JP2004068034A - Nozzle apparatus and intermetallic compound formation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材に溶融材料を吐出するためのノズル装置およびそれを備えた金属間化合物形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
次世代の自動車、船舶、航空宇宙機器などの輸送機関あるいはエネルギプラントの熱機関などに用いる構造材料として、軽く耐熱性に優れた材料の開発が不可欠である。高強度耐熱材料として期待されるアルミナイド系などの金属間化合物はこのような条件に適合する素材である。NiAl,TiAlなどの金属間化合物は、800℃〜1000℃で使用できる高温材料としてエンジン部品、宇宙航空機機体部品などへの応用が期待されている。
【0003】
そこで、金属間化合物の組成または組織の最適化および高性能化、所望の構造体を得るための加工方法の開発など実用化に向けた研究が行われている。特開2002−30463号公報には、金属材料表面に耐食性および耐摩耗性を付与する目的で金属間化合物の被覆を行う被覆方法および被覆装置が記載されている。特開2002−30463号公報に記載された被覆装置では、ニッケルなどの粉末金属が堆積用ノズルから基材表面に堆積され、続いてアルミニウムなどの溶融金属が吐出用ノズルから基材表面に吐出され、粉末金属と溶融金属の自己発熱反応により基材上に金属間化合物の被覆層が形成される。
【0004】
図8は、従来の被覆装置に用いられる吐出用ノズルの模式的断面図である。吐出用ノズル301内には溶融アルミニウム302が収容される。吐出用ノズル301の内部にアルゴンガス303が供給され、溶融アルミニウム302の上面を加圧することにより、吐出用ノズル301の先端の孔304からアルミニウム液滴305が吐出される。それにより、予め基材2上に形成された粉末ニッケルの堆積層306に、アルミニウム液滴305が吐出され、焼成合成反応により微小なNiAl要素片が形成される。吐出用ノズル301を移動させることにより基材2上に金属間化合物NiAlからなる被覆層を形成することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
実用的に被覆層を形成するためには、ある程度連続的に被覆装置の運転を継続する必要がある。しかしながら、図8の吐出用ノズル301では、溶融アルミニウム302とノズル内面との摩擦または温度勾配により、先端部の孔304に目詰まりが生じる場合がある。先端部の孔304に目詰まりが生じた場合には、被覆装置の運転を停止し、吐出用ノズル301の清掃および再調整もしくは吐出用ノズル301の交換などを行う必要がある。したがって、長時間に渡り連続的に溶融アルミニウムを吐出することは困難である。また、被覆層の厚さまたは吐出用ノズル301の移動速度に応じてアルミニウムの液滴305のサイズなどの最適化を行う場合も、その都度、先端部の孔304の調整や吐出用ノズル301の交換を行う必要があり、生産的ではない。
【0006】
本発明の目的は、長時間の連続稼動を行った場合にも目詰まりが生じにくく溶融材料の円滑かつ連続的な吐出が可能なノズル装置を提供することである。
【0007】
本発明の他の目的は、吐出する溶融材料の液滴の最適化を容易に行うことが可能なノズル装置を提供することである。
【0008】
本発明のさらに他の目的は、長時間の連続稼動を行った場合にも高品質の金属間化合物を形成することが可能な金属間化合物形成装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係るノズル装置は、溶融材料を吐出するノズル装置であって、互いに分離可能に構成された外筒部および内筒部を備え、外筒部は、内周面を有する周壁部と吐出孔が設けられた底部とを有し、内筒部は、外周面を有する周壁部と気体導入孔が設けられた底面とを有し、外筒部の内周面と内筒部の外周面との間に材料源を収容するための第1の空間が形成されるとともに、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間に第1の空間内の材料源に基づく溶融材料の薄膜層を保持するための第2の空間が形成されたものである。
【0010】
本発明に係るノズル装置においては、外筒部の内周面と内筒部の外周面との間の第1の空間に材料源を収容し、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第2の空間に第1の空間から供給された溶融材料の薄膜層を形成することができる。薄膜層は表面張力により第2の空間に保持される。気体導入孔を通して薄膜層の上面を気体により加圧することにより溶融材料の液滴を吐出孔から吐出させることができる。液滴の吐出後は第1の空間からさらに溶融材料が第2の空間に供給され、その溶融材料が表面張力により薄膜層を形成する。したがって、吐出孔には溶融材料が残留せず目詰まりが生じにくく、溶融材料の円滑かつ連続的な吐出が可能となる。
【0011】
また、外筒部と内筒部は互いに分離することができる。したがって、吐出孔に目詰まりが生じても外筒部のみを取り外して清掃または交換することができるため、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【0012】
外筒部の底部上面および内筒部の底面がそれぞれ平坦面からなってもよい。この場合、外筒部の底部上面および内筒部の底面により平坦な第2の空間が形成される。したがって、その平坦な第2の空間に溶融材料が供給されることにより、溶融材料の平坦な薄膜層が形成される。
