JPH07107876B2 - プラズマ発生装置及びプラズマ発生方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ プラズマトーチは先ず高温熱源として発展し、現在は、
材料の切断、溶接、コーティング及び高温処理用として
一般に広く使用されている。一般的な市販の直流プラズ
マトーチ若しくはガンは、ガン本体部分のボア内の軸方
向に配置された通常トリウムタングステンからなる先細
棒状陰極と、陰極に対して同軸状に整一するノズルオリ
フィスを有する陰極の下流に配置された環状陽極と、を
含む。プラズマ形成ガス、典型的にはアルゴン或いはア
ルゴン及びヘリウムの混合物若しくはアルゴン及び水素
の混合物は、ガスが陰極の周りで軸方向に流込み、陽極
ノズルオリフィスを通って排出されるように、ガンの本
体部分内に導入される。プラズマの発生は、ガン内で陽
極と陰極との間のアーク領域において起こる。プラズマ
は典型的には、高周波開始パルスを用いて陽極と陰極と
の間のアークを初期化することにより形成され、ここで
上記アークが約1200゜Kの温度までプラズマガスを加熱
すると共にイオン化する。加熱され且つ膨脹したプラズ
マガスは、次に高速度でノズルオリフィスを通して排出
される。ガンを通るガス流は、軸方向に若しくは渦型流
を生じるような態様で導入されることが可能である。プ
ラズマアークの電気的特性はガス流速度、ガス組成、陽
極ノズルオリフィス直径及び電極間隔により測定され
る。

プラズマガンがコーティングをスプレーするのに用いら
れる場合、原料は通常キャリアガスに支持された粉体の
形態をなし、ガンの製造タイプによってノズル出口の内
方若しくは外方のいずれかへ、プラズマ流出物中に向け
て半径方向に注入される。プラズマが陽極ノズルを出た
後、プラズマの温度は急速に低下する為、上記粉体はプ
ラズマの発生点にできるだけ近く導入されることが望ま
しい。米国特許第2,806,124号はプラズマ技術の基本原
理を開示した初期のもので、米国特許第3,264,114号は
商業的なプラズマガンを開示した初期のものである。

下記のように、プラズマガンの形状及び可能性のある陰
極の劣化の為、有利であることは長い間認識されている
が、原料を通常のプラズマスプレーガンの軸方向に導入
することは不可能であった。典型的なプラズマジェット
コーティング装置において、原料粉体は、プラズマ源か
ら下流のプラズマ流中に、プラズマジェット流に対して
軸と直角に若しくは傾斜して、或いはこれと向流するよ
うに半径方向に導入される。後述するように、プラズマ
は粒子の突き通しに抵抗を以て干渉し、この抵抗は粒子
にプラズマジェットの軸を突き通るの十分な運動量を要
求する。粒子運動量はキャリアガスにより提供される。

更に、熱スプレー粉体は完全に均一な粒子サイズを決し
て具備せず、通常粒子寸法の広い分布を含む。キャリア
ガス流速度は更に粒子サイズに依存して調整されなけれ
ばならず、ここでより小さな若しくはより軽い粒子はよ
り大きなキャリアガス流速度を必要とする。しかし、粒
子注入速度分布は狭い粒子サイズ分布についてさえ広
く、原料粉体の混合物は非常に限定された商業的応用し
かない。従って、注入粒子に移された熱及び運動量は広
範囲に変化し、ターゲット若しくは基板と粒子との衝突
において、広範囲な速度及び表面温度の分布をもたら
す。より大きな若しくはより重い粒子はより大きな運動
量を有する為、より大きな粒子はプラズマジェットを貫
通し、外側低温ガス領域に乗せられるか、或いはプラズ
マジェットの外へ排出され、堆積コーティングの非溶融
外辺領域をもたらす。低運動量の非常に小さな若しくは
軽い粒子は、プラズマジェットを突き通らず、これもま
た外辺領域に含まれる。プラズマジェットコアに入る非
常に小さな粒子はまた過加熱されると共に気化されるで
あろう。従って、粒子の一部だけがプラズマジェットコ
アに入り、ターゲット基板上に高密度層として堆積す
る。上記非溶融若しくは部分的に溶融した粒子は堆積物
の密度に影響する。典型的な適用において、堆積効率
（即ちコーティングを実際に形成する部分に対するプラ
ズマジェット中に供給される材料の率）は低く、酸化物
セラミック及び金属間化合物のような高溶融材料におい
ては、通常70％よりもかなり下である。

アルゴン若しくはヘリウムのような活性でないガスが、
陰極電極の腐食若しくは劣化を回避する為にプラズマガ
スとして使用される。上述の如く、陰極は通常トリムタ
ングステンから形成され、この電極は1000℃以上の温度
で使用される。水素若しくは窒素のような２原子ガスが
不活性プラズマガスに添加され、プラズマジェットトー
チの出力が強化される。しかし、酸素のような反応性ガ
スは使用できず、何故なら反応性プラズマガスが陰極の
酸化腐食をもたらす可能性があるからである。反応性ガ
ス若しくは反応性ガス混合物の使用は、陰極に局部的劣
化を負わせ、従って、アーク源の陰極点をさ迷わせ、プ
ラズマアークの不安定性若しくは「アークの彷徨」をも
たらす。しかし、幾つかの適用において、プラズマ形成
ガスとして、酸素若しくは酸素含有ガス混合物のような
ある反応性ガスを使用することが望ましいであろう。例
えば、あるプラズマジェットの適用は原料の酸素の枯渇
をもたらす。例えばプラズマガスとしての酸素の使用
は、生成コーティングにおける酸素の回復をもたらし、
次続スプレー酸素置換アニールを不要とする。

