JP2008302317A - コールドスプレー方法、コールドスプレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料粉末の付着効率を確実に向上させることができ、また、均一な品質の皮膜を形成することができるコールドスプレー装置、方法を提案する。
【解決手段】材料粉末Ａをノズルから高速で噴射して基材Ｂ上に堆積させるコールドスプレー装置１において、基材Ｂを材料粉末Ａの融点以下の第一所定温度に加熱する基材加熱部５０と、基材Ｂ向けて材料粉末Ａを噴射するコールドスプレー部１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コールドスプレー方法、コールドスプレー装置に関する。

近年、新しいコーティング方法として、コールドスプレー方法が注目されている。このコールドスプレーは、材料粉末を作動ガスと共にノズルから高速で噴射し、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。
材料粉末としては、金属、合金、金属間化合物、セラミックスなどが用いられる。また、作動ガスとしては、空気、窒素、ヘリウムなどが用いられ、材料粉末の融点よりも低い温度に設定される。

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て、材料粉末を高温に加熱する必要がない。このため、加熱による材質変化（酸化や熱変質）が殆どなく、意図した性質を有する被膜を形成することができる。つまり、緻密で密度が高く、密着性が良好な被膜が得られる。

また、コールドスプレーでは、材料粉末の付着効率、すなわち噴射した材料粉末が基材に付着する割合を向上させるために、材料粉末の粒径を微細化したり、材料粉末の噴射速度を上げたり、作動ガスを温度制御（例えば６００〜７００℃）して材料粉末を材質変化が発生しない程度に加熱したりする技術が提案されている（特許文献１参照）。
米国特許第７，１７８，７４４号明細書

しかしながら、従来の技術では、以下のような問題がある。
まず、材料粉末の粒径を微細化すると却って粉砕処理に時間がかかってコスト上昇を招いてしまう。同様に、材料粉末の噴射速度を上げると、作動ガスの使用量が増加してコスト上昇を招いてしまう。
更に、作動ガスを一定温度に制御するのは実際には困難な場合が少なくなく、作動ガスの温度のばらついた場合には、形成される皮膜の品質が不均一になってしまう等の問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、材料粉末の付着効率を確実に向上させることができ、また、均一な品質の皮膜を形成することができるコールドスプレー方法、コールドスプレー装置を提案することを目的とする。

本発明に係るコールドスプレー方法、コールドスプレー装置では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第一の発明は、材料粉末をノズルから高速で噴射して基材上に堆積させるコールドスプレー方法において、前記基材を第一所定温度に温度制御する第一工程と、前記基材に向けて前記材料粉末を噴射する第二工程と、を有することを特徴とする。
これにより、ノズルから高速で噴射された材料粉末が基材に衝突した際に、基材から熱を吸収して変形しやすくなる。

また、前記第一所定温度は、前記材料粉末の融点以下の温度であることを特徴とする。
また、前記第一所定温度（絶対温度）は、前記材料粉末の融点（絶対温度）の約半分の温度であることを特徴とする。
これにより、材料粉末に熱変質等が発生することを回避できる。

また、前記第一所定温度は、前記基材の融点以下の温度であることを特徴とする。
また、前記第一所定温度（絶対温度）は、前記基材の融点（絶対温度）の約半分の温度であることを特徴とする。
これにより、材料粉末及び基材に熱変質等が発生することを回避できる。

また、第二工程は、前記ノズルから前記材料粉末と共に噴射する作動ガスにより前記材料粉末を前記第一所定温度以下の第二所定温度に予加熱する工程を含むことを特徴とする。
これにより、材料粉末が更に変形しやすくなる。

第二の発明は、材料粉末をノズルから高速で噴射して基材上に堆積させるコールドスプレー装置において、前記基材を前記材料粉末の融点以下の第一所定温度に加熱する基材加熱部と、前記基材に向けて前記材料粉末を噴射するコールドスプレー部と、を備えることを特徴とする。
これにより、ノズルから高速で噴射された材料粉末が基材に衝突した際に、基材から熱を吸収して変形しやすくなる。

