JPH10507227A

JPH10507227A - 大型基体上に均一な薄い被膜を形成するための装置および方法

Info

Publication number: JPH10507227A
Application number: JP8508126A
Authority: JP
Inventors: ミュエールバーガー，エリック
Original assignee: サルザーメトコエイジー
Priority date: 1994-08-18
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 1998-07-14
Also published as: GB9422917D0; WO1996006517A1; EP0776594A4; DE69528836D1; US5853815A; US5679167A; EP0776594A1; DE69528836T2; EP0776594B1

Abstract

(57)【要約】プラズマ装置８０は、プラズマガン８４から相当な距離離れて位置する、金属箔または他の組成からなる比較的に大型の基盤９４上に、金属酸化物または他の材料の緻密かつ均一な被膜を形成し、プラズマ流９２が、基体９４の全幅を被覆するようにする。プラズマガン８４の内側の圧力と、プラズマガン８４の外側の雰囲気圧力との間の大きな圧力差によって、流出するプラズマ流９２の中に衝撃パターンを生じさせることによって、このプラズマ流を分散させ、プラズマ流の中に高いエネルギー水準を維持し、更にプラズマ流９２中へと供給された被膜材料９６をガンの中で完全に混合する。このプラズマ流９２は、プラズマガン８４の下側端部でスリット状開口を有するノズルによって、この基体の全幅に沿って長くかつ狭い形状で運ばれる。

Description

【発明の詳細な説明】大型基体上に均一な薄い被膜を形成するための装置および方法発明の背景１．発明の技術分野本発明は、金属または他の組成を有する大型基体上に、金属酸化物または他の材料からなる均一な薄い被膜を形成するための装置に関するものであり、更に詳しくは、大寸法の作業品上へと比較的に均一な被膜を溶射するためのプラズマ装置に関するものである。２．従来技術の歴史種々の用途において、金属酸化物または他の材料からなる比較的に薄い被膜を、例えばアルミニウムまたは他の組成からなる比較的に大きい基体上に形成することが必要とされている。こうした基体は、しばしば、３フィート以上のオーダーの大きな幅を有し、かつ何百フィート以上にも達しうる長さを有するロールの形で与えられる。大きな幅を有する基体にコーティングするために、種々の方法が採用されてきた。こうした方法の一つは、その性質上電解的なものであるが、前記基体を電解液中に、電極間に電位差を有する複数の電極の存在下で浸漬することを含んでいる。例えば、アルミニウムは、急速に酸化する傾向があるが、一般に、電解浴を使用してアルミニウムの表面上に被膜を形成することによって、陽極処理されている。この型の電解プロセスは、実施が比較的に困難であり、高価になる傾向があり、また特に所定のコーティング操作に必要な電力の量を含む、他の不利益がある。比較的に大型の基体上に薄い被膜を形成する他の方法としては、気相コーティング技術がある。基体を準備した後、気相ビームを含む方法のような、種々の相異なる方法のうちの一つを利用して、薄い被膜の形でこの基体の上にコーティングされるべき材料を、気化させる。この基体をチャンバー中に配置し、チャンバーの中へと、生成した蒸気雲を拡散させることによって、基体上に所望の薄い被膜を形成する。このような気相コーティング技術には、多くの不利益があり、所定のコーティング操作に必要な電力量が大きいことは、不利益のうちの最も小さいものではない。更に、チャンバー内の蒸気雲によって、基体の上だけでなく、チャンバーの種々の部分の上に被膜が堆積するので、定期的にクリーニングが必要になる。基体上に相異なる材料の混合物を堆積したい場合には、更に問題が生ずる。相異なる材料は、典型的には異なる特性を有しているので、気相コーティングプロセスの稼働条件を注意深く制御し、監視することが必要になる。プラズマ装置は、基体や他の作業品上へと金属酸化物や他の材料をコーティングするための、有用な代替手段を提供してきた。しかし、プラズマ装置は、コーティングすべき部品の寸法が比較的に小さい、タービンブレードのような航空機エンジン部品への溶射のような、特定の用途に対しては極めて有用であり、有効であることを証明してきた一方、この技術は、比較的に大きい寸法の基体や他の作業品に溶射する能力の点で、これまで制限されてきた。この基体上に被膜を形成する材料を運ぶのに使用するプラズマ流ないし炎は、典型的なプラズマ溶射装置については、典型的には制限された寸法のものであり、従って比較的に小さい寸法の基体のみに、比較的に均一なコーティングを溶射できる。プラズマ流ないし炎の寸法を大きくし、これによって溶射領域を大きくするために、プラズマ装置の寸法を大きくすると、他の理由の中でも、長距離にわたって溶射するのに通常必要な電力量が著しく増加するために、しばしば非実際的になる。典型的なプラズマ溶射装置においては、プラズマガンの陽極と陰極との間に連結されているプラズマ電源が、陰極の領域内で実質的に不活性のガスの供給と結合されており、この陽極内の中央プラズマチャンバー内にアークを生成させ、この陽極から流れるプラズマ流を生成させる。このプラズマ流を、基体上や他の作業品やターゲットの上へと向ける。粉末状の金属や金属酸化物のような粉末材料を、陽極の中央プラズマチャンバー内へと供給することによって、この粉末状材料を、プラズマ流によってターゲットへと運び、ターゲット上に被覆することが可能になる。プラズマガンの稼働は、大気圧で実施することができるが、幾つかの用途においては、プラズマガン用の密閉チャンバーへと真空源を連結し、低圧の環境と超音波プラズマ流とを提供することが好ましい。このようなプラズマ装置は、ミュールバーガー等の米国特許第４，３２８，２５７号に記載されており、この特許は１９８２年５月４日に発行されており、「プラズマコーティングの方法及び装置」と題されており、本出願と共に譲渡されている。低圧環境中でプラズマ溶射を行うためのプラズマ装置の一層早期の例が、ミュールバーガーの米国特許第３，８３９，６１８号に記載されており、この特許は１９７４年１０月１日に発行されており、「基体の高エネルギー動的コーティングを実施するための方法及び装置」と題されている。上記の二つの特許に記載されているプラズマ装置は、種々のプラズマ用途に好適である。しかし、幾つかの場合には、特別の形状のプラズマガンを備えることによって、プラズマ流によって特定の作業品を、有効に、かつ能率的に被覆することが望ましいか、または必要でさえありうる。こうした装置の例は、ミュールバーガーの同時係属出願番号第０８／１５６，３８８号に記載されており、この出願は１９９３年１１月２２日に出願されており、「高温プラズマガン組み立て品」と題されており、本出願と共に譲渡されている。この特許出願に記載されているプラズマガンは、高温用途向けに特に設計されており、例えばここで、プラズマガンを円形作業品の内側に配置することによって、作業品がプラズマガンに対して回転運動するのにつれて、作業品の内側表面に溶射するようにした。上記したように、特に通常のプラズマガンを利用することを試みた場合に、ある特定のプラズマ用途では問題を提示しており、これには比較的に大きい寸法の基体または他の作業品またはターゲットの上へとプラズマ流を配向させることを含む。例えば、ロール状に巻かれた長尺の帯状の材料をプラズマガンを通過するように前進させることによって、長尺の帯状の材料に溶射することは、このロールが非常に広い場合には、通常のプラズマ装置を使用すると、困難な操作である。こうした用途においては、特に大きなプラズマ炎を生成させる能力を有する非常に高出力のプラズマガンがないと、前記材料の全幅にわたってあらゆる度合いの均一性で溶射することは、困難である。こうした用途には、非常に大きなプラズマ炎を生成させるために、非常に大きな高出力のガンを必要としうる。更に、こうした大きな高出力のプラズマガンを使用した場合でさえも、長尺の帯の全幅にわたって得られた溶射の均一性は、満足できないものでありえる。大きな幅を有する前進中の長尺帯状の材料のような、比較的に広い作業品に、この材料の全幅にわたって複数のプラズマガンを配置することによって溶射することが提案されてきた。この方法においては、複数のプラズマガンの各々は、この材料の幅の異なる部分に溶射する。しかし、この装置は多くの制限を持っており、これには材料の比較的に均一なコーティングを達成するために複数のプラズマガンを制御することが困難であること、および複数のガンを稼働させるのに必要な出力を含む。