JP2005095886A - コールドスプレー用ノズル並びにコールドスプレー被膜及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一般的な低圧の粉末供給装置が使用でき、又は、異種粉末の混合が可能で、安定した良質の被膜が形成できるコールドスプレー用ノズルを提供する。
【解決手段】 ノズル入口部に続く円錐状の先細部と、前記先細部にのど部を介して続く短尺の円錐状の末広部と、前記末広部に続く筒状の平行部からなり、前記平行部に脱着機構及び／又は粉末投入口を設けたことを特徴とするコールドスプレー用ノズル。空隙率が２％以下、金属酸化物が０．００１〜１％、導電率が材料粉末の９０％以上であることを特徴とするコールドスプレー被膜及び前記コールドスプレー用ノズルを用いて、室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の作動ガスの超音速流と共に前記材料粉末を固相状態のまま基材に衝突させて成膜することを特徴とするコールドスプレー被膜の製造方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、温度が室温以上、材料粉末の融点以下又は軟化温度以下である超音速の作動ガスにより、材料粉末の粒子を固相状態のまま基材に高速で衝突させて被膜を形成するコールドスプレーに使用するノズル、並びにコールドスプレー被膜及びその被膜の製造方法に関する。

近年、新しい溶射プロセスとして「コールドスプレー」が注目されている（例えば、非特許文献１、２）。このコールドスプレーとは、例えば図７に示した構成により、材料粉末の融点又は軟化温度よりも低い温度のガスを超音速流にして、前記超音速流のガス中に前記材料の粒子を投入し、固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成する技術である。ここで、材料粉末は、金属、合金、金属間化合物、セラミックスなどであり、作動ガスの温度の上限を融点以下又は軟化温度以下とするものである。なお、材料粉末の軟化温度とは、材料粉末の強度又は硬さが室温での強度又は硬さの半分となる温度と定義する。
図７に示したコールドスプレー装置において、ガス源（空気、窒素、ヘリウムなど）から供給される高圧の作動ガスは２つの経路に分岐され、一方の作動ガスはガス加熱器を経て室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱された後、コールドスプレー装置の作動ガス供給孔に供給される。また、他方の作動ガスは粉末供給装置へ送給され、キャリアガスとして材料粉末と共に、コールドスプレー装置のガンの粉末供給孔に供給される。この作動ガス供給孔からコールドスプレー用ノズルの入口部に供給された作動ガスは、先細部、のど部を経て末広部にわたり、膨張、圧力低下、速度上昇し最終的に超音速流となり、末広部の先端のノズル出口から噴出される。
このコールドスプレーでは、従来のプラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などに比べ、材料粉末の粒子を加熱・加速する作動ガスの温度が著しく低く、材料粉末をあまり加熱せずに固相状態のまま基材へ高速（３００〜１０００ｍ／ｓの速度範囲）で衝突させ、そのエネルギーにより基材と粒子に塑性変形を生じさせて成膜させている。これによって得られた被膜は、緻密で密度、熱・電気伝導性が高く、酸化や熱変質も少なく、密着性も良好であるという優れた性質を有する。
榊、「新しい溶射プロセス コールドスプレー（Ｃｏｌｄ Ｓｐｒａｙ）」 、溶射技術、第２０巻、第２号、産報出版株式会社、 ２０００年８月３０日発行、ｐ３２〜４１ 榊、「コールドスプレーテクノロジー」、溶射技術、第２１巻、第３号 産報出版株式会社、２００２年２月５日発行、ｐ２９〜３８