また、前記コールドスプレー部は、前記ノズルから前記材料粉末と共に噴射する作動ガスを前記第一所定温度以下の第二所定温度に加熱するガス加熱部を備えることを特徴とする。
これにより、材料粉末が更に変形しやすくなる。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
材料粉末をノズルから高速で噴射して基材上に堆積させる際に、基材を第一所定温度に温度制御して、材料粉末が変形しやすくしているので、噴射された材料粉末の殆どが基材に付着するようになり、材料粉末の付着効率向上を達成することができる。
また、ノズルから噴射される材料粉末を予め加熱しておくことで、更に材料粉末が変形しやすくなり、材料粉末の付着効率の向上を図ることができる。

以下、本発明に係るコールドスプレー方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るコールドスプレー装置１の概略構成を示す模式図である。
図２は、本実施形態に係るコールドスプレー部１０の概略構成を示す模式図である。
コールドスプレーシステム１は、コールドスプレー部１０と、基材Ｂを載置すると共に基材Ｂを一定温度に温度制御する基材温度調整部５０等から構成される。

コールドスプレー部１０は、材料粉末Ａを音速〜超音速で基材Ｂの表面に固体状態で衝突させて皮膜Ｒを成膜するための装置であって、材料粉末Ａを高圧の作動ガスＧと共に噴射するスプレーガン１１、所望量の材料粉末Ａを作動ガスＧと共にスプレーガン１１に供給する粉末供給部１２、作動ガスＧを加熱してスプレーガン１１に供給するガス加熱器１３、粉末供給部１２及びガス加熱器１３に対して作動ガスＧを供給する不図示のガス供給部等を備えている。

ガス供給部から供給される高圧の作動ガスＧは２つの経路に分岐され、一方の作動ガスＧ１はガス加熱器１３を経て、室温以上に加熱された後、スプレーガン１１に供給される。他方の作動ガスＧ２は、粉末供給部１２へ送気され、キャリアガスとして材料粉末Ａと共にスプレーガン１１に供給される。

そして、スプレーガン１１に供給された作動ガスＧ（Ｇ１，Ｇ２）と材料粉末Ａは、スプレーガン１１の先端のノズル１１Ｎを経て音速〜超音速流となり、ノズル１１Ｎの出口から噴出される。材料粉末Ａの吹き付け速度（噴射速度）は、３００〜８００ｍ／ｓ程度である。
なお、作動ガスＧとしては、空気、窒素、ヘリウムなどが用いられる。特に、不活性ガス（ヘリウム）が好適である。ガス圧力は、０．２７〜０．６９ＭＰａ程度であるが、特に、０．５９〜０．６９ＭＰａ程度が好適である。

ノズル１１Ｎの出口から噴出した材料粉末Ａは、固体のまま基材Ｂに衝突する。そして、高速で基材Ｂに衝突した材料粉末Ａは、塑性変形して基材Ｂに付着（皮膜Ｒを形成）する。また、材料粉末Ａが基材Ｂに衝突した際に運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、材料によっては材料表面が融点を超え結合し強固な密着力を得ることができる。

このように、コールドスプレー部１０は、材料粉末Ａを溶融またはガス化させること無く、作動ガスＧと共に音速〜超音速流で固相状態のまま基材Ｂに衝突させて皮膜Ｒを形成することができる。
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、材料粉末をあまり加熱せずに固相状態のまま基材Ｂに付着させることができる。
これによって得た皮膜Ｒは、緻密で密度、熱伝導率・導電性が高い、密着性も良好である等の優れた性質を有する。特に、材料粉末Ａを加熱して溶融させないので、酸化や熱変質が殆どないという優れた性質を有する。

