JP2006212624A - Thermal spraying nozzle device and thermal spraying equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はガスを用いて溶射材を微粒化し基材に衝突させることにより被膜または堆積層を形成する溶射ノズル装置および溶射装置に関するものである。 The present invention relates to a thermal spray nozzle apparatus and a thermal spray apparatus that form a coating film or a deposited layer by atomizing a thermal spray material using a gas and causing it to collide with a substrate.
従来、コーティング材料を加熱し、溶融ないし半溶融状態の微粒子を基材表面に高速度で衝突させることにより、被膜を形成する技術として溶射処理が知られている。 Conventionally, thermal spraying is known as a technique for forming a film by heating a coating material and causing fine particles in a molten or semi-molten state to collide with a substrate surface at a high speed.
この溶射処理は、基材と被膜とが物理的な接合であるため、溶融する材料であればあらゆる材料に被膜を形成することができ、形成された被膜は耐摩耗性、耐腐食性、断熱性等、表面処理に必要とされる各種条件をクリアすることができることから様々な分野で広く利用されている。 In this thermal spraying process, since the base material and the coating are physically bonded, it is possible to form a coating on any material that melts, and the formed coating is resistant to wear, corrosion, and heat insulation. It is widely used in various fields because it can satisfy various conditions required for surface treatment such as property.
中でもコールドスプレーは、溶射材料を溶融またはガス化させることなく不活性ガスとともに超音速流で固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成するため、他の溶射方法と違い、熱による材料の特性変化がなく、しかも被膜中の酸化を抑制することができるという利点がある。 Above all, cold spray is a material by heat unlike other thermal spraying methods because it forms a coating by colliding with a base material in a solid state in supersonic flow with an inert gas without melting or gasifying the thermal spray material. There is an advantage that there is no change in the characteristics, and oxidation in the film can be suppressed.
図32は、コールドスプレー装置の概略構成を示したものである。 FIG. 32 shows a schematic configuration of the cold spray apparatus.
同図において、ガス源30から供給された高圧ガスは2つの管路31,32に分岐され、管路31を流れる主流のガスはガス加熱器33で加熱され、管路32を流れる残りのガスは粉末供給器34に導入される。
In the figure, the high-pressure gas supplied from the
ガス加熱器33で加熱されたガスは管路35を通じてチャンバ36に導入され、粉末供給器34は管路37を経由して粉末粒子をチャンバ36に供給する。
The gas heated by the
チャンバ36内で混合されたガスと粉末粒子の混合物は超音速ノズル38の収束部38aと拡散部38bを通過することにより加速され、超音ジェット流として基材39上に衝突するようになっている(例えば、特許文献1参照)。
The mixture of gas and powder particles mixed in the
一方、溶射材料として溶融金属を用い、スリット状出口を有する容器から薄膜状態で流し、そのノズル出口近傍に設けられたスリット状オリフィスを有するノズルを層流状態で通過する音速ガス流によって微粒化し噴霧する方法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、前者のコールドスプレー装置では、常温の粉末粒子を衝突させて塑性変形時に生じる発熱で局所的に融点以上に加熱させ基材上に付着させるため、例えば600m/s以上の粒子速度を得るために1.0〜3.0MPaのガス圧力が必要であり、また、ガスを600℃まで予熱する必要があることから取り扱いが難しいという問題がある。また、粉体粒子を一定に供給することも容易でない。 However, in the former cold spray device, powder particles at room temperature are collided and heat generated at the time of plastic deformation is locally heated above the melting point to adhere to the substrate, so that, for example, a particle speed of 600 m / s or more is obtained. In addition, a gas pressure of 1.0 to 3.0 MPa is necessary, and there is a problem that handling is difficult because the gas needs to be preheated to 600 ° C. Moreover, it is not easy to supply the powder particles uniformly.
また、後者の溶射装置は超音速でアトマイズを行っているが、粒子の加速を行うためにノズルの設計をしておらず、そのため、HIP(Hot Isostatic Pressing)を省略できるほどの高密度皮膜や高密度堆積を得ることが不可能である。 In addition, the latter thermal spraying apparatus atomizes at supersonic speed, but does not design a nozzle to accelerate particles, so a high-density coating that can eliminate HIP (Hot Isostatic Pressing) It is impossible to obtain high density deposition.
本発明は以上のような従来の溶射装置における課題を考慮してなされたものであり、溶射材を一定に供給することができ、且つ皮膜または堆積状態をコントロールすることができる溶射ノズル装置および溶射装置を提供するものである。 The present invention has been made in consideration of the problems in the conventional thermal spraying apparatus as described above. The thermal spraying nozzle apparatus and thermal spraying capable of supplying a thermal spraying material at a constant level and controlling the coating or deposition state. A device is provided.
本発明の溶射ノズル装置は、ノズルの入口側からキャリアガスを導入して超高速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置において、上記ノズルの入口側端部に溶射材としての溶融金属を貯留する貯留部が連通路を介して接続され、ノズルは超音速ガス流を形成するためのスロート部とその下流側に出口方向に向けて形成される拡径流路部とを内設し、この拡径流路部はその流路内で、超音速ガス流によってアトマイズされた金属粒子を凝固または半凝固状態まで冷却し、ノズルの出口側から所定方向に放出するように構成されていることを要旨とする。 The thermal spray nozzle apparatus of the present invention is a thermal spray nozzle apparatus that introduces a carrier gas from the inlet side of the nozzle to form an ultra-high-speed gas flow, atomizes the thermal spray material by the gas flow, and discharges it. A storage part for storing molten metal as a thermal spray material is connected to the part through a communication path, and the nozzle is a throat part for forming a supersonic gas flow and a diameter-enlarged flow formed downstream thereof toward the outlet This enlarged diameter flow passage portion cools the metal particles atomized by the supersonic gas flow to a solidified or semi-solidified state and discharges them in a predetermined direction from the outlet side of the nozzle. It is summarized as follows.
上記溶射ノズル装置において、上記連通路としてスロート内またはスロート下流側の中心に向けて貯留部から溶融金属導出管が延設され、この溶融金属導出管の外周を、加速されたキャリアガスが流れるように構成することが好ましい。 In the thermal spray nozzle device, a molten metal lead-out pipe extends from the storage portion toward the center of the throat or the downstream side of the throat as the communication path, and the accelerated carrier gas flows through the outer periphery of the molten metal lead-out pipe. It is preferable to configure.
また、本発明のノズルは、スロート部下流側における拡径流路部の開き角が、半頂角で15°以下であることを要旨とする。 Moreover, the nozzle of this invention makes it a summary that the opening angle of the diameter expansion flow path part in the throat part downstream is a half apex angle of 15 degrees or less.
また、上記拡径流路の長さは、アトマイズされた金属粒子の飛行距離と金属粒子温度とをモデル化し、金属粒子が凝固または半凝固状態となるまでの飛行距離に基づいて定められ、具体的には、アトマイズされた金属粒子が凝固または半凝固状態に変化するまでの飛行時間を求め、下記式にその飛行時間を代入することによって粒子の飛行距離を求め、拡径流路部の長さをその飛行距離以上の長さとしたことを要旨とする。 The length of the diameter expansion channel is determined based on the flight distance of the atomized metal particles and the temperature of the metal particles, and is determined based on the flight distance until the metal particles are solidified or semi-solidified. Is obtained by calculating the flight time until the atomized metal particles change into a solidified or semi-solid state, substituting the flight time into the following formula, and determining the flight distance of the particles, The gist is that it is longer than the flight distance.