上述したコールドスプレーに使用される設備では、ノズル内部を加熱された材料粉末が高速で通過するためノズルと材料粉末との間で摩擦が発生し、長時間成膜するとノズル温度が上昇しノズル内面に材料粉末が凝着し、ノズルが閉塞する、また、ノズル交換には長時間を要するため、製鉄プロセス用ロール、モールド等の大面積対象物への施工、例えば０．５ｍ^２以上の大面積への連続施工ができず、均質な被膜が得られないという問題があった。また、高圧ガス流中に材料粉末を供給する必要があるため、一般的な粉末供給装置が使用できず、高圧に適用し得る専用の粉末供給装置が要求されるとともに、操業上も安定した粉末供給が難しいという問題があった。
本発明は、このようなコールドスプレー設備の操業面での不都合を改善し、一般的な低圧の粉末供給装置が使用でき、必要に応じて異種粉末の混合が可能で、かつ、０．５ｍ^２以上の大面積施工においても緻密で密度、熱・電気伝導性が高く、酸化や熱変質も少なく、密着性も良好な被膜を提供することができるコールドスプレー用ノズル、並びにコールドスプレー被膜及びその被膜の製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は、次の通りである。
（１） 室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共に噴出するコールドスプレー用ノズルにおいて、ノズル入口部に続く円錐状の先細部と、前記先細部にのど部を介して続く短尺の円錐状の末広部と、前記末広部に続く筒状の平行部からなり、前記平行部に脱着機構及び／又は粉末投入口を設けたことを特徴とするコールドスプレー用ノズル。
（２） 室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共に噴出するコールドスプレー用ノズルにおいて、ノズル入口部に続く円錐状の先細部と、前記先細部にのど部を介して続く円錐状の末広部からなり、前記末広部に粉末投入口を設けたことを特徴とするコールドスプレー用ノズル。
（３） ノズル入口部の直径を２０〜１００ｍｍ、先細部の長さを２０〜１５０ｍｍ、先細角度を４°〜６０°、のど部径を１〜１０ｍｍ、末広部の長さを１〜３００ｍｍ、末広角度を０．１°〜４５°、出口の直径を３〜２０ｍｍとすることを特徴とする（１）又は（２）記載のコールドスプレー用ノズル。
（４） 円筒状の平行部の長さを１０〜３００ｍｍとすることを特徴とする（１）又は（３）記載のコールドスプレー用ノズル。
（５） 粉末投入口とのど部との距離が１〜５０ｍｍであることを特徴とする（１）〜（４）の何れか１項に記載のコールドスプレー用ノズル。
（６） （１）〜（５）の何れか１項に記載のコールドスプレー用ノズルを用いて、室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の作動ガスの超音速流と共に前記材料粉末を固相状態のまま基材に衝突させて成膜することを特徴とするコールドスプレー被膜の製造方法。
（７） 前記平行部または末広部に設けた粉末投入口から材料粉末を室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の温度に加熱して投入することを特徴とする（６）に記載のコールドスプレー被膜の製造方法。
（８） （１）〜（５）の何れか１項に記載のコールドスプレー用ノズルを用いて成膜されたコールドスプレー被膜であって、空隙率のバラツキが１０％以下であることを特徴とするコールドスプレー被膜。
（９） （１）〜（５）の何れか１項に記載のコールドスプレー用ノズルを用いて成膜されたコールドスプレー被膜であって、空隙率が２％以下、金属酸化物が０．００１〜１％、導電率が材料粉末の９０％以上であることを特徴とするコールドスプレー被膜。

本発明はコールドスプレー用ノズルの構造において、末広部を短尺とし、出口側に筒状の平行部を設け、平行部に脱着機構を設けるものである。これにより、安価な規格品のパイプ材を使用できるとともに、平行部の交換が容易になり、仮に０．５ｍ^２以上の大面積施工において粉末が堆積しても簡単に円筒部のみを交換することができ、のど部、末広部等でのノズル詰まりが生じた際にノズルのメンテナンスが容易になる。
また、本発明は、コールドスプレー用ノズルの末広部、又は、短尺の末広部と筒状の平行部からなるノズルの平行部に、材料粉末を投入する粉末投入口を設けるものである。これにより、高圧用の粉末供給装置でなく一般的な低圧用の粉末供給装置の使用が可能になり、大面積施工時にノズル詰まりが全くなく、また、異なる材料粉末を混合したコールドスプレー被膜の成膜が可能になる。
また、ノズル内を通過する際に材料粉末の加熱が十分でない場合には、材料粉末を軟化点以下の温度に加熱し、供給口から投入することで基材表面での塑性変形が起きやすくなり、緻密な皮膜を得ることができる。
本発明のコールドスプレーノズルによって形成された被膜は、０．５ｍ^２以上の大面積施工においても緻密で密度、熱伝導性、電気伝導性が高く、酸化や熱変質も少なく、密着性も良好である。更に、異材を混合した高品質の被膜を形成することも可能である。
以上のように、本発明は、コールドスプレー技術の進展に大いに寄与するものであり、産業上の貢献が極めて顕著である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の上記（１）に係るコールドスプレー用ノズルのうち、平行部に脱着機構のみを設けた態様の一例を示すものである。図１において、ノズル本体は作動ガス及び材料粉末が供給されるノズル入口部に続く円錐状の先細部１と、該先細部１にのど部３を介して続く短尺の円錐状の末広部２ａと、更に該末広部２ａに続く円筒状の平行部５とから構成され、平行部に脱着機構を有する。脱着機構として、平行部の任意の位置にねじを設けても良く、ナットを用いても良い。図１の例では、平行部５の末広部２ａ側の端部に雄ねじ部５ｓを設け、先細部１本体の平行部取付け位置に設けた雌ねじ部１ｓにねじ込むことで、平行部５をノズル本体に対し脱着自在としている。円筒状の平行部５は、内側の断面形状が円形であることが好ましいが、矩形でも良い。また、脱着自在な平行部は、別体で安価なパイプ材にて形成することが可能になる。
図１に示した例では、末広部２ａの長さＬｄは、先細部１及び平行部５に比し相対的に短く、円錐頂部の角度（末広角度）βは、末広部のみで平行部を設けないノズルに比べて大きく、３０°〜４５°が好ましい。このノズル例ではのど部３から末広部２ａを経て十分な長さＬｓの平行部５を設けているので、末広部出口側では、作動ガスの静圧は大気圧程度となる。