基材温度調整部５０は、基材Ｂを載置すると共に基材Ｂを加熱可能な加熱プレート５２と、加熱プレート５２内に埋め込まれて加熱ヒータ５４と、加熱プレート５２の温度を検出する温度センサ５６と、温度センサ５６の検出結果に基づいて加熱ヒータ５４を作動させる温度制御部５８等から構成されている。

加熱プレート５２としては、熱伝導率が高い材料、例えば、銅やアルミニウム等が好適に用いられる。
加熱ヒータ５４としては、高周波コイル（高周波誘導加熱装置）が好適に用いられる。交流電源に接続された加熱ヒータ５４（高周波コイル）を作動させると、加熱プレート５２の表面付近に高密度のうず電流が発生し、そのジュール熱で加熱プレート５２が誘導加熱するようになっている。
これにより、基材Ｂが例えばセラミックスのように非導電性物質の場合であっても、加熱プレート５２上に基材Ｂを載置することで、加熱プレート５２からの熱伝導により加熱される。

温度センサ５６としては、熱電対が好適に用いられる。加熱プレート５２に埋め込んだ温度センサ５６（熱電対）により加熱プレート５２の温度を検出する。加熱プレート５２の温度は、基材Ｂの加熱温度とほぼ等しいので、この温度を基材Ｂの加熱温度とみなすことができる。
したがって、温度制御部５８は、温度センサ５６の検出結果に基づいて加熱ヒータ５４を制御することで、基材Ｂを所望の温度に加熱・維持することが可能となっている。

基材Ｂの加熱温度Ｋ１（第一所定温度）としては、材料粉末Ａの融点よりも低い温度に設定される。
基材Ｂが加熱されていると、基材Ｂに材料粉末Ａが衝突した際に、基材Ｂから材料粉末Ａに熱が伝導し、これにより材料粉末Ａが塑性変形しやすくなる。この際、基材Ｂが材料粉末Ａの融点よりも低い温度に設定されているので、材料粉末Ａが溶解したり、材質変化（酸化や熱変質）が発生したりすることはない。更に、噴射された材料粉末Ａの殆どが基材Ｂに付着するようになり、材料粉末Ａの付着効率向上を達成することができる。

特に、基材Ｂの加熱温度Ｋ１として、材料粉末Ａの融点（絶対温度）の約半分程度の温度（絶対温度）とすることが好ましい。材質変化の発生を確実に回避するためである。
具体的には、材料粉末Ａがアルミニウムの場合には、アルミニウムの融点が９９３Ｋなので、基材Ｂの加熱温度を４６６．５Ｋ以下に設定する。材料粉末Ａがニッケル（融点１７２６Ｋ）の場合には、基材Ｂの加熱温度を８６３Ｋ以下に設定する。
同様に、金（融点１３３７Ｋ）の場合は加熱温度６６８．５Ｋ以下、銀（融点１２３４Ｋ）の場合は加熱温度６１７Ｋ以下、銅（融点１３５６Ｋ）の場合は加熱温度６７８Ｋ以下、鉄（融点１８０８Ｋ）の場合は加熱温度９０４Ｋ以下に、それぞれ設定する。

例えば、基材Ｂの表面の耐摩耗性を向上させるために、タングステンカーバーイド（ＷＣ）を付着させることが考えられる。ＷＣの融点は３０２０Ｋであるため、基材Ｂの温度を１５１０Ｋ以下にすることが望ましい。
しかし、一般に基材Ｂの融点はＷＣのそれより大幅に低く、たとえばＮｉ基合金を基材Ｂとして用いるのであれば、その融点は１６００〜１９００Ｋ程ほどであるから、その半分以下の８００〜９５０Ｋ以下が望ましい。