ただし、lfは粒子の飛行距離、tfは粒子が凝固または半凝固に達するまでの飛行時間、ugはガスの流速、ρgはガスの密度、ρsは粒子の密度、dsは粒子直径、agはガスの音速、
また、上記キャリアガスの入口圧力をpoとし、ノズル出口圧力をPBとするとき、入口圧力poが下記式を満足する状態で上記ノズルに導入されるように構成することが好ましい。
However, the flight distance l f is the particle flight time to t f particles reach the solidification or semi-solidification, u g is the gas flow rate, the density of [rho g is the gas density of the [rho s is the particle, d s is Particle diameter, ag is the speed of sound of gas,
Further, when the carrier gas inlet pressure is p o and the nozzle outlet pressure is P B , the inlet pressure p o is preferably introduced into the nozzle in a state satisfying the following formula.
ここで、κ:圧縮ガスの比熱比、M:スロート部下流側のノズル拡大部におけるマッハ数 Here, κ: specific heat ratio of compressed gas, M: Mach number in the nozzle enlarged portion downstream of the throat portion
本発明の溶射装置は、上記構成を有する溶射ノズル装置と、ノズルに対し管路を介して接続されキャリアガスを加圧導入するキャリアガス供給装置と、ノズルおよび放出される粒子を衝突させる基材を収納する密閉容器と、この密閉容器内を減圧する減圧手段とを備えてなることを要旨とする。 The thermal spraying device of the present invention includes a thermal spray nozzle device having the above-described configuration, a carrier gas supply device that is connected to the nozzle via a conduit and introduces carrier gas under pressure, and a base material that collides the nozzle and emitted particles. The gist of the invention is that it comprises a sealed container for storing the container and a decompression means for decompressing the inside of the sealed container.
本発明の溶射装置は、上記構成を有する溶射ノズル装置と、貯留部に接続管を介して接続されその貯留部内の溶融金属に対して溶融金属を連続的に加圧供給する溶融金属供給装置と、基材を連続的に供給する基材供給装置とを備えてなることを要旨とする。 The thermal spraying device of the present invention includes a thermal spray nozzle device having the above-described configuration, a molten metal supply device that is connected to the reservoir through a connecting pipe and continuously pressurizes molten metal against the molten metal in the reservoir. And a base material supply device that continuously supplies the base material.
本発明によれば、溶射材を一定に供給することができ、且つ皮膜または堆積状態をコントロールすることができるという長所を有する。 According to the present invention, the thermal spray material can be supplied constantly, and the coating or deposition state can be controlled.
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明に係る溶射ノズル装置の基本構成を示したものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 shows a basic configuration of a thermal spray nozzle device according to the present invention.
1.溶射ノズル装置の原理
同図に示す溶射ノズル装置1は、超音速ノズル(以下、ノズルと略称する)2内に溶融金属Mを直接供給するようになっている。
1. Principle of Thermal Spray Nozzle Device A thermal
ノズル2内には超音速気流が流れる一方でノズル2内に供給される溶融金属は低速流となっており、両者の間で剪断力が作用するとともに溶融金属の表面張力が働いてノズル2のスロート部2a下流で溶融金属のアトマイズ(微粒化)が行われるようになっている。
While a supersonic airflow flows in the
アトマイズされた金属粒子(以下、粒子と略称する)はノズル2内で加速されるとともに急速冷却され凝固する。すなわち、本発明の溶射ノズル装置1には、アトマイズ工程が行われるスロート部2aとアトマイズ工程と連続して飛行冷却工程が行われる拡径流路部2bとが一体に設けられている。
Atomized metal particles (hereinafter abbreviated as particles) are accelerated in the
凝固直後にノズル2から放出された粒子は、約450m/sの速度で基材3に衝突する。その衝突時の変形によって粒子は発熱し、一部が融点以上まで上昇することにより基材3に粒子が付着する(図中、衝撃付着工程参照)。
The particles discharged from the
なお、図中4は溶融金属Mを貯留するための貯留部であり、ノズル2と連通する連通路4aを有している。
In the figure,
上記連通路4aの先端部は、スロート部2aの筒孔中心に向けて溶融金属導出管4bとして延設されており、その溶融金属導出管4bの外周を、加速されたキャリアガスが流れるようになっている。
The leading end of the
凝固した粒子が基材3に衝突する原理は従来のコールドスプレーと同様であり、衝突した粒子は著しく塑性変形してクレータ状にくぼみ、空隙のない緻密な組織が皮膜(または堆積層)内に得られることになる。したがって、皮膜が形成された成形材については後処理としてのHIP(Hot isostatic pressing)処理、すなわち、圧力を加えて残留空孔の除去を施す必要がない。
The principle that the solidified particles collide with the
また、超音速気流を発生させるためのキャリアガス(以下、ガスと略称する)として窒素ガスを用いた場合、粒子衝突後に酸化が進行しないため低酸素含有の成形材を得ることができる。さらに、粒子がノズル2内を飛行するわずか1ms以内に凝固に至るため、窒化の進行を防止することができる。
Further, when nitrogen gas is used as a carrier gas (hereinafter abbreviated as “gas”) for generating a supersonic airflow, a low oxygen content molding material can be obtained because oxidation does not proceed after particle collision. Furthermore, since the particles are solidified within only 1 ms when the particles fly through the
また、溶射材として溶融金属を使用し凝固点をわずかに下回る温度の下に粒子を基材3に衝突させているため、コールドスプレーに比較すると、低いマッハ数(例えばマッハ数2程度)での衝突であっても基材3の表面温度は融点以上になり、基材3に対して粒子を確実に付着させることができるようになっている。なお、上記マッハ数とはガスの速度/音速を意味している。
Moreover, since the molten metal is used as the thermal spray material and the particles collide with the
上記ノズル2は、拡大部のノズル長さが100mm以上に設定されており、キャリアガス全圧p0が下記式(1)を満足する状態で動作するように構成されている。
The
ここで、p0:キャリアガス全圧(スロート上流側の入口圧力),pB:ノズル出口背圧,M:溶射材溶解部におけるマッハ数,κ:キャリアガスの比熱比である。 Here, p 0 is the carrier gas total pressure (inlet pressure on the throat upstream side), p B is the nozzle outlet back pressure, M is the Mach number in the sprayed material melting part, and κ is the specific heat ratio of the carrier gas.
また、マッハ数Mは式(2)により、スロート部6の断面積A*およびノズル内拡大断面積Aと関係づけられる。
Further, the Mach number M is related to the cross-sectional area A * of the
拡大断面積とは図2(a)に示すように、スロート部としての最狭部A*から下流側に向けて徐々に径が拡大する円錐状の拡大部、および同図(b)に示すように、最狭部A*から下流側に向けて急に径が拡大しその後略一定するような拡大部を含む。 As shown in FIG. 2 (a), the enlarged cross-sectional area is a conical enlarged portion whose diameter gradually increases from the narrowest portion A * as the throat portion toward the downstream side, and FIG. 2 (b). As described above, an expanded portion whose diameter suddenly expands from the narrowest portion A * toward the downstream side and becomes substantially constant thereafter is included.