相対向する陽極および陰極が、長尺のスリット状のノズルの対向端部に配置されているプラズマガンを使用して、比較的に幅広い作業品に溶射することも、提案されてきた。長く引く直流アークを陽極と陰極との間に生成させることによって、スリットノズルの全幅にわたって延びるようにする。アークガスを、この装置の全幅にわたって空間的に離れた位置に供給することによって、このガスが、スリットノズルの内部を通って、スリットノズルの外側へと、前記対向電極の間のアークまたは電流放電に対して垂直な略共通の方向に流れるようにする。しかし、こうした装置は煩雑であり、多くの理由から満足できない。その一つとして、スリットノズルにわたる温度分布が、非常に不均一になる傾向がある。更に、この材料がスリットノズルからだいたい均一な状態で流れるように、プラズマガンの全幅にわたって粉末材料を供給することは困難である。この結果、この粉末材料は、前進中の作業品の全幅にわたって不均一な状態で堆積する傾向がある。従って、長尺形状を有する非常に広い目的物を含む、種々の寸法の目的物の上に、比較的に単純な一工程の操作で、比較的に均一な被膜を溶射する能力を持つプラズマ溶射装置を提供することが望まれるであろう。このプラズマ溶射装置は、入力電力、稼働圧力、プラズマエネルギーおよび溶射距離のような相関のある稼働パラメーターを選択的に変化させることによって、所望の結果を達成できなければならない。更に、十分なエネルギーを有し、かつその全幅にわたって比較的に均一な組成を有する大きなプラズマ流を生成させる能力を持つプラズマ溶射装置を提供することが望ましいであろう。このプラズマ装置は、溶射すべき材料をプラズマ流または炎中へと流入させ、大寸法の基体または他の作業品の全体にわたって比較的に緻密かつ均一にこの材料をコーティングするような状態で、この材料を混合する能力を有していなければならない。本発明の詳細な説明大きな幅を有する長尺目的物を含む種々の寸法および形状の目的物に、比較的に単純な一工程の操作で、ほとんどの従来技術よりも著しく低い電力で溶射しうるプラズマ溶射装置を提供することによって、前記の目的および他の目的を、本発明に従って達成する。この装置は、入力電力、稼働圧力、プラズマエネルギーおよび溶射距離のような相関のある稼働パラメーターを選択的に変化させることによって、所望の結果を達成できる。従って、例えばプラズマガンの内側とガンの外側の雰囲気圧力との間に充分な圧力差を与えることによって、プラズマガンからより大きな距離に配置された大型の目的物に溶射するのに充分なエネルギーを、所定の入力電力によって、本プラズマ装置に対して与えることができる。溶射材料からなる非常に微細な粒子を使用することによって、この粒子のプラズマ流中への混合を大きく促進し、このプラズマガンから大きく離れた距離にある目的物への溶射を向上させることができる。溶射すべき目的物の寸法と、プラズマガンからのこの目的物の距離とを、入力電力、不活性ガス流および圧力差のような因子によって決定される所定のプラズマエネルギーに対して、選択することができる。本発明によるプラズマ溶射装置は、広いプラズマ流を生成させることができ、これによって大寸法の基体上に比較的に均一なコーティングを形成することができる。このプラズマ装置を特徴付けるのは、プラズマガンの内側と外側との間の大きな圧力差であり、これによってガスと溶射される材料との混合物を含むプラズマ流がプラズマガンを出て、基体または他の作業品へと移動するときに、大きな衝撃パターンが生成する。典型的には、このプラズマガンの内側の圧力は大気圧に比較的に近く、少なくとも４００トール（約０．５ａｔｍ）のオーダー上であり、一層大きく（１〜１００ａｔｍ）することができる。一方、プラズマガンの外側を低圧にする大型真空ポンプまたは他の源を、プラズマ装置用の容器へと結合することによって、プラズマガンの内側の圧力よりも何倍も低い、プラズマガンの外側の雰囲気圧力を生じさせる。この雰囲気圧力は２０トール以下であり、一層典型的には５トールのオーダーであり、０．００１トールの低さであってよい。プラズマガンの内側と外側との間でこうして得られた高い圧力差によって、プラズマガンを出る超音波プラズマ流が生ずる。更に、この大きな圧力差によって、プラズマ流がガンを出て、作業品へと向かって移動を始めるときに、大きな衝撃パターンが生ずる。この衝撃パターンによって、溶射される材料と、プラズマ流を生成する流出ガスとの混合が著しく促進される。この溶射材料は、流出するガスのパターンに追従する傾向があるので、従って前記混合プロセスが促進される。従って、この大きな圧力差と、生成した衝撃パターンとは、プラズマ流がプラズマガンを出るときに、急速に発散し、拡散するプラズマ流を生成させ、これによって特にプラズマガンからの距離が大きい位置で、大きな、広い柱状パターンを生ずる。これと同時に、このプラズマ流は、プラズマガンから大きな距離離れた位置でさえも、作業品上に均一かつ緻密な被膜を堆積させるのに必要なエネルギーを有しており、このプラズマガンからの距離は、従来のプラズマ溶射用途で通常使用されていたものよりも著しく大きく、このプラズマ流は大きな広い柱状の形状を有しており、これによって大寸法の作業品を被覆する。本発明によるプラズマ溶射装置の重要な側面は、プラズマガンを出て、次いで大きな衝撃と分散とを受けるガスに対して、溶射材料を完全に混合させる能力にある。こうした条件下で溶射を成功させるためには、このガスと溶射材料とは、プラズマガンの出口で衝撃パターンの上流で、相当な混合を受けなければならない。この溶射材料は、粒子状と液状とのいずれかでプラズマガンの内側へと供給する。粒子状で供給した場合には、この粒子が比較的に小さい寸法であること、２０ミクロンのオーダーのものまたは一層著しく小さいものでさえあることが重要である。このような微細な粒子は、もっと粗い粒子よりも、ガス流がプラズマガンを出るときにガス流に追従し、混合する能力が高い。この溶射材料をプラズマガンへと液状で供給することも有利であるが、しかし微粒子状の材料を供給するよりも達成が一層難しい。本発明によるプラズマ溶射装置は、比較的に通常の設計を有し、かつ円形の出口ノズルを採用しているプラズマガンを組み入れた場合でさえも、比較的に大型の基体上に緻密で均一な被膜を生成させる能力を持つ。この形状のプラズマガンは、プラズマガンから大きく離れた位置で緻密で均一な被膜を生成させるのに必要なエネルギーを有する略円形のプラズマ流を生じさせる。この円形のプラズマ流は、比較的に能率的な状態で、僅かな消耗で、円形の基体や四辺形状の基体でさえも被覆する能力を有する。また、このプラズマガンに、長尺のスリット状の開口を有するノズルを設けることによって、狭い長尺形状を有するプラズマ流を生成させることができる。この細長く幅が狭いプラズマ流を、前進中の基体材料のロールの全幅にわたるように配向させることによって、ロールがプラズマガンの下を進むときに、基体を被覆できるようにすることが有利である。細長いプラズマ流を生成させて、基体の全幅にわたって延ばすことによって、特に非常に広い基体に適切に溶射するために、細長いプラズマ流よりもむしろ円形のプラズマ流を生成させるプラズマガンの、必要とされるであろう往復運動を、回避することができる。長尺のプラズマ流を生成させるためのプラズマガンには、スリット状のノズルを採用できるが、しかしあるいは円形形状のものであってよい。また、このプラズマガンの全体が、長尺形状のものであってよい。こうした本発明による長尺のプラズマガンの装置の一つにおいては、長尺体が、その中空の内部から外側へと延びている長尺のスロットを備えており、スリットノズルを形成している。この長尺体の中空の内部中へとアークガスを供給することによって、このガスが、長尺のスロットから外へとほぼ共通の方向へと流れる。電源を結合して、長尺体の中空の内部の中にアークまたは電流放電を生じさせることによって、電流放電が、長尺スロットの外へと、アークガスとほぼ共通の方向へと流れる。電流放電の生成は、この長尺スロットから出るアークガスとほぼ同じ方向へと延びており、顕著な均一性を有する広い柱状のプラズマ溶射を生じさせることを見いだした。また、こうした装置によって、長尺体の幅方向にわたって離れた位置に溶射材料を供給することが可能になり、これによって溶射材料を顕著な均一性をもって広い柱状のプラズマ溶射中へと混合し、運ぶことができる。この溶射材料は、長尺のスロットを出て、アークガスおよび電流放電と同じ方向へと流れる。この長尺体は長尺の陽極を備えていてよく、この長尺の陽極は、その長さ方向の大部分にわたって陽極の中空の内部から延びる、長尺のノズルを形成するスロットを備えている。長尺の陰極組み立て体が、隣接する陽極の中空の内部の中に配置されており、陽極のほぼ全長にわたって延びており、陽極との間に空間が形成されている。