また、基材Ｂの加熱温度Ｋ１として、基材Ｂの融点よりも低い温度に設定される。基材Ｂ自体に材質変化が発生しないようにするためである。
特に、基材Ｂの加熱温度Ｋ１として、基材Ｂの融点（絶対温度）の約半分程度の温度（絶対温度）とすることが好ましい。材質変化の発生を確実に回避するためである。
具体的には、基材Ｂがアルミニウムの場合には、アルミニウムの融点が９９３Ｋなので、基材Ｂの加熱温度を４６６．５Ｋ以下に設定する。基材Ｂがニッケル（融点１７２６Ｋ）の場合には、基材Ｂの加熱温度を８６３Ｋ以下に設定する。
同様に、金（融点１３３７Ｋ）の場合は加熱温度６６８．５Ｋ以下、銀（融点１２３４Ｋ）の場合は加熱温度６１７Ｋ以下、銅（融点１３５６Ｋ）の場合は加熱温度６７８Ｋ以下、鉄（融点１８０８Ｋ）の場合は加熱温度９０４Ｋ以下に、それぞれ設定する。

例えば、基材ＢとしてＡｌ系合金を使用する際には、たとえばＡｌ−４ｗｔ％Ｃｕの融点は９２０Ｋであるので、その半分以下、すなわち４６０Ｋ以下が望ましい。より具体的に言えば、Ａｌ−Ｃｕ系の鋳物のＡＣ１Ａ−Ｆでは、Ｔ６熱処理（７８８Ｋで３６ｋｓ溶体化後、４３３Ｋで２１．６ｋｓ焼き戻し）が行われる。したがって、コールドスプレーをする際にも、基材Ｂの温度は焼き戻し温度より低い温度（４３３Ｋ以下）とすることが望ましい。

また、コールドスプレー部１０から材料粉末Ａを噴射する際に、材料粉末Ａを作動ガスＧにより、上述した基材Ｂの加熱温度Ｋ１よりも低い温度Ｋ２（第二所定温度）に加熱する。すなわち、作動ガスＧを、上述した基材Ｂの加熱温度Ｋ１（第一所定温度）よりも低い温度Ｋ２に加熱して、材料粉末Ａを予め加熱する。
これにより、材料粉末Ａと基材Ｂとの温度差が小さくなるので、材料粉末Ａが基材Ｂに衝突した際に、瞬間的に確実に熱伝導が行われて、材料粉末Ａが塑性変形しやすくなる。つまり、基材Ｂから材料粉末Ａへの熱伝導量を少なくすることができ、基材Ｂから材料粉末Ａへの熱伝導が確実となる。
また、作動ガスＧによる材料粉末Ａの加熱温度Ｋ２は、基材Ｂの加熱温度Ｋ１よりも低く設定されているので、材料粉末Ａの熱が基材Ｂに吸収されてしまうことを防止できる。

作動ガスＧの加熱温度Ｋ２としては、材料粉末Ａの材質毎にそれぞれ設定することが望ましい。
例えば、材料粉末ＡがＡｌの場合は、作動ガスＧ温度Ｋ２は４６６．５Ｋ以下、Ｎｉの場合（融点１７２８Ｋ）には８６４Ｋ以下、Ｔｉの場合（融点１９４０Ｋ）には９７０Ｋ以下に設定する。

その他に、例えば、材料粉末Ａが軟質材料の場合と、硬質材料の場合で別々に設定してもよい。
具体的には、材料粉末Ａが軟質材料であるアルミニウムの場合には、作動ガスＧの加熱温度Ｋ２を４３７Ｋ（２００℃）程度に設定する。この際、基材Ｂの加熱温度Ｋ１は、最高４６６Ｋ程度である。これにより、材料粉末Ａと基材Ｂとの温度差が小さくなり、材料粉末Ａが基材Ｂに衝突した際に、瞬間的に確実に熱伝導が行われて、材料粉末Ａが塑性変形し、良好な皮膜Ｒが形成できる。

また、材料粉末Ａが軟質材料である銅の場合には、作動ガスＧの加熱温度Ｋ２を４３７Ｋ（２００℃）程度に設定する。この際、基材Ｂの加熱温度Ｋ１は、最高６７８Ｋ程度である。
同様に、材料粉末Ａが金，銀の場合も、作動ガスＧの加熱温度Ｋ２を４３７Ｋ（２００℃）程度に設定する。この際、基材Ｂの加熱温度Ｋ１は、最高６６８Ｋ，６１７Ｋ程度である。