図２は、本発明の上記（１）に係るコールドスプレー用ノズルのうち、平行部に粉末投入口のみを設けた態様の一例を示すものである。図２に示したノズル本体は、図１に示したノズルと同様に、円錐状の先細部１、のど部３、短尺の円錐状の末広部２ｂ、円筒状の平行部５ａから構成されている。また、末広部２ｂが先細部１及び平行部５ａに比し相対的に短く、その角度βも大きく、３０°〜４５°が好ましい点は、図１に示したノズルと同様である。
図２に示したノズルは、平行部５ａの、のど部３からの距離ｋの位置に１個の粉末投入口４を設けた態様であるが、複数個の粉末投入口４を設けても良く、のど部３から粉末投入口４までの距離ｋは適宜決定すれば良い。また、粉末投入口４を設けるため、平行部５ａの末広部側の部分厚みを出口側の部分厚みに比べて十分厚くし、平行部５ａを二段状に形成することが好ましい。
図２に示したノズル例では、末広部２ｂによって、粉末投入口４の近傍のガス圧を大気圧程度とすることが容易であり、低圧の粉末供給装置の使用が可能となるとともに、粉末の堆積も少ない。また、作動ガスの速度は、のど部、末広部を過ぎてから超音速に到達するため、平行部で材料粉末を投入することでも材料粉末は成膜可能な速度まで十分加速できる。

図３は、本発明の上記（１）に係るコールドスプレー用ノズルのうち、平行部に脱着機構及び粉末投入口を設けた態様の一例を示すものである。図３に示したノズルを用いて異なる材料を混合する場合には、高圧の粉末供給装置が必要になるものの、作動ガスと材料粉末をノズル入口部に供給し、異種の材料粉末を粉末投入口４に供給すれば良い。これにより、粉末がのど部、末広部又は平行部に堆積しても簡単に平行部をメンテナンス又は交換することができる。
図３に示した平行部５ａにおいて、脱着機構を設ける位置は厚さが変化する位置でも良く、粉末投入口４よりも末広側の位置でも良い。脱着機構として、ねじを設けても良く、ナットを用いても良い。図３の例では、平行部５ａの厚みが変化する位置に雄ねじ部５ｓ及び雌ねじ部１ｓを設け、両者を螺合することで脱着自在としている。