アークガスを、陽極と陰極組み立て体との間の空間へと供給することによって、ノズルを形成するスロットから外へと流す。陰極と陽極との間に電源を結合させることによって、電流の放電を生じさせ、アークガスと同じ方向にノズル形成スロットの外へと延びるようにする。特に陰極のアークが陰極組み立て体のほぼ全長に沿って拡散する傾向がある、低圧の用途においては、陰極組み立て体は、陽極の全長に沿って連続的に延びる一体部材を備えていてよい。また、陰極アークが陰極組み立て体の全幅にわたって拡散する傾向が少ない高圧の用途においては、陰極組み立て体を分割することができ、陽極の全長に沿って空間的に離れた関係で配置されている複数の陰極セグメントを備えていてよい。溶射用の粉末材料を、長尺のプラズマガン中へと陽極の全長に沿って供給する。これを達成するには、陽極の全長にわたって空間的に離れた位置にあり、陽極を通ってノズル形成スロット中へと延びている複数の粉末注入通路を使用できる。長尺の陽極は、一対の相対向する同様の形状を有する離間された部材を備えていて良く、これらの部材は陰極組み立て体の相対向する側面上で、陰極組み立て体からは離間されて陽極の全長に沿って延びている。陽極の一対の相対向する離間された部材の各々は、アークガスを内部に受け入れるための陽極の全長に沿って延びるチャンバーを前記部材の中に備えていてよく、かつこのチャンバーから陽極と陰極組み立て体との間の空間へと延びる、アークガスをこの空間中へと供給するためのスロットを備えていてよい。陽極の一対の相対向する離間された部材は、陰極組み立て体の前方の位置で互いに向かって収束し、次いで互いから離れるように分岐して、陽極の全長の相当部分に沿って分岐ノズルを形成する。また、陽極の一対の相対向する離間された部材の各々には、陽極の全長にわたって延びるチャンバーをその中に備えることができ、これらの各部材中のチャンバーを通して冷却液を循環させる。前記した型の長尺のプラズマガンを使用しているプラズマ装置においては、このガンを密閉されたチャンバーの内部に配置した。このプラズマガンからの広い柱状のプラズマ流によって処理すべき長尺帯状の材料を、このチャンバー内でプラズマガンを通過するように前進させる。ローラ装置を使用することによって、この長尺帯状の材料を、チャンバー中へ入り、広い柱状のプラズマ流を通過させ、チャンバーから外に出るように前進させる。長尺帯状の材料がチャンバーを出入りする位置で、チャンバーを密閉するための機器を設ける。真空ポンプのような低圧源をチャンバーへと結合し、チャンバーの内部とプラズマガンの外部との雰囲気圧力を、所望の水準まで減少させる。図面の簡単な説明次の詳細な説明を添付図面と関連させて参照することによって、本発明を更に良く理解できる。ここで；図１は、本発明によるプラズマ装置のブロック図と、部分的に破断された斜視図との組み合わせであり、図２は、図１の装置のうちプラズマガンの部分の断面図であって、このプラズマガンを出るプラズマ流中に大きな圧力差を適用することによって衝撃パターンが生成している状態を示しており；図３は、本発明によるプラズマ装置の斜視図であり、通常の円形のプラズマガンを使用して大きな溶射パターンが達成されており；図４は、本発明によるプラズマ装置の斜視図であり、スリットノズルを通常の円形のプラズマガンと共に使用することによって、長尺基板に溶射するための長尺形状を有する溶射パターンを生成させている状態を示しており；図４Ａは、図４のスリットノズルの斜視図であり；図５は、本発明による、基板材の前進しつつあるロールに溶射するためのプラズマ装置を示す破断斜視図であり；図６は、図１の装置内で使用できる長尺形状のプラズマガンを示す斜視一部破断断面図であり、この陰極組み立て体は、一体の連続的な共通部材を備えており；図７は、図１の装置内で使用できる長尺形状のプラズマガンを示す斜視一部破断断面図であり、陰極組み立て体が分割されており；および図８は、プラズマガンおよびターゲットの概略図であり、プラズマガンによって作りだされたプラズマ流のターゲットにおける幅が、ターゲットのプラズマガンからの距離の関数として変化しうる状態を示している。詳細な説明図１は、本発明によるプラズマ装置１０を示す。図１のプラズマ装置１０は、密閉されたプラズマチャンバー１２を備えており、この中にプラズマガン１４が固定されている。所望により、チャンバー１２中で往復揺動運動または他の運動を生じさせるために、ガン駆動機構１５が連結されている。このプラズマガン１４は、プラズマ電力供給装置１６に連結されており、プラズマ電力供給装置は、プラズマガン１４の陰極および陽極に結合された直流電源を備えていてよい。プラズマガン１４へとアークガスを供給するために気体源１８が結合されている。このアークガスは、アルゴンのような特に不活性なガスを含む、あらゆる適当なプラズマガスからなっていてよい。気体源１８からのガスによって、プラズマガン１４から作業品２２まで延びるプラズマ流２０が生ずる。冷却水源２４は、プラズマガン１４に連結されており、ガン１４へと冷却水を循環させ、ガンに必要な冷却作用をもたらす。移行式アーク電源２５は、プラズマガン１４と作業品２２との間に連結されており、所望により移行式アークをもたらす。このプラズマ装置１０は、溶射するべき原料をプラズマガン１４の内側へと供給するための粉末源２６を備えている。この原料は、典型的には、粉末状または粒子状であるが、後述するように、液状で供給することもできる。プラズマガン１４の内側では、粉末源２６から来た粉末は、気体源１８からのガス流と混合され、このガス流中に流入し始め、この間ガスがプラズマガンによってプラズマ流２０へと変わる。この粉末の粒子は、溶融に近い状態にまで加熱され、プラズマ流２０と混合されることによって、作業品２２上に、比較的に均一な密度を有する被膜を形成する。この粉末の粒子は、酸化アルミニウム、二種類以上の金属の合金を含む金属、または作業品２２上に被覆されるべき他の適当な材料からなっていてよい。この作業品２２は、適当な組成を有するあらゆる基板，作業品またはターゲットであってよい。本発明に従って、また後述するように、作業品２２は比較的に大寸法のものであってよく、これはプラズマ装置１０が、このような作業品に比較的に均一で緻密な被膜を溶射する能力を有しているからである。この作業品２２は、後述するように、比較的に大寸法の固定された平坦な板からなっていてよい。または、作業品２２は、これも後述するように、大きな幅を有する基板材のロールからなっていてよい。この作業品２２は、被覆されるべきあらゆる金属または非金属の材料からなっていてよい。例えば、この作業品２２は、プラズマガン１４中へと供給される酸化アルミニウムによって被覆されるべきアルミニウム製の薄い被覆用材であってよい。また、このプラズマ装置を、作業品２２上へと材料を溶射するために使用するのではなく、むしろ例えば紫外線照射によって作業品２２を処理するために使用する用途においては、作業品２２はプラスチック箔のロールからなっていてよい。このプラズマチャンバー１２は、その下側端部で、過溶射フィルター／回収装置２８へと、整流装置／フィルターモジュール３０および熱交換モジュール３２を介して連結されている。この整流装置／フィルターモジュール３０は、流入した粒子物質の大部分がインラインフィルター部分によって抽出される前に、作業品２２上に被覆されなかったプラズマガン１４からの過溶射物を冷却する。この整流装置／フィルターモジュール３０を通過した流出物は、熱交換モジュール３２を介して、過溶射フィルター／回収装置モジュール２８を備える真空マニホールド３４中へと導かれる。この真空マニホールド３４が連通している真空ポンプ３６は、プラズマ装置１０のチャンバー１２内の雰囲気圧力を所望値に維持するのに十分な能力を備えている。後述するように、この真空ポンプ３６は、プラズマチャンバー１２内の雰囲気圧力を、２０トール以下、一層典型的には５トール以下、または０．００１トールもの低さにするのに十分な能力を備えている。図２は、プラズマガン１４の一部分の断面図であり、本発明に従って、プラズマ流２０が、プラズマガン１４内で生成し、プラズマガン１４から出ていく状態を示している。このプラズマガン１４は内側チャンバー４０を備えており、気体源１８からのプラズマガスがここを通過する。プラズマ電力供給装置１６によって生成したアークが、通常法でプラズマ流２０を生成させる。一対の対向通路４２と４４とが、プラズマガン１４の壁を通ってチャンバー４０へと延びており、粉末源２６から粉末を運ぶ。この粉末の粒子は、通路４２および４４からチャンバー４０へと入り、プラズマ流２０中へと流入し、ここで粉末がプラズマ流２０のガスと混合され、溶融状態に近くなるまで加熱される。