって前記材料搬送管から放出または拡散される流動性のある材料を加熱することにより溶融粒子を生成し、前記溶融粒子を前記主陽極の軸方向前方に配置されている基材に吹き付けることにより前記材料によって構成される皮膜を前記基材の上に形成するプラズマ溶射装置において、前記主陽極の先端部に、前記主陽極の径方向について前記材料搬送管よりも外側から連続的に縮径しながら前記主陽極の軸方向後方に向かってくぼんでいる第１凹部と、前記主陽極の径方向について前記第１凹部の内縁から前記材料搬送管に至るまで連続的または断続的に縮径しながら前記主陽極の軸方向後方に向かって前記第１凹部よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる第２凹部とが形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明のプラズマ溶射装置によれば、主陽極の先端部に第１凹部および第２凹部が形成されている。「第１凹部」は主陽極の径方向について材料搬送管よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極の軸方向後方に向かってくぼんでいる。「第２凹部」は主陽極の径方向について第１凹部の内縁から材料搬送管に至るまで連続的または断続的に縮径しながら主陽極の軸方向後方に向かって第１凹部よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる。材料搬送管の先端部から放出された流動性のある材料が、第２凹部により画定される空間と、第１凹部により画定される空間とにおいて順に拡散された上で、主陽極および副陰極の間に形成されるプラズマに接触する。第２凹部が形成されている分だけ、第１凹部のみが形成されている場合と比較して、材料搬送管の先端部から放出された材料がプラズマに接触するまでの間に拡散しうる空間が広く確保される。このため、プラズマが熱的ピンチ効果によって緊縮されて材料の拡散空間が狭まったとしても、当該材料の十分な拡散、すなわち、当該材料の飛散単位のサイズの縮小化および均等化を図ることができる。さらに、熱的ピンチ効果によるプラズマの緊縮が許容される分、冷却要素による主外套の冷却が許容される。また、主外套の冷却が許容される分、主外套の損傷を防止しながらもプラズマの高エネルギー化が許容される。前記のような材料の飛散単位の縮小化およびプラズマの高エネルギー化によって当該材料の溶融効率の向上を図ることができる。そして、十分に溶融されなかった材料が主外套等に付着し、不規則的にプラズマに巻き込まれる可能性が低減される。また、材料の飛散単位のサイズおよび溶融粒子のサイズのばらつきが抑制されるため、スプラットの径のばらつきも抑制され、当該ばらつきに起因するポア形成も抑制される。したがって、皮膜のさらなる緻密化等、質の向上を図ることができる。
【発明の実施の形態】
【０００９】
本発明のプラズマ溶射装置の実施形態について図面を用いて説明ずる。
【００１０】
まず、プラズマ溶射装置の全体的な構成について説明する。図１に示されている複合トーチ型のプラズマ溶射装置は、その要部を除く構成は前記特許文献１の第２実施例のプラズマ溶射装置と同様の構成を有している。すなわち、プラズマ溶射装置は主トーチ１および２つの副トーチ２を備えている。主トーチ１および副トーチ２は相互に絶縁性が維持されるように着脱自在に固定されている。
【００１１】
主トーチ１は軸方向に貫通する材料搬送管１１を有する主陽極１２と、主陽極１２を囲むとともに主陽極１２の軸方向前方に位置する主開口部１４２を有する主外套１４と、主陽極１２および主外套１４を絶縁する略筒状の絶縁体１６と、主外套１４を冷却する冷却要素（図示略）とを有する。図２に示されているように材料搬送管１１は主陽極１２と同軸の内管１１１および外管１１２により構成されている。内管１１１を通じて流動性のある材料Ｍ１が先端部に向かって搬送され、内管１１１および外管１１２の間を通じて、内管１１１の先端部から放出または噴出された材料Ｍ１の飛散を補助するＡｒ等のガスが先端部に向かって供給される。