【0013】
吐出孔と気体導入孔とが対向するように配置されることが好ましい。この場合、吐出孔と気体導入孔が対向するため、気体導入孔から導入した気体を溶融材料とともに吐出孔から円滑に吐出させることができる。したがって、気体導入孔から気体を導入することにより溶融材料の液滴を吐出孔から円滑に吐出させることができる。
【0014】
外筒部は、互いに分離可能に結合された複数の部材により構成されてもよい。この場合、外筒部を構成する複数の部材を互いに取り外すことにより、清掃作業または交換作業を容易に行うことができる。
【0015】
外筒部は、底部を含む第1の部材と周壁部を含む第2の部材とにより構成され、第1の部材と第2の部材とが互いに分離可能に結合されてもよい。この場合、吐出孔に目詰まりが生じても底部を含む第1の部材を取り外して清掃または交換することができるため、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【0016】
吐出孔および気体導入孔の各々は0.1mm以上1mm以下の範囲の直径を有することが好ましい。この場合、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第2の空間に形成される溶融材料の薄膜層が表面張力により第2の空間に確実に保持される。したがって、吐出孔に溶融材料が残留せず目詰まりが生じにくい。
【0017】
ノズル装置は、第1の空間に導入する溶融材料を収容する収容部をさらに備えてもよい。この場合、収容部から第1の空間に溶融材料を補充することができる。したがって、溶融材料の補充のために稼動を停止する必要がなく効率的である。
【0018】
ノズル装置は、内筒部の内部空間に気体を供給する気体供給装置をさらに備えてもよい。この場合、内筒部の内部空間に気体を供給することにより、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第2の空間に保持される溶融材料の薄膜層を加圧し、溶融材料の液滴を吐出孔から吐出させることができる。
【0019】
気体供給装置は、第1の空間に気体を供給してもよい。この場合、第1の空間に収容された溶融材料の液面を気体により加圧することにより、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第2の空間に溶融材料の吐出後に溶融材料を確実に供給することができる。
【0020】
気体供給装置により供給される気体の圧力をパルス状に制御する制御装置をさらに備えてもよい。この場合、気体導入孔から導入される気体の圧力がパルス状に制御される。したがって、溶融材料の液滴を連続的または間欠的に吐出させることができる。
【0021】
制御装置は、パルスの時間幅および時間間隔のうち少なくとも一方を制御してもよい。この場合、気体供給装置により供給される気体の供給時間および供給間隔を制御することができる。したがって、吐出孔から吐出される溶融材料の液滴のサイズおよび吐出速度を制御することができる。その結果、吐出する液滴の最適化を容易に行うことができる。
【0022】
本発明に係る金属間化合物形成装置は、基材上に第1の物質を堆積する堆積装置と、基材上の第1の物質上に第2の物質からなる溶融材料を吐出することにより第1および第2の物質の金属間化合物層を形成する上記2のノズル装置とを備えたものである。
【0023】
本発明に係る金属間化合物形成装置においては、基材上に第1の物質からなる堆積層が形成され、上記のノズル装置により基材上の堆積層に第2の物質からなる溶融材料が吐出される。それにより、基材上に第1および第2の物質からなる金属間化合物が形成される。上記のノズル装置を用いるので、長時間の稼動を行った場合にも目詰まりが生じにくく溶融材料の円滑かつ連続的な吐出が可能となる。その結果、長時間の連続稼動を行った場合にも高品質の金属間化合物を形成することが可能となる。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明に係る金属間化合物形成装置によれば、第1の物質の堆積と第2の物質の吐出とにより、基材上に金属間化合物の被覆層を効率良く形成できる。金属間化合物とは、複数の金属元素が結合し、成分の金属元素とは異なる新たな性質を有する化合物を意味する。ここで、「被覆層」は、基材を被覆する場合には「肉盛り被覆層」と呼ばれ、複数の基材を溶接する場合には「肉盛り溶接部」と呼ばれる。第1の物質および第2の物質は、所望する金属間化合物の特性(例えば、耐熱性、耐久性、耐環境性、摺動性など)に応じて、適当に選択する。
【0025】
以下、本発明の実施の形態に係る金属間化合物形成装置について説明する。なお、本実施の形態においては、第1の物質としてニッケル、第2の物質としてアルミニウムを用いる。
【0026】
図1は、本発明の一実施の形態に係る金属間化合物形成装置を示す模式図である。
【0027】
金属間化合物形成装置1は、チャンバ60を備える。チャンバ60内には、XYテーブル10が水平面内で互いに直交する2方向に移動可能に設けられている。XYテーブル10上には、基台11a,11bを上下方向に昇降する昇降装置12a,12bが設けられている。基台11a,11b上にはそれぞれ基材2が載置される。これにより、基台11a,11b上の基材2が前後左右方向および上下方向に移動可能となっている。それにより、吐出ユニット30の下方に基台11aを移動させ、堆積ユニット20の下方に基台11bを移動させることができる。