エネルギ効率若しくは電気的部品の劣化なしに、通常の
プラズマジェットガンの使用電力レベルを上げることも
また非常に望ましい。典型的なプラズマジェットガンに
おいて、エネルギー効率は、ガン及び電力ケーブルにお
ける固有の高電流使用及びエネルギロス故に、使用エネ
ルギレベルが増大するのに伴って減少する。現在、プラ
ズマジェットガン内のエネルギは電流を高めることによ
り高められている。プラズマジェットガンへの電力入力
は電圧及び電流による産物（電力＝VxI）であるから、
使用電力レベルを電流よりもプラズマ電圧を増大させる
ことにより高めることが望ましい可能性がある。使用電
圧は使用されるプラズマ形成ガスに直接相関するから、
陰極−陽極間隔も含め、これらパラメータは最適な状態
に調整されることが望ましいであろう。しかし上述の如
く、プラズマ形成ガスの選択は、陰極劣化を回避する
為、非反応性若しくは不活性ガスの群に制限される。陰
極−陽極間隔は、大きな電極間間隔では、安定なプラズ
マアーク状態を初期化及び維持するのに問題があること
から制限される。

従って、現在のプラズマジェット技術は少なくとも３つ
の重要な点に関して制限される。第１に、粉体化原料の
半径方向注入は、低い堆積効率、堆積物の低下密度をも
たらし、均一コーティングが必要な場合は、狭い範囲の
原料粒子サイズを必要とする。第２に、反応性ガス若し
くは反応性ガス混合物は、陰極及びアーク溶接の劣化を
回避する為、プラズマ形成ガスとして使用できない。最
後に、従来のプラズマジェットガンの使用電力レベルは
エネルギー効率を低下させることなく大幅に増大させる
ことができない。

商業的な成功はないが、プラズマジェットガンの半径方
向供給の問題を回避する為、種々の試みがなされてい
る。従来技術により提案された主な解決方法は、（ａ）
中空陰極プラズマガン、（ｂ）RF（無線周波数）ガン、
及び（ｃ）単一供給を伴う複数のプラズマガン、を含
む。中空陰極ガンはその名の通り、従来の棒状陰極では
なく、中空陰極チューブを使用する。RFプラズマガン
は、プラズマ源としてアークを置換する無線周波数コイ
ルにより発生される急交換電界を使用する。上記中空陰
極及びRFプラズマガンは商業的な可能性はあるが、共に
商業的な成功は未だおさめていない。

アブコ コーポレーションに譲渡されたジェンセンの米
国特許第3,140,380により示されているように、他の技
術は、基板上への堆積の為、２つ若しくはそれ以上のプ
ラズマ流出物を、「その内部にコーティング材料が供給
され且つ実質的に溶融粒子とされる、ジョイントプラズ
マ流出物」に合併させようと試みた。ジェンセンの米国
特許に開示されている従来技術の装置において、複数の
プラズマガン若しくは「プラズマ発生手段」が共通軸に
対して「対称的に配置され」、「ジョイントプラズマ流
出物を形成するように、プラズマ流出物がある点で遮っ
て合併するように指向される」。個々のプラズマトーチ
からのプラズマ流出物は、次に共通軸内のノズル開口を
通って送られ、ワイヤ若しくは粉体化原料が共通軸内の
ノズル開口を通して送られる。後述するように、「ジョ
イントプラズマ流出物」を形成するこの方法は、単一若
しくは合体自立プラズマをもたらさず、衝突プラズマ流
出物は、原料が供給される衝突点において乱れをもたら
す。更に、原料が供給される衝突点において、プラズマ
流出物の温度はプラズマコアの温度よりも実質的に低く
なり、真の軸方向供給で得られるよりも低効率をもたら
し、ここで、原料粒子はプラズマコア中に供給される。
プラズマスプレーの為に軸方向供給を提供するこの試み
は、商業的な適用を見出だせず、熱スプレー工業は従っ
て、プラズマトーチに対して半径方向供給を使用し続け
ている。

従来技術はまた、タテノ等の米国特許第3,770,935号に
開示されるように、２つ若しくはそれ以上のプラズマを
組合わせる為に他の試みを行っている。タテノ等の特許
に開示のプラズマジェット発生機において、陽プラズマ
ジェットトーチが陰プラズマジェットトーチに対して直
角に配設され、上記プラズマが出会い、政極性のプラズ
マジェットトーチとして機能し、高アーク電圧及び改良
された効率を達成するようになっている。しかし、上記
プラズマジェット発生機は不活性プラズマガス及び原料
の半径方向供給を使用しなければならない。このシステ
ムは商業的に導入されておらず、上述の半径方向供給の
問題を克服できない。

従来技術はまた、移送アークプラズマのガン若しくはト
ーチの多くの例を含む。基板がガンに電気的に接続され
ている、移送アークプラズマトーチは多くの適用におい
て商業的に受入れられている。ジョージの米国特許第2,
858,411号に開示されるように、プラズマを軸方向に移
送するように、第１陽極の下流に第２環状陽極電極を使
用することもまた可能である。しかも移送アーク技術
は、本発明の第１の目的である、粉体化原料を使用した
商業的軸方向供給プラズマガンをもたらさなかった。

従って、商業的プラズマスプレー装置における半径方向
供給の問題は長い間認識されていたが、従来の技術は、
商業的に成功するプラズマスプレーシステムにおいて
は、上記の問題を解決することができなかった。従っ
て、従来技術では適えられなかった軸方向供給プラズマ
スプレーに対して長い間要求があった。

［発明の要約］ 最も広義において、本発明のプラズマスプレー装置及び
方法は、プラズマスプレーシステムにおける真の軸方向
供給を可能とする、自立電磁的合体安定プラズマを発生
させる。粒子状若しくは棒状の原料は自立プラズマの軸
を通して供給され、原料の熱移送及び均一加熱の改良を
含む改良された効率をもたらし、従って半径方向供給の
問題を排除する。更に、本発明のプラズマ発生装置及び
方法はプラズマ形成ガスとして反応性ガス若しくは反応
性ガス混合物が使用可能で、陰極若しくはアーク溶接の
劣化をもたらすことがない。最後に、本発明のプラズマ
ジェットトーチの使用電力レベルは著しく増大し、シス
テムのエネルギ効率を低下させたり、電気的部品を損傷
することがない。