また、先細末広(ラバル)ノズルに、式(1)と式(2)で表される圧力を持つ圧縮ガスを供給すると、ノズルの拡大部までは超音速流れになることが知られている。最狭部においてその高速気流はマッハ1(約340m/s)となる。この高速気流に曝された溶融金属は、微粒子へとアトマイズされる。実験的にはHinze(Honze,J.O.,Fundamentals of the Hydrodynamic Mechanism of Splitting in Dispersion Processes, AIChEJ.,Vol,No.3,1955,pp.289-295)によって式(3)で表されることが明かにされている。 It is also known that when a compressed gas having a pressure expressed by the equations (1) and (2) is supplied to a tapered nozzle, a supersonic flow is achieved up to the enlarged portion of the nozzle. In the narrowest part, the high-speed airflow is Mach 1 (about 340 m / s). Molten metal exposed to the high-speed air stream is atomized into fine particles. Experimentally, it is clear that Hinze (Honze, JO, Fundamentals of the Hydrodynamic Mechanism of Splitting in Dispersion Processes, AIChEJ., Vol, No. 3, 1955, pp. 289-295) is expressed by equation (3). Has been.
ここで、ρG:ガス密度、VG:ノズル入口のガス速度、VL:液速度、DL:分裂後液滴直径、σ:液表面張力である。 Here, ρ G : gas density, V G : gas velocity at the nozzle inlet, V L : liquid velocity, D L : droplet diameter after splitting, and σ: liquid surface tension.
溶融金属としてアルミ合金を例に取り、窒素ガスを0.8MPaの圧力でノズルに供給すると、式(3)から求まるアトマイズ後のアルミ合金粒子直径は約20μmになる。 When an aluminum alloy is taken as an example of the molten metal and nitrogen gas is supplied to the nozzle at a pressure of 0.8 MPa, the diameter of the aluminum alloy particle after atomization obtained from Equation (3) is about 20 μm.
アトマイズ後の粒子は超音速気流によって加速と冷却の各作用を受け、最終的に超音速の速度を持ってノズル2から噴出される。
The atomized particles are accelerated and cooled by the supersonic airflow, and finally ejected from the
この間の加速と冷却は数値解析により見積ることができる。具体的には、準一次元圧縮性流体保存形表示の質量保存、運動量保存、エネルギ保存式を式(4)と、粒子の運動方程式(6)とを連立させて解く。 The acceleration and cooling during this time can be estimated by numerical analysis. Specifically, the mass conservation, momentum conservation, and energy conservation equations of the quasi-one-dimensional compressible fluid conservation type display are solved by simultaneous equations (4) and particle motion equations (6).
2.数値解析手法
(1) まず、後述する数値解析手法に使用する記号を示す。
A:ノズル断面積
CD:粒子の抗力係数
Cp:比熱
D:ノズル直径
d:粒子直径
f:壁面摩擦係数
g:重力加速度
h:比エンタルピ
mドット:質量流量
Nu:ヌセルト数
p:ガス圧力
Pr:プラントル数
Q:ノズル加熱に必要な単位時間あたりのエネルギ
R:ガス定数
Re:レイノルズ数
T:温度
u:流速
x:ノズル流れ方向の距離
α:ステファン・ボルツマン定数
ε:放射率
κ:比熱比
λ:熱伝導率
μ:粘性係数
ρ:密度
また、添字の意味は下記の通りである。
g:ガス
s:第二相(液滴、粒子、粉体)
x:ノズルスロート部からの距離
W:ノズル壁面
2. Numerical analysis method
(1) First, the symbols used in the numerical analysis method described later are shown.
A: Nozzle sectional area C D : Drag coefficient of particle Cp: Specific heat D: Nozzle diameter d: Particle diameter f: Wall friction coefficient g: Gravitational acceleration h: Specific enthalpy m dot: Mass flow rate Nu: Nusert number p: Gas pressure Pr : Prandtl number Q: Energy per unit time required for nozzle heating R: Gas constant Re: Reynolds number T: Temperature u: Flow velocity x: Distance in nozzle flow direction α: Stefan-Boltzmann constant ε: Emissivity κ: Specific heat ratio λ: Thermal conductivity μ: Viscosity coefficient ρ: Density The meanings of the subscripts are as follows.
g: Gas s: Second phase (droplet, particle, powder)
x: Distance from nozzle throat W: Nozzle wall
(2) ガス相の支配方程式
準一次元圧縮性流体保存形表示の質量保存、運動量保存、エネルギ保存式を下記(4)に示す。
(2) Governing equation of gas phase The quasi-one-dimensional compressible fluid conservation type mass conservation, momentum conservation, and energy conservation equations are shown in (4) below.
また、sとeはガス相と第二相間の相互作用を表す運動量生成項とエネルギ生成項をそれぞれ表す。 Further, s and e represent a momentum generation term and an energy generation term representing the interaction between the gas phase and the second phase, respectively.
実際の式(1)の解法には、MUSCL(Monotone Upstream-centred Schemes for Conservation laws)化されたRoeのFlux difference Splitting法を用いて移流項を離散化し、4段階ルンゲ・クッタ法を用いて時間積分を行っている。 The actual equation (1) can be solved by discretizing the advection term using Roe's Flux difference Splitting method, which is a MUSCL (Mooneone Upstream-centred Schemes for Conservation laws), and using the 4-stage Runge-Kutta method. Integration is performed.
(3) 第二相(液滴、粒子、粉体)の支配方程式
粒子の速度は、粒子の運動方程式(6)を解くことにより得ることができる。
(3) Governing equation of the second phase (droplet, particle, powder) The velocity of the particle can be obtained by solving the particle equation of motion (6).
実際の式(6)と式(9)の解法については、移流項の離散化にはQUICK法を用いている。
そして4段階ルンゲ・クッタ法を用いて時間積分を行っている。
For the actual solution of Equation (6) and Equation (9), the QUICK method is used for discretization of the advection term.
Time integration is performed using the four-stage Runge-Kutta method.
(4) ノズル加熱に要する熱量
等温条件を維持するために必要な熱量を式(13)により見積ることができる。
(4) Amount of heat required for nozzle heating The amount of heat required to maintain isothermal conditions can be estimated by equation (13).
(5) ノズル長さ
本発明の溶射ノズル装置を用いた運転では、アトマイズされた粒子の速度が減速しないうちに堆積物に衝突させるように構成しているため、ノズル出口から堆積物までの距離は極めて短い設定となっている。したがって、ノズル出口での粒子の速度とエンタルピがほぼ維持されて堆積するものと近似的に考えられる。
(5) Nozzle length In the operation using the thermal spray nozzle device of the present invention, since the velocity of the atomized particles is configured to collide with the deposit before decelerating, the distance from the nozzle outlet to the deposit Is a very short setting. Therefore, it can be considered that the particle velocity and enthalpy at the nozzle outlet are substantially maintained and deposited.
また、堆積時の粒子の状態により堆積物の状態も大きく左右されるが、従来の溶射ノズル装置のように亜音速で粒子を衝突・堆積させるものでは、粒子が凝固状態であると基材や堆積物に付着させることができない。 In addition, the state of the deposit greatly depends on the state of the particles at the time of deposition. However, in the case where particles are collided and deposited at a subsonic speed like a conventional thermal spray nozzle device, if the particles are in a solidified state, It cannot be attached to the deposit.
これに対し本発明の溶射ノズル装置は、従来、活用されていなかった固相率の方が多い半凝固状態または凝固状態の粒子を超音速で衝突・堆積させることを運転条件とするものである。そこで、溶解状態にある金属が微粒化されて飛行する間に半凝固状態に変化すると想定し、それまでに必要とされる最小限の飛行距離を求め、この飛行距離を、装置に必要とされる最小限のノズル長さとして規定している。 On the other hand, the thermal spray nozzle apparatus of the present invention has an operating condition of colliding and depositing particles in a semi-solid state or a solid state in a supersonic speed, which has not been utilized in the past, which has a higher solid phase ratio. . Therefore, assuming that the molten metal is atomized and changes to a semi-solid state while flying, the minimum flight distance required so far is obtained, and this flight distance is required for the device. The minimum nozzle length is specified.