【0028】
また、チャンバ60内には、基台11aに載置された基材2上に粉末ニッケル21を堆積する堆積ユニット20と、基台11bに載置された基材2上に溶融アルミニウムを吐出可能な吐出ユニット30とが設けられている。XYテーブル10は、例えば、図示しない回転装置により鉛直方向の軸の周りで回転可能に構成される。
【0029】
堆積ユニット20は、粉末ニッケルの供給装置として機能する。堆積ユニット20は、内部に粉末ニッケルを収容する。また、堆積ユニット20の下部には、所定の粒径の粉末ニッケル21を適宜に落下供給するための篩(ふるい)機23が設けられている。加振機22で篩機23を振動させることにより堆積ユニット20から粉末ニッケル21が落下し、基材2上に粉末堆積層80が形成される。
【0030】
吐出ユニット30は、吐出ノズル31を有し、溶融アルミニウムの液滴吐出装置として機能する。吐出ノズル31の構造の詳細は後述する。吐出ノズル31内の溶融アルミニウムを加熱溶融するため、吐出ノズル31の周囲を取り囲むように抵抗ヒータなどの熱源35が設けられている。
【0031】
チャンバ60の内部は、真空の状態、あるいはアルゴンなどの不活性ガスまたは窒素などの反応性ガス(以下、「ガス体」という。)の雰囲気に気密に保たれる。チャンバ60の外部には、チャンバ60の内部を排気して真空状態にするためのポンプなどからなる減圧装置62が設けられている。また、チャンバ60内には、高周波熱源などからなる加熱機61、ブロアなどからなるガス循環装置63、温度検知器64および圧力計65が設けられている。加熱機61によりチャンバ60内が加熱され、ガス循環装置63によりチャンバ60内のガス体が循環される。また、温度検知器64により、基台11a,11b上の基材2の温度が検知され、圧力計65によりチャンバ60内の圧力が測定される。
【0032】
チャンバ60の外側には、ガス体をチャンバ60内に供給するためのガス管51が設けられている。ガス管51は、ガス体をチャンバ60に直接導くガス管52と、ガス体を吐出ノズル31に導くガス管53とに分岐する。チャンバ60内を真空にするときは、ガス管52からチャンバ60にガス体は供給されない。また、ガス管51には、ガス供給装置54が設けられており、ガス管53に供給するガス体の圧力を制御する。
【0033】
金属間化合物形成装置1の外部には制御ユニット70および計算機ユニット71が設けられており、金属間化合物形成装置1が自動的に制御される。
【0034】
計算機ユニット71は、基材2を2次元的または3次元的に被覆するための設計パターンに基づいて座標データなどの設計データを作成するために用いられる。制御ユニット70は、計算機ユニット71により得られた設計データ、温度検知器64により検知された温度、圧力計65により測定された圧力に基づいて、XYテーブル10、昇降装置12a,12b、加振機22、熱源35、ガス供給装置54、加熱機61、減圧装置62およびガス循環装置63を制御する。
【0035】
まず、基台11aに載置された基材2上に堆積ユニット20から粉末ニッケル21が堆積され、粉末堆積層80が形成される。所望の領域に粉末堆積層80が得られるように、XYテーブル10は前後左右に移動する。次に、基台11aが吐出ユニット30の下方に移動する。次いで、基材2上の粉末堆積層80に吐出ユニット30から溶融アルミニウムが吐出される。これにより、基材2上で発熱を伴いながらNiAlの被覆層81が形成される。基材2上の領域に所望の被覆層81が得られるようにXYテーブル10が前後左右に移動する。金属間化合物の被覆層を複数重ねる場合には、同様な動作を繰り返す。それにより、基材2上に形成される被覆層を厚くすることができる。また、3次元的形状を有する被覆層のパターンを形成することができる。
【0036】
図2は、図1の金属間化合物形成装置1に用いられる吐出ノズル31の断面図であり、図3は、図1の金属間化合物形成装置1に用いられる吐出ノズル31の分解断面図であり、図4は、図2の吐出ノズル31のA−A線断面図である。
【0037】
図2または図3に示すように、吐出ノズル31は、内筒部32および外筒部33,34,35により構成される。これらの内筒部32および外筒部33,34,35は、例えば、グラファイト、アルミナ、炭化ケイ素などのセラミックスにより形成される。
【0038】
内筒部32は、円筒状の周壁部320を有し、周壁部320の内部に円柱状の通路321が設けられている。周壁部320の下端部は漸次径小となっている。周壁部320の底面324は平坦に形成され、底面324の中心に通路331に連通する噴出孔(気体導入孔)322が開口している。噴出孔322の直径は0.1mm〜1mm程度であることが好ましい。周壁部320の外側には径大な円柱状の嵌合部325が一体的に設けられている。嵌合部325には複数の通路323が上下に貫通するように形成されている。嵌合部325の外周面には雄ねじ326が形成されている。
【0039】
外筒部33は円筒状の周壁部330を有し、周壁部330の内部に円柱状の通路331が設けられている。周壁部330の外周面の下端部には雄ねじ332が形成されている。
【0040】
外筒部34は、円筒状の周壁部340を有する。周壁部340は、上端部側に径大な内周面を有し、中央部に中間径の内周面を有し、下端部側に径小な円周面を有する。また、周壁部340は、下端部に径小な外周面を有する。上端部側の径大な内周面には雌ねじ341が形成され、中央部の中間径の内周面には雌ねじ342が形成され、下端部の径小な外周面には雄ねじ343が形成されている。
【0041】