このガスは後述する主プラズマアークＰ１の形成に際して補助的なプラズマガスとして機能しうる。なお、材料搬送管１１、すなわち、二重管の軸は必要に応じて主陽極１２の軸と一致していなくてもよい。主陽極１２は銅等の熱伝導率および電気伝導率の高い材料により形成されており、第１電源１８の正端子に接続され、かつ、スイッチ機構１８６を介して第２電源２８の正端子に接続されている。本発明のプラズマ溶射装置の要部である主陽極１２の詳細な構成については後述する。主外套１４はスイッチ機構１８４を介して第１電源１８の負端子に接続されている。冷却要素はたとえば主外套１４の内部に配管された導管と、この導管を流れる水等の冷却媒体とにより構成されている。絶縁体１６の側壁には主トーチ１の内部にＡｒ等の主プラズマガスＧ１を導入するための主プラズマガス入口１６２が設けられている。主プラズマガス入口１６２に導入された主プラズマガスＧ１は旋回流形成孔（図示略）を通じて主トーチ１の内部において主トーチ１の周方向に旋回するように導入される。旋回流形成孔の構造についてはたとえば前記特許文献１に詳述されているので本明細書では詳述を省略する。
【００１２】
副トーチ２は副陰極（副トーチ起動電極）２２と、副陰極２２を囲むとともに副陰極２２の軸方向前方に位置する副開口部２４２を有する副外套２４と、副陰極２２および副外套２４を絶縁する略筒状の絶縁体２６とを有する。主陽極１２の軸と副陰極２２の軸とが、主陽極１２の軸方向前方かつ副陰極２２の軸方向前方において交差するように主トーチ１および各副トーチ２が配置されている。２つの副トーチ２は、主トーチ１または主陽極１２の中心軸まわりの回転対称性（２回対称）を有し、かつ、各副トーチ２または副陰極２２の中心軸が主トーチ１の中心軸の一点で交差するように対向して配置されている。このような配置により、後述するプラズマフレームＰ＋の直進性および安定性が図られており、その結果としてプラズマの高出力化が可能とされている。なお、プラズマフレームＰ＋の直進性および安定性が図られるという条件下で、３つ以上の副トーチ２が配置されてもよい。たとえば、３つの副トーチ３が主トーチ１の中心軸まわりの回転対称性（３回対称）を有するように配置されてもよい。各副陰極２２はスイッチ機構２８１または２８２を介して第２電源２８の負端子に接続されている。一方（図１上側）の副トーチ２の副陰極２２はスイッチ機構１８２を介して第１電源１８の負端子に接続されている。各副外套２４はスイッチ機構２８３または２８４を介して第２電源２８の正端子に接続されている。絶縁体２６の側壁には副トーチ２の内部にＡｒ等の副プラズマガスＧ２を導入するための副プラズマガス入口２６２が設けられている。副プラズマガス入口２６２に導入された副プラズマガスＧ２は主プラズマガスＧ１と同様に旋回流形成孔（図示略）を通じて副トーチ２の内部において副トーチ２の周方向に旋回するように導入される。
【００１３】
次に本発明のプラズマ溶射装置の要部である主陽極１２の構成について説明する。主陽極１２の先端部付近の中心軸を含むような断面図である図２に示されているように主陽極１２の先端部には、第１凹部１２１、第２凹部１２２および傾斜部１２３が形成されている。第１凹部１２１は主陽極１２の径方向またはｙ方向について材料搬送管１１１（正確には外管１１２）よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方または−ｘ方向に向かってくぼんでいる。第２凹部１２２は主陽極１２の径方向について第１凹部１２１の内縁から材料搬送管１１（正確には外管１１２）に至るまで連続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かって第１凹部１２１よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる。傾斜部１２３は主陽極１２の径方向について第１凹部１２１の外縁１２４から連続的に拡径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かって傾斜している。第１凹部１２４の外縁は主陽極１２の軸方向前方に突出しており、陽極点を構成する。なお、傾斜部１２３が省略され、第１凹部１２１の外縁の径と、主陽極１２の径とが一致するように主陽極１２の先端部が形成されていてもよい。
