JP2007146281A - コールドスプレー装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】室温以上、材料粉末の融点未満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において、コールドスプレーノズル内コールドスプレーノズル内にまたはノズルとコンプレッサー間の作動ガス配管内の作動ガスが高圧である部分に作動ガスを加熱するための加熱手段を設けることを特徴とするコールドスプレー装置。
【選択図】図3
Description
ここで、材料粉末は、金属、合金、サーメット、セラミックスなどであり、作動ガスの温度の上限を融点未満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。
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
また、作動ガスの配管は強度保持の目的から厚みが厚いため熱容量が非常に大きく、作動ガス流量が一定であれば良いが、急激に変化した場合は温度制御が追従できない。例えば、コールドスプレーではノズル出口で超音速流となっているため施工対象の厚み等、基材形状が変化すると出口ガス流速が変化し、結果として作動ガス温度が急激に変化するため均質な皮膜が施工できない問題がある。
(1) 室温以上、材料粉末の融点未満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装置において、コールドスプレーノズル内またはノズルとコンプレッサー間の作動ガス配管内の作動ガスが高圧である部分に作動ガスを加熱するための加熱手段を設けることを特徴とするコールドスプレー装置。
(2) 前記加熱手段がプラズマ加熱トーチであることを特徴とする前記(1)記載のコールドスプレー装置。
(3) 前記加熱手段が余熱を冷却する冷却手段を有し、該冷却手段が作動ガスを予熱する予熱手段を兼ねていることを特徴とする前記(1)または(2)記載のコールドスプレー装置。
(4) 前記冷却手段が加熱手段の周囲に設けられた冷却用フィンおよび/またはスパイラル形状の作動ガス流路であることを特徴とする前記(3)記載のコールドスプレー装置。
(5) 前記プラズマ加熱トーチを有するプラズマ加熱装置がマイクロ波プラズマ装置または非移行型の直流あるいは交流アークプラズマ装置であることを特徴とする前記(2)〜(4)のいずれかに記載のコールドスプレー装置。
加熱手段と作動ガス配管の内面またはコールドスプレーノズルの内面との間隙に作動ガスを流通し加熱手段を冷却すれば、ガス加熱効率を高くすることができる。また、作動ガス配管またはコールドスプレーノズル外面の温度が低くなり、耐圧のための肉厚を少なくできるため作動ガス配管またはコールドスプレーノズルを軽量化することができる。
更に、コールドスプレーノズル内にプラズマ加熱装置のトーチ部を設けた場合には、コールドスプレーノズルのど部直前で作動ガスを目標温度に加熱すれば良いため、コールドスプレーノズルのど部近傍の部材を局所的に肉厚にすれば良く、コンパクトで、かつ従来の装置に比べ作動ガスの加熱温度を高い温度に設定することができる。
作動ガスの加熱手段として、作動ガス配管の内部またはコールドスプレーノズルの内部に加熱能力および制御性が高い加熱手段を設けるため、施工対象の厚み等、基材形状が変化してノズル出口ガス流速が急激に変化する場合も、作動ガス温度制御が可能であり均質な皮膜が施工できる。
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。
図2(a)は、本発明の上記(1)に係るコールドスプレー装置の作動ガス配管内に非移行型直流アークプラズマ加熱装置のトーチ部を設けた態様の一例を示すものである。
図2(b)は非移行型直流アークプラズマ加熱装置の一例を示す。図2(b)において、プラズマ加熱装置のトーチ部11は直流電源のマイナス極に接続した内部電極12と、プラス極に接続したノズル13とから構成され、作動ガス配管14内部に設置する。ノズル13の周囲には、作動ガスの流通によりノズル13を冷却するためスパイラル流路15を設けている。プラズマガス供給孔16からはプラズマ発生用のガス(空気、窒素、ヘリウム、アルゴンなど)を供給する。
図2の装置を使用して皮膜を形成する場合には、ノズル内部の作動ガスの温度及び圧力を測定し、それらが設定範囲、例えば、0〜1000℃、0.5〜6MPaの範囲に収まるように作動ガス配管内に設けた非移行型直流アークプラズマ加熱装置のトーチの電力を制御する。
図3(b)は非移行型直流アークプラズマ加熱装置の一例を示す。図3(b)において、プラズマ加熱装置のトーチ部11は直流電源のマイナス極に接続した内部電極12と、プラス極に接続したノズル13とから構成される。ノズル13の周囲には、作動ガスによりノズル13を冷却するためスパイラル流路15を設けている。プラズマガス供給孔16からはプラズマ発生用のガス(空気、窒素、ヘリウム、アルゴンなど)を供給する。