まず、粒子の加速を表す運動方程式は先に式(6)に示した通り、 First, the equation of motion representing particle acceleration is as shown in equation (6),
この式(6)はノズルと一緒に静止しているオイラー座標系から見て記述されているので、固定した計算格子を用いる数値計算に都合がよい。 Since this equation (6) is described from the Euler coordinate system stationary with the nozzle, it is convenient for numerical calculation using a fixed calculation grid.
しかし、一粒一粒の粒子の状態を追跡して粒子速度と粒子エンタルピとを確認するには不都合であるため、飛行する粒子と一緒に移動するラグランジュ座標系から見て記述した方程式で表すと、下記式(14)のようになる。ただし、簡略化のために、ほとんど影響のない重力項を無視している。また、飛行距離がまだ短い区間では、粒子がガス流れにより後ろから追い風のように押される加速過程にあるとして、常に、ガスの流速ug>粒子の速度usが成り立つと仮定している。 However, it is inconvenient to follow the state of each particle and confirm the particle velocity and particle enthalpy, so it can be expressed by the equation described from the Lagrange coordinate system that moves with the flying particles. The following formula (14) is obtained. However, for the sake of simplicity, the gravitational term that has little effect is ignored. In the section where the flight distance is still short, it is assumed that the gas flow velocity u g > the particle velocity u s always holds, assuming that the particles are in the acceleration process that is pushed like a tailwind from behind by the gas flow.
ここで、ガスの流速ugと粒子の速度usとの相対速度をとって、U=ug−usとして、近似的に超音速であるガス流速はノズル内で一定であると仮定すると、式(14)を式(15)のように変形できる。 Here, taking the relative speed between the speed u s flow rate u g and particle gas, as U = u g -u s, the approximately gas flow rate is supersonic is assumed to be constant in the nozzle Equation (14) can be transformed into Equation (15).
式(15)中、抗力係数CDは式(12)で示したように、相対速度Uが亜音速の場合にはレイノルズ数の関数で表現できるが、アトマイズ直後の場合は相対速度Uも超音速である比率が高いので、ここでは図3(弾丸経路計測から得られた球体、および円錐−円柱体の抗力係数、マッハ数依存の説明図)に示すグラフにおいて、マッハ数と球形物体との抗力係数の実験結果から式(16)で近似する(図中、近似直線E参照)。 In the formula (15), as the drag coefficient C D is shown in equation (12), but when the relative velocity U is subsonic can be expressed by a function of the Reynolds number, the relative velocity U is the case immediately after the atomization ultrasonic Since the ratio of speed of sound is high, in the graph shown in FIG. 3 (sphere obtained from bullet path measurement, and drag coefficient of cone-cylindrical body, explanatory diagram of Mach number dependence), the relationship between Mach number and spherical object is shown here. Approximation is made by the equation (16) from the experimental result of the drag coefficient (see the approximate straight line E in the figure).
なお、図3は2nd edition McGrae-Hill Series in Aeronautical and Aerospace Engineering, Modern Compressible Flow with historical Perspective より引用。 3 is quoted from the 2nd edition McGrae-Hill Series in Aeronautical and Aerospace Engineering, Modern Compressible Flow with historical Perspective.
式(16)と式(15)から粒子の飛行時間tと相対速度Uの関係を表現する式(17)が得られる。 From Expression (16) and Expression (15), Expression (17) expressing the relationship between the particle flight time t and the relative velocity U is obtained.
また、飛行時間tfと飛行距離lfとの関係は式(18)から求められる。 The relationship between the flight time t f flight distance l f is determined from the equation (18).
ただし、ugはガスの流速、ρgはガスの密度、ρsは粒子の密度、dsは粒子直径 However, u g is the gas flow rate, the density of [rho g is the gas density of the [rho s is the particle, d s is the particle diameter
粒子が半凝固に達するまでの飛行時間tfが分かれば、それまでの粒子の飛行距離lfが計算され、この飛行距離lfは必要とされる最小限のノズル長さに一致する。そこで、粒子が半凝固に達するまでの飛行時間tfを求める。粒子の冷却は先に示した式(9)で与えられる。 Knowing the flight time t f until the particles reach the semi-solidified, is calculated flight distance l f it to the particle, the flight distance l f is equal to the minimum nozzle length that is required. Therefore, the flight time t f until the particles reach semi-solidification is determined. The cooling of the particles is given by equation (9) shown above.
ここで、近似的に初期の溶湯温度、液相線温度、固相線温度ともほぼ等しく、その値を材料の融点Tmで代表させると、Ts=Tmとおける。また、ガスの温度Tsとノズル壁面温度Twも近似的に一定とする。 Here, approximately the initial molten metal temperature, liquidus temperature, approximately equal the solidus temperature and thereby representative of the values at the melting point T m of a material, definitive and T s = T m. The gas temperature T s and the nozzle wall surface temperature T w are also approximately constant.
熱伝達の度合いを表すヌセルト数Nuは式(12)で表されるが、相対速度Uを用いて書き換えると式(20)のようになる。 The Nusselt number Nu representing the degree of heat transfer is expressed by equation (12), but when rewritten using the relative speed U, equation (20) is obtained.
また、溶射金属の凝固潜熱をLとすると、固相率の方が大きい半凝固状態になるためには、式(21)が成り立つ。 Further, when the solidification latent heat of the sprayed metal is L, Equation (21) is established in order to enter a semi-solid state where the solid phase ratio is larger.
なお、式において、液相から固相に変化する略中間が半凝固状態となるため、L/2としている。 In the formula, L / 2 is set since a substantially intermediate state where the liquid phase changes to the solid phase is in a semi-solid state.
最小限のノズル長さを求めるということは、粒子が半凝固に達するまでの最短の飛行時間tfを求めることになるから、この場合には式(21)において等号が成立する。 Obtaining the minimum nozzle length means obtaining the shortest flight time t f until the particles reach semi-solidification, and in this case, the equal sign is established in Expression (21).
式(19)と式(20)からヌセルト数Nuを消去し、さらに式(17)を用いて相対速度Uも消去して、さらに式(21)の等号式を用いると、粒子が半凝固状態に達するまでの最短の飛行時間tfの関係式(22)が得られる。 If the Nussel number Nu is eliminated from Equation (19) and Equation (20), the relative velocity U is also eliminated using Equation (17), and the equation of Equation (21) is used, the particles are semi-solidified. The relational expression (22) of the shortest flight time t f until reaching the state is obtained.
ただし、Prはガスのプラントル数、λはガスの熱伝導率、Tmは材料の融点、Tgはガスの温度、μgはガスの粘性係数
上記式(22)をtfについて解くことはできないが、ニュートン法などを用いて数値的に解くことができる。
Where Pr is the Prandtl number of the gas, λ is the thermal conductivity of the gas, T m is the melting point of the material, T g is the temperature of the gas, μ g is the viscosity coefficient of the gas, and the above equation (22) is solved for t f Although not possible, it can be solved numerically using Newton's method.