本発明のプラズマスプレー装置は、夫々がイオン化され
たプラズマガスのプラズマを発生させる、少なくとも２
つの、望ましくは３若しくは４つのプラズマ発生手段若
しくはパイロットプラズマガンと、プラズマを増長させ
ると共に電磁的に合体させてイオン化されたガスの自立
プラズマにする手段と、自立プラズマを通して軸方向に
原料を供給する為の手段と、を含む。上記パイロットプ
ラズマガンは従来のプラズマ発生トーチで、夫々が一対
の電極と電極間に実質的に不活性のイオン化可能プラズ
マガスを供給する手段とを含み、ここで、イオン化可能
プラズマガスは電極間で発生されたアークを通して流
れ、イオン化されたガスのプラズマを確立する。本発明
のプラズマスプレー装置の開示された実施例において、
パイロットプラズマガンの夫々は、棒状陰極と、間隔を
おいて上記陰極を包囲する環状本体部分と、陰極と軸方
向に整一するノズル開口を有する陰極の下流の環状陽極
と、陰極の周囲を流れると共に陽極ノズル開口を出る不
活性プラズマガスを環状本体部分に供給する手段と、を
含む。上記パイロットプラズマガンは共通軸の周りに対
称的且つ角度的に配置され、パイロットプラズマガンに
より発生されるプラズマが共通軸を横切るようになって
いる。

パイロットプラズマガンにより発生された個々のプラズ
マは、主移送電極、望ましくは共通軸に同軸状に整一す
るノズルボアを有する環状陽極に確立された移送電流に
より、増長され且つ電磁的に合体されて自立プラズマに
される。ここで、パイロットプラズマガンにより発生さ
れたプラズマが主移送陽極のノズルボアに指向されよう
になっている。上記パイロットプラズマは、開示の実施
例において、棒状陰極及び環状陽極に接続された公知の
直流電流源手段により発生され、不活性プラズマガスが
流れ通る電気アークを形成し、上記ガスをイオン化する
と共に主移送陽極のスロートで横切る複数のプラズマを
形成する。上記開示の実施例において、主移送陽極のス
ロートは、望ましくはコーン形状で、パイロットプラズ
マガンにより発生された個々のプラズマを受けると共に
主移送陽極のノズルボアに向けて指向させる。

上記開示の実施例における上記電源手段は、パイロット
プラズマガンの陰極に接続された直流電源を含み、主移
送陽極は電磁的にパイロットプラズマを合体させる移送
電流を確立し、主移送電極ボア内に自立合体プラズマを
形成し、これを通して原料が供給される。

本発明のプラズマ発生装置及び方法の最も望ましい実施
例において、第２のイオン化可能なプラズマガスが主移
送電極のスロート中に供給されると共にイオン化され、
自立プラズマを増長させると共に、原料に対して発生さ
れ且つ移送される熱を増大させる。第２のプラズマガス
は不活性プラズマガス若しくは上記パイロットプラズマ
ガンで使用されるプラズマガスと同じとすることが可能
で、ある適用においてより望ましくは第２のプラズマガ
スは反応性プラズマガス若しくは反応性ガス混合物で、
イオン化される場合は自立プラズマにより発生されるエ
ネルギを増大させ、上記利点を提供する。従って、本発
明のプラズマスプレー装置は、特定の適用における要求
に応じて、プラズマガスとして、いかなる適当なイオン
化可能ガスをも含むことができる。第２のプラズマガス
は主移送電極若しくは陽極のボアに軸方向に供給される
か、或いはより望ましくは接線方向に供給され、陽極ボ
ア内でプラズマガスの渦を形成し、電磁気的合体自立プ
ラズマを取巻く。

上述の如く、原料は次にパイロットプラズマガンの共通
軸を軸方向に通して供給され、真の軸方向供給プラズマ
スプレー装置をもたらす。本発明のプラズマスプレー装
置の開示された実施例において、粉体化若しくは粒状原
料は、パイロットプラズマガンの共通軸を通って延びる
原料供給チューブを通して、主移送電極のスロート内で
パイロットプラズマの交差点に供給される。代わりに、
原料はワイヤ若しくは棒状の態様で主移送電極のノズル
ボアに供給される。原料は次に、パイロットプラズマの
交差点を通って、主移送電極ボア内の自立プラズマ中に
供給され、原料を均一に加熱すると共に加速し、システ
ムの堆積効率を改良する。また代わりに原料は、溶液、
スラリー、ゾル−ゲル流体のような液体の態様とするこ
とができ、液体キャリアが気化されるか若しくは反応除
去され、堆積用に固体材料が残される。

本発明のプラズマ発生装置及び方法は、従って、半径方
向供給プラズマスプレー装置による長年の問題を排除す
る。原料は本発明のプラズマスプレー装置を軸方向に通
って供給される為、堆積効率が改良され、広範囲の粒子
サイズが使用可能となり、原料のコストを減少させる。
更に、粒子原料の種々の混合物が使用可能で、これには
サイズ及び密度が非類似の粒子の混合物が含まれる。更
に、高温ゾーン内での滞留時間が大きくなる為、市販の
プラズマスプレーで通常使用されるものより大きな粒子
が使用可能となろう。更に、酸素のような反応性ガス及
び酸素を含む反応性ガスの混合物が、本発明のプラズマ
スプレー装置において主プラズマガスとして使用可能
で、本発明のプラズマスプレー装置の応用範囲が増大す
る。最後に、本発明のプラズマスプレー装置の使用電力
レベルは電流ではなく、プラズマ電圧を高めると共に、
使用プラズマ形成ガスを選択することにより増大させる
ことが可能となる。本発明のプラズマ発生装置及び方法
の他の利点及び利益性のある特徴は、以下の望ましい実
施例の詳細な説明、付属の特許請求の範囲、図面、及び
その簡単説明からより明確に理解されるであろう。