図４は本発明の上記（２）に係るコールドスプレー用ノズルの一例を示すもので、図１〜３とは異なり、平行部を設けない先細末広形のコールドスプレー用ノズルであり、円錐状の末広部に材料粉末の投入口、すなわち粉末投入口４を設けたことを特徴としている。図４に示したコールドスプレー用ノズルは、作動ガスが供給されるノズル入口部に続く円錐状の先細部１と、該先細部１に続き一体に形成される粉末噴射用の円錐状の末広部２とから構成され、先細部１と末広部２との境界部が最も断面を絞ったのど部３となり、粉末投入口４を末広部２に設けている。
この粉末投入口４は、末広部２の適宜位置に、好ましくはのど部３寄りの位置に、別途用意した粉末供給装置の供給部の先端が装着される形状に穿設される。図４に示したコールドスプレー用ノズルは、粉末投入口４を１個設けた例であるが、必要に応じて、例えば異なる材料を混合する場合には、複数個設けることもできる。
また、異なる材料を混合する場合には、高圧の作動ガスを２系統に分岐させた作動ガス供給装置及び粉末供給装置、又は、高圧の粉末供給装置が必要になるものの、ノズル入口部に作動ガス供給孔と粉末供給口を設けて、作動ガスと材料粉末をノズル入口部に供給し、異種の材料粉末を粉末投入口４に供給しても良い。
図４に示すコールドスプレー用ノズル例では、末広部２の角度（末広角度）βは、従来のノズル末広部（図７の構造）の角度（大体５°程度）に比較してかなり小さい範囲から同程度までの、０．１°〜５°の範囲とすることが好ましい。また、末広部の長さＬｄを小径のまま、ある程度確保することが、粉末投入口からの異種の材料粉末の投入に有効であり、複合被膜の成膜が可能になるため、好ましい。また、ノズル断面（末広部断面）の形状は、円形状が好ましいが、矩形としてもよい。

図１〜図４において、本発明で使用するコールドスプレー用ノズルの各部寸法としては、ノズル入口部の直径ｄｉを２０〜１００ｍｍ、先細部の長さＬｃを２０〜１５０ｍｍ、先細角度αを４°〜６０°、のど径ｄｔを１〜１０ｍｍ、末広部の長さＬｄを１〜３００ｍｍ、末広角度βを０．１°〜４５°、出口直径ｄｏを３〜２０ｍｍとすることが好ましい。特に、好適な先細角度αは２０°〜４０°である。また、図１〜図３の平行部の長さＬｓは１０〜３００ｍｍの範囲とすることが好ましい。図１〜図４の何れの構造のノズルを採用するか、及び、ノズルの各部の寸法及び角度は、材料粉末の種類や粒子径、粉末供給量、作動ガスの種類、圧力、温度などの条件に応じて適宜選択すればよい。

また、図１〜４において、コールドスプレーのノズルの出口から噴射される作動ガスは超音速流であり、その流量はのど径ｄｔによって決まる。のど径ｄｔを１０ｍｍよりも大きくすると作動ガスの流量が多くなりすぎるなど、実用上の問題が生じる。また、のど径ｄｔが１ｍｍよりも小さいとノズル入口部から供給した材料粉末がのど部に堆積し、のど部が閉塞する可能性がある。よって、のど径ｄｔは１〜１０ｍｍとすることが好ましい。
ノズル入口部の直径ｄｉは、のど径ｄｔに応じて適宜決定すれば良いが、流れの乱れを抑制するためには、のど径ｄｔの１０〜２０倍程度、すなわち２０〜１００ｍｍとすることが好ましい。また、ノズルの先細部が短く、先細角度が大きくなりすぎると流れが乱れやすくなるため、ノズルの先細部が長く、先細角度が小さすぎるとノズルが大きくなり取り扱いが困難になるため、先端部の長さＬｃと先細角度αをそれぞれ２０〜１５０ｍｍ、４°〜６０°とすることが好ましい。なお、ノズル入口部より導入されたガスは、比較的高温で低速であるため、ノズル入口部より材料粒子を投入した場合、材料粒子の種類によっては、ノズル先細部を長くとるほど材料粒子を均一に加熱することができ、良好な被膜を作製できることもある。

ノズルのど部よりも出口側、即ち末広部において作動ガスの流れは超音速となるが、末広角度βと出口直径ｄｏを大きくすると作動ガスの流れのはく離や過度の膨張などをまねき、流れが乱れる。また、加工上の制約からノズル末広角度βは実質上０．１°以上４５°以下、出口直径ｄｏは、ノズル径とノズル末広角度βにより決まるが、３〜２０ｍｍとすることが好ましい。
ノズルの末広部や円筒状の平行部では、作動ガスにより材料粒子の加速・加熱を行う。このため平行部の長さは最低でも１０ｍｍ必要である。一方、ノズルの末広部や円筒部が長くなりすぎると管摩擦やノズルへの放熱などによって、作動ガスの速度や温度が下がり、乱れも発生しやすくなる。よって、末広部の長さＬｄおよび円筒状の平行部の長さＬｓは、３００ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、図２〜４に示した構造のコールドスプレー用ノズルは、粉末投入口４を設けているが、この粉末投入口４はノズルのど部３から１〜５０ｍｍ程度の距離を離して、平行部又は末広部に設けることが好ましい。本発明のノズルにおいて、作動ガスをのど部を通して末広部に噴射した場合、末広部の出口側の箇所で大気圧程度になることから、粉末投入口４はできるだけのど部３に近い箇所に設けることが好ましい。のど部３と粉末投入口４の間隔ｋが５０ｍｍを超えると、管摩擦損失による圧力が高まり低圧の供給装置では対応できなくなるため、５０ｍｍを上限とすることが好ましい。下限はＬｄよりも短くできないため１ｍｍとすることが好ましい。