以上のことから、式(22)から最短の飛行時間tfを求め、式(18)に代入することにより、最短の飛行距離、すなわち最小限のノズル長さlfが求まる。 From the above, determine the shortest flight time t f from equation (22) by substituting the equation (18), the shortest flight distance, i.e. the minimum nozzle length l f obtained.
本発明の溶射ノズル装置は上記ノズル長さlf以上の長さを有するノズルを用いた装置であることを特徴とし、粒子を超音速まで加速することにより凝固状態でも基材や堆積物に付着するため、理論上はノズル長さに上限はない。 The thermal spray nozzle device according to the present invention is a device using a nozzle having a nozzle length lf or more, and adheres to a substrate or deposit even in a solidified state by accelerating particles to supersonic speed. Therefore, theoretically, there is no upper limit to the nozzle length.
図4は、アルミニウムと銅を用いて具体的に最小限のノズル長さを求めたグラフであり、様々な粒子径からなる粒子が固相率0.5を超える半凝固状態となる場合に必要とされるノズル長さを示したものである。なお、同グラフにおいて横軸は粒子の直径を示し、縦軸はノズル長さを示している。なお、キャリアガスの条件は後述する表1と同様にしている。 FIG. 4 is a graph in which the minimum nozzle length is specifically obtained using aluminum and copper. Necessary when particles having various particle sizes are in a semi-solid state exceeding a solid phase ratio of 0.5. This shows the nozzle length. In the graph, the horizontal axis indicates the particle diameter, and the vertical axis indicates the nozzle length. The carrier gas conditions are the same as in Table 1 described later.
アトマイズの結果、例えば体積占有率で見た平均径が50μmの場合、アルミニウムでは0.17m、銅では0.12mのノズル長さが必要となる。 As a result of atomization, for example, when the average diameter in terms of volume occupancy is 50 μm, a nozzle length of 0.17 m for aluminum and 0.12 m for copper is required.
ところで、従来、アトマイズを目的として超音速ノズルに溶湯を流す場合には、粒子がノズル内壁面に付着することを避けるため、図5に示すようにノズル開き角(スロート部下流側における拡径流路部の開き角)が半頂角でθ>15°の大きなノズルを使用している。上記半頂角とはノズル中心軸とノズル内壁がなす角度を意味する。 By the way, conventionally, when flowing molten metal to a supersonic nozzle for the purpose of atomization, in order to avoid particles from adhering to the inner wall surface of the nozzle, as shown in FIG. A large nozzle with a half apex angle of θ> 15 ° is used. The half apex angle means an angle formed by the nozzle central axis and the nozzle inner wall.
この場合には断面積比A/A*が急激に拡大してマッハ数Mも急激に大きくなる(式(2)参照)が、等エントロピ変化の式(23)と垂直衝撃波の関係式(24)から求まるマッハ数M1になったところで衝撃波面が現れ、これを境としてその下流側は亜音速となり、ノズル内壁の開き角が大きいことにより、内壁面付近のガスの流れはその内壁面から剥離してしまう。 In this case, the cross-sectional area ratio A / A * rapidly increases and the Mach number M also increases rapidly (see equation (2)). However, the isentropic change equation (23) and the vertical shock wave relationship equation (24 ) appears shockwave surface upon reaching the Mach number M 1 obtained from which the downstream side becomes a subsonic as a boundary, by the opening angle of the inner wall of the nozzle is large, the gas flow in the vicinity of the inner wall from the inner wall surface It will peel off.
このときのマッハ数M1は式(25)から求まり、衝撃波面が現れる部位での断面積比A/A*は式(26)から求まる。 The Mach number M 1 at this time is obtained from the equation (25), and the cross-sectional area ratio A / A * at the portion where the shock wave front appears is obtained from the equation (26).
このようなノズルは従来からアトマイズに向いているが、ノズル内でのガス流れが直ちに亜音速になるものであり、粒子を加速させるという概念は存在しない。これに対し、本発明のノズルは、ノズル開き角を半頂角で15°以下として流れの剥離を防止しつつ、なお且つ、半凝固状態であっても粒子を基材や堆積物に付着させることができるようにアトマイズ後の粒子を超音速まで加速させる構成にしている。換言すれば、本発明のノズルは、粒子が凝固または半凝固状態に達するまでノズル最狭部から衝撃波面が生じる部位までの距離を長く延ばした構成となっている。 Such a nozzle is conventionally suitable for atomization, but the gas flow in the nozzle immediately becomes subsonic, and there is no concept of accelerating particles. On the other hand, the nozzle of the present invention has a nozzle opening angle of 15 ° or less at a half apex angle to prevent separation of the flow, and adheres particles to the substrate or deposit even in a semi-solid state. It is configured to accelerate the atomized particles to supersonic speeds. In other words, the nozzle of the present invention has a configuration in which the distance from the nozzle narrowest portion to the site where the shock wave front is generated is extended until the particles reach a solidified or semi-solidified state.
以上説明したことから、本発明の超音速ノズルの条件は、下記(a)〜(c)によって規定することができる。 From the above description, the conditions of the supersonic nozzle of the present invention can be defined by the following (a) to (c).
(a)ノズル開き角が半頂角でθ≦15°であること。
(b)ノズル開き角が半頂角でθ≦15°であって、キャリアガス全圧p0、ノズル出口背圧pBに基づき式(25)によって求まる衝撃波上流マッハ数M1を、さらに式(26)に代入してノズル断面積A1を求め、このノズル断面積A1となる位置までのノズル長さlfが、式(18)と、粒子が半凝固に達するまでの最短の飛行時間を規定した関係式(22)とから求まる最小限のノズル長さlf以上であること。図6はノズル内に衝撃波が発生する場合を示している。
(c)ノズル開き角が半頂角でθ≦15°であって、ノズル長さlfが式(18)と、粒子が半凝固に達するまでの最短の飛行時間を規定した関係式(22)とから求まる最短ノズル長さlf以上であり、キャリアガス全圧p0、ノズル出口背圧pBに基づき式(25)によって求まる衝撃波上流マッハ数M1を、さらに式(26)に代入して求めたノズル断面積A1が、ノズル出口断面積Aeよりも大きいノズルである。
(A) The nozzle opening angle is a half apex angle and θ ≦ 15 °.
(B) The shock wave upstream Mach number M 1 obtained by the equation (25) based on the carrier gas total pressure p 0 and the nozzle outlet back pressure p B when the nozzle opening angle is a half apex angle θ ≦ 15 °, Substituting into (26), the nozzle cross-sectional area A 1 is obtained, and the nozzle length l f up to the position where the nozzle cross-sectional area A 1 is obtained is the shortest flight until the particle reaches the semi-solid state according to equation (18). it is the minimum nozzle over a length l f which is obtained from the relational expression defining the time (22). FIG. 6 shows a case where a shock wave is generated in the nozzle.
(C) nozzle opening angle a theta ≦ 15 ° semi-vertical angle, and nozzle length l f is the formula (18), the relational expression that the particles defining the shortest flight time to reach a semi-solid (22 ) because it is the shortest nozzle than the length l f which is obtained, substituting a carrier gas total pressure p 0, formula based on the nozzle outlet back pressure p B of the shock wave upstream Mach number M 1 which is obtained by (25), further (26) nozzle cross-sectional area a 1 found by is a larger nozzle than the nozzle outlet cross-sectional area a e.
この場合、図7に示すようにノズル全域が超音速流れになるため、衝撃波面はノズル出口下流側に発生することになる。 In this case, as shown in FIG. 7, since the entire nozzle area is supersonic, the shock wave front is generated downstream of the nozzle outlet.