こうして加熱された粉末の粒子は、プラズマ流２０によって作業品２２へと運ばれ、作業品２２上に所望の被膜を形成する。本発明に従って、この粉末を比較的に微細とし、２０ミクロン以下のオーダーの小さな粒径のものとした。この粒子が略球形のものである場合には、その最大粒径は２０ミクロンである。一層典型的には、この粉末の粒子は、１０ミクロン以下の粒径を有している。このような微細な粉末の粒子は、２０ミクロン以上のオーダーの粒径を有する粒子のような、より粗い粒子の場合におけるよりも、プラズマ流２０を生成するガスと共に流れる傾向がはるかに大きいことを発見した。この微細粉末の粒子が、本発明に従い、ガス流に一層近く追従する傾向によって、特にノズル４６の上流でプラズマガン１４の下側端部で、この粉末粒子とプラズマ流２０のガスとの混合が、一層大きく促進される。従来のプラズマ装置においては、プラズマ流がプラズマガンから出るときにプラズマ流が衝撃を受けるあらゆる傾向を、稼働条件を注意深く制御することによって、たとえ除去はされないとしても、最小限とし、プラズマ操作に均一性をもたらす。圧力を注意深く制御し、かつプラズマガンに適切な出口形状を付与することによって、これを達成している。対照的に、本発明は、プラズマガン１４のすぐ外で相当の衝撃パターンを生じさせ、この衝撃パターンを利用して利益を得ることを目的としている。この衝撃パターンを生じさせるには、まずプラズマガン１４の内側の圧力Ｐ₁と、プラズマガン１４の外側およびプラズマチャンバー１２の内側（図１に示す）の雰囲気圧力Ｐ₂との間に、相当の差を付与する。典型的には、プラズマガン１４の内部の圧力Ｐ₁は相対的に高く、典型的には少なくとも約４００トール（約０．５ａｔｍ）のオーダーである。後述するように、所望によりＰ₁を一層高く（１〜１００ａｔｍ）することによって、Ｐ₁とＰ₂との間の圧力差を一層大きくできる。一方、雰囲気圧力Ｐ₂は、相対的に低く、例えば２０トール以下のオーダーとする。典型的には、圧力Ｐ₂は５トール以下であり、０．００１トールもの低さ、更にはそれ以下とすることができる。本発明によるプラズマ装置においては、Ｐ₂の好ましい範囲は１０−０．００１トールである。圧力Ｐ₁とＰ₂との間に大きな差を設けることによって、プラズマ流２０がプラズマガン１４を超音波速度で出るようにする。大きな衝撃波が発生し、これによって粉末の粒子と、プラズマ流２０を構成するガスとの混合が促進される。この結果、プラズマ流２０が、プラズマガン１４から十分なエネルギーを持って流れるので、後述するように、たとえ作業品２２がプラズマガン１４から大きな間隔離れて、例えば２フィート（６１ｃｍ）、更に４フィート（１２２ｃｍ）以上離れて配置されていたとしてさえも、作業品２２上に比較的に緻密かつ均一な被膜を生成させることができる。ガン１４から大きな間隔離れた位置でのプラズマ流の速度も、Ｐ₁とＰ₂との間に非常に大きな差を設けることによって、向上する。対照的に、ほとんどの通常のプラズマ溶射装置においては、作業品をプラズマガンから１〜１．５フィート（３０．５ｃｍ〜４５．７ｃｍ）以上離して配置すると、必ず、このように大きな間隔では、プラズマ流のエネルギーと、作業品に被覆する能力とが著しく減少する。ほとんどの用途においては、Ｐ₁とＰ₂との間に十分な圧力差を設けるためには、本装置の真空ポンプを使用してＰ₂を十分に低い水準まで減少させる。しかし、所望により、この圧力差を実現するために、プラズマガン内の圧力Ｐ₁を十分に高い水準（１〜１００ａｔｍ）にまで増大させることができ、これ単独でも、あるいは雰囲気圧力Ｐ₂の低減と組み合わせてもよい。このプラズマガン圧力Ｐ₁は、ガス流、ガンへと供給される粉末およびガンの開口を輪郭付けるオリフィスの寸法によって決定される。上記したように、粉末源２６からの粉末の粒子は、プラズマ流２０中にこれらの粒子を確実に、適切に混合させるために、比較的に小さい粒径（２０ミクロン以下のオーダー）のものでなければならない。しかし、被覆材料を、粒子形態よりもむしろ液状でプラズマガン１４中へと供給した場合にも、満足すべき結果が得られる。この被覆材料を溶融に近い状態まで加熱して、ガン内に生成するプラズマ流中へと供給することが、本技術分野において知られている。この溶融に近い状態の材料は、プラズマ流中で溶融に近い状態にまで加熱する必要がなく、供給されるときには既に溶融に近い状態であり、従ってはるかに迅速にプラズマ流と混合される。しかし、この被覆材料を液状で供給するのに必要な機器は、複雑になる傾向があるので、この材料を粒子形態で供給することが、相対的に容易にそれを実施できるために、やはりほとんどの用途において好ましい。図１に関連して前述したように、真空ポンプ３６を採用して、プラズマチャンバー１２内に所望の低い雰囲気圧力（図２の圧力Ｐ₂）を生じさせる。他の稼働条件は、少なくとも４００トール（約０．５ａｔｍ）の典型的なプラズマガン１４内の圧力Ｐ₁を含めて、本質的に等しく、本発明によるプラズマ装置においては、例えば、前に引用したミュールバーガーの米国特許第４，３２８，２５７号に記載されている型の低圧プラズマ装置と比較して、一層低い雰囲気圧力Ｐ₂が必要とされる。この真空ポンプ３６は、機械ポンプまたは拡散ポンプのような、あらゆる適当な形態のものであってよい。しかし、ポンプの形態に係わらず、ポンプ３６は、必要とされる低い雰囲気圧力Ｐ₂を生じさせるのに十分な能力を有していなければならない。図３は、本発明による他の例のプラズマ装置５０を示している。このプラズマ装置５０は、図１のプラズマ装置１０に、その基本的な要部が類似しており、従ってこの装置５０の多くの部分を、図３から省略して説明を簡略化している。このプラズマ装置５０は、通常の円形の形態を有するプラズマガン５２を備えている。しかし、本発明に従って、このプラズマガン５２に供給される被覆材料は、適当な小さい粒径（または液状）のものであり、この真空ポンプは、雰囲気圧力Ｐ₂と、プラズマガン５２内の圧力Ｐ₁との間に適当な圧力差を生じさせるように選択され、調整されている。図３のプラズマ装置５０においては、作業品２２は、プラズマガン５２の下側端部にあるノズル５６からＤ₁の距離離れた位置に配置されている正方形の板５４からなる。このプラズマガン５２は、プラズマ流５８を生じさせる。このプラズマ流５８を直下に向けるために垂直方向に配置されているプラズマガン５２によって、このプラズマ流５８が輪郭付けている溶射パターンは、円形であって、プラズマガン５２から距離Ｄ₁離れた位置で直径Ｄ₂を有している。このパターンは、板５４の各側面に沿ってＤ₃の寸法を有する板５４の表面積の全体を被覆する。このプラズマガン５２をガン駆動機構１５（図１に示されており、前に参照した米国特許第４，３２８，２５７号に詳細に記載されている）に連結することによって、このプラズマ流５８を、所望の速度で、往復する揺動運動で前後に掃引させることができる。この往復運動のときの各対向位置における、プラズマガン５２によるプラズマ流５８の被覆範囲の各パターンを、卵形をしたそれぞれＤ４の幅を有する二点鎖線６０によって示す。銘記すべきことに、このプラズマ流５８が直下に向けられたときには板５４を被覆する一方、揺動運動を採用して、プラズマ流５８を、二点鎖線６０によって示される各対向位置の間で掃引させることによって、広い領域を被覆できる。本発明に従って構成し、試験に成功した図３のプラズマ装置５０の例では、通常の円形をしており、かつ１００ｋＷの全電力用量を有するプラズマガン５２を採用した。機械的真空ポンプを連結して、プラズマチャンバー内の雰囲気圧力を５トールとした。プラズマガンを、４７ボルト、１８００アンペアおよび８４．６ｋＷの直流電力の条件下で作動させた。アルゴンからなる一次アークガスを、２１０ＳＣＦＨの速度で供給した。ヘリウムからなる二次アークガスを、５７ＳＣＦＨの速度で供給した。排気プラズマのエンタルピーを測定したところ、４８０５ＢＴＵ／ポンド（１０，５９０ＢＴＵ／ｋｇ）であった。プラズマガン内の圧力Ｐ₁は、０．４ａｔｍ（３０４トール）であり、一方プラズマチャンバー内の雰囲気圧力Ｐ₂は０．００６６ａｔｍ（５トール）であり、Ｐ₂／Ｐ₁の比率を０．０１６５とした。このガンの出口におけるプラズマ流を測定したところ、約１０，０００°Ｋのガス温度とマッハ３．２の出口流とを有していた。等方性ベキ指数（ガンマ）、即ちプラズマガンののどにおけるガスの状態の測定値は、１．２８であった。このプラズマのどにおける音響速度、ａ★は、６，０００フィート（１８３，０００ｃｍ）／秒であった。Ｖ／ａ★での出口流速は、１３，１４０フィート（４０９，０００ｃｍ）／秒であった。ノズルの出口から約１フィート（３０．５ｃｍ）離れた位置で測定した流れ静温度は４０７９°Ｋであった。ノズルの出口から約１フィート離れた位置での流れ動圧は、０．０８５６ａｔｍ（６５トール）であった。