図５は、本発明の上記（１）に係るコールドスプレー用ノズルのうち、平行部に脱着機構及び粉末投入口を設けた態様のものを組み込んで構成したコールドスプレー装置のガンの一例を示すものである。コールドスプレー用ノズルは、先細部１１と、のど部１３、末広部１２及び平行部５からなる。末広部１２の出口側（噴射方向）の平行部５の肉厚の部分には、２個の粉末投入口１４が噴射軸を挟んで対向して設けられている。更に、平行部５は、粉末投入口１４よりも出口側に、脱着機構であるナット２３によって噴射ノズル部分１５を取り付けた構造である。噴射ノズル部分１５は、長尺のパイプから形成されており、平行部５の肉厚部にナット２３を介して、気密性を保ち、交換可能に取付けられている。
コールドスプレー用ノズルの先細部１１とガス・粉末供給部１７は、ガス流れを整えるハニカム形状の整流子２４、ガスケット１６を介して、ナット１８にて固定される。ガス・粉末供給部１７には作動ガス供給孔１９、粉末供給孔２０、温度測定孔２１及び圧力測定孔２２が設けられており、それぞれ適宜なガス供給源、粉末供給源、測温機構及び圧力測定機構に接続している。なお、本発明において、ガス流れを整えるためのハニカム形状の整流子２４を設けることが好ましいが、必須ではなく、また、ハニカム形状に限定されるものでもない。

図５の装置を使用して被膜を形成する場合には、まず、作動ガス供給孔１９から作動ガスが供給され、整流子２４を通して、ノズル先細部１１へ送られる。作動ガスの温度及び圧力は、温度測定孔２１及び圧力測定孔２２を通して測定されており、それらが設定範囲、具体的には０〜７００℃、１〜６ＭＰａの範囲に収まるように制御されている。作動ガスは、ノズル入口の先細部１１において末広部よりも、比較的高温で速度が遅いため、材料粉末を均一に加熱することができる。
作動ガスは、先細部１１の出口側で速度を増し、のど部１３で音速に達し、更に末広部１２で膨張して圧力が大気圧程度まで下がり、加速して超音速となり、噴射ノズル部分１５を通り、出口より大気中に超音速流となって噴出する。作動ガスが末広部１２で膨張し、圧力が低下するため、粉末投入口１４の位置で大気圧程度となる。したがって、この粉末投入口１４から０．２ＭＰａ程度の圧力の供給ガスとともに材料粉末を供給することができる。粉末投入口１４から投入された材料粉末は、噴射ノズル部分１５で作動ガスにより加速・加熱されて超音速流となって出口から噴出し、基材上に衝突して被膜を形成する。
材料粉末の加熱が十分でない場合には、材料粉末を軟化点以下の温度に加熱し、例えばＣｕの場合で４００℃、Ａｌ、Ｚｎの場合で２００℃に加熱し、酸化防止のため不活性なキャリアガス、アルゴン、窒素等を使用して供給口から投入することで、緻密な被膜を得ることができる。

図５のコールドスプレー設備においては、コールドスプレー用ノズルの末広部よりも出口側の平行部に２個の粉末投入口１４を設けているが、粉末投入口１４は１個でも良く、場合によっては３個以上でも良い。また、複数の粉末投入口１４を設け、それぞれの粉末投入口１４に異種の材料粉末を投入すれば、混合被膜を形成することができる。さらに、複数の粉末投入口１４より、それぞれ異なる種類、異なる量の材料粉末を供給することが可能であり、これにより、複合材料の被膜の混合割合を変更することができる。
また、図５では、ガス・粉末供給部１７に作動ガス供給孔１９、粉末供給孔２０、温度測定孔２１及び圧力測定孔２２を設けた例を示しているが、融点が異なる材料粉末の混合被膜を形成する際、融点の高い材料粉末を粉末供給孔２０から、融点の低い材料粉末を粉末投入口１４から供給することができ、極めて有用である。また、作動ガス供給孔１９と粉末供給孔２０から作動ガスを供給し、粉末投入口１４から材料粉末を供給しても良く、粉末供給孔２０を設けず、作動ガス供給孔１９から作動ガスを供給しても良い。