また、上記例ではプラズマ加熱装置として、非移行型直流アークプラズマ加熱装置を設けた例を示したが、非移行型交流アークプラズマ加熱装置またはマイクロ波プラズマ加熱装置を用いても良い。
図4において、電気抵抗加熱手段17の周囲には、作動ガスによりノズル13を冷却しかつ作動ガスを予熱するための流路を設けている。
図4の装置を使用して皮膜を形成する場合には、作動ガス圧力および電気抵抗加熱手段17の出側温度を測定し、それらが設定範囲、例えば、0〜1000℃、0.5〜6MPaの範囲に収まるように直流電源の電力、作動ガス圧力を制御する。
このためガス加熱効率が高く、またコールドスプレーノズル外面の温度が低くなり、耐圧のための肉厚を少なくできるため作動ガス配管またはコールドスプレーノズルを軽量化することができる。
[実施条件]
・材料粉末組成:Cu,Cr,W
・平均粒径:20μm
・作動ガス組成:窒素ガス
・作動ガス温度:400〜1000℃
・作動ガス圧力:3MPa
・基材組成 :SUS304
・基材形状 :100mm×100mm×厚さ10mm
・ノズル先端−基材間距離:20mm
コールドスプレーでは、均質な被膜を成膜するためノズル出口での作動ガス流速が一定となるようノズル先細部での作動ガス温度を制御する。例えば、凹部でノズル先端と基材との距離が広がった場合、作動ガスが基材から受ける圧力損失が小さくなり作動ガス流量が増加する。この場合に、加熱手段の制御性が悪いと作動ガス温度が低下し、結果として作動ガス流速が低下し被膜が多孔質になる。
実施例No.1では、作動ガス配管中に非移行型直流アークプラズマ加熱装置のトーチ部を設けた。実施例No.2〜6では、コールドスプレーノズル内に非移行型直流アークプラズマ加熱装置のトーチ部を設けた。実施例No.7〜10では、コールドスプレーノズル内に電気抵抗加熱手段を設けた。
また、比較例では、円筒状断熱材内部にニクロム線の発熱体を設けた炉の内部にスパイラル配管を設置し加熱した。
上記条件でコールドスプレーにより施工を行い、得られた皮膜の評価を以下のように行った。
皮膜の空隙率は、形成した皮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倍にて10視野の写真を撮影した。そのSEM組織写真を画像処理し、単位面積当りの空隙部面積率を測定し、10視野の平均値として求めた。
これに対し、比較例のものは、いずれも基材の凹部にて、ノズル先端と基材との距離が広がるため、作動ガス流量が急激に上昇し作動ガス温度が低下した結果、皮膜の空隙率が多くなり、本発明のものに及ばなかった。
また、比較例では高温での配管強度の問題から作動ガスの加熱温度は600℃超に上げることができなかった。
以上のように本発明のコールドスプレー装置では、ノズル先端と基材との距離が変化して作動ガス流量が増加しても、加熱手段の制御性が良く作動ガス温度が安定し、被膜が緻密に施工できる。
また、加熱手段の周囲に、作動ガスによりノズルを冷却しかつ作動ガスを予熱するための流路を設けた場合には、作動ガスの加熱効率が高く、また作動ガス配管またはコールドスプレーノズル外面の温度が低くなり、耐圧のための肉厚を少なくできるため作動ガス配管またはコールドスプレーノズルを軽量化することができる。また、コールドスプレーノズル内にプラズマ加熱装置を設けた場合には、作動ガス温度を従来に比べて高い温度に設定できるため、緻密で熱伝導性、電気伝導性が高く、酸化や熱変質も少なく、密着性も良好な皮膜を形成することができる。
2 ガス加熱装置
3 コールドスプレーノズル
4 作動ガス供給孔
5 先細部
6 のど部
7 末広部
8 コンプレッサー
9 粉末供給装置
10 基材
11 プラズマ加熱装置のトーチ部
12 内部電極
13 ノズル
14 作動ガス配管
15 スパイラル流路
16 プラズマガス供給孔
17 電気抵抗加熱手段
18 施工方向
19 ニクロム線発熱体
Claims (5)
- 室温以上、材料粉末の融点未満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装置において、コールドスプレーノズル内またはノズルとコンプレッサー間の作動ガス配管内の作動ガスが高圧である部分に作動ガスを加熱するための加熱手段を設けることを特徴とするコールドスプレー装置。
- 前記加熱手段がプラズマ加熱トーチであることを特徴とする請求項1記載のコールドスプレー装置。
- 前記加熱手段が余熱を冷却する冷却手段を有し、該冷却手段が作動ガスを予熱する予熱手段を兼ねていることを特徴とする請求項1または2記載のコールドスプレー装置。
- 前記冷却手段が加熱手段の周囲に設けられた冷却用フィンおよび/またはスパイラル形状の作動ガス流路であることを特徴とする請求項3記載のコールドスプレー装置。
- 前記プラズマ加熱トーチを有するプラズマ加熱装置がマイクロ波プラズマ装置または非移行型の直流あるいは交流アークプラズマ装置であることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のコールドスプレー装置。
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