【００１４】
図２に示されているように主陽極１２の中心軸がｘ軸として定義され、この中心軸に直交し、かつ、第１凹部１２１の外縁１２４を通る軸がｙ軸として定義されている。第１凹部１２１が連続的に縮径しながらくぼんでいるとは、第１凹部１２１の座標ｘにおける径を表わす第１関数ｆ1（ｘ）（−ｘ1≦ｘ≦０）が連続関数であり、かつ、その導関数ｄｆ1／ｄｘ（第１凹部１２１のｘ軸に対する傾斜度合を表わす。）が正値であることを意味する。同様に、第２凹部１２２が連続的に縮径しながらくぼんでいるとは、第２凹部１２２の座標ｘにおける径を表わす第２関数ｆ2（ｘ）（−ｘ1−ｘ2≦ｘ≦−ｘ1）が連続関数であり、かつ、その導関数ｄｆ2／ｄｘ（第２凹部１２２のｘ軸に対する傾斜度合を表わす。）が正値であることを意味する。また、傾斜部１２２が連続的に拡径しながら傾斜しているとは、傾斜部１２３の座標ｘにおける径を表わす第３関数ｆ3（ｘ）（−ｘ３≦ｘ≦０）が連続関数であり、かつ、その導関数ｄｆ3／ｄｘ（傾斜部１２３のｘ軸に対する傾斜度合を表わす）が負値であることを意味する。
【００１５】
第２凹部１２２が第１凹部１２１よりも大きくくぼんでいるとは、第２関数ｆ2の定義域（−ｘ1−ｘ2≦ｘ≦−ｘ1）の幅が、第１関数ｆ1の定義域（−ｘ1≦ｘ≦０）の幅よりも大きいこと、すなわち、ｘ2がｘ1よりも大きいことを意味している。第２凹部１２２が第１凹部１２１よりも急峻にくぼんでいるとは、たとえば、第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘの平均値｛∫ｄｘ（ｄｆ2／ｄｘ）｝／ｘ2が、第１関数ｆ1の導関数ｄｆ1／ｄｘの平均値｛∫ｄｘ（ｄｆ1／ｄｘ）｝／ｘ1よりも大きいことを意味する。図２に示されている主陽極１２において第１関数ｆ1の導関数ｄｆ1／ｄｘの値および第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘの値が一定なので、第２凹部１２２が第１凹部１２１よりも急峻にくぼんでいるとは、第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘの値が、第１関数ｆ1の導関数ｄｆ1／ｄｘの値よりも大きいことを意味する。
【００１６】
なお、図２に示されている主陽極１２の先端部形状は、たとえば図３（ａ）〜（ｄ）のそれぞれに示されているようにさまざまに変更されうる。図３（ａ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘは正値であるものの一定ではなく＋ｘ方向に行くにつれて徐々に大きくなるように、すなわち、第２関数ｆ2の２階導関数ｄ2ｆ2／ｄｘ2が正値となるように形成されている。図３（ｂ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘは正値であるものの一定ではなく＋ｘ方向に行くにつれて徐々に小さくなるように、すなわち、第２関数ｆ2の２階導関数ｄ2ｆ2／ｄｘ2が負値となるように形成されている。図３（ｃ）に示されている第２凹部１２２は主陽極１２の軸方向後方について断続的に縮径するように形成されている。図３（ｃ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2のほぼすべての定義域において第１凹部１２１の外縁１２４とほぼ同径になるように形成されている。すなわち、図３（ｃ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘがｘ＝−ｘ1−ｘ2において無限大に近い値をとり、その他の定義域においては０になるというようにδ関数に近い振る舞いを示すように形成されている。図３（ｄ）に示されている第２凹部１２２も主陽極１２の軸方向後方について断続的に縮径するように形成されている。