次に、上記（１）〜（５）に係る本発明のコールドスプレー用ノズルを用いて、形成した被膜について説明する。例えば、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔｉなどの金属、合金の何れかを材料粉末として、上記（１）〜（５）に係る本発明のコールドスプレー用ノズルを用いて被膜を形成することにより、施工中の粉末供給の不安定化、ノズル詰まりを防止することができる。このため０．５ｍ^２以上の大面積施工においても空隙率のバラツキが１０％以下、例えば金属被膜の空隙率で２％以下、金属酸化物は０．００１〜１％とすることが可能である。勿論、本発明では０．５ｍ^２未満の面積施工或いは極小の面積施工においても、同様の条件を満足することは当然である。また、被膜の空隙率、酸化物量を上記の低い範囲に保持できることによって、緻密で酸化が少なく、結晶粒界に部分的に酸化物が均一に分散した状態が得られ、これにより、導電率が原料粉末の９０％以上であるという、優れた特性を有する被膜を得ることができる。被膜は、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔｉなどの金属、合金の何れかを、用途に応じて適宜決定すれば良いが、Ｃｕ、Ａｌ及びそれらを基とする合金が好適である。
被膜の空隙率は、コールドスプレーで形成した被膜の断面を研磨してエッチングし、組織写真を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭという）にて、１０００倍で観察し、１０視野の写真を撮影し、そのＳＥＭ組織写真を用いて、画像処理し、空隙部の単位面積当りの面積率を測定し、１０視野のバラツキ（（最大値−平均値）／平均値×１００または（平均値−最小値）／平均値×１００の大きい値）及び平均値として求めれば良い。被膜の酸化物量は、上述のＳＥＭ組織写真の空隙部を画像処理によって除外してから、酸化物の単位面積当りの面積率を測定し、１０視野の平均値として求めれば良い。画像処理には、図６に示したように、ＳＥＭ写真を模式化したスケッチ図を用いても良い。図６において、図面の黒く塗りつぶした部分が空隙部、ハッチング部が酸化物である。

［実施条件］
・材料粉末：Ｃｕ合金、粒子径１０μｍ
・作動ガス：窒素ガス、温度４００℃、圧力４ＭＰａ
・基 板：Ｃｕ（２ｍ×１ｍ×厚さ１０ｃｍ）
コールドスプレー用ノズルの各部の寸法及び角度は表１に示すとおりであり、表１の本発明例は上記（１）に係る本発明のコールドスプレー用ノズルである。表１において、Ｎｏ．１、２、８、１０は平行部に脱着機構のみを設けたコールドスプレー用ノズルであり、本発明Ｎｏ．３、９は平行部に粉末投入口のみを設けたコールドスプレー用ノズルであり、本発明Ｎｏ．４〜７、１１、１２は平行部に脱着機構及び粉末投入機構を設けたコールドスプレー用ノズルである。
また、本発明Ｎｏ．１、２、８、１０及び比較例１〜３は、材料粉末をノズル入口部のみから投入し、本発明Ｎｏ．３、９は、材料粉末を粉末投入口のみから投入した。本発明Ｎｏ．４、５、６、７、１１、１２では、材料粉末をノズル入口部と粉末投入口の両方から投入したノズル入口部と粉末投入口の両方から行った。
本発明Ｎｏ．３、９は、材料粉末のＣｕ合金を４００℃に加熱して供給した。
本発明Ｎｏ．１、２、４、５、６、７、８、１０、１１、１２では、施工面積０．５ｍ^２毎に脱着機構によりノズル平行部を交換しノズル内部のメンテナンスを行った。本発明Ｎｏ．３、９ではメンテナンスを行わずに施工できた。

