JP2004298863A - コールドスプレー技術用ノズルおよびコールドスプレーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】金属粉末によるノズル４への付着やノズル詰まりを減らすことにより、コールドスプレーシステムの故障をなくしかつノズル補修が不要となるようにする。
【解決手段】本発明はコールドスプレー技術用のノズル４に関する。ノズル４は、縮小部１００と拡大部１０２とを備えた粉末材料吹き付け用の通路を備える。少なくとも拡大部１０２はポリベンゾイミダゾールからなる。ノズル４の１つの態様として、縮小部１００もまたポリベンゾイミダゾールからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は被加工物に合金を皮膜させるコールドスプレーシステムの使用に適したノズル設計の改良に関する。

本発明は米国エネルギー省が付与するＣＲＡＤＡ（共同研究開発契約）ＳＣ００１／０１５８９号の下、国庫援助を受けてなされたものである。米国政府は、本発明にかかる所定の権利を有する。

冷間ガス動的スプレー（例えば、コールドスプレー）は、固相状態のまま粉末金属の皮膜形成をなすことを特徴とする比較的に新しい技術である。この皮膜形成メカニズムは、ヘリウムや窒素からなるガスを用いて、縮小拡大ノズル（ラバルノズル）により粒子を超音速に加速させることで達成される。本願明細書の参照となる、Ａｌｋｈｉｍｏｖらによる特許文献１は、冷間ガス動的スプレーシステムを説明している。
米国特許第５，３０２，４１４号明細書

コールドスプレーシステムに用いられるノズル材料には、通常、黄銅、ステンレススチール、工具鋼が含まれる。所定の材料、すなわち、アルミニウムやニッケル合金を皮膜させている間に、これらの金属粉末によってノズルへの付着あるいはノズル詰まりが起こり、システムの故障や損傷したノズルの交換補修の原因となる。アルミニウムの付着発生は３−４分程度の問題であるのに対し、この新しい技術を商業化していくには最低でも８時間の連続運転が望まれる。

本発明の一つの目的は、所望のレベルの連続運転に対応するノズルを提供することである。

上記目的は、本発明により成し遂げられる。

本発明によれば、改良されたコールドスプレーノズルは、縮小部と拡大部とを備えた粉末金属噴射用の通路を備え、少なくとも拡大部はポリベンゾイミダゾールから形成されることを特徴とする。本発明の１つの態様によれば、上記縮小部もまたポリベンゾイミダゾールから形成される。

本発明のコールドスプレーノズルの設計に関するその他の詳細は、それに付随したその他の目的と長所とともに、以下の明細書の記載と各要素に参照符号を付した添付図面とに開示されている。

図１は、製品表面へ例えばアルミニウム粉末皮膜のような粉末皮膜を行う、コールドスプレーシステムを示す。システムは、ねじ部２”により取り付けられる蓋２’を備えた粉末用ホッパ２を収容するケーシング１’と、粉末の計量手段と、混合室とを備え、上記それぞれの部分は互いに連通している。このシステムは、また、上記混合室と連通した粉末粒子加速用のノズル４と、圧縮ガス供給源５と、上記混合室に圧縮ガスの供給を行うよう該供給源に接続された手段を備える。この圧縮ガス供給接続手段は、遮断制御部７を介して圧縮ガス供給源５と計量フィーダー１の入口管８とを接続した気圧管路（回路）６から成る。粉末計量手段は、円筒面９’にくぼみ１０を有しかつ上記混合室と粉末粒子加速ノズル４とに連通した円筒ドラム９から成る。

このシステムは、さらに、皮膜形成中における所望の粉末の質量流量が得られるように該ドラム９の円筒面９’から間隔１２をおいて設けられた粉末粒子流量制御器１１と、上記混合室に隣接して位置しかつ上記入口管８を介して上記圧縮ガス供給接続部と上記圧縮ガス供給源５とに連通した中間ノズル１３と、を備える。

粉末粒子が上記ドラム９と上記計量フィーダー１のケーシング１’との間の空間１４に入り込まないように、つまり、ドラムが詰まって故障しないように、ホッパ底部にドラム９の円筒面９’に近接する反らせ板１５が設けられる。

粉末がくぼみ１０に均一に充填されかつ上記混合室へ確実に吸入されるように、上記ドラム９は、円筒面９’の一部分がホッパ２の底部１６として用いられかつ他の部分が混合室の壁面１７をなすような形で、水平方向に設けられる。ドラム９の円筒面９’上のくぼみ１０は、計量中の粉末粒子流量の変動を少なくするように、らせん状に延びている。所定の速度プロファイルを有しかつ低温・高密度な超音速のガス流速度とし、また、３００〜１２００ｍ／ｓの範囲の速度となるように粉末粒子を確実に加速させるために、該粉末粒子を超音速に加速させるノズル４は、所定プロファイルの断面形状を有した通路１８を備える。ノズル４の該通路１８は縮小部１００と拡大部１０２とを有する。さらに、該通路１８の流路断面は、真円形ではなく、つまり、その流路断面の一方向の寸法が他方向の寸法より大きくなっていることが望ましい。そして、ノズル端１９において、超音速生成部２０の長さ”ｌ”に対するその小さい方の寸法の比率が、約０．０４〜０．０１の範囲となることが望ましい。