材料粉末Ａが硬質材料であるニッケルの場合には、作動ガスＧの加熱温度Ｋ２を６３７Ｋ（４００℃）程度に設定する。この際、基材Ｂの加熱温度Ｋ１は、最高８６３Ｋ程度である。
材料粉末Ａが硬質材料である鉄の場合には、作動ガスＧの加熱温度Ｋ２を６３７Ｋ（４００℃）程度に設定する。この際、基材Ｂの加熱温度Ｋ１は、最高９０４Ｋ程度である。

上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において各種条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上述した実施形態では、基材温度調整部５０の加熱プレート５２を誘導加熱して、加熱プレート５２上に載置された基材Ｂを熱伝導により加熱する場合について説明したが、これに限らない。
例えば、基材Ｂが導電体の場合には、加熱プレート５２を用いなくてもよい。すなわち、加熱ヒータ５４（高周波コイル）を作動させると、基材Ｂにうず電流が発生して、非接触かつ直接に基材Ｂを誘導加熱される。

また、高周波コイルに代えて、レーザ加熱装置を用いてもよい。レーザ加熱装置の場合には、基材Ｂの表面のうち、材料粉末Ａを噴き付ける領域のみを局所的に加熱することができるので、装置のコンパクト化を図ることができる。

温度センサ５６としては、赤外線検出型温度センサを用いて、基材Ｂの表面温度を非接触かつ直接に検出してもよい。特に、加熱プレート５２を用いずに、基材Ｂにうず電流を発生させて誘導加熱する場合には、赤外線検出型温度センサが好適である。

本発明の実施形態に係るコールドスプレー装置の概略構成を示す模式図である。 本実施形態に係るコールドスプレー部の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１…コールドスプレー装置
１０…コールドスプレー部
１１Ｎ…ノズル
１３…ガス加熱器（ガス加熱部）
５０…基材温度調整部（基材加熱部）
Ｂ…基材
Ａ…材料粉体
Ｇ…作動ガス
Ｒ…皮膜
Ｋ１…基材の加熱温度（第一所定温度）
Ｋ２…作動ガスの加熱温度（第二所定温度）

Claims (8)

1. 材料粉末をノズルから高速で噴射して基材上に堆積させるコールドスプレー方法において、
   前記基材を第一所定温度に温度制御する第一工程と、
   前記基材に向けて前記材料粉末を噴射する第二工程と、
   を有することを特徴とするコールドスプレー方法。
2. 前記第一所定温度は、前記材料粉末の融点以下の温度であることを特徴とする請求項１に記載のコールドスプレー方法。
3. 前記第一所定温度（絶対温度）は、前記材料粉末の融点（絶対温度）の約半分の温度であることを特徴とする請求項２に記載のコールドスプレー方法。
4. 前記第一所定温度は、前記基材の融点以下の温度であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。
5. 前記第一所定温度（絶対温度）は、前記基材の融点（絶対温度）の約半分の温度であることを特徴とする請求項４に記載のコールドスプレー方法。
6. 第二工程は、前記ノズルから前記材料粉末と共に噴射する作動ガスにより前記材料粉末を前記第一所定温度以下の第二所定温度に予加熱する工程を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。
7. 材料粉末をノズルから高速で噴射して基材上に堆積させるコールドスプレー装置において、
   前記基材を前記材料粉末の融点以下の第一所定温度に加熱する基材加熱部と、
   前記基材に向けて前記材料粉末を噴射するコールドスプレー部と、
   を備えることを特徴とするコールドスプレー装置。
8. 前記コールドスプレー部は、前記ノズルから前記材料粉末と共に噴射する作動ガスを前記第一所定温度以下の第二所定温度に加熱するガス加熱部を備えることを特徴とする請求項７に記載のコールドスプレー装置。

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