［実施結果］
上記の条件で２ｍ^２の大面積にコールドスプレーを行い、得られた被膜の評価を以下のようにして行った。コールドスプレーで形成した被膜、補修被膜の断面を研磨してエッチングし、ＳＥＭにて１０００倍で観察し、１０視野の写真を撮影した。得られたＳＥＭ組織写真を画像処理し、空隙部の単位面積当りの面積率を求め、次に画像処理で空隙部を除外してから酸化物の単位面積当りの面積率を測定した。得られた１０視野の測定値のバラツキおよび単純平均を求め、被膜の空隙率及び酸化物量を求めた。導電率は接触式の導電率計により測定した。
結果を表１に示す。◎は空隙率が０．０５％未満、○は０．０５〜２％、×は２％よりも大きい場合である。本発明の実施例のノズルによって成膜されて得られた被膜は気孔率が２％以下で、緻密性に優れており、特に、実施例３、９の被膜は高評価のものが得られた。これに対し、比較例のものはいずれもノズルと材料粉末との間で摩擦が発生し、ノズル内面、のど部、末広部などに材料粉末が堆積し、おおむね施工面積０．５ｍ^２でノズルが閉塞したため一旦施工を中断、ノズルを交換し後日再施工したため局部的に被膜の空隙率、酸化物量が大きくなり、本発明のものに及ばなかった。

平行部に脱着機構のみを設けた本発明に係るコールドスプレー用ノズルの一例を示す断面図である。 平行部に粉末投入口のみを設けた本発明に係るコールドスプレー用ノズルの他の例を示す断面図である。 平行部に脱着機構及び粉末投入口を設けた本発明に係るコールドスプレー用ノズルの更に別の例を示す断面図である。 末広部に粉末投入口を設けた本発明に係るコールドスプレー用ノズルの例を示す断面図である。 本発明に係るノズルを組み込んだコールドスプレー装置のガン部分の具体例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 コールドスプレーで形成した被膜の断面組織写真をエッチングしてから模式化したスケッチ図である。 従来のコールドスプレー設備の概要を示す説明図である。

符号の説明

１、１１ ノズル先細部
２、２ａ、２ｂ、１２ ノズル末広部
３、１３ のど部 ４、１４ 粉末投入口
５、１５ ノズル平行部（円筒部）
１６ ガスケット １７ ガス・粉末供給部
１８、２３ ナット １９ 作動ガス供給孔
２０ 粉末供給孔 ２１ 温度測定孔
２２ 圧力測定孔 ２４ 整流子（ハニカム）

Claims (9)

1. 室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共に噴出するコールドスプレー用ノズルにおいて、ノズル入口部に続く円錐状の先細部と、前記先細部にのど部を介して続く短尺の円錐状の末広部と、前記末広部に続く筒状の平行部からなり、前記平行部に脱着機構及び／又は粉末投入口を設けたことを特徴とするコールドスプレー用ノズル。
2. 室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共に噴出するコールドスプレー用ノズルにおいて、ノズル入口部に続く円錐状の先細部と、前記先細部にのど部を介して続く円錐状の末広部からなり、前記末広部に粉末投入口を設けたことを特徴とするコールドスプレー用ノズル。
3. ノズル入口部の直径を２０〜１００ｍｍ、先細部の長さを２０〜１５０ｍｍ、先細角度を４°〜６０°、のど部径を１〜１０ｍｍ、末広部の長さを１〜３００ｍｍ、末広角度を０．１°〜４５°、出口の直径を３〜２０ｍｍとすることを特徴とする請求項１又は２記載のコールドスプレー用ノズル。
4. 円筒状の平行部の長さを１０〜３００ｍｍとすることを特徴とする請求項１又は３記載のコールドスプレー用ノズル。
5. 粉末投入口とのど部との距離が１〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のコールドスプレー用ノズル。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のコールドスプレー用ノズルを用いて、室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の作動ガスの超音速流と共に前記材料粉末を固相状態のまま基材に衝突させて成膜することを特徴とするコールドスプレー被膜の製造方法。
7. 前記平行部または末広部に設けた粉末投入口から材料粉末を室温以上、材料粉末の融点又は軟化温度以下の温度に加熱して投入することを特徴とする請求項６に記載のコールドスプレー被膜の製造方法。
8. 請求項１〜５の何れか１項に記載のコールドスプレー用ノズルを用いて成膜されたコールドスプレー被膜であって、空隙率のバラツキが１０％以下であることを特徴とするコールドスプレー被膜。
9. 請求項１〜５の何れか１項に記載のコールドスプレー用ノズルを用いて成膜されたコールドスプレー被膜であって、空隙率が２％以下、金属酸化物が０．００１〜１％、導電率が材料粉末の９０％以上であることを特徴とするコールドスプレー被膜。

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