外筒部35は、円筒状の周壁部350および底部352を有する。周壁部350は、上端部側に径大な内周面を有し、下端部側に径小な内周面を有する。周壁部350の上端部側の内周面には雌ねじ354が形成されている。底部352の中央部の上面353は平坦に形成されている。底部352の中心には吐出孔351が設けられている。吐出孔351の直径は0.1mm〜1mm程度であることが好ましい。
【0042】
内筒部32の雄ねじ326を外筒部34の雌ねじ342に螺合させ、外筒部33の雄ねじ332を外筒部34の雌ねじ341に螺合させ、外筒部34の雄ねじ343を外筒部35の雌ねじ354に螺合させることにより、吐出ノズル31を組み立てることができる。
【0043】
図2に示すように、内筒部32および外筒部33,34,35を組み立てた状態では、内筒部32の外周面と外筒部34,35の内周面との間に空間370が形成される。また、内筒部32の底面324と外筒部35の底部352の上面353との間に平坦な空間371が形成される。空間370は内筒部32の通路323を通して外筒部33の通路331に連通している。また、吐出孔351は空間371を通して噴出孔322、通路321および通路331に連通している。内筒部32の底面324と外筒部35の底部352の上面353との間の距離は、0.1mm以上1mm以下とすることが好ましい。
【0044】
図5は、吐出ノズル31の吐出孔351から溶融アルミニウム38が吐出される様子を描いた模式図である。
【0045】
吐出ノズル31内の空間370には、溶融アルミニウム38が貯留されている。溶融アルミニウム38は、例えば粉末アルミニウムまたは固形アルミニウム片の状態で内筒部32の通路323を通して空間370内に充填され、図1の加熱源35により加熱溶融することにより得られる。内筒部32の底面324と外筒部35の底部352の上面353との間の平坦な空間371には、空間370から供給される溶融アルミニウム38により溶融アルミニウムの薄膜層381が形成される。薄膜層381は表面張力により平坦な空間371に保持される。この状態で図1のガス供給装置54により通路331にガス体が供給される。
【0046】
通路331に供給されたガス体は、内筒部32の通路321を通して噴出孔322から溶融アルミニウムの薄膜層381を加圧する。それにより、外筒部35の吐出孔351から溶融アルミニウムの液滴382が吐出される。
【0047】
また、通路331に供給されたガス体は、内筒部32の通路323を通して溶融アルミニウム38の液面を加圧する。それにより、溶融アルミニウムの液滴382の吐出後も絶えず溶融アルミニウム38が平坦な空間371に供給され、溶融アルミニウムの薄膜層381が空間371に保持される。そのため、連続的に溶融アルミニウムの液滴382の吐出が可能である。
【0048】
このように、内筒部32の底面324と外筒部35の底部352の上面353との間の平坦な空間371に溶融アルミニウムの薄膜層381が保持され、ガス体による加圧時に吐出孔351から吐出されるので、吐出孔351の目詰まりが生じにくい。
【0049】
また、吐出孔351の目詰まりが生じた場合でも、吐出ノズル31から外筒部35のみを取り外して清掃または交換することができるので、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【0050】
図1に示すガス供給装置54によりガス体を短い時間間隔でパルス状に断続的に加圧することができる。この場合、断続的なガス体の供給により溶融アルミニウムの液滴382を連続的または間欠的に吐出させることが可能である。さらに、パルスの時間幅および時間間隔の少なくとも一方を制御することにより、溶融アルミニウムの液滴382の大きさや吐出速度を制御することができる。
【0051】
図6は、図1のガス供給装置54により供給されるガス体の圧力変化を示す図である。縦軸はガス供給装置54から供給されるガス体の圧力であり、横軸は時間である。パルスの時間幅OPはガス体がガス供給装置54から供給される時間であり、パルスの時間間隔CLはガス体がガス供給装置54から供給されない時間である。
【0052】
図6(a)はパルスの時間幅OPが大きく、パルスの時間間隔CLが小さい場合であり、図6(b)はパルスの時間幅OPが小さく、パルスの時間間隔CLが大きい場合である。
【0053】
図6(a)の場合には、ガス体の供給時間が長く供給間隔が短くなっている。それにより、吐出ノズル31から大きなサイズの液滴382が短い間隔で連続的に吐出される。
【0054】
図6(b)の場合には、ガス体の供給時間が短く供給間隔が長くなっている。それにより、小さいサイズの液滴382が間欠的に吐出される。
【0055】
このパルスの時間幅OPおよびパルスの時間間隔CLを制御することにより、吐出ノズル31から吐出される液滴382のサイズおよび吐出速度を制御することができる。したがって、被覆層の厚さおよびXYテーブル10の移動速度に応じて液滴のサイズおよび吐出速度を最適化することにより、溶融アルミニウムの液滴とニッケル粉末堆積層との反応域および反応相の制御を容易に行うことが可能となる。その結果、金属間化合物からなる被覆層の気孔率および組織を最適化し、高品質の被覆層を形成することが可能となる。
【0056】
図7は、図1の金属間化合物形成装置1に用いられる吐出ノズルの他の例を示す模式図である。
【0057】
吐出ノズル31aは、内筒部32aおよび外筒部35aにより構成される。