図３（ｄ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の定義域のうちｘ＝−ｘ1−ｘ2〜−ｘ1−ｘ21−ｘ22において材料搬送管１１の径と第１凹部１２１の外縁１２４の径との間の一定径であり、ｘ＝−ｘ1−ｘ21−ｘ22〜−ｘ1−ｘ21においては主陽極１２の軸方向後方に連続的に縮径し、ｘ＝−ｘ2−ｘ21〜−ｘ1−ｘ2において第１凹部１２１の外縁１２４と同径となるように形成されている。すなわち、図３（ｄ）に示されている第２凹部１２２は第２関数ｆ2の導関数ｄｆ2／ｄｘがｘ＝−ｘ1−ｘ2において無限大に近い値をとり、ｘ＝−ｘ1−ｘ2〜−ｘ1−ｘ21−ｘ22においては０であり、ｘ＝−ｘ1−ｘ21−ｘ22において不連続的に増加し、ｘ＝−ｘ1−ｘ21−ｘ22〜−ｘ1−ｘ21において正の一定値であり、ｘ＝−ｘ1−ｘ21において不連続的に減少し、ｘ＝−ｘ1−ｘ21〜−ｘ1において０であるように形成されている。このほか、第２凹部１２２の深さｘ2が第１凹部１２１の深さｘ1よりも大きいという条件が満たされていれば、第１凹部１２１が第２凹部１２２よりも急峻にくぼんでいてもよい、また、第２凹部１２２が第１凹部１２１よりも急峻にくぼんでいるという条件が満たされていれば、第２凹部１２２の深さｘ2が第１凹部１２１の深さｘ1よりも小さくてもよい。
【００１７】
続いて前記構成のプラズマ溶射装置の機能について説明する。
【００１８】
まず主プラズマガス入口１６２からＡｒ等の不活性ガスが主プラズマガスＧ１として主トーチ１に旋回流を形成するように導入される。また、スイッチ機構１８２および１８６が開かれた状態で、スイッチ機構１８４が閉じられ、第１電源１８により主陽極１２と主外套１４との間に高周波電圧が印加される。その結果、主陽極１２の先端部から主外套１４の主開口部１４２に向かう主プラズマアークＰ１が形成され、これによって主プラズマガスＧ１が加熱され、プラズマＰとなって主外套１４の主開口部１４２を通じて主トーチ１から放出される。
【００１９】
次に一方（図１上側）の副トーチ２において副プラズマガス入口２６２からＡｒ等の不活性ガスが副プラズマガスＧ２として旋回流を形成するように導入される。また、スイッチ機構２８２および２８４が開かれた状態で、スイッチ機構２８１および２８３が閉じられ、第２電源２８により副陰極２２と副外套２４との間に高周波電圧が印加される。その結果、副陰極２２の尖端から副外套２４の副開口部２４２に向かう副プラズマアークＰ２が形成され、これによって副プラズマガスＧ２が加熱され、プラズマＰとなって副外套２４の副開口部２４２を通じて一方の副トーチ２から放出される。
【００２０】
前記のように主陽極１２の中心軸および副陰極２２の中心軸が軸方向前方において交差するように主トーチ１および副トーチ２が配置されているので、主トーチ１および副トーチ２のそれぞれから放出されるプラズマＰは主トーチ１の前方および副トーチ２の前方において交差する。この状態でスイッチ機構２８１が開かれ、これと同時にスイッチ機構１８２が閉じられ、かつ、スイッチ機構１８４および２８３が開かれる。その結果、プラズマＰは導電性であるので、副陰極２２の先端部から主陽極１２の陽極点に至るヘアピン状のプラズマＰによる導電路が形成される。
【００２１】
その直後、他方（図１下側）の副トーチ２においても副プラズマガス入口２６２からＡｒ等の不活性ガスが副プラズマガスＧ２として旋回流を形成するように導入される。また、スイッチ機構２８１および２８３が開かれた状態で、スイッチ機構２８２および２８４が閉じられ、第２電源２８により副陰極２２と副外套２４との間に高周波電圧が印加される。その結果、副陰極２２の尖端から副外套２４の副開口部２４２に向かう副プラズマアークＰ２が形成され、これによって副プラズマガスＧ２が加熱され、プラズマＰとなって副外套２４の副開口部２４２を通じて他方の副トーチ２からも放出される。
【００２２】
他方の副トーチ２から放出されたプラズマＰは、一方の副トーチ２の副陰極２２の先端部から主陽極１２の陽極点にまで至るヘアピン状のプラズマＰと交差する。この状態でスイッチ機構１８６が閉じられる一方、スイッチ機構２８４が開かれると、プラズマＰは導電性なので全体としてＴ字状のプラズマＰが形成される。