3.実機ノズルの設計
3-1) 材料物性値と拘束条件
実機ノズルの計算に用いた材料物性値と拘束条件を表1に示す。
3. Actual nozzle design
3-1) Material property values and constraint conditions Table 1 shows the material property values and constraint conditions used in the actual nozzle calculation.
ただし、表中の最大半頂角とはノズル中心軸とノズル内壁がなす角度の最大を意味する。 However, the maximum half apex angle in the table means the maximum angle formed by the nozzle central axis and the nozzle inner wall.
3-2) 検討条件
溶融金属(粒子)質量流量[kg/s] 4条件:0.025,0.050,0.075,0.100
粒子径 [μm] 3条件:20,50,100
ノズルスロート部の径 [mm] 2条件:φ25,φ35
ただし、それぞれガス質量流量0.9[kg/s](スロート径φ25),1.8[kg/s](スロート径φ35)に相当する。
3-2) Study conditions Molten metal (particle) mass flow rate [kg / s] 4 conditions: 0.025, 0.050, 0.075, 0.100
Particle size [μm] 3 conditions: 20, 50, 100
Nozzle throat diameter [mm] 2 conditions: φ25, φ35
However, the gas mass flow rates correspond to 0.9 [kg / s] (throat diameter φ25) and 1.8 [kg / s] (throat diameter φ35), respectively.
上記の条件において、適性膨張(ノズル出口静圧=背圧=大気圧)が得られる場合のノズル形状を求め、粒子温度と粒子速度との関係を調べた。また、超音速流では下流側から上流側に影響の及ぶことがないため、例えば、長さ500mmのノズルにおける300mm位置での計算結果はそのまま長さ300mmのノズルの出口における状態とみなすことができる。これは亜音速ノズルと異なる点である。 Under the above conditions, the nozzle shape was obtained when appropriate expansion (nozzle outlet static pressure = back pressure = atmospheric pressure) was obtained, and the relationship between the particle temperature and the particle velocity was examined. Also, since the supersonic flow does not affect the downstream side to the upstream side, for example, the calculation result at the 300 mm position in the 500 mm long nozzle can be regarded as the state at the outlet of the 300 mm long nozzle as it is. . This is different from the subsonic nozzle.
3-3) 実機ノズルの構成
3-3-1) 全般
スプレー加速用に考案したノズル形状の典型例を図8のグラフに示す。
ここではノズル最大半頂角を5°(表1参照)にしている。
3-3) Configuration of actual nozzle
3-3-1) General A typical example of the nozzle shape designed for spray acceleration is shown in the graph of Fig. 8.
Here, the maximum half apex angle of the nozzle is 5 ° (see Table 1).
本ノズルは、(a)アトマイズ後の分散した液滴はノズル壁に付着しないように速やかに最大直径まで拡大させること、および(b)粒子を加速すべく速度が最大になる最大直径での直管部分を長くとること、を目的に構成されている。 This nozzle has (a) that the dispersed droplets after atomization are rapidly expanded to the maximum diameter so that they do not adhere to the nozzle wall, and (b) the direct diameter at the maximum diameter at which the speed is maximized to accelerate the particles. It is configured for the purpose of taking a long tube portion.
ただし、本実施形態のノズルは、一般にコールドスプレーで用いられているコニカルノズルと比較して、設計値よりも圧力比が低い場合や多くのコールド粒子が供給された場合にノズルのほとんどを占める直管部がすべて亜音速になってしまう不都合がある。そのため、設計値を外れた状態での運転には不向きであり、同一条件での運転を繰り返すような生産設備に適している。そこで上記同一条件で運転されることを前提とした場合の適性膨張になるノズル出口径を図9のグラフに示す。 However, the nozzle according to the present embodiment occupies most of the nozzle when the pressure ratio is lower than the design value or when many cold particles are supplied, compared to the conical nozzle generally used in cold spray. There is an inconvenience that all the pipe parts become subsonic. Therefore, it is unsuitable for operation in a state outside the design value, and is suitable for production equipment that repeats operation under the same conditions. Therefore, the graph of FIG. 9 shows the nozzle outlet diameter that achieves appropriate expansion when the operation is performed under the same conditions.
同グラフにおいて、ノズルスロート径がφ25mmであれ、φ35mmであれ、溶融金属流量が増加するのにつれてノズル出口径が大きくなる理由は、溶融金属が持ち込む熱をガスが受け取り、膨張できる状態になるからである。 In the graph, whether the nozzle throat diameter is φ25 mm or φ35 mm, the nozzle outlet diameter increases as the molten metal flow rate increases, because the gas receives the heat brought in by the molten metal and can expand. is there.
興味深い点は、溶融金属質量流量が少ない条件でノズルの設計を行っておけば、設計を超えた流量をノズルに供給しても不足膨張となって加速効率は低下するものの、粒子に受け渡す運動量による制限までは運転可能になることである。また、その逆に、設計値よりも少ない溶融金属質量流量では超音速まで加速できないことがわかる。 The interesting point is that if the nozzle is designed under a condition where the molten metal mass flow rate is low, even if a flow rate exceeding the design is supplied to the nozzle, the expansion efficiency becomes lower and the acceleration efficiency decreases, but the momentum delivered to the particles It is possible to drive up to the limit by. Conversely, it can be seen that acceleration to supersonic speed is not possible with a molten metal mass flow rate smaller than the design value.
次に、表2に加熱なしの場合において、実機ノズルでの設計計算の結果、得られたノズルスロート径とガス質量流量との関係を示す。 Next, Table 2 shows the relationship between the nozzle throat diameter and the gas mass flow rate obtained as a result of the design calculation with the actual nozzle in the case of no heating.
3-3-2) アトマイズ後粒子径φ20μmの場合
図10〜12に、それぞれアトマイズ後粒子径φ20μm,ノズルスロート径φ25mmとした場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度/速度分布、粒子温度/速度分布を示す。なお、以下に説明する各グラフにおいて、横軸のDistanceはノズル長さを示し、また、縦軸のMach numberはマッハ数を、Gas tempはガス温度を、Gas Velcはガス流速を、Solid tempは粒子温度を、Solid Velcは粒子速度をそれぞれ示している。
3-3-2) In the case of particle diameter φ20 μm after atomization FIGS. 10 to 12 show the Mach number distribution in the nozzle, gas temperature / velocity distribution, particle temperature / velocity when the particle diameter φ20 μm after atomization and the nozzle throat diameter φ25 mm, respectively. Show the distribution. In each graph described below, Distance on the horizontal axis indicates the nozzle length, Mach number on the vertical axis indicates the Mach number, Gas temp indicates the gas temperature, Gas Velc indicates the gas flow rate, and Solid temp indicates The particle temperature and Solid Velc indicate the particle velocity, respectively.
また、図13〜15に、それぞれアトマイズ後粒子径φ20μm,ノズルスロート径φ35mmとした場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度/速度分布、粒子温度/速度分布を示す。 FIGS. 13 to 15 show the Mach number distribution in the nozzle, the gas temperature / velocity distribution, and the particle temperature / velocity distribution when the particle diameter after atomization is 20 μm and the nozzle throat diameter is 35 mm, respectively.
溶融金属から熱をもらう加熱レイリー流れであるため、マッハ数は減少し、ガス温度は上昇し、ガス速度は減少する。 Because of the heated Rayleigh flow that receives heat from the molten metal, the Mach number decreases, the gas temperature increases, and the gas velocity decreases.