［実施例］ 第１図に関し、一実施例として示されるプラズマスプレ
ー装置20は、第１パイロットプラズマガン22と第２プラ
ズマガン24とを有し、ガン24は部分的に断面で示され
る。パイロットプラズマガン22、24は公知のタイプで、
内部に、コーン状自由端部28を有する中心配置棒状陰極
26が配設される。棒状陰極26はリテイナ30と摩擦係合に
より所定位置に保持され、リテイナ30の一端部は密着キ
ャップ32によって閉鎖される。当業者にとって明白なよ
うに、キャップ32はリテイナ30に捩込まれ、棒状陰極26
が消耗時に交換できるようになっている。しかし以下で
述べるように、本発明においては、本発明の特異な構成
が陰極の消耗を減少させる為、その交換の頻度は低くな
る。セラミック絶縁体34のような誘電材料のリングが、
環状陽極36から棒状陰極26及びその保持構造を電気的に
絶縁する為に配設される。

環状陽極が電気的絶縁シース38により所定位置に保持さ
れ、シース38を通して電気リード40が延び、環状陽極36
と電気的接触を形成する。同様に、電気リード42がリテ
イナ30を通して延び、棒状陰極26と電気的接触を形成す
る。環状陽極36にはノズル開口46が配設され、これを通
してパイロットプラズマがプラズマスプレー装置20のス
タートアップ時に指向される。

ある適用において、棒状陰極26は内部通路を有すること
が可能で、これを通して水のような冷却媒体が循環さ
れ、プラズマ処理中に発生する熱を棒状陰極26から消散
させる。望ましくは同様な熱交換チャネル（図示せず）
がまた環状陽極36に設けられ、パイロットプラズマ流に
より発生される大きな熱を消散させる。内部表面若しく
は環状陽極36と、棒状陰極26との間に規定される環状空
間48は、絶縁シース38及びリテイナ30内のチャネルを通
してプラズマガス源50から延びるプラズマガス通路の一
部からなる。図示の如く、リテイナ30は棒状陰極26から
僅かに離れた部分を含み、セラミック絶縁体34により供
給された類似の環状スペースを通してプラズマガス流が
環状スペース48に入ることを可能にする。従って、適当
な電気ポテンシャルが棒状陰極26及び環状陽極36に供給
されると、電気アークが高周波オッシレータ52（他の高
周波オッシレータ54がパイロットプラズマガン22の為の
電気回路に配設される）を介して形成され、これは棒状
陰極26のコーン状端部28から環状陽極36へ延びる。

次にプラズマガスがプラズマガス源50から環状スペース
48を通して流されるのに従って、プラズマガスが電気ア
ークに遭遇し、アークは公知の態様でプラズマガスをイ
オン化し、パイロットプラズマ流56を形成する。パイロ
ットプラズマ流56はノズル開口46から現れる。ここで使
用される「プラズマガス」という用語は、適当な電気的
特性の電気アークを通過する際イオン化する、全てのガ
ス若しくはガス混合物として規定されると解される。後
により明らかとなるように、本発明の重要な特徴は、最
終合体自立プラズマ流が、棒状陰極26を劣化を促進する
ことなく、酸素のような活性若しくは反応性ガスを含む
ように形成可能とすることである。しかし、パイロット
プラズマガン22、24を使用する為、不活性ガス望ましく
はアルゴンがプラズマガスとして使用される。当業者に
とって他の適当なプラズマガスを見出だすことも可能で
あろう。

パイロットプラズマガン22及び24はサポートブロック59
でハウジング58に支持され、これらが共通軸60の周りで
対称に配置される。後述されるように、この特定の実施
例においては、２つのプラズマガン（22、24）だけが配
設されるが、プラズマスプレー装置20に、第８図図示の
如くブロック59′内の３つのパイロットガンを配備する
か、若しくは第５図図示の如くブロック59″内に４つの
プラズマパイロットガンを配備することが望ましい。各
場合において、パイロットプラズマガンは共通軸60の周
りで対称に配置され、各パイロットプラズマガン軸（第
１図中62、62′）は、望ましくは約60゜未満の開先角度
で交差する。換言すると、軸62及び軸60間の開先角度
は、軸62′及び軸60間の開先角度と同様約30゜未満であ
ることが望ましい。

ブロック59のボア64、66は夫々パイロットプラズマガン
22、24を堅固な係合状態で緊密に受入れる。この実施例
において、再度第１図に関し、ブロック59がボア64、66
で座ぐりされ、絶縁シール38が着座する肩部若しくはリ
ムを提供する。更に、誘電性石突き68が環状陽極36の一
部を包囲するシースとして提供され、ブロック59から環
状陽極36を電気的に絶縁する。この目的にはポリエステ
ル材料が適当である。ブロック59は真鍮のような加工が
容易な金属から形成される。第４図図示の如く、ブロッ
ク59には４つのボアが形成され、その内の２つはプラグ
65、67で栓をされる。従って、ブロック59は２若しくは
４つのパイロットプラズマガンを容易に取付け可能であ
る。また第５図図示のブロック59″は、２つの追加のパ
イロットプラズマガン（図示せず）の為の２つの追加の
ボアを有することが分かる。この４部分形状において、
各ボアは各隣接ボアから90゜離間される。第８図におい
て、ブロック59′は120゜離間された３つのパイロット
プラズマガンを受入れるように形成される。両構成にお
いて、上記ボアはパイロットプラズマガンを中心軸60に
対して、角度的に、望ましくは約30゜若しくはそれ未満
で支持するように形成される。この対称性はパイロット
プラズマ流の安定な交差を提供する上で重要である。