【００２３】
材料搬送管１１の内管１１１を通じて、粉末状の材料が溶媒に分散されたスラリー状の流動性のある材料Ｍ１が搬送される。なお、スラリーに代えてプリカーサまたは粉末状の材料そのものが流動性のある材料Ｍ１として内管１１１を通じて搬送されてもよい。内管１１１の先端部から放出された材料Ｍ１は、外管１１２を通じて供給された搬送用のガスの勢いにより飛散する。主陽極１２における陽極点１２４が材料搬送管１１の先端部より副陰極２２における陰極点（副陰極の尖端部）に近いため、材料Ｍ１とプラズマＰの陽極点１２４とが干渉することなくプラズマ中心軸と同軸の方向に高温のプラズマＰに確実に供給される。材料Ｍ１が高融点を有していても、１００００℃以上のプラズマＰによって直ちに高温に加熱されて溶融し、溶融粒子Ｍ２となってプラズマフレームＰ＋に同伴されるように、主陽極１２の径方向について広がらないように基材Ｓに向かう。
【００２４】
この溶融粒子Ｍ２を含むプラズマフレームＰ＋は、必要に応じて基材Ｓに及ぼす熱負荷を軽減すべく基材Ｓの直前においてプラズマ分離要素（たとえば、無駄なフレームまたは未溶融粒子等の材料を除去するためのセパレートガスまたはセパレータ）Ｐ−によりプラズマＰのみが分離され、その直後に溶融粒子Ｍ２が基材Ｓに衝突し、皮膜Ｍが形成される。
【００２５】
本発明のプラズマ溶射装置によれば、主陽極１２の先端部に第１凹部１２１および第２凹部１２２が形成されている（図２参照）。第１凹部１２１は主陽極１２の径方向について材料搬送管１１よりも外側から連続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かってくぼんでいる。第２凹部１２２は主陽極１２の径方向について第１凹部１２１の内縁１２４から材料搬送管１１に至るまで連続的または断続的に縮径しながら主陽極１２の軸方向後方に向かって第１凹部１２１よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる。材料搬送管１１の先端部から放出された流動性のある材料Ｍ１が、第２凹部１２２により画定される空間と、第１凹部１２１により画定される空間とにおいて順に拡散された上で、主陽極１２および副陰極２２の間に形成されるプラズマＰに接触する。第２凹部１２２が形成されている分だけ、第１凹部１２１のみが形成されている場合（図５参照）と比較して、材料搬送管１１の先端部から放出された材料Ｍ１がプラズマＰに接触するまでの間に拡散しうる空間が広く確保される。このため、プラズマＰが熱的ピンチ効果によって緊縮されて材料Ｍ１の拡散空間が狭まったとしても（図５参照）、当該材料Ｍ１の十分な拡散、すなわち、当該材料Ｍ１の飛散単位（スラリーの場合は粉末状の材料を含む溶媒の微小な滴）のサイズの縮小化および均等化を図ることができる。さらに、熱的ピンチ効果によるプラズマの緊縮が許容される分、冷却要素による主外套１４の冷却が許容される。また、主外套１４の冷却が許容される分、主外套１４の損傷を防止しながらもプラズマＰの高エネルギー化が許容される。前記のような材料Ｍ１の飛散単位の縮小化およびプラズマＰの高エネルギー化によって当該材料Ｍ１の溶融効率の向上を図ることができる。そして、十分に溶融されなかった材料Ｍ１が主外套１４等に付着し、不規則的にプラズマＰに巻き込まれる可能性が低減される。また、材料Ｍ１の飛散単位のサイズおよび溶融粒子のサイズのばらつきが抑制されるため、スプラットの径のばらつきも抑制され、当該ばらつきに起因するポア形成も抑制される。したがって、皮膜Ｍのさらなる緻密化（たとえば、皮膜の気孔率が１０％以下においてさらに低くすることを意味する。）等、皮膜Ｍの質の向上を図ることができる。
【００２６】
そのほか、第２凹部１２２が形成されることによって材料搬送管１１の先端部が主陽極１２の軸方向についてプラズマＰから遠ざけられている分、材料搬送管１１の先端部がプラズマＰの熱によって損傷することを防止し、その結果として装置全体の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のプラズマ溶射装置の構成説明図