本実施形態では加熱後、適性膨張になるようにノズル出口径を決めているため、ガス静圧はほぼ大気圧に等しく、ガス速度はいずれも510m/s程度になっている。 In this embodiment, since the nozzle outlet diameter is determined so as to achieve proper expansion after heating, the gas static pressure is almost equal to the atmospheric pressure, and the gas velocity is about 510 m / s.
興味深い点は、このような各条件について個別に加熱後適性膨張になるようにノズル出口径を決めると、もはや粒子側の状態は、粒子速度・粒子温度ともにほぼ同一の結果になることである。 An interesting point is that if the nozzle outlet diameter is determined so as to achieve an appropriate expansion after heating for each of these conditions, the particle side state no longer results in almost the same particle velocity and particle temperature.
これは、ノズル内のガス速度分布がほぼ等しく、ガス温度差は溶融金属との温度差と比べて小さいからである。 This is because the gas velocity distribution in the nozzle is almost equal and the gas temperature difference is smaller than the temperature difference with the molten metal.
また、スロート径φ25mmとφ35mmの差異は、図11および図14に示されるようにガス温度に現れているが、ガス速度にはほとんど現れない。したがってガス温度の影響を受ける粒子は粒子温度に差異が現れるが、粒子速度には現れない。 Further, the difference between the throat diameters φ25 mm and φ35 mm appears in the gas temperature as shown in FIGS. 11 and 14, but hardly appears in the gas velocity. Thus, particles affected by gas temperature will show a difference in particle temperature but not in particle velocity.
また、粒子径φ20μmの場合、ノズル長さ160mm程度で凝固は完了するが、粒子速度は400m/s程度しかない。この場合、ノズル長さを500mmまで延長すれば粒子速度を480m/sまで加速することができるが、このときの粒子温度は400Kまで冷却されてしまうことになる。 When the particle diameter is 20 μm, solidification is completed with a nozzle length of about 160 mm, but the particle velocity is only about 400 m / s. In this case, if the nozzle length is extended to 500 mm, the particle velocity can be accelerated to 480 m / s, but the particle temperature at this time is cooled to 400K.
このように粒子径がφ20μmの場合は、粒子は加速と比較して冷却されすぎる傾向があるため、ノズルの長さは慎重に決定する必要がある。 Thus, when the particle diameter is φ20 μm, the particles tend to be cooled too much compared to acceleration, and therefore the length of the nozzle needs to be determined carefully.
3-3-3) アトマイズ後粒子径φ50μmの場合
図16〜18に、それぞれアトマイズ後粒子径φ50μm,ノズルスロート径φ25mmとした場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度/速度分布、粒子温度/速度分布を示す。
3-3-3) In the case of particle diameter after atomization φ50 μm FIGS. 16 to 18 show the Mach number distribution in nozzle, gas temperature / velocity distribution, particle temperature / velocity when the particle diameter after atomization is φ50 μm and nozzle throat diameter φ25 mm, respectively. Show the distribution.
また、図19〜21に、それぞれアトマイズ後粒子径φ50μm,ノズルスロート径φ35mmとした場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度/速度分布、粒子温度/速度分布を示す。 19 to 21 show the Mach number distribution in the nozzle, the gas temperature / velocity distribution, and the particle temperature / velocity distribution when the particle diameter after atomization is 50 μm and the nozzle throat diameter is 35 mm, respectively.
マッハ数、ガス温度、粒子速度の傾向は、粒子径φ20μmの場合と大きく変わらないが、決定的に異なる点は図18および図21に見られる粒子温度の冷却速度である。 The tendency of the Mach number, gas temperature, and particle velocity is not significantly different from that in the case of the particle diameter φ20 μm, but the critical difference is the particle temperature cooling rate seen in FIGS.
粒子径φ50μmでは凝固が完了するまでにノズル内で約1.2mの飛行距離を要している。それに応じてノズル長さも1.2m延設すれば、都合よく粒子加速の漸近線にかなり近づくことになる。 When the particle diameter is 50 μm, a flight distance of about 1.2 m is required in the nozzle until solidification is completed. Correspondingly, if the nozzle length is extended by 1.2 m, the particle acceleration will be much closer to the asymptotic line of acceleration.
この条件において粒子温度750K、粒子速度470m/sで粒子はノズルから放出されるため、基材に対する衝突付着条件としては最も好ましい。 Under these conditions, the particles are discharged from the nozzle at a particle temperature of 750 K and a particle speed of 470 m / s, and therefore the most preferable collision adhesion condition for the substrate.
3-3-4) アトマイズ後粒子径φ100μmの場合
図22〜24にアトマイズ後粒子径φ100μmの場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度/速度分布、粒子温度/速度分布を示す。
3-3-4) In the case of particle size after atomization φ100 μm FIGS. 22 to 24 show the Mach number distribution in the nozzle, gas temperature / velocity distribution, and particle temperature / velocity distribution in the case of particle size φ100 μm after atomization.
この計算結果から、粒子径φ100μmの場合はさらに冷却速度が低下して凝固に至るまでにノズル長さが5m必要になる。粒子の加速はすでにノズル長さ3mの時点で終了しており、約450m/sの速度に達しているため、冷却の方が遅れることになる。アトマイズが不良で十分な微粒化ができない場合にこのような状況が起こる。 From this calculation result, in the case of a particle diameter of φ100 μm, the nozzle length is required to be 5 m until the cooling rate further decreases and solidification occurs. The acceleration of the particles has already been completed when the nozzle length is 3 m, and since the speed reaches about 450 m / s, the cooling is delayed. This situation occurs when atomization is poor and sufficient atomization is not possible.
図25は本発明に係る溶射装置をバッチ処理に適用する場合の構成を示したものである。 FIG. 25 shows a configuration when the thermal spraying apparatus according to the present invention is applied to batch processing.
なお、同図において図1と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。 In the figure, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
また、キャリアガスとして、粒子を加速する際に音速が速くなる点で好ましい分子量の小さいヘリウムガスを窒素ガスに代えて使用している。 As the carrier gas, helium gas having a small molecular weight, which is preferable in terms of increasing the speed of sound when accelerating the particles, is used instead of nitrogen gas.
ヘリウムガスボンベ10から供給されるキャリアガスは2つの管路11,12に分岐され、管路11を流れるキャリアガスは貯留部4内に貯留されている溶融金属に対してヘッド圧を加え、管路12を流れるキャリアガスはノズル2内に導入され、スロート部2aを通過することにより超音速に加速されるようになっている。なお、上記ヘリウムボンベ10および管路11,12はキャリアガスを加圧導入するキャリアガス供給装置として機能する。
The carrier gas supplied from the
貯留部4から流下する溶融金属は、ノズル2内の超音速ガス流によってアトマイズされ、さらにノズル2内で冷却されノズル2先端から吐出される。
The molten metal flowing down from the
吐出された粒子は基材3表面に衝突し付着する。ノズル2および基材3は密閉容器としてのチャンバ13内に収納されており、このチャンバ13は排気装置としてのサイクロン装置14および排気真空ポンプ(減圧手段)15を介して貯気槽16に接続されている。なお、上記サイクロン装置14は排気中に浮遊する粒子を回収しガスのみを排気真空ポンプ15に供給する。
The discharged particles collide with and adhere to the surface of the
上記排気装置は、キャリアガスのマッハ数を高めて粒子速度を上げるために設けられており、貯気槽16に回収されたヘリウムガスは圧縮機17によって圧縮され、再利用されるようになっている。
The exhaust device is provided to increase the particle velocity by increasing the Mach number of the carrier gas, and the helium gas recovered in the
図26は本発明に係る溶射装置を連続成形処理に適用する場合の基本構成を示したものである。 FIG. 26 shows a basic configuration when the thermal spraying apparatus according to the present invention is applied to a continuous molding process.
