JP2009001891A - コールドスプレー用のノズル及びそのコールドスプレー用のノズルを用いたコールドスプレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と同様の構成を備えるコールドスプレー装置を用い、大きな条件変更を行なわずに溶射効率を改善する方法を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するために、圧縮部、スロート部、及びそのスロート部から先広がりで円錐状の膨脹部とを備え、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口から流入させ、該膨脹部先端のノズル出口より超音速流として噴出させるコールドスプレー用のノズルとして、圧縮部がノズル入口側の予熱領域と圧縮領域とを備えることを特徴とするノズルを採用する。
【選択図】図１

Description

本件発明は、コールドスプレー用のノズル及びそのコールドスプレー用のノズルを用いたコールドスプレー装置に関する。

従来より、例えば製鉄プロセスで用いる鋳型やロール、自動車のホイール、ガスタービンの構成部品等の各種金属部材の、耐摩耗性や耐食性を向上させて金属部材の長寿命化を図ることを目的とし、ニッケル、銅、アルミニウム、クロム又はこれらの合金等の皮膜を形成することが知られている。

この皮膜を形成する一つの方法として、金属メッキ法が用いられている。しかし、金属メッキ法を用いると、大面積に施工できない、クラックが発生しやすいといった問題が生じる。

他の方法として、溶射により皮膜を形成する溶射法が挙げられる。この溶射法には、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）法及び大気プラズマ溶射法等が含まれる。しかし、これら溶射法で皮膜を形成した場合には、溶射中に金属が酸化するため、緻密な皮膜の形成が困難であり、導電率及び熱伝導率が低く、また付着率が低く、不経済である等の問題がある。

これらに代わり皮膜を形成する新たな技術として、固相状態の原料粉末を用いて皮膜を形成する「コールドスプレー」が注目されている。このコールドスプレーは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、この作動ガス中に、搬送ガスによって搬送された原料粉末をパウダーポート先端より噴出させて投入し、固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成するものである。つまり、金属、合金、金属間化合物、セラミックス等の原料粉末を、固相状態のまま高速で基材表面に衝突させて皮膜を形成するものである。以下、コールドスプレーを用いた皮膜形成方法を、上記プラズマ溶射法などと区別するために、「ＣＳ溶射法」と称する。

更に、このＣＳ溶射法の概念を、一般的なコールドスプレー装置の概略図である図２と、従来技術のコールドスプレー用のノズルの形態例を示す概略断面図である図３を用いて詳細に説明する。窒素ガス、ヘリウムガス、空気等が貯蔵されている圧縮ガスボンベ２からのガス供給手段は、作動ガスライン（バルブ５ａを経由するライン）と搬送ガスライン（バルブ５ｂを経由するライン）とに分岐される。高圧の作動ガスは、ヒーター１０により原料粉末の融点又は軟化点以下の温度に加熱された後、コールドスプレーガンのチャンバー１２内に供給される。他方、高圧の搬送ガスは、原料粉末供給装置１５に導入され、原料粉末を上記チャンバー１２内に搬送する。搬送ガスにより搬送された原料粉末は、パウダーポート１ｈの先端から供給され、作動ガスにより円錐状の圧縮部１ｂからスロート部１ｃを通過して超音速流となり、円錐状の膨張部１ｄの先端に位置するノズル出口１ｅより噴出し、基材１８の表面に固相状態のまま衝突し、皮膜を形成する。

このＣＳ溶射法を用いて形成した皮膜は、上述した溶射法を用いて形成した皮膜に比べて、緻密、高密度で、導電性、熱伝導率が高く、酸化や熱変質も少なく、密着性が良好であることが知られている。

このＣＳ溶射法の課題は、ノズル先端から噴出する前記原料粉末の全てを基材表面の皮膜にすることが出来ないことである。即ち、噴出した原料粉末が皮膜を形成する効率である［（皮膜となった原料粉末量）／（噴出した原料粉末量）］×１００％（以下、「溶射効率」と称する。）を１００％とすることが出来ない。そして、溶射効率が小さいと、皮膜を形成しなかった原料粉末が基材周辺に散乱することになり、資源とエネルギーの無駄遣いになる。また、所期の皮膜を形成するために必要なＣＳ溶射装置の稼働時間が長くなる。従って、溶射効率を上げると、皮膜の形成効率が向上し、皮膜を形成できずに散乱する原料粉末も少なくなる。即ち、ＣＳ溶射装置の生産性が向上すると同時に、資源とエネルギーの有効活用が達成できる。

そこで、特許文献１には、原料粉末温度は、融点未満であれば高いほど好ましいとして、基材に衝突する寸前に原料粉末と作動ガスとを加熱し、原料粉末の温度を上昇させると同時にガス流速を上げる技術が開示されている。具体的には、前記膨脹部の先端付近から基材表面までの間で、マイクロ波を用いて誘導加熱している。そして、上記加熱の効果として、基材表面での粉末の変形が大きくなることが開示されている。このように、基材表面の粉末の変形が大きくなれば、ＣＳ溶射法の溶射効率は上昇すると考えられる。

米国特許公開２００６−２７６８７号公報

しかしながら、特許文献１では、加熱手段としてマイクロ波を用い、ノズルの外側からエネルギーを与えている。従って、使用可能な原料粉末は、マイクロ波を吸収する金属と一部のセラミックスに限定される。そして、分散しているガス流がノズル内を通過している状態でマイクロ波を照射すると、粒子の流れの外側の粒子が優先的に加熱される。即ち、ノズル内の粉体の温度分布を均一にする効果には限界があり、原料粉体の供給量が多くなるほどその傾向は顕著になる。その結果、原料粉末の供給量がある上限を超えると、溶射効率が低下する傾向が見られるようになり、皮膜の形成速度の上限が決まってしまう。