プラズマガンの陽極のどは、０．５インチ（１．２７ｃｍ）の直径と、０．７５インチ（１．９１ｃｍ）の出口直径とを有しており、陽極のどからノズルの出口へと２．２５のノズル領域の拡大をもたらした。しかし、７．０のノズル膨張率Ａ／Ａ★は、固定された上流側エネルギーに対して断熱的な変化が生じたときに、プラズマ流の自然な膨張を収容するようにノズルが設計されている理想条件下では、１．３２インチ（３．３５ｃｍ）のノズル径を示唆している。前記した実施例においては、コーティング材料は、５〜８ミクロンの平均粒径を有するアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなっている。この粉末を、ガン中へと、相対向する側面から、各々の側面について２．６１オンス（１．１８ｋｇ）／時間の速度で注入した。プラズマガンのノズルと基体との間の距離Ｄ₁は５４インチ（１３７ｃｍ）であった。これによって１５インチ（３８．１ｃｍ）の溶射パターン直径Ｄ₂が生じ、これによって１２インチ（３０．５ｃｍ）の寸法Ｄ₃を有する正方形の板５４を被覆した。２点鎖線で示すパターン６０は、１８インチ（４５．７ｃｍ）の幅Ｄ₄を有している。プラズマガンの揺動運動を選択して、対向する鎖線パターン６０の中心間に２．５フィート（７６．２ｃｍ）の距離を設けた。プラズマガンの各掃引を０．２５秒の時間内に起こさせることによって、板５４における溶射パターンの掃引速度を約１１０インチ（２７９．４ｃｍ）／秒とした。この板５４はアルミニウムからなっていた。上記した条件によって、板５４上に均一な０．０００２インチ（０．０００５ｃｍ）のアルミニウム被膜を形成した。０．００１１インチ（０．００２８ｃｍ）もの厚さの被膜についても、被膜が良好に接着していることを見いだした。一層厚い被膜に対しては、板５４を少しエッチングすることや移行式アーククリーニングすることが、被膜の板５３への接合を大きく促進することを見いだした。上記したように、雰囲気圧力Ｐ₂を典型的には約２０トール以下の水準にまで減少させて、Ｐ₁とＰ₂との間に所望の圧力差をもたらす。また、上記したように、プラズマガンの内側の圧力Ｐ₁を、Ｐ₂の低減とは独立してまたは関連させて、高い値である１〜１００ａｔｍの範囲内へと上昇させて、所望の圧力差を達成することができる。この極端な例には、上記したばかりの詳細な実施例と同じ稼働パラメーターの幾つかを含んでおり、先の実施例の４８０５ＢＴＵ／オンス（１０，５９０ＢＴＵ／ｋｇ）のエンタルピーと、１．２８の値のオーダー上の等方性ベキ指数（ガンマ）とを含んでいる。先の実施例におけるように、このガスの温度は約１０，０００°Ｋであり、このプラズマ喉部における音響速度ａ★は６，０００フィート（１８２，８８０ｃｍ）／秒であった。しかし、本例においては、ガンの内部圧力Ｐ_lが１００ａｔｍ（本発明による好適範囲の上限値）になるように選択し、一方雰囲気圧力Ｐ₂を０．０００００１３ａｔｍまたは０．００１トール（前記好適範囲の下限値）となるように選択した。これによって０．０００００００１３の圧力比Ｐ₂／Ｐ₁を生じさせた。こうして得られたマッハ１９．２の出口流速は、従来例におけるマッハ３．２の出口流速に比べて著しく大きい。この出口流速Ｖ／ａ★は、従来例における１３，１４０フィート（４００，５１０ｃｍ）／秒に比べて、１６，２９０フィート（４９６，５２０ｃｍ）／秒であった。従来例においてノズルの出口から約１フィート（３０．５ｃｍ）の距離における流れ静温度が４０７９°Ｋであるのに対して、固定された量の上流エネルギーの断熱的変換に由来する大幅な膨張によって、この温度は本実施例では１８８°Ｋである。同様に、ノズルの出口から１フィート（３０．５ｃｍ）における流れ動圧は、従来例における０．０８５６ａｔｍ（６５トール）の圧力の代わりに、０．０００５８ａｔｍ（０．４４トール）であった。従来例における７．０のノズル膨張比Ａ／Ａ★に対して、本実施例においてはこの比が３１９，７６０の値に大幅に増加した。１／３２インチ（０．０３１６インチ：０．０８０ｃｍ）の陽極のどの開口直径に対して、理想条件下でプラズマ流の自然拡大を収容するために設計されたノズルの出口末端における開口の直径は、１７．８インチ（４５．２ｃｍ）であった。図４は、本発明による他の実施例のプラズマ装置７０を示す。このプラズマ装置７０においては、図３のプラズマガン５２と同様に、円形形状を有する通常のプラズマガン７２を採用する。しかし、前述したように図３の装置のプラズマガン５２が往復する揺動運動を受けるのに対して、図４のプラズマガン７２は、固定されたままに留まり、その代わりにスリットノズル７４がその下側端部に設けられている。図４Ａに示すように、このスリットノズル７４が備えている内側通路７５は、プラズマガン７２の下側端部に位置している円形開口７７から、同様の領域の長尺のスリット状開口７９まで延びている。このスリットノズル７４は、プラズマガン７２の底部における直径０．５インチの開口から、長さ１．６２５インチ（４．１２８ｃｍ）及び幅０．１２５インチ（０．３１８ｃｍ）のスリット状の開口７９への滑らかな移動を実現する。図４に示すように、スリットノズル７４の底部を、大きな幅を有する移動する基体７６の形態の作業品から距離Ｄ₁の位置に配置する。しかし、この基体７６の全幅を、長さＤ₂および幅Ｄ₃の長尺の比較的に狭い溶射パターンによって被覆する。図４の特別の例においては、スリットノズル７４の底部を、基体７６から５４インチ（１３７ｃｍ）の距離（Ｄ₁）に配置することによって、５４インチ（Ｄ₂ ）の長さと４インチ（１０．２ｃｍ）（Ｄ₃）の幅とを有する溶射パターンを生じさせる。従って、スリットノズル７４を使用することによって、得られた溶射パターンは、基体７６のプラズマガン７２からの距離Ｄ_lにほぼ等しい幅Ｄ₂を有しており、本発明のプラズマ装置において可能になった大きな距離Ｄ₁で非常に広い溶射パターンが得られるようになることを、理解できるであろう。図３及び図４の実施例における距離Ｄ₁は、このタイプ、寸法及び稼働範囲の通常のプラズマ装置において通常可能である距離よりも数倍大きい。しかも、大きな圧力差と、得られた大きな衝撃波及び比較的に微細な粉末の使用によってもたらされた混合の促進のために、前記作業品が、この距離では許容できる密度と均一性とをもって被覆されることを見いだした。図５は、本発明による他の例のプラズマ装置８０を示す。図５のプラズマ装置８０は、密閉されたプラズマチャンバー８２を備えており、この中にプラズマガン８４が組み入れられている。このプラズマガン８４はプラズマ電源８６に連結されており、プラズマ電源８６は、プラズマガン８４の陽極および陰極に連結された直流電源を備えていてよい。プラズマガン８４へとアークガスを供給するために、ガス源８８が連結されている。このアークガスは、アルゴンのような不活性ガスからなっていてよく、プラズマガン８４によるプラズマ流または炎の生成に使用される。プラズマガン８４に連結されている冷却水源９０は、冷却水をプラズマガン８４へと循環させ、プラズマガン８４に必要な冷却作用をもたらす。図６および図７において詳細に後述するように、このプラズマガン８４は広い柱状のプラズマ流９２を生じさせる。この流９２が、この場合には基体、作業品またはターゲットからなる、長尺帯状の材料９４上へと向けられる。この帯状材料９４は、広い柱状のプラズマ流９２による処理のために、金属箔または他の適当な材料からなっていてよい。本実施例においては、この材料９４は、プラズマガン８４によって広い柱状のプラズマ流９２中へと供給される酸化アルミニウム粒子によって溶射される金属からなる。この酸化アルミニウム粒子は、プラズマガン８４へと、粉末源９６によって供給される。本実施例においてはこの溶射材料が酸化アルミニウムからなるが、これは他の材料からなっていてよい。また、材料９４は、金属箔からなる必要はなく、他の材料からなっていてよい。また、この広い柱状のプラズマ流９２は、材料を溶射するのに使用する必要はなく、材料９４がプラスチック箔からなる場合には、紫外線照射のような他の処理のために使用できる。長尺帯状材料９４は比較的に幅広く、１メーターまたは１メーターよりさえも著しく大きいオーダーの幅を有していてよい。それにも係わらず、プラズマガン８４は、長尺帯状材料９４の全幅が比較的に均一な状態で処理されるような方法で広い柱状のプラズマ流９２をもたらすように設計されている。図５の実施例においては、長尺帯状の材料９４が、複数のローラー１００を備える輸送および密閉機構９８によってプラズマチャンバー８２を通って前進する。このローラー１００を回転可能に駆動することによって、長尺帯状の材料９４を入口チャンバー１０２を通してプラズマチャンバー８２の内部へと前進させ、プラズマチャンバー８２で材料９４を、プラズマガン８４によって生成した広い柱状のプラズマ流９２によって処理する。