同図に示す連続成形処理では、貯留部4に連続溶解炉20が接続されており、貯留部4と連続溶解炉20とは接続管21を介して連通している。また、連続溶解炉20はヘッド圧によって貯留部4の内圧が0.8MPaとなるようにその高さが設定されている。上記所定高さに配置された連続溶解炉20は溶融金属を連続的に加圧供給する溶融金属供給装置として機能するようになっている。
In the continuous molding process shown in the figure, a
このようにして貯留部4からノズル2に対して溶融金属を連続的に供給することができるようになっている。
In this way, the molten metal can be continuously supplied from the
また、基材22は矢印A方向にも回転しながら、引き取りローラ(基材供給装置)23a,23bの回転によって矢印B方向に引き抜かれるようになっている。それにより、基材22上に連続的に粒子を溶射し成形することができる。
Further, the
また、図27〜図31は本発明のノズル2の他の実施形態を示したものであり、ノズル自体をセラミックまたはカーボンなどの非金属で製作することにより表面の親和性を悪くし、ノズル内壁に付着した金属粒子を超音速ガス流れによって容易に吹き飛ばすことができるようにしたものである。なお、これらの図において図1と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
27 to 31 show another embodiment of the
図27に示すノズル40は、アルミニウム合金を溶射するためにジルコニアを用いてノズル41を製作し、その外側をセラミック製の筒体42でカバーし、その筒体42の周囲に最大900℃まで昇温可能なノズルヒータ43を複数回巻き付けたものである。なお、上記ノズル41としては、例えばイットリア(Y2O3)を安定化剤として添加した高強度、高耐摩耗性、高耐腐食性を備えた部分安定化ジルコニアと呼ばれる材料を使用することが好ましい。
A
図28に示すノズル44は、ノズル自体をセラミックファイバーヒータ45で構成したものであり、詳しくは、アルミナとシリカを主成分とする素材を繊維化した高温絶縁性のセラミックファイバーに発熱体を埋設して一体成形することにより構成されている。なお、図中46aおよび46bはヒータの電極接続部を示している。
The
図29に示すノズル47は、セラミック製ノズル48の胴部外壁にカーボンヒータ49を周設し放射によって加熱するように構成したものである。
The
上記カーボンヒータ49は、円筒状のノズル48の上下両側から交互に一定の長さ形成されたスリット51d,51eによって複数部分に分割されたものからなり、49aおよび49bはそのカーボンヒータ49の電極接続部である。また、50は内壁が鏡面に仕上げられた筒状の反射ケースであり、放射効率を高めるために設けられている。
The
上記構成を有するノズル47において、図示しない電源から電極接続部49a,49bを通じてカーボンヒータ49に電力が供給されると、カーボンヒータ49は、通電によるジュール発熱によって内部から発熱し、それにより、セラミックス製ノズル48はカーボンヒータ49からの輻射伝熱によって加熱され、ノズル37内壁に付着した金属が溶融される。
In the
図30に示すノズル51は、ノズル自体をカーボンヒータ52で製作したものであり、52aおよび52bはその電極接続部を示している。セラミックス製ノズルをカーボンまたはカーボンコンポジット製のノズルに代えると、ノズル表面の輻射率がさらに高まり、ノズル51の加熱効率をさらに高めることができる。
A
なお、図29および図30では、酸素が存在するとカーボン自体が酸化反応するため、これを防止するため装置全体をチャンバーで覆い、アルゴンや窒素等のガスを高圧ガスとして用い、チャンバー内を不活性雰囲気に置換するようにしている。 In FIGS. 29 and 30, since the carbon itself undergoes an oxidation reaction in the presence of oxygen, the entire apparatus is covered with a chamber to prevent this, and a gas such as argon or nitrogen is used as a high-pressure gas, and the inside of the chamber is inert. The atmosphere is replaced.
また、ノズルを熱伝導率の良い例えば銅等の金属製材料で製作し、製作されたノズル内壁にセラミック溶射を施すことによってセラミック被膜を形成することによっても、上記した各ノズルと同様に、親和性を悪くすることもできる。 Also, the nozzle is made of a metal material having a good thermal conductivity, such as copper, and a ceramic coating is formed on the inner wall of the nozzle by applying ceramic spraying. It can also worsen sex.
図31に示すノズル53では、銅ノズル54の内面にジルコニア被膜(図中、太い破線で示した部分)55を形成し、その外周面にノズルヒータ43を複数回巻き付けたものである。
In the
1 溶射ノズル装置
2 ノズル
2a スロート部
3 基材
4 貯留部
4a 連通路
4b 溶融金属導出管
10 ヘリウムガスボンベ
11,12 管路
13 チャンバ
14 サイクロン装置
15 排気真空ポンプ
16 貯気槽
17 圧縮機
20 連続溶解炉
21 接続管
22 基材
23a,23b 引き取りローラ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
上記ノズルの入口側端部に上記溶射材としての溶融金属を貯留する貯留部が連通路を介して接続され、上記ノズルは超音速ガス流を形成するためのスロート部とその下流側に出口方向に向けて形成される拡径流路部とを内設し、この拡径流路部はその流路内で、超音速ガス流によってアトマイズされた金属粒子を凝固または半凝固状態まで冷却し、上記ノズルの出口側から所定方向に放出するように構成されていることを特徴とする溶射ノズル装置。 In a thermal spray nozzle device that introduces a carrier gas from the inlet side of the nozzle to form a super-high-speed gas flow, atomizes the thermal spray material by the gas flow, and discharges it,
A reservoir for storing molten metal as the spray material is connected to an inlet side end of the nozzle via a communication path, and the nozzle has a throat portion for forming a supersonic gas flow and an outlet direction downstream thereof. A diameter-enlarged flow path portion formed toward the nozzle, and the diameter-enlarged flow path portion cools the metal particles atomized by the supersonic gas flow to a solidified or semi-solidified state in the flow path. The thermal spray nozzle device is configured to discharge in a predetermined direction from the outlet side of the nozzle.
上記ノズルに対し管路を介して接続されキャリアガスを加圧導入するキャリアガス供給装置と、
上記ノズルおよび放出される粒子を衝突させる基材を収納する密閉容器と、
この密閉容器内を減圧する減圧手段とを備えてなることを特徴とする溶射装置。 The thermal spray nozzle device according to any one of claims 1 to 6,
A carrier gas supply device that is connected to the nozzle via a conduit and introduces a carrier gas under pressure;
A sealed container containing a base material that collides the nozzle and emitted particles;
A thermal spraying apparatus comprising: a decompression means for decompressing the inside of the sealed container.
上記貯留部に接続管を介して接続されその貯留部内の溶融金属に対して溶融金属を連続的に加圧供給する溶融金属供給装置と、
上記基材を連続的に供給する基材供給装置とを備えてなることを特徴とする溶射装置。 The thermal spray nozzle device according to any one of claims 1 to 6,
A molten metal supply device that is connected to the reservoir through a connecting pipe and continuously pressurizes and supplies the molten metal to the molten metal in the reservoir;
A thermal spraying apparatus, comprising: a base material supply device that continuously supplies the base material.
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