内筒部32aは、円筒状の周壁部320aを有し、周壁部320aの上端部側に径大な外周面を有し、下端部側に径小な外周面を有する。周壁部320aの内部に円柱状の通路321aが設けられており、通路321aの下端部は漸次径小となっている。周壁部320aの底面324aは平坦に形成され、周壁部320aの外周面の下端部には雄ねじ326aが形成されている。また、内筒部32aは底面324aの中心に噴出孔322aを有する。噴出孔322aの直径は0.1mm〜1mm程度であることが好ましい。
【0058】
外筒部35aは円筒状の周壁部350aおよび底部352aを有する。周壁部350aの上端部側の内周面には雌ねじ354aが形成されている。底部352aの中央部の上面353aは平坦に形成されている。底部352aの中心には吐出孔351aが設けられている。吐出孔351aの直径は0.1mm〜1mm程度であることが好ましい。
【0059】
内筒部32aの雄ねじ326aを外筒部35aの雌ねじ354aに螺合させることにより、吐出ノズル31aを組み立てることができる。
【0060】
内筒部32aおよび外筒部35aを組み立てた状態では、内筒部32aの下端部側の外周面と外筒部35aの内周面との間に空間370aが形成される。また、内筒部32aの底面324aと外筒部35aの底部352aの上面353aとの間に平坦な空間371aが形成される。吐出孔351aは空間371aを通して噴出孔322a、通路321aに連通している。
【0061】
また、吐出ノズル31aの側部に溶融アルミニウム38を貯蔵する貯蔵槽91が設けられている。貯蔵槽91の内部は空間370aに連通している。貯蔵槽91は、ガス体が供給される入り口92と、アルミニウム粉末材料39が供給される入り口93とを備える。
【0062】
平坦な空間371aには、空間370aから供給される溶融アルミニウム38aにより溶融アルミニウムの薄膜層381aが形成される。薄膜層381aは表面張力により平坦な空間371aに保持される。
【0063】
通路321aに供給されたガス体は、内筒部32aの通路321aを通して噴出孔322aから溶融アルミニウムの薄膜層381aを加圧する。それにより、外筒部35aの吐出孔351aから溶融アルミニウムの液滴382aが吐出される。
【0064】
また、入り口92から供給されたガス体は、貯蔵槽91内の溶融アルミニウム38aの液面を加圧する。それにより、溶融アルミニウムの液滴382aの吐出後も絶えず貯蔵槽91から溶融アルミニウム38aが平坦な空間371aに供給され、溶融アルミニウムの薄膜層381aが空間371aに保持される。そのため、連続的に溶融アルミニウムの液滴382aの吐出が可能である。
【0065】
貯蔵槽91から空間370aに溶融アルミニウム38aを供給することが可能であるため、空間370aにアルミニウム粉末材料を補充するために金属間化合物形成装置を停止する必要がなく、生産性が向上する。
【0066】
また、貯蔵槽91に入り口93からアルミニウム粉末材料を供給することが可能であり、貯蔵槽91内の溶融アルミニウム38aは常に供給される。
【0067】
上記実施の形態では、吐出ノズル31,31aの吐出孔351,351aが円形である場合を説明したが、吐出孔は円形に限られず楕円形、略多角形などの他の形状であってもよく、あるいはスリット状であってもよい。これらの場合、吐出孔の短辺または短軸の長さが0.1mm以上1.0mm以下であることが好ましい。
【0068】
また、上記実施の形態では、第1の物質がニッケルであり、第2の物質がアルミニウムである場合を説明したが、第1および第2の物質としては任意の金属材料を用いることができ、あるいは、任意の金属材料および任意のセラミックス材料の混合物を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る金属間化合物形成装置を示す模式図である。
【図2】図1の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの断面図である。
【図3】図1の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの分解断面図である。
【図4】図2の吐出ノズルのA−A線断面図である。
【図5】吐出ノズルの吐出孔から溶融アルミニウムが吐出される様子を描いた模式図である。
【図6】図1のガス供給装置により供給されるガス体の圧力変化を示す図である。
【図7】図1の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの他の例を示す模式図である。
【図8】従来の被覆装置に用いられる吐出用ノズルの模式的断面図である。
【符号の説明】
1 金属間化合物形成装置
2 基材
10 XYテーブル
11a,11b 基台
12a,12b 昇降装置
20 堆積ユニット
22 加振機
23 篩機
30 吐出ユニット
31,31a 吐出ノズル
32,32a 内筒部
33,34,35,33a,34a,35a 外筒部
35 熱源
54 ガス供給装置
60 チャンバ
61 加熱機
62 減圧装置
63 ガス循環装置
64 温度検知器
65 圧力計
70 制御ユニット計算機ユニット
71 計算機ユニット
91 貯蔵槽
351,351a 吐出孔
322,322a 噴出孔[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nozzle device for discharging a molten material to a substrate and an intermetallic compound forming device provided with the nozzle device.