ブロック59には、環状熱交換チャンバ70が配設され、こ
れはジャケット74の熱交換通路72と連通する。この態様
において、冷却剤76が使用中にポート78を通して熱交換
通路72に流され、従って、これが環状熱交換チャンバ70
を通って冷却ブロック59へ循環される。望ましい実施例
におけるように、２つの以上のパイロットプラズマガン
が使用される場合、追加のボアは前述の如く、ブロック
59内に対照的に供給される。

第１図及び第２図に関し、軸60に沿った軸方向原料を提
供する為、原料供給チューブ80がボア82においてブロッ
ク59内に配置される。原料供給チューブ80はブロック59
と摩擦係合してボア82内に緊密に取付けられる。原料供
給チューブ80はその終端で開口し、これはブロック59の
チャンバ84中に延び、粒状組織のような原料を軸60に沿
ったブラズマに対して引渡す手段を提供する。後述する
ように、ある適用において、棒状等の固形原料が適当と
なる。またプラズマガン22、24がノズル開口端部におい
てチャンバ84中に延びるであろう。

ハウジング58は更に、その全長に延びる中心ボア若しく
は通路88を有する主移送陽極86を含む。主移送陽極86
は、銅のような電気導電性材料から形成され、環状チャ
ネル90を含み、これを通って冷却剤が熱交換通路72を介
して循環される。換言すると、環状チャネル90及び熱交
換通路72は連通する。この特定の実施例において、ディ
スク92がブロック59と主移送陽極86との間に介設され
る。後述するように、この構造は製造及び組立てを容易
にする。ディスク92は中心配置ボア94を有し、これは円
錐状で、ボア88の対応円錐部分において主移送陽極86と
適合する。この態様において、円錐状スロート96が規定
され、ここで軸62、62′が交差する。円錐状スロート96
の開先角度は典型的には、約60゜か、或いはパイロット
ガンの衝突角度に対応する。円錐状スロート96及びボア
88は軸60と軸方向に整一する。この実施例において、主
移送陽極86、ディスク92及びブロック59はボルト98によ
りジャケット74内の所定位置に保持されることが分か
る。プラズマスプレー装置20の作用の記載において明白
となるであろうが、円錐状スロート96及びデスク92をア
ルミニウム酸化物のような誘電性材料100の層により被
覆することが望ましい。円錐状スロート96を規定する表
面の腐食を減少させるのに加えて、誘電層100は、合体
プラズマ流が主移送陽極のボアに入る後まで、この接触
を防止することにより、主移送プラズマアーク若しくは
自立プラズマの長さを増長させる。この態様における自
立プラズマ102を増長させる利点は、本発明の方法に記
載に関連して詳細に記述されるであろう。

主移送陽極は銅合金等のような高導電性材料から形成さ
れる。ディスク92は超寿命金属若しくは耐火酸化物から
形成される。第３図によく示されるように、本発明のこ
の実施例において、ディスク92はチャネル若しくはガス
通路の網を有するガスマニホルドとして機能する。この
点に関し、環状ガスチャネル104は第１図図示の如く、
プラズマガス源からのプラズマ形成ガスを受けるように
形成される。第２図及び第３図に関し、プラズマガス
は、ハウジング58のジャケット74を通って延びるボアで
ある通路108を通ってガス源106から移動する。通路108
との連通において、第２環状ガス通路110がジャケット7
4に配設される。主移送陽極86はまた複数のマイクロボ
ア112を有し、これは環状ガス通路110及び環状ガスチャ
ネル104と連通する。

環状ガスチャネル104との連通において、複数の接線方
向ガス通路114が配設され、これは第２プラズマガス源1
06から円錐状スロート96へ、スピン若しくは巻線状にプ
ラズマガスを導くように機能する。導入通路は、ガス通
路114の接線方向幾何により提供されるものでよりも直
接的なものが適当であろうが、望ましい態様でプラズマ
ガスを円錐状スロート96へ流すことにより、分与される
プラズマガスの巻線状動作は通路88内にプラズマ渦を形
成する。この渦は他の要素と共に、自立プラズマ102の
既製を補助し、これが高照準合わせされた流れとなるよ
うにする。ガスマニホルドが主移送陽極86内に類似の態
様で直接提供可能であることに留意されたい。複数のＯ
リング116がまた提供され、これは種々の構造のハウジ
ング58に環状チャネルを適合させ、実質的に機密シール
が得られようにする。

プラズマスプレー装置20の多くの変更改良が本発明の原
理において可能となる。例えば、多くの適用において、
ハウジング58は電気的絶縁材料に収納される。また、プ
ラズマスプレー装置20は、ロボット操作スプレー若しく
は携帯スプレーが可能となるように設計できる。更に、
プラズマスプレー装置20は、２、３若しくは４つの対称
的に配置されたパイロットプラズマガンを有するように
図示されるが、５つ若しくはそれ以上のパイロットプラ
ズマガンも、ある特定の適用において適当なものとなる
であろう。

使用時、及び本発明の方法によれば、望ましくは、プラ
ズマスプレー装置20は、金属若しくはセラミックのよう
な材料のスプレーされるコーティングを、ターゲット基
板に供給するのに使用される。材料の処理及びニヤーネ
ット形状を含む自立物の製造のような他の適用もまたこ
こで望ましい。プラズマスプレー装置20はまた、高温度
切断若しくは加熱操作に使用されるのに適しているであ
ろう。