この入口チャンバー１０２は、プラズマチャンバー８２の側面に連結されている。後述するように、このプラズマチャンバー８２の内部に低い雰囲気圧力がもたらされている場合には、長尺帯状材料９４の入口と出口とを密閉することが必要である。また、特定の溶射材料は、気密な入口を必要としうる。本実施例においては、ローラー１００が、長尺帯状材料９４のプラズマチャンバー８２内への入口を密閉するように作用する。同様のローラー装置（図５には示していない）を使用して、プラズマチャンバー８２の対向する側面で基体の出口１０４を密閉し、ここで長尺帯状材料９４がプラズマチャンバー８２から出る。必要な場合には、複数の段階的な入口を採用できる。このプラズマチャンバー８２は、チャンバーの下側端部で真空ポンプ１０６へと装置１０８を通して連結されており、装置１０８は、図１の状態で整流装置／フィルターモジュール、熱交換装置および過溶射フィルター／回収装置を備えていてよい。この真空ボンプ１０６を稼働させて、前述したような方法でプラズマチャンバー８２内に所望の雰囲気圧力をもたらす。プラズマガン８４の第一の実施形態を図６に示す。プラズマガン８４は、図５においては広い柱状のプラズマ流９２を下側へと材料９４上に向けるために垂直に配置されていたけれども、図６、７に示すプラズマガン８４の実施形態は、図示の便宜のために水平に配置されている。図６のプラズマガンの実施形態は、プラズマガン中の内部圧力が４００トール（約０．５ａｔｍ）以下である低圧環境で使用するように設計されている。１〜１００ａｔｍの範囲内の圧力のような高い内部圧力用には、後述する図７の実施形態が好ましい。図６のプラズマガン８４は、第一の端部１１２と対向する第二の端部（この対向する第二の端部に隣接する断面のために、図６には示していない）との間の延長方向に、ある長さを有する長尺体１１０を備えている。この長尺体１１０は、その前側エッジにノズルを形成する細長いスロット１１４を備えており、スロットは長尺体１１０の全長の大部分に沿って延びている。このノズル形成スロット１１４は、長尺体１１０にスリットノズル１１６をもたらす。内側プラズマチャンバーが円形または円筒形状のノズル中へと開口している、図３、図４にそれぞれ示すプラズマガン５２および７２のような、もっと通常の形状のプラズマガンとは、このプラズマガンは対照的である。図６の長尺体１１０が備えている陽極１１８は、一体のものまたは複数片の構成のものであってよく、及び同様の構成からなる対向する陽極部材１２０および１２２からなる。これらの陽極部材１２０と１２２とは、互いに離されており、これらの間にアークキャビティ１２４を形成している。これらの陽極部材１２０と１２２とは、その前側部分でつながってノズル形成スロット１１４を輪郭付け、その後に分岐してスリットノズル１１６を形成する。これらの陽極部材１２０および１２２には、アークガスチャンバー１２６および１２８がそれぞれ設けられており、これらは陽極部材１２０、１２２の全長に沿って延びる。これらのアークガスチャンバー１２６、１２８は、図５に示すガス源８８へと連結され、この中にアークガスを収容する。このアークガスチャンバー１２６は、アークキャビティ１２４へと、陽極部材１２０の全長に沿って延びるスロット１３０によって連結されている。アークガスチャンバー１２６中へと供給されるアークガスは、スロット１３０を通って、アークキャビティ１２４中へと流れる。同様の方法で、陽極部材１２２には、アークガスチャンバー１２８とアークキャビティ１２４との間で、陽極部材の全長に沿って延びるスロット１３２が設けられている。このアークガスチャンバー１２８中へと供給されるアークガスは、スロット１３２を通って、アークキャビティ１２４中へと流れる。この陽極部材１２０、１２２には、冷却水チャンバー１３４、１３６がそれぞれ設けられている。この冷却水チャンバー１３４は、陽極部材１２０の全長に沿って延び、図５に示す冷却水源９０へと連結されている。この冷却水チャンバー１３４は、陽極部材１２０中でノズル形成スロット１１４に隣接する領域へと延びており、スリットノズル１１６の冷却作用をもたらす。この陽極部材１２２内の冷却水チャンバー１３６は同様の方法で作用する。図６のプラズマガンの形態は、陽極形成部材１２０および１２２の全長に沿って延びている単一の一体の陰極部材を備える、共通の陰極１３８によって特徴付けられる。この陰極１３８は、陽極部材１２０、１２２の背面側エッジに沿って延びる絶縁体１４０と１４２との間に配置されている。これは、陰極１３８を、陽極部材１２０、１２２から電気的に絶縁する。この陰極１３８が備えているベース１４４は、絶縁体１４０、１４２から後ろ側へと向かって延びており、Ｕ字形状の絶縁体１４６によって包囲されている。陰極１３８のうち絶縁体１４０と１４２との間にある部分は、ベース１４４よりも顕著に薄く、アークキャビティ１２４内で前方チップ部１４８へと前方に延びている。図５に関連して記載したように、このプラズマ装置８０は、プラズマガン８４に連結されているプラズマ電源８６を備えている。このプラズマ電源８６は、典型的には、プラズマガン８４の陰極と陽極との間に連結された直流電源を備えている。この直流電源（図６には示していない）は、陰極１１８および陽極１３８へと連結されており、この結果として、陽極部材１２０、１２２と陰極１３８との間で、陰極１３８の前方チップ部１４８内の領域中に、アークが生成する。これらのアークを構成するプラズマアークまたは電流放電は、図６に複数の矢印１５０で示すように、ノズル形成スロット１１４を通って、スリットノズル１１６の外側に、プラズマガン８４の外部へと延びている。これと同時に、アークガスが、図６に示す複数の点線の矢印１５２によって示すように、アークキャビティ１２４内へと、スロット１３０、１３２から、陽極部材１２０、１２２内で供給され、ノズル形成スロット１１４を通って、プラズマガン８４のスリットノズル１１６の外へと流れる。これと共に、電流放電とアークガスとが、広い柱状のプラズマ流９２を生成する。本発明に従って、矢印１５０で示す電流放電は、プラズマガン８４のスリットノズル１１６から、ほぼ矢印１５０の共通の方向に延びる。このアークガスは、スリットノズル１１６から、点線の矢印１５２で示すように、実質的に同じ方向へと流れる。プラズマアークまたは電流放電と、アークガスの流れとが、このように単軸的な関係を持つことによって、プラズマガン８４のスリットノズル１１６から流出する広い柱状のプラズマ流９２の全長に沿って、比較的に均一な温度分布がもたらされることを見いだした。これによって、後述するように、長尺帯状の材料９４に、その全長に沿って、図６のプラズマガン８４中へと供給された粉末による比較的に均一な溶射がもたらされる。前述したように、図６の陰極１３８は、アークキャビティ１２４中へと長尺体１１０の全長にわたって延びている、単一の一体の陰極部材を備えている。図６の特定のプラズマガン８４は、低圧用途において使用するために設計されているので、このような単一の共通陰極部材の採用が可能になる。アークキャビティ１２４内が４００トール以下の低圧であると、陰極アークの結合が拡散し、これは陰極１３８の前方チップ部１４８の全表面にわたって生ずる。このようなアーク結合の拡散は、１ａｔｍ以上のような高圧では、これと同程度には起こらないので、図７に関連して後述するように、このような高圧用途においては、分割された陰極を使用しなければならない。図６のプラズマガン８４においては、広い柱状のプラズマ流９２中へと供給すべき粉末を、上側陽極部材１２０の全長に沿って離間された状態で載せられている複数の粉末注入装置１５４に供給する。これらの各粉末注入装置１５４は、図５に示す粉末源９６のような加圧された粉末の共通の源へと連結されている。このような共通の源からの粉末を、粉末注入装置１５４中へと供給し、これらは各々粉末通路１５６によってノズル形成スロット１１４へと連結されている。図６に示すように、各粉末通路１５６は、下側へと、陽極部材１２０の全厚を通ってノズル形成スロット１１４へと延びている。各粉末通路１５６から注入された粉末は、スリットノズル１１６から流出する広い柱状のプラズマ流９２の中へと分散し、この方向へと流れる。充分な数の粉末注入装置１５４を、プラズマガン８４の全長に沿って設ける事によって、広い柱状のプラズマ流９２の全幅に沿って粉末の比較的に均一な分布をもたらす。図６の装置（および後述するように図７の装置）を示し、粉末を供給するための複数の注入装置１５４に関して記載したけれども、プラズマガンの全幅にわたって比較的に均一に粉末を散布できる限り、他の装置を使用できる。例えば、微細フィーダーを使用でき、粉末を、陽極部材１２０の全長に沿って延びるスリットを通して供給できる。