[0002]
[Prior art]
It is essential to develop a light-weight and excellent heat-resistant material as a structural material for use in next-generation automobiles, ships, transportation equipment such as aerospace equipment, and heat engines of energy plants. Intermetallic compounds such as aluminides, which are expected as high-strength heat-resistant materials, are materials meeting such conditions. Intermetallic compounds such as NiAl and TiAl are expected to be applied to engine parts, space aircraft body parts, and the like as high-temperature materials that can be used at 800 ° C. to 1000 ° C.
[0003]
Therefore, researches for practical use, such as optimization of the composition or structure of the intermetallic compound and improvement in performance, development of a processing method for obtaining a desired structure, and the like have been conducted. JP-A-2002-30463 discloses a coating method and a coating apparatus for coating an intermetallic compound for the purpose of imparting corrosion resistance and wear resistance to the surface of a metal material. In the coating apparatus described in JP-A-2002-30463, powder metal such as nickel is deposited on a substrate surface from a deposition nozzle, and subsequently, molten metal such as aluminum is discharged from a discharge nozzle onto the substrate surface. A self-heating reaction between the powder metal and the molten metal forms a coating layer of an intermetallic compound on the substrate.
[0004]
FIG. 8 is a schematic sectional view of a discharge nozzle used in a conventional coating apparatus. A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to form a coating layer practically, it is necessary to continue the operation of the coating apparatus to some extent continuously. However, in the
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nozzle device which is less likely to be clogged even when operated continuously for a long time and which can discharge a molten material smoothly and continuously.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a nozzle device that can easily optimize droplets of a molten material to be discharged.
[0008]
Still another object of the present invention is to provide an intermetallic compound forming apparatus capable of forming a high-quality intermetallic compound even when a long-time continuous operation is performed.
[0009]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
A nozzle device according to the present invention is a nozzle device that discharges a molten material, and includes an outer cylinder portion and an inner cylinder portion that are configured to be separable from each other, and the outer cylinder portion discharges a peripheral wall portion having an inner peripheral surface. A bottom portion provided with a hole, the inner cylinder portion has a peripheral wall portion having an outer peripheral surface, and a bottom surface provided with a gas introduction hole, and an inner peripheral surface of the outer cylinder portion and an outer peripheral surface of the inner cylinder portion. And a first space for accommodating the material source is formed between the bottom surface of the outer cylinder portion and the bottom surface of the inner cylinder portion. A second space for holding the thin film layer is formed.
[0010]
In the nozzle device according to the present invention, the material source is accommodated in the first space between the inner peripheral surface of the outer cylindrical portion and the outer peripheral surface of the inner cylindrical portion, and the bottom upper surface of the outer cylindrical portion and the bottom surface of the inner cylindrical portion The thin film layer of the molten material supplied from the first space can be formed in the second space between the first and second spaces. The thin film layer is held in the second space by surface tension. By pressing the upper surface of the thin film layer with a gas through the gas introduction hole, droplets of the molten material can be discharged from the discharge hole. After the ejection of the droplets, the molten material is further supplied from the first space to the second space, and the molten material forms a thin film layer by surface tension. Therefore, the molten material does not remain in the discharge holes and clogging hardly occurs, so that the molten material can be smoothly and continuously discharged.
[0011]
Further, the outer tube portion and the inner tube portion can be separated from each other. Therefore, even if the discharge holes are clogged, only the outer tube portion can be removed and cleaned or replaced, so that the cleaning operation or replacement operation is easy. Also, the cost of replacement parts is reduced.
[0012]
The top surface of the bottom of the outer cylinder and the bottom surface of the inner cylinder may each be a flat surface. In this case, a flat second space is formed by the bottom upper surface of the outer cylinder portion and the bottom surface of the inner cylinder portion. Therefore, by supplying the molten material to the flat second space, a flat thin film layer of the molten material is formed.