第１図及び第２図に関し、パイロットプラズマガン24の
棒状陰極26はリード42を介して電源118の負端子に電気
的に接続される。同じ態様で、パイロットプラズマガン
22の棒状陰極（図示せず）は、電気リード122により電
源118の負端子に接続される。パイロットプラズマガン2
4の環状陽極36はリード40を介して電源123の正端子に電
気的に接続される。パイロットプラズマガン22の環状陽
極124はリード126により電源125の正端子に電気的に接
続される。本発明の全ての電源は望ましくは直流電流を
提供する。前述の如く、第１高周波オッシレータ52及び
第２高周波オッシレータ54が回路に配設され、各パイロ
ットプラズマガンの陰極とその関連の環状陽極との間の
電気アーク若しくは「パイロットアーク」を初期設定す
る。即ち、高周波オッシレータ52、54は、パイロットプ
ラズマガン24の棒状陰極26と環状陽極36との間、またパ
イロットプラズマガン22においては、環状陽極124とそ
の対応の棒状陰極（図示せず）との間の電気アークを初
期設定するように機能する。

スタートアップ時、アルゴンのような第１のプラズマガ
スがプラズマガス源50から環状スペース48へ、そしてパ
イロットプラズマガン24のノズル開口46を通して外方に
流される。プラズマガス流はパイロットプラズマガン22
において同態様で初期設定される。スイッチ128、129が
次に一時的に閉成され、高周波オッシレータ52、54が作
動され、同時に、電源123、125が夫々パイロットプラズ
マガン24、22に接続され、従って、パイロットプラズマ
ガン内のパイロットアークが初期設定されると共に確立
される。安定な直流電流は電気アークを維持する。プラ
ズマガスが、望ましくは圧力下でパイロットプラズマガ
ン24、22のノズル開口46、130に向けて流されるにつ
れ、これは公知の態様でプラズマガスをイオン化するパ
イロットアークを通過する。プラズマガスは、軸方向、
若しくは代わりに所望とあれば渦を形成するように「巻
線状」に導入される。非移送パイロットプラズマ流56、
132は従って、第６図及び第９図にまた示されるように
円錐状スロート96内で交差するように形成される。スイ
ッチ134が次に閉成され、主移送陽極86を電気的に励起
する。

当業者であれば分かるように、また後により詳細に説明
されるように、動作における電荷に関連する電磁界は、
交差点でのパイロットプラズマ流56、132の交差及び自
立プラズマ102の特性に影響する強制力を提供する。更
に、主移送陽極86が励起するにつれ、円錐状スロート96
内の電磁的合体パイロットプラズマ流56、132は円錐状
スロート96から通路88の直線状ボア部分中に引かれる。
これは、交差パイロットプラズマ流が「可撓導電体」の
特性を有することから生じ、従って、プラズマを互いに
引寄せあう電磁界を発生させ、円錐状スロート96でプラ
ズマを合体させる。交差流は、リード136を介して電源1
18の正端子に電気的に接続された、主移送陽極86の正電
荷に向かって引かれる。（この実施例において、ジャケ
ット74は主移送陽極86に電気的に接続されるが、他の構
成も可能である。） 望ましい実施例において、円錐状スロート96に誘電層10
0を配設することにより、合体パイロットプラズマ流5
6、132が通路88の直線状ボア部分の主移送陽極86の露出
表面に向かって移動する。誘電層100はパイロットプラ
ズマ流56、132が、電磁的合体に先立って主移送陽極86
若しくはディスク92と「短絡」することを防止する。ま
たこの態様において、電磁的合体プラズマ流は主移送陽
極86の直線状ボア部分中に増長される。このようにプラ
ズマを長めることにより、プラズマ電圧が増大し、プラ
ズマエネルギ密度を増大させる。高プラズマエネルギ密
度は、原料に対する熱エネルギの伝達に寄与すると共に
粒子速度を増大させることから望ましい。

プラズマガス源106からの第２若しくは主プラズマガス
は、通路108、環状ガス通路110、マイクロボア112及び
接線方向ガス通路114を介して円錐状スロート96中に圧
力下で流される。接線方向ガス通路114は上述の如く円
錐状スロート96に開口する。棒状陰極の劣化の促進を防
止する為、パイロットプラズマ流56、132を形成するの
に不活性イオン化可能プラズマ形成ガスが使用されるこ
とが望ましいが、本発明の重要な利点は、陰極材料に悪
影響のある酸素のような活性若しくは「反応性」のガス
を含むプラズマ流を形成できることである。これは本発
明により達成可能となり、何故なら、不活性ガスがパイ
ロットプラズマガン22、24において使用可能で、従って
棒状陰極が保護され、次に活性ガスが円錐状スロート96
でパイロットプラズマガンの下流に導入されるからであ
る。反応性ガスの使用は、原料の化学的組成を該原料が
スプレーされるのに従って変化させると共に、より高い
使用電圧が可能となることから望ましく、何故なら高使
用電圧はプラズマガスの構成の関数として機能するから
である。

プラズマガスが接線方向通路114から流されるにつれ、
これは更に自立プラズマ102を照準合わせするように機
能する渦を形成する。第２プラズマ形成ガスの回転は特
に第６図中において矢印Ｇとして示される。プラズマガ
スが円錐状スロート96に入るにつれ、これは電気エネル
ギ集中パイロットプラズマ流56、132によりイオン化さ
れる。得られた熱巻線状急速増長プラズマガスは、パイ
ロットプラズマ流56、132と組合わされ、熱ガス及び電
磁的影響の増長による強制力によって、プラズマは通路
88の直線状ボア部分中に引かれ、プラズマ出口開口138
から高速度で合併する自立プラズマ102を形成する。緊
密に締付けられた自立プラズマ102は主移送陽極86と電
気的に接触して回路を完成させる。これは通路88のプラ
ズマ出口開口138近傍若しくは主移送陽極86の外表面142
で生じる。スタートアップ完了後、第１図のスイッチ12
8、129が開成され、パイロットプラズマガンの環状陽極
が回路から切離される。パイロットプラズマ流56、132
は円錐状スロート96中に流れ続け、何故なら、これらは
安定な直流により維持される自立プラズマ102を介して
主移送陽極86に電気的に接続するからである。