【図２】本発明のプラズマ溶射装置における主陽極の構成説明図
【図３】主陽極の他の構成説明図
【図４】従来のプラズマ溶射装置の構成説明図
【図５】従来のプラズマ溶射装置における主陽極の構成説明図
【符号の説明】
【００２８】
１‥主トーチ、２‥副トーチ、１１‥材料搬送管、１２‥主陽極、１４‥主外套、１８‥第１電源、２２‥副陰極、２４‥副外套、２８‥第２電源、１２１‥第１凹部、１２２‥第２凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に貫通する材料搬送管を有する主陽極と、前記主陽極を囲むとともに前記主陽極の軸方向前方に位置する主開口部を有する主外套と、前記主外套を冷却する冷却要素とを有する主トーチと、前記主陽極の中心軸と交差する中心軸を有する副陰極と、前記副陰極を囲むとともに前記副陰極の軸方向前方に位置する副開口部とを有する副外套とを有する複数の副トーチとを備え、前記主開口部および前記副開口部を通じて前記主陽極および前記副陰極の間に形成されるプラズマによって前記材料搬送管から放出または拡散される流動性のある材料を加熱することにより溶融粒子を生成し、前記溶融粒子を前記主陽極の軸方向前方に配置されている基材に吹き付けることにより前記材料によって構成される皮膜を前記基材の上に形成するプラズマ溶射装置において、
前記主陽極の先端部に、前記主陽極の径方向について前記材料搬送管よりも外側から連続的に縮径しながら前記主陽極の軸方向後方に向かってくぼんでいる第１凹部と、前記主陽極の径方向について前記第１凹部の内縁から前記材料搬送管に至るまで連続的または断続的に縮径しながら前記主陽極の軸方向後方に向かって前記第１凹部よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる第２凹部とが形成されていることを特徴とするプラズマ溶射装置。
【請求項１】
軸方向に貫通する材料搬送管を有する主陽極と、前記主陽極を囲むとともに前記主陽極の軸方向前方に位置する主開口部を有する主外套と、前記主外套を冷却する冷却要素とを有する主トーチと、前記主陽極の中心軸と交差する中心軸を有する副陰極と、前記副陰極を囲むとともに前記副陰極の軸方向前方に位置する副開口部とを有する副外套とを有する複数の副トーチとを備え、前記主開口部および前記副開口部を通じて前記主陽極および前記副陰極の間に形成されるプラズマによって前記材料搬送管から放出または拡散される流動性のある材料を加熱することにより溶融粒子を生成し、前記溶融粒子を前記主陽極の軸方向前方に配置されている基材に吹き付けることにより前記材料によって構成される皮膜を前記基材の上に形成するプラズマ溶射装置において、
前記主陽極の先端部に、前記主陽極の径方向について前記材料搬送管よりも外側から連続的に縮径しながら前記主陽極の軸方向後方に向かってくぼんでいる第１凹部と、前記主陽極の径方向について前記第１凹部の内縁から前記材料搬送管に至るまで連続的または断続的に縮径しながら前記主陽極の軸方向後方に向かって前記第１凹部よりも大きくまたは急峻にくぼんでいる第２凹部とが形成されていることを特徴とするプラズマ溶射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１１０６６９（Ｐ２０１０−１１０６６９Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８３６５２（Ｐ２００８−２８３６５２）
【出願日】平成２０年１１月４日（２００８．１１．４）
【出願人】（３９１００５８２４）株式会社日本セラテック (200)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月４日（２００８．１１．４）
【出願人】（３９１００５８２４）株式会社日本セラテック (200)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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