[0013]
It is preferable that the discharge hole and the gas introduction hole are arranged so as to face each other. In this case, since the discharge hole and the gas introduction hole face each other, the gas introduced from the gas introduction hole can be smoothly discharged from the discharge hole together with the molten material. Therefore, by introducing the gas from the gas introduction hole, the droplet of the molten material can be smoothly discharged from the discharge hole.
[0014]
The outer cylinder may be constituted by a plurality of members that are separably connected to each other. In this case, a cleaning operation or an exchange operation can be easily performed by removing a plurality of members constituting the outer cylindrical portion from each other.
[0015]
The outer cylinder portion may be configured by a first member including a bottom portion and a second member including a peripheral wall portion, and the first member and the second member may be separably coupled to each other. In this case, even if the discharge hole is clogged, the first member including the bottom portion can be removed and cleaned or replaced, so that the cleaning operation or the replacement operation is easy. Also, the cost of replacement parts is reduced.
[0016]
Preferably, each of the discharge hole and the gas introduction hole has a diameter in the range of 0.1 mm or more and 1 mm or less. In this case, the thin film layer of the molten material formed in the second space between the bottom upper surface of the outer cylinder portion and the bottom surface of the inner cylinder portion is reliably held in the second space by surface tension. Therefore, the molten material does not remain in the discharge holes and clogging is unlikely to occur.
[0017]
The nozzle device may further include a storage unit that stores the molten material to be introduced into the first space. In this case, the molten material can be replenished from the storage section to the first space. Therefore, there is no need to stop the operation for replenishment of the molten material, which is efficient.
[0018]
The nozzle device may further include a gas supply device that supplies gas to the internal space of the inner cylinder. In this case, by supplying gas to the inner space of the inner cylinder, the thin film layer of the molten material held in the second space between the bottom upper surface of the outer cylinder and the bottom of the inner cylinder is pressurized, Droplets of the molten material can be discharged from the discharge holes.
[0019]
The gas supply device may supply gas to the first space. In this case, after the liquid surface of the molten material accommodated in the first space is pressurized by gas, after the molten material is discharged into the second space between the bottom upper surface of the outer cylinder portion and the bottom surface of the inner cylinder portion, Molten material can be supplied reliably.
[0020]
The apparatus may further include a controller that controls the pressure of the gas supplied by the gas supply device in a pulsed manner. In this case, the pressure of the gas introduced from the gas introduction hole is controlled in a pulsed manner. Therefore, the droplets of the molten material can be discharged continuously or intermittently.
[0021]
The control device may control at least one of a time width and a time interval of the pulse. In this case, the supply time and supply interval of the gas supplied by the gas supply device can be controlled. Therefore, the size and the discharge speed of the droplet of the molten material discharged from the discharge hole can be controlled. As a result, it is possible to easily optimize the droplet to be discharged.
[0022]
An intermetallic compound forming apparatus according to the present invention includes a deposition apparatus that deposits a first substance on a base material, and discharges a molten material including a second substance onto the first substance on the base material. A nozzle device for forming an intermetallic compound layer of the first and second substances.
[0023]
In the apparatus for forming an intermetallic compound according to the present invention, a deposited layer made of the first substance is formed on the base material, and the molten material made of the second substance is discharged to the deposited layer on the base material by the nozzle device. Is done. Thereby, an intermetallic compound composed of the first and second substances is formed on the base material. Since the above-described nozzle device is used, clogging hardly occurs even when the nozzle device is operated for a long time, and the molten material can be smoothly and continuously discharged. As a result, a high-quality intermetallic compound can be formed even when a long-time continuous operation is performed.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the intermetallic compound formation apparatus which concerns on this invention, the coating layer of an intermetallic compound can be efficiently formed on a base material by depositing a 1st substance and discharging a 2nd substance. The intermetallic compound means a compound in which a plurality of metal elements are bonded and have new properties different from those of the component metal elements. Here, the “coating layer” is referred to as a “build-up coating layer” when covering a base material, and is referred to as a “build-up welded portion” when welding a plurality of base materials. The first substance and the second substance are appropriately selected according to the desired properties of the intermetallic compound (for example, heat resistance, durability, environmental resistance, slidability, etc.).
[0025]
Hereinafter, an intermetallic compound forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. Note that in this embodiment, nickel is used as the first substance and aluminum is used as the second substance.
[0026]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an intermetallic compound forming apparatus according to one embodiment of the present invention.
[0027]
The intermetallic compound forming apparatus 1 includes a
[0028]
Further, in the
[0029]
The
[0030]
The
[0031]
The inside of the
[0032]
A
[0033]
A
[0034]
The computer unit 71 is used to create design data such as coordinate data based on a design pattern for covering the
[0035]
First, the
[0036]
FIG. 2 is a sectional view of a
[0037]
As shown in FIG. 2 or FIG. 3, the
[0038]
The inner
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
The
[0043]
As shown in FIG. 2, when the inner
[0044]
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a state in which the
[0045]
The
[0046]
The gas supplied to the
[0047]
Further, the gas supplied to the
[0048]
In this manner, the
[0049]
Further, even when the
[0050]
The
[0051]
FIG. 6 is a diagram showing a change in pressure of the gas supplied by the
[0052]
FIG. 6A shows a case where the pulse time width OP is large and the pulse time interval CL is small, and FIG. 6B shows a case where the pulse time width OP is small and the pulse time interval CL is large.