図７に示す、プラズマガン８４の第二の実施形態は、プラズマガン内で１〜１００ａｔｍの範囲内の圧力のような高圧を含む用途に対して、図６の実施形態よりも一層好適でありうる。図７のプラズマガン８４は、多くの点で、図６のプラズマガンの実施形態に類似している。従って、図７のプラズマガン８４の同様の部分を指示するために、同様の参照番号を使用する。この基本的相違点は、図７の実施形態において、分割された陰極組み立て体１５８を使用したことにある。前述したように、図６の共通陽極１３８は、低い雰囲気圧力の存在下では、前方チップ部１４８の全体にわたって、陰極アーク結合の充分な拡散をもたらす。しかし、幾分か高圧の用途においては、この拡散は不十分でありうる。このような場合には、分割された陰極組み立て体１５８を使用できる。図７の分割された陰極組み立て体１５８は、プラズマガン８４の全長に沿って、離間された位置関係で配置されている、複数の別体の陰極セグメント１６０からなる。この陰極セグメント１６０は、間に介在する絶縁体によって互いに電気的に絶縁されており、こうした絶縁体１６２の一つを図７に示す。図７に示すように、各陰極セグメント１６０は、図６の共通陰極１３８に類似した断面形状を有しており、ベース１６４と、アークキャビティ１２４内でベース１６４から前方チップ部１６６へと前方に向かって延びている、より薄い部分を備えている。陰極組み立て体１５８を、個々の陰極セグメント１６０へと分割することによって、図７の装置は、プラズマガンの全長に沿って、必要な陰極アーク結合の拡散をもたらすことができ、これは所望の温度の均一性をもたらすために必要である。個々の陰極セグメント１６０は、各々、異なる直流電源へと連結されている。または、単一の直流電源に多重高周波スターターが設けられている限り、こうした単一の電源を、すべての陰極セグメント１６０へと連結することができる。本発明を、長尺の金属箔の形態の長尺帯状材料の上へと、酸化アルミニウム粒子のような酸化物材料を溶射することに関して、ここでは主として説明してきた。しかし、前述したように、他の溶射材料と、基体または作業品材料とを使用できる。例えば、前記した酸化アルミニウム材料の代わりに、金属粉末を溶射できる。この場合には、図１に示す電源２５のような別体の直流電源を、プラズマガンと長尺帯状材料との間に連結することによって、移行式アークをもたらすことが好ましい。また、最初に二種類以上の材料の混合物から粉末を生成させ、次いでこの粉末を作業品上へと溶射することによって、二種類以上の材料からなる被膜を形成することが可能である。この方法は、基体上への堆積の前に種々の材料を別個に気化させなければならない従来技術の気相コーティング法におけるよりも、はるかに容易に達成される。本発明によるプラズマ装置の他の用途については、この装置を金属箔の製造に使用する際には、移動中の支持材上へと金属フィルムを溶射し、これに続いて形成された金属フィルムを支持材から剥離させて除去することができる。本発明の更に他の用途においては、広いプラズマ流を使用して、材料の溶射またはコーティングなしに材料を処理できる。こうした化学的処理の一例においては、比較的に広い帯状のプラスチック箔を、単にこのプラズマ流を箔の上へと向けることによって処理できる。このプラズマ流中の高濃度の紫外線は、特に高圧下では、プラスチック箔の紫外線処理をもたらす。図８は、プラズマ流の幅が、プラズマガンからの距離に応じて変化している状態を示す。図８に示すように、プラズマガン１７２によって生成したプラズマ流１７０は、プラズマガン１７２からの距離が増大するのにつれて、ほぼ線型的な状態で広がる。もし作業品１７４がプラズマガン１７２から第一の距離ｄ_lに位置しており、幅ｗ₁を有していると、この距離ｄ_lにおける流１７０は、この作業品１７４の全幅ｗ₁を被覆するのに充分なほど幅広い。標準的な稼働条件の組み合わせを使用した通常のプラズマ溶射装置においては、この距離ｄ₁は、典型的には約１フィート（３０．５ｃｍ）のオーダー上である。１フィートの距離では、この流１７０は典型的には、大気圧環境中で、及び真空ポンプがこのプラズマ装置用の密閉されたチャンバーへと連結されているような低圧環境中で、作業品１７４の所望の溶射または他の処理を達成するのに充分なエネルギーを有している。図８に示す距離ｄ₂におけるように、プラズマガン１７２からの作業品１７４の距離が大きくなると、分岐するプラズマ流が一層広くなり、これによってｗ₁ よりも顕著に大きい幅ｗ₂を有する作業品１７４を溶射でき、さもなければ処理できる。図８の例においては、ｄ₂はｄ_lよりもほぼ４倍大きく（約４フィート（１２２ｃｍ）であり）、ｗ₂は、ｗ₁の約４倍大きい。これと同時に、距離ｄ₂におけるプラズマ流２２のエネルギーは、距離ｄ_lにおけるよりも小さい。この流のエネルギーが、距離ｄ₂でターゲット２４の溶射または他の処理を行うために充分であるかどうかは、種々の稼働条件と、特にプラズマ装置の環境とに依存している。本発明による非常に低い雰囲気圧力の条件下では、例えば、大気中でプラズマ装置が稼働している場合よりも、ｄ₂でのエネルギー損失がｄ_lと比較したときに非常に小さい。この結果、非常に低圧の溶射環境下では、４フィート以上もの大きさの距離ｄ₂における溶射または他の処理が、図３、４の例において記載したように、満足すべき結果を生ずることを見いだした。しかし、高圧装置においては、そして特に大気圧の装置においては、距離の増大に伴う流れのエネルギーの消失がはるかに大きいので、この流れのエネルギーは、４フィートの距離では通常は不十分である。特に低圧環境において、プラズマガンからの距離が増大するのにつれて、プラズマ流が分散し、プラズマ流のエネルギーが弱くなる様子を理解することによって、距離、流れの幅およびエネルギーのような因子を設計し、種々の用途に対する稼働条件を最適化することが可能になる。例えば、前記の流れが作業品を被覆するのに充分な幅を有するようになるまで、距離を増大させることかできる。もしもこの距離における流れのエネルギーが不十分であれば、このプラズマ装置のチャンバー内の雰囲気圧力を低下させることによって、流れのエネルギーを許容可能な水準にまで上昇させることが可能である。更に、前述したように、非常に小さい粒子または液体を溶射することによって、コーティングを促進できる。または、最低の許容可能なエネルギーが存在する距離に到達するまで、作業品をプラズマから離れるように動かすことができる。もし前記流れがこの距離で充分に広くない場合には、上記した図６、７の状態で長尺のプラズマガン形態を使用することによって、この距離でのプラズマ流の幅を増大させることが可能である。前に議論したように、プラズマガンからの作業品の距離を、入力電力、稼働圧力およびプラズマエネルギーのような他の稼働パラメーターに対して選択して、所望の結果を達成できる。他の条件が等しい場合には、入力電力が増大すると、プラズマ流のエネルギーが増大するであろう。もちろん、所定の入力電力に対しては、前記圧力差を増大させることによって、前記流れのエネルギーを大きく増大させうる。この結果、本発明によるプラズマ装置は、大きな幅を有する長尺状の目的物を含む、種々の寸法および形状の目的物に、比較的に単純な一工程の操作によって、溶射する能力を有している。種々の形態と変形とを示唆してきたけれども、本発明はこれらには限定されることはなく、添付した請求の範囲内に入るすべての手段と変形を包含することが理解されるであろう。

Claims

【特許請求の範囲】１．プラズマ流を生成させるためのプラズマガン；および前記プラズマガンの外側で２０〜０．００１トールの雰囲気圧力を付与して、プラズマ流が前記プラズマガンを出るときにこのプラズマ流中に相当の衝撃波を生じさせる付与手段の組み合わせを備えているプラズマ装置。２．前記付与手段が、前記プラズマガンの外側で５トール以下の雰囲気圧力をもたらす、請求項１記載のプラズマ装置。３．前記プラズマガンが、少なくとも約４００トールのプラズマガンの内部圧力を有している、請求項１記載のプラズマ装置。４．前記プラズマガンが、１〜１００ａｔｍのプラズマガンの内部圧力を有している、請求項３記載のプラズマ装置。５．前記プラズマガン内で前記プラズマ流中へと粉末を供給するための手段を更に備えている、請求項１記載のプラズマ装置。６．前記粉末が、２０ミクロン以下の粒径を有する粒子からなる、請求項５記載のプラズマ装置。７．前記プラズマガン内で前記プラズマ流中へと液状の被膜材料を供給するための手段を更に備えている、請求項１記載のプラズマ装置。８．プラズマ流を生成させるためのプラズマガン；前記プラズマガン内で前記プラズマ流中へと２０ミクロン以下の粒径を有する粉末粒子を供給するための手段；および前記プラズマガン内の内部圧力よりも相当に低いプラズマガンの外側の雰囲気圧力を付与する付与手段の組み合わせを備えている、プラズマ装置。