この通路１８は、所定のプロファイルを有した、ガスと粉末の噴流を形成させ、かつ、該粉末の加速効率を確保し、かつ、皮膜面の上流の圧縮ガス層において速度損失を抑える構造を備える。

圧縮ガス供給接続部を出て上記管８を通過し中間ノズル１３に流入し圧縮ガス流に対し、乱流ノズル２１が、該中間ノズル１３の内側面であって混合室に対する出口の位置に設けられる。該乱流ノズル２１は、粉末の効率的な除去およびガスと粉末との混合物の形成を確かなものとする。上記混合室の壁面１７を成すドラム９の円筒面９’の部分にガスが流入するときに反動流を生成しかつ粉末とガスとを効率よく混合するため、上記中間ノズル１３は、その長手方向の軸がドラム９の円筒面９’に引いた垂線（ｎ）に対して８０〜８５°の角度をなして延びるように設けられる。

製品表面上に皮膜の形成をなす該装置は、また、ドラム９の円筒面９’上のくぼみ１０に圧縮ガスを供給する手段と、上記ホッパ２内の圧力と上記混合室内の圧力とを調整するホッパ２の上部２２とを備える。かかる手段を設けることで、粉末の計量中に加えられる圧力の除去がなされる。

計量フィーダー１のケーシング１’内の通路２３から成るガス供給手段は、中間ノズル１３の内部空間２４と上記ホッパ２の上部２２とを連通するものであって中間ノズル１３に接続したチューブ２５を有し、このチューブ２５は、ホッパ２内を貫通するように延び、かつ、該上部において１８０°の角度で曲げられている。

上記ドラム９は、該ドラム９の円筒面９’に対応した樹脂製の胴枠部４８内で回転できるように取り付けられる。該胴枠部４８の樹脂材料は、粉体粒子の吸収によりドラム９の形状の保護をなすフッ素樹脂のテフロン(登録商標)である。この胴枠部を設けることにより、ドラム９の摩耗量が減るだけでなく、該円筒面の補修回数が減り、上述の詰まり故障の問題も解消する。

図１に示す皮膜形成装置は、次のように機能する。ガス供給源５から供給された圧縮ガスは、遮断制御部７のある気圧管６に沿って流れ、計量フィーダー１の入口管８を経た後に、中間ノズル１３により加速され、８０°〜８５°の角度に配向された後、固定されたドラム９の円筒面９’に吹き付けられ、その後、混合室内に流入し、所定プロファイルの超音速生成ノズル４から流出する。上記遮断制御部７により、超音速生成ノズル４の運転条件（５〜２０気圧下）が達成され、これにより、３００〜１２００ｍ／ｓの範囲の速度を有する超音速ガス噴流が形成される。

粉末はホッパ２からくぼみ１０を満たすようにドラム９の円筒面９’に流れ込み、ドラムの回転中にこの粉末は上記混合室に運ばれる。中間ノズル１３により形成されかつ乱流ノズル２１により乱流化されたガス流が、ドラム９の円筒面９’から混合室内に上記粉末を吹き飛ばすことにより、該混合室内でガスと粉末の混合物が形成される。粉末の流量はドラム９の回転数と該ドラム９と粉末流量制御器１１との間の空間１２とにより、事前に設定されている。上記反らせ板１５より、ケーシング１’とドラム９との間の空間１４に粉末が入り込まないようになる。中間ノズル１３から流出するガスは、通路２３に沿って付加的に分離され、上記ドラム９とケーシング１’との間の空間１４に導入され、該空間から残留した粉末の除去および清掃を行う。また、チューブ２５を通して、このガスは、ホッパ２内の圧力と混合室内の圧力とを調整する該ホッパ２の上部２２に到達する。混合室から流出するガスと粉末の混合物は、通路１８の超音速生成部２０内で加速する。皮膜形成に必要な粒子速度と流量密度とともに該通路１８の断面構造により特定された、高速のガス−粉末の噴流が生じる。通路１８における超音速生成部２０の所定のプロファイルに対しては、粉末粒子の質量流量の密度は計量フィーダー１により特定され、また、粒子速度は使用可能なガスにより定められる。例えば、空気とヘリウムガスとの混合気においてヘリウムガスの割合を０％から１００％の間に変動させることで、粉体粒子の速度を３００〜１２００ｍ／ｓの範囲で変動させることができる。