当業者であれば分かるように、一般的にプラズマスプレ
ーガンの重要な利点の１つは、しばしば1200゜Kを超え
る高温度を発生させる能力である。これらの高温度は耐
火酸化物及び他の熱耐火材料を処理及びスプレーする為
に、プラズマスプレーを理想的なものとする。プラズマ
スプレー装置20の種々な部品の熱劣化を防止する為、第
１図及び第２図に関し、冷却剤が上述の冷却剤通路内で
ハウジング58を通して循環される。冷却剤は冷却剤出口
140で排出される。通路88の直線状ボア部分で主移送陽
極86を冷却することにより、主移送陽極86の内部壁に直
ぐ隣接する通路88の領域が冷却され、「熱ピンチ」とし
て知られている現象が生じる。従って、冷却非イオン化
ガスのシースが主移送陽極86の壁近傍に維持される。こ
の非導電性シースは、更にプラズマ流を集中若しくは締
付けるように機能する自立プラズマ102の電界線を締付
ける。

電磁ピンチがまた提供され、次にこれについて記述され
る。パイロットプラズマ流56、132が第１図図示の如く
軸60、62、62′の交差点で対称的に収束する。パイロッ
トプラズマ流56、132は（及び３つ以上の対照的に配置
されたパイロットプラズマガンが使用される場合は、追
加の全てのパイロットプラズマ流も）、交差点で均一に
偏向する。均一な偏向は一部において交差プラズマの運
動相互作用力及び幾何的対称性によりもたらされる。更
に、各パイロットプラズマ流は、第５図及び第７図中矢
印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示されるパイロットプラズマガンの
各陰極及び主移送陽極間の移送直流電流により誘発され
る関連の周囲磁界を有する。更に、磁界Ｅが存在し、こ
れは集中パイロットプラズマ流を包囲する。種々の磁界
ベクトル成分の積重ねの為、磁界Ｅは特に第７図図示の
如く、個々のプラズマ流を引くように作用する。この締
付け磁気ピンチの大きさは、パイロットプラズマ流の交
差点に隣接して増大する。この増大する磁気ピンチは個
々のパイロットプラズマ流を電磁気的に合体させ、安定
な合体プラズマ流を形成する。磁気ピンチは自立プラズ
マ102の圧力、温度及び速度を増大させる。この磁気ピ
ンチの大きさは、パイロットプラズマ流及び自立プラズ
マ102による組合わせ電流に比例する。

自立プラズマ102が完全に確立された後、原料がパイロ
ットプラズマの交差点に供給される。再び第１に関し、
ある実施例において、粒状原料が上述の如く軸60に軸整
一する原料供給チューブ80を通して注入される。原料の
軸方向注入がプラズマアークを乱すことなく達成できる
ことは本発明の重要な利点である。これはパイロットプ
ラズマガン22、24の角度配列により可能となる。従来技
術のプラズマスプレー装置における半径方向供給の欠点
は従って本発明により未然に防がれる。従って、本発明
は軸方向に注入された原料粒子の均一加熱を供給する。
粒子速度はまた非常に均一である。超音波粒子速度が達
成されるであろう。多くの例において、原料は不活性キ
ャリアガスにより圧力下で注入される。粒子注入速度を
含むプラズマスプレー装置20の種々の使用パラメータを
制御することにより、粒子速度及び温度の正確な制御が
達成可能となる。従って、原料が電磁的合体パイロット
プラズマ流に入るのにつれて、これは最高エンタルピー
領域で自立プラズマ102内に乗せられ且つ加速される。
加熱高速粒子はターゲット基板に指向され、基板に衝突
して濃密度で均一な堆積を形成する。従って高堆積効率
が達成される。耐火酸化物のようなセラミック、金属及
びポリマーでさえもこの態様でスプレーされる。ある特
定の望ましい適用は金属及びセラミック基複合材料であ
る。

本発明において原料の軸方向注入の他の方法も可能であ
り、例えばスラリー、溶液、ゾル−ゲル流体、或いはワ
イヤ若しくは棒状のような原料の使用も可能である。特
に、第９図に関し、本発明にある実施例において、原料
は交差パイロットプラズマ流56、132中にローラ150によ
り進められる棒体148からなる。パイロットプラズマ流5
6、132が交差点において電気的に励起される為、棒体14
8に対して逆電気バイアスを供給することにより、棒体1
48は交差パイロットプラズマと共にアークを形成するで
あろう電極となる。この電気原料アーク及び交差パイロ
ットプラズマにより発生される熱は前進する棒体148の
先端を急速に溶融させる。溶融原料は交差パイロットプ
ラズマにより原子化され、上述の態様で自立プラズマ中
に移動する。

非常に高い電力レベルがプラズマスプレー装置20で得ら
れる点が本発明の重要な利点である。主移送陽極回路に
対して、陰極に100kw若しくはそれ以上の使用電力が連
続的に維持される。スタートアップ後、各棒状陰極及び
主移送陽極間で、約75から約125A及び約100から200Vの
安定直流電流が確立される。パイロットプラズマガンの
望ましい電圧は約15から約30Vである。その望ましい電
流は約10から30Aである。従って、自立プラズマ102は、
個々のパイロットプラズマガンの組合わされた電力の約
10から約50倍の電圧で励起される。当業者であれば、プ
ラズマアーク電圧における増大はプラズマ流のエネルギ
を増大させることが分かるであろう。

プラズマスプレー装置へのプラズマ形成ガスの流速、及
び原料の注入速度は、所望の温度、速度及び粒子の滞留
時間に大きく依存して変化するであろう。望ましい使用
パラメータの例として、望ましい及び最良の範囲は下記
の表１に示される（PPG＝パイロットプラズマガン、MP
＝主プラズマ、Ｆ＝原料）。