９．前記付与手段が、プラズマガンの外側で２０〜０．００１トールの雰囲気圧力をもたらす、請求項８記載のプラズマ装置。１０．プラズマガンによって基体上に被膜を形成する方法であって、前記プラズマガンを稼働させて、前記プラズマガンから前記基体へと流れるプラズマ流を生成させる段階；被膜材料を前記プラズマガン内の前記プラズマ流中へと供給することによって、前記被膜材料を前記プラズマ流によって前記基体へと運び、前記基体上に被膜を形成する段階；および前記プラズマガンの内側と外側との間に、前記プラズマ流が前記プラズマガンから出るときに前記プラズマ流中に相当の衝撃波を生じさせるのに充分なほど大きい圧力差を生じさせる段階を備えている方法。１１．圧力差をもたらす段階が、前記プラズマガンの外側に２０〜０．００１トールの雰囲気圧力をもたらすことを含む、請求項１０記載の方法。１２．圧力差をもたらす段階が、１〜１００ａｔｍのプラズマガン内部の圧力をもたらすことを含む、請求項１０記載の方法。１３．被膜材料を供給する段階が、粒径２０ミクロン以下の粉末粒子を、前記プラズマガン内のプラズマ流中へと供給することを含む、請求項１０記載の方法。１４．前記基体が、全体にわたって略均一な幅を有する材料の長尺の帯からなり、前記プラズマ流が、前記基体の全幅に沿って固定位置で延びており、前記基体を構成する前記長尺の帯を、前記固定位置を通るように連続的に前進させる段階を更に有している、請求項１０記載の方法。１５．基体上に被膜を形成するためのプラズマ装置であって、プラズマ流を生成させるためのプラズマガン；前記プラズマガン内で前記プラズマ流中へと被膜材料を供給するための手段；前記プラズマガンから前記プラズマ流を受けるために配置されている基体；および前記プラズマガンの内側と外側との間に、前記プラズマ流が前記プラズマガンから出るときに前記プラズマ流中に相当の衝撃波を生じさせるのに充分なほど大きい圧力差を付与するための付与手段の組み合わせを備えている装置。１６．前記被膜材料を前記プラズマガン内の前記プラズマ流中へと粒径２０ミクロン以下の粒子の形状で供給し、圧力差を付与する前記付与手段が、前記プラズマガンの外側で２０〜０．００１トールの雰囲気圧力を生じさせる、請求項１５記載のプラズマ装置。１７．前記基体が、前記プラズマガンから少なくとも２フィート（６１ｃｍ）の距離に配置されている、請求項１５記載のプラズマ装置。１８．前記プラズマガンが略円形のものであり、円形の出口ノズルを備えており、このプラズマガンを往復させて前記基体を横切るように前記プラズマ流を繰り返して掃引させるための手段を更に備えている、請求項１５記載のプラズマ装置。１９．前記プラズマガンが略円形のものであり、前記基体で長尺形状のプラズマ流をもたらすための、長尺のスリット状の開口を有するスリットノズルをプラズマガンの下側端部に備えている、請求項１５記載のプラズマ装置。２０．前記基体が比較的に均一な幅の長尺のシートからなり、前記基体における前記プラズマ流の長尺形状が、この基体を構成する前記長尺のシートの全幅に沿って延びており、前記プラズマ流を通るように前記基体を連続的に前進させるための前進手段を更に備えている、請求項１９記載のプラズマ装置。２１．長尺の陽極であって、この陽極の長さの大部分に沿って陽極の中空の内部から延びている長尺のノズル形成スロットを備えている陽極；前記陽極の中空の内部の中に配置されており、前記陽極の実質的に全長に沿って延びており、かつ前記陽極との間に空間を形成している、長尺の陰極組み立て体；前記陽極と前記陰極との間に連結されている電源；および前記陽極と前記陰極組み立て体との間の前記空間中へとアークガスを供給することによって、このガスを前記ノズル形成スロットの外へと流すための手段の組み合わせを備えているプラズマガン。２２．前記電源が生じさせる電流放電が、前記ノズル形成スロットの外へと、このノズル形成スロットの外に前記アークガスが流れる方向と略同じ方向に延びる、請求項２１記載のプラズマガン。２３．前記陰極組み立て体が、前記陽極の全長に沿って連続的に延びる一体の部材を備えている、請求項２１記載のプラズマガン。２４．前記陽極と前記陰極組み立て体とを収容しているチャンバー、および前記チャンバーの外側の圧力よりも相当に低い前記チャンバー内圧力を付与するための付与手段を更に備えている、請求項２３記載のプラズマガン。２５．前記陰極組み立て体が分割されており、前記陽極の全長に沿って離間された関係で配置されている複数の陰極セグメントを備えている、請求項２３記載のプラズマガン。２６．前記ノズル形成スロット中へと粉末を供給する手段を更に備えている、請求項２２記載のプラズマガン。２７．粉末を供給する手段が、前記陽極の全長に沿って離間されており、前記陽極を通って前記ノズル形成スロット中へと延びている複数の粉末注入通路を備えている、請求項２６記載のプラズマガン。２８．前記陽極が、同様の形状を有している一対の相対向する離間された部材からなっており、この部材が、前記陰極組み立て体の相対向する側面上にプラズマガンの全長に沿って延びており、かつ前記陰極組み立て体から離間されている、請求項２１記載のプラズマガン。２９．前記陽極の前記一対の相対向する離間された部材の各々が、その中にチャンバーを備えており、このチャンバーがアークガスをチャンバー中に受け入れるために前記陽極の全長に沿って延びており、かつ前記陽極と前記陰極組み立て体との間に前記アークガスを前記空間内へと供給するために前記チャンバーから前記空間へと延びるスロットを備えている、請求項２８記載のプラズマガン。３０．前記陽極の前記一対の相対向する離間された部材が、前記陰極組み立て体の前方の位置で互いに向かって近づいており、次いで互いに対して離れるように分岐して、前記陽極の全長の大部分に沿って広がるノズルを形成している、請求項２８記載のプラズマガン。３１．前記陽極の前記一対の相対向する離間された部材の各々がその中にチャンバーを備えており、チャンバーが前記陽極の全長に沿って延びており、かつ各部材中に前記チャンバーを通って冷却液を循環させるための手段を備えている、請求項２８記載のプラズマガン。３２．長尺体であって、ノズルを形成する長尺のスロットを長尺体の内部に備えており、この長尺スロットが長尺体の中空の内部から長尺体の外側へと延びている長尺体；アークガスを前記長尺体の中空の内部へと供給することによって、前記アークガスを略共通の方向に前記長尺スロットの外側へと流すための手段；および前記長尺体の前記中空の内部中に、前記長尺スロットの外側へと略共通の方向へと延びている電流放電を生じさせるための手段の組み合わせを備えているプラズマガン。３３．粉末を前記長尺スロット中へと供給させるための手段を更に備えている、請求項３２記載のプラズマガン。３４．前記長尺体が、一対の相対向する離間された陽極部材を備えており、これらの陽極部材が前記長尺体の全長に沿って延びており、これらの陽極部材の間に前記長尺スロットを形成しており、かつ前記一対の相対向する離間された陽極部材の各々の間に、前記陽極部材の各々から離間されて、前記長尺体の全長に沿って配置されている陰極組み立て体を備えている、請求項３２記載のプラズマガン。３５．前記陰極組み立て体が、前記長尺体の全長に沿って離間された複数の陰極セグメントからなる、請求項３４記載のプラズマガン。３６．前記一対の陽極部材の各々が、アークガスを前記一対の陽極部材と前記陰極組み立て体との間の空間中へと供給するための、前記長尺体の全長に沿って延びるスロットを内部に備えている、請求項３４記載のプラズマガン。３７．チャンバー；前記チャンバー内に配置されているプラズマガンであって、このプラズマガンが長尺状のプラズマ流を長尺のノズルスロットから生じさせるプラズマガン；および材料の長尺の帯を前記プラズマガンを通過するように前記チャンバー内で前進させることによって、前記長尺のプラズマ流が前記長尺の帯を横切って延び、前記長尺の帯を処理するようにするための前進手段の組み合わせを備えているプラズマ装置。３８．金属酸化物粉末を前記長尺のプラズマ流中へと供給するための手段を更に備えている、請求項３７記載のプラズマ装置。３９．前記した材料の長尺の帯が金属箔からなる、請求項３７記載のプラズマ装置。４０．前記前進手段が、前記した材料の長尺の帯を前記チャンバー中へと、前記長尺のプラズマ流を通過するように、かつ前記チャンバーから外へ出るように前進させるためのローラー装置を備えており、かつ前記材料の長尺の帯が前記チャンバー中に入り、前記チャンバーから出る位置で前記チャンバーを密閉する密閉手段を備えている、請求項３７記載のプラズマ装置。４１．前記チャンバー内に、前記プラズマガンの内側の圧力よりも相当に低い雰囲気圧力を生じさせるための手段を更に備えている、請求項３７記載のプラズマ装置。