本発明によれば、超音速生成ノズル４内の上記通路１８における粉末詰まりは、図２に示すような、少なくとも該通路の拡大部１０２をポリベンゾイミダゾールから形成することで防止できる。ポリベンゾイミダゾールは、ポリ（２，２’−（ｍ−フェニレン）−５，５’−ビベンゾイミダゾール）の化学式を有する。一体のノズル構造として、縮小部１００と拡大部１０２との双方ともこの材料から形成することが望ましい。このような単体のノズル４は、アルミニウムやアルミニウム合金を被加工物上に塗布するときに、特に効果がある。ポリベンゾイミダゾールは、８００°Ｆ（約４６７°Ｃ）に至るまで安定状態を保つ。該材料はロックウェル硬さのＥスケールにおいて数値１０５を有する非常に硬いポリマー材料でありかつ優れた耐食性も備える。さらに、該材料は、必要な寸法に応じて圧縮成形が可能である。また、非常に精密な寸法公差を得られるように棒材から容易に機械加工を施すことも可能である。

コールドスプレーノズルにポリベンゾイミダゾールを使用することの効用を実証するために、一体構造をしたポリベンゾイミダゾールからなるノズルを用いてノズル耐食性試験を実施した。なお、ポリベンゾイミダゾールとして、商品名ＲＧ４ Ｃｅｌａｚｏｌｅを用いた。噴流条件（ジェットパラメータ）については、３００°Ｃの温度下で、２５０ｐｓｉｇ（約１．７２ＭＰａ）の圧力を有したヘリウムに、Ｈ−２０アルミニウム（９９．７％の純アルミニウムであるＶａｌｉｍｅｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製の製品名）を毎分約１２グラムの送り速度で与えることとした。図３は、時間と該ノズルの浸食率との関係を示す。浸食の大半は、試験期間の最初の５分間に発生する。場所的には、縮小部と拡大部との間の喉部付近で浸食が生じる。上記初期浸食の後は、ノズルから浸食により毎分約０．６４ミリグラムの重量が失われる。図４は、時間−重量変化の点からノズル材料を評価したものである。この図により、ポリベンゾイミダゾール製のノズルが、種々の使用可能性のある他の材料からなるノズルより性能がよいことがわかる。

上記試験の実施により、また、ポリベンゾイミダゾールが用いられた場合には付着も発生しないことがわかった。さらに、ノズルに付着させることなく８時間のアルミニウム塗布が可能であることが、継続試験から実証された。

本発明に基づいて、前述した目的、手段、長所を十分に満足させるコールドスプレーノズルの設計が提供された。本発明は特定の実施例の内容をもとに説明されているが、当業者であれば、前述の記載からその他の代替、改良、変更を想到し得るだろう。従って、本発明は、添付の請求の範囲に含まれるこれらの代替、改良、変更をも包含する。

本発明のノズルが使用可能なコールドスプレーシステムを示す図 本発明にかかるコールドスプレーノズルの拡大断面図 ポリベンゾイミダゾール製ノズルに関する時間と浸食率との関係を示す図 様々なノズル材料の性能を示す図

符号の説明

１…計量フィーダー
１’…ケーシング
２…ホッパ
２’…蓋
２”…ねじ部
４…ノズル
５…圧縮ガス供給源
６…気圧カ管路
７…遮断制御器
８…計量フィーダー入口管
９…ドラム
９’…円筒面
１０…くぼみ
１１…粉末粒子流量制御部
１２…空間
１３…中間ノズル
１４…空間
１５…反らせ板
１６…ホッパ底部
１７…混合室壁
１９…ノズル端
２０…超音速生成部
２１…乱流ノズル
２２…ホッパ上部
２３…通路
２４…内部空間
２５…チューブ
２６…チューブ曲げ部
４８…胴枠部
１００…縮小部
１０２…拡大部

Claims (5)

1. 縮小部と拡大部とを備えた粉末材料吹き付け用の通路を備え、かつ、
   少なくとも上記拡大部がポリベンゾイミダゾールからなることを特徴とするコールドスプレー技術用ノズル。
2. 上記縮小部と上記拡大部の双方がポリベンゾイミダゾールからなることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
3. 粉末材料の供給源と、
   上記粉末材料をガスと混合する手段と、
   上記粉末材料を被加工物に吹き付けるために上記混合手段と連通する通路を備えたノズルと、を備え、かつ、
   上記ノズルは縮小部とそれに続く拡大部とを備え、かつ、
   少なくとも上記拡大部はポリベンゾイミダゾールからなることを特徴とするコールドスプレーシステム。
4. 上記縮小部もまたポリベンゾイミダゾールからなることを特徴とする請求項３に記載のコールドスプレーシステム。
5. 上記ノズルは一体のノズル構造であることを特徴とする請求項３に記載のコールドスプレーシステム。

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