[0053]
In the case of FIG. 6A, the supply time of the gas body is long and the supply interval is short. Thus, large-
[0054]
In the case of FIG. 6B, the supply time of the gas body is short and the supply interval is long. Thus, the small-
[0055]
By controlling the time width OP of the pulse and the time interval CL of the pulse, the size and the discharge speed of the
[0056]
FIG. 7 is a schematic view showing another example of the discharge nozzle used in the intermetallic compound forming apparatus 1 of FIG.
[0057]
The
The inner cylindrical portion 32a has a cylindrical
[0058]
The
[0059]
By screwing the
[0060]
When the inner cylinder part 32a and the
[0061]
In addition, a
[0062]
In the
[0063]
The gas supplied to the
[0064]
The gas supplied from the
[0065]
Since the
[0066]
Further, it is possible to supply the aluminum powder material from the
[0067]
In the above-described embodiment, the case where the ejection holes 351 and 351a of the ejection nozzles 31 and 31a are circular has been described. Or a slit shape. In these cases, the length of the short side or short axis of the discharge hole is preferably 0.1 mm or more and 1.0 mm or less.
[0068]
Further, in the above embodiment, the case where the first substance is nickel and the second substance is aluminum has been described, but any metal material can be used as the first and second substances. Alternatively, a mixture of any metal material and any ceramic material can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an intermetallic compound forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a discharge nozzle used in the intermetallic compound forming apparatus of FIG.
FIG. 3 is an exploded sectional view of a discharge nozzle used in the intermetallic compound forming apparatus of FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along line AA of the discharge nozzle of FIG. 2;
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a state in which molten aluminum is discharged from a discharge hole of a discharge nozzle.
FIG. 6 is a diagram showing a change in pressure of a gas body supplied by the gas supply device of FIG. 1;
FIG. 7 is a schematic view showing another example of a discharge nozzle used in the intermetallic compound forming apparatus of FIG.
FIG. 8 is a schematic sectional view of a discharge nozzle used in a conventional coating apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Intermetallic compound forming equipment
2 Base material
10 XY table
11a, 11b base
12a, 12b lifting device
20 Deposition unit
22 Exciter
23 sieve machine
30 Discharge unit
31, 31a discharge nozzle
32, 32a Inner cylinder
33, 34, 35, 33a, 34a, 35a Outer cylinder
35 heat source
54 Gas supply device
60 chambers
61 heating machine
62 decompression device
63 Gas circulation device
64 temperature detector
65 Pressure gauge
70 Control unit Computer unit
71 Computer Unit
91 storage tank
351,351a Discharge hole
322,322a Vent hole
Claims (12)
互いに分離可能に構成された外筒部および内筒部を備え、
前記外筒部は、内周面を有する周壁部と吐出孔が設けられた底部とを有し、
前記内筒部は、外周面を有する周壁部と気体導入孔が設けられた底面とを有し、
前記外筒部の内周面と前記内筒部の外周面との間に材料源を収容するための第1の空間が形成されるとともに、前記外筒部の底部上面と前記内筒部の底面との間に前記第1の空間内の材料源に基づく溶融材料の薄膜層を保持するための第2の空間が形成されたことを特徴とするノズル装置A nozzle device for discharging molten material,
Comprising an outer tube portion and an inner tube portion configured to be separable from each other,
The outer cylinder has a peripheral wall having an inner peripheral surface and a bottom provided with a discharge hole,
The inner cylinder portion has a peripheral wall portion having an outer peripheral surface and a bottom surface provided with a gas introduction hole,
A first space for accommodating a material source is formed between an inner peripheral surface of the outer cylindrical portion and an outer peripheral surface of the inner cylindrical portion, and a bottom upper surface of the outer cylindrical portion and the inner cylindrical portion are formed. A second space formed between the first space and a bottom surface for holding a thin film layer of a molten material based on a material source in the first space;
前記基材上の第1の物質上に第2の物質からなる溶融材料を吐出することにより前記第1および第2の物質の金属間化合物層を形成する請求項1〜11のいずれかに記載のノズル装置とを備えたことを特徴とする金属間化合物形成装置A deposition device for depositing a first substance on a substrate;
The intermetallic compound layer of the first and second substances is formed by discharging a molten material composed of a second substance onto the first substance on the base material. Apparatus for forming an intermetallic compound, comprising:
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-
2002
- 2002-08-01 JP JP2002224647A patent/JP3944427B2/en not_active Expired - Lifetime
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