以上本発明の特定の実施例に関して図示され且つ記述さ
れてきたが、当然本発明はこれに制限されるものではな
いと理解されるべきで、この開示に対して種々の変更が
可能となる。従って、付属の特許請求の範囲は、本発明
の真の精神及び範囲に属する上記のような変更を包含せ
んとするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプラズマスプレー装置の一部縦断
正面図、 第２図は本発明に係るハウジングの展開斜視図、 第３図は第１図の３−３線に沿った断面図、 第４図は本発明に係るハウジングの平面図、 第５図は磁界線の概略と共に、４つのパイロットプラズ
マガンを取付けるように形成された本発明に係るサポー
トブロックの平面図、 第６図は模式的に示されたプラズマ流と共に、本発明に
係る主移送陽極及びディスクの一部を示す正面図、 第７図はプラズマ流を合体させる磁界線の模式的な斜視
図、 第８図は３つのパイロットプラズマガンを取付けるよう
に形成されたサポートブロックの変更例を示す図、 第９図は他の実施例における本発明に係る主移送陽極及
びディスクの一部を示す正面図で、この実施例において
は、交差プラズマに対してワイヤ原料が供給される。 20……プラズマスプレー装置、22……第１パイロットプ
ラズマガン、24……第２プラズマガン、26……陰極、36
……陽極、56、132……パイロットプラズマ流、58……
ハウジング、59……サポートブロック、60……共通軸、
80……原料供給チューブ、86……主移送陽極、96……円
錐状スロート、102……自立プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーバート・ハーマン アメリカ合衆国、ニューヨーク州 11777, ポート・ジェファーソン、メローク・トレ イル11 (56)参考文献 特開 昭61−116799（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−15119（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭51−7556（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン化されたプラズマガスの第１のプラ
   ズマを発生させるための陽極（36）を含む第１のパイロ
   ットプラズマスプレーガン（22）； 前記第１のプラズマと交差するイオン化されたプラズマ
   ガスの第２のプラズマを発生させるための陽極（36）を
   含む第２のパイロットプラズマスプレーガン（24）； イオン化されたガスの第１及び第２のプラズマを増長さ
   せるとともに、第１及び第２のプラズマを電磁的に合体
   させて、イオン化したプラズマガスの自立プラズマにす
   るために、イオン化されたガスの第１及び第２のプラズ
   マがその中に指向されるボア（88）を有する主移送電極
   （86）を含む電極手段； イオン化されたガスの第１及び第２のプラズマを発生す
   る前記プラズマスプレーガン（22、24）と、前記主移送
   電極（86）とに電力を供給するための手段；及び 前記自立プラズマに原料を供給するための手段（80）を
   具備し、 前記第１及び第２のパイロットプラズマガン（22,24）
   の陽極（36）が、主移送電極（86）から電気的に分離さ
   れ、原料が粒子状で加熱されるとともに、加速されるこ
   とを特徴とするプラズマスプレー装置。
2. 【請求項２】不活性プラズマガスを前記パイロットプラ
   ズマプレーガン（22,24）に供給するための第１のプラ
   ズマガス供給手段（50）を具備し、第１及び第２のプラ
   ズマを増長させるとともに電磁気的に合体させるための
   手段が、前記主電極のボア（88）に反応性プラズマガス
   を供給するための第２プラズマガス供給手段（104,11
   4）を含む請求項１に記載のプラズマスプレー装置。
3. 【請求項３】前記主電極（86）のボア（88）が、貫通す
   るノズルボアとして形成されている請求項１に記載のプ
   ラズマスプレー装置。
4. 【請求項４】反応性イオン化プラズマガスを供給する手
   段が、前記ノズルボア（88）内に接線方向に反応性プラ
   ズマを注入してプラズマガスの渦を形成させ、このノズ
   ルボア（88）内で自立プラズマを締付ける請求項３に記
   載のプラズマスプレー装置。
5. 【請求項５】イオン化された第１のプラズマガスを、第
   １のプラズマスプレーガン（22）内で発生させる工程； 前記第１のプラズマガスに交差するイオン化された第２
   のプラズマガスを、第２のプラズマスプレーガン（24）
   内で発生させる工程； 前記イオン化された第１及び第２のプラズマガスを、主
   移送電極（86）内のボア（88）を通して指向させ、第１
   及び第２のパイロットプラズマスプレーガン（22,24）
   から電気的に絶縁された主移送電極（86）に、イオン化
   された第１及び第２のパイロットプラズマを通して電流
   を流し、それによって、前記第１及び第２のプラズマを
   増長させるとともに、電磁気的に合体させてイオン化さ
   れたプラズマガスの自立プラズマにする工程、及び 第１及び第２のプラズマの交差点を通して自立プラズマ
   中に原料を供給し、自立プラズマが、プラズマガス中に
   拡散支持されたスプレーとしての粒子状の原料を加熱し
   加速する工程、 を具備することを特徴とするプラズマスプレー方法。
6. 【請求項６】前記自立プラズマ中に別のイオン化可能な
   プラズマガスを供給し、前記自立プラズマを増長させる
   工程を含む請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】前記別のプラズマガスを、自立プラズマ中
   に接線方向に供給して前記自立プラズマを締付ける渦を
   発生させる工程を含む請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】第１の実質的に不活性のイオン化可能なプ
   ラズマガスを前記第１及び第２のプラズマスプレーガン
   （22,24）に供給し、 イオン化されたプラズマガスの第１及び第２のプラズマ
   を発生させ、 第２のイオン化可能な反応性のプラズマガスを自立プラ
   ズマに供給して、自立プラズマを増長させる請求項５に
   記載の方法。
9. 【請求項９】イオン化可能なプラズマガスを自立プラズ
   マ中に同時に供給し、それによって自立プラズマをさら
   に増長させる工程をさらに具備する請求項５に記載の方
   法。
10. 【請求項１０】反応性のイオン化可能なプラズマガスを
    自立プラズマに供給する工程を含み、前記反応性プラズ
    マガスをイオン化して自立プラズマをさらに加熱する請
    求項９に記載の方法。