また、ノズル先端部分での加熱が可能なノズルには、加熱部分をセラミックス、好ましくはアルミナを用いた構造を採用している。即ち、コールドスプレー用のノズルが、金属とセラミックスという、熱膨張率の異なる異種素材の組み合わせで構成されている。従って、間欠操業を行なった場合には、温度差の大きな冷熱サイクルを受けることになり、金属とセラミックスとの接合部分では、セラミックスに割れや欠けが生じやすく、従来の金属製ノズルに比べ、装置寿命が短くなる。また、ノズル先端部にマイクロ波加熱装置を備えるＣＳ溶射装置は、従来の装置に比べ、操作性が劣ってしまう。

従って、従来と同様の構成を備える装置を用い、大きな条件変更を行なわずに溶射効率を改善したＣＳ溶射法が必要とされていた。

そこで、本件発明者は、鋭意研究の結果、上記課題を解決する手段として、以下の発明に想到した。

本件発明に係るコールドスプレー用のノズル： 本件発明に係るコールドスプレー用のノズルは、圧縮部、スロート部、及びそのスロート部から先広がりで円錐状の膨脹部とを備え、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口から流入させ、該膨脹部先端のノズル出口より超音速流として噴出させるコールドスプレー用のノズルであって、該圧縮部がノズル入口側の予熱領域と圧縮領域とを備えることを特徴としている。

本件発明に係るコールドスプレー用のノズルにおいては、前記圧縮部の長さが５０ｍｍ〜１０００ｍｍであることも好ましい。

本件発明に係るコールドスプレー用のノズルにおいては、前記予熱領域に加熱装置を備えることも好ましい。

本件発明に係るコールドスプレー装置： 本件発明に係るコールドスプレー装置は、原料粉末を供給する原料粉末供給手段と、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給手段と、該原料粉末を、融点以下の該作動ガスを用いて超音速流として噴出させるノズルを備えたコールドスプレーガンとを含むコールドスプレー装置であって、該ノズルに前記コールドスプレー用のノズルを用いることを特徴としている。

本件発明に係る、圧縮部がノズル入口側の予熱領域と圧縮領域とを備えるコールドスプレー用のノズルを用いたＣＳ溶射法で皮膜を形成すれば、溶射効率が改善される。このノズルを用いると、原料として供給した原料粉末が圧縮部を通過する時間は、原料粉末を十分に加熱できる程度まで長くなり、原料粉末の高温加熱が容易になる。原料粉末が高温になると、原料粉末の基板表面での変形量が大きくなり、溶射効率が改善される。

本件発明に係るコールドスプレー用のノズルの形態： 本件発明に係るコールドスプレー用のノズルの概略断面図を図１に示す。本件発明に係るコールドスプレー用のノズルは、チャンバーに接続した圧縮部１ｂ、スロート部１ｃ、及びそのスロート部から先広がりで円錐状の膨脹部１ｄとを備え、パウダーポート１ｈから供給された原料粉末を、その融点以下の作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口１ａから流入させ、該膨脹部先端のノズル出口１ｅより超音速流として噴出させるコールドスプレー用のノズルであって、該圧縮部がノズル入口側の予熱領域１ｆと圧縮領域１ｇとを備える。図１では、予熱領域を円筒形状で示しているが、円筒形状である必要はなく、圧縮領域から連続して続く円錐形状とすることも出来る。

本件発明では、前記予熱領域と圧縮領域とを、原料粉末と加熱された作動ガスとの接触時間を長くして、原料粉末の温度を上昇させることを目的として設けている。この効果は、作動ガスの種類と温度とを一定とすれば、用いる原料粉末の特性と、原料粉末を供給してからスロート部にいたるまでの時間、即ち、予熱領域と圧縮領域とからなる圧縮部全体の長さで決まる。そして、最適なＣＳ溶射条件は、対象とする原料粉末を用いて試行し、その結果を参照して設定すれば良い。

本件発明に係るコールドスプレー用のノズルにおいては、前記圧縮部の長さが５０ｍｍ〜１０００ｍｍであることも好ましい。前述のように、圧縮部の長さは、原料粉末の特性や供給量、作動ガス温度などから決めることになる。

しかし、圧縮部の長さが５０ｍｍ未満では、原料粉末の温度を上昇させる効果が、不十分で不安定になる。一方、圧縮部の長さが１０００ｍｍを超えると、周辺雰囲気への放熱量が大きくなって、作動ガス及び原料粉末の温度低下をきたす場合がある。その結果、放熱対策と加熱対策とが必要となり、設備コストが上昇すると同時に、エネルギーの無駄遣いとなってしまう。また、操作性も悪くなるため好ましくない。従って、上記観点から、より好ましい圧縮部の長さは１００ｍｍ〜１０００ｍｍである。

更に、本件発明に係るコールドスプレー用のノズルにおいては、前記予熱領域に加熱装置を備えることも好ましい。当該圧縮部を長くするほど放熱量が大きくなるため、作動ガス及び原料粉末の温度低下を防止するためである。従って、予熱領域に加熱装置を適切に配置し、作動ガスと原料粉末の温度低下を抑制することが好ましい。加熱装置の配置は、圧縮部の長さ、作動ガスの種類、作動ガスの流速や原料粉末によっても異なる。しかし、原料粉末の過熱を防止するためには、予熱領域の中央以後に設置するのが好ましい。また、必要に応じて複数の加熱手段を分割して設置しても良い。具体的な加熱方法には特に限定はないが、圧縮部の筒体の壁面の内部に電熱ヒーターを内蔵するか、当該筒体の外周に電熱ヒーターを巻き付けたり、筒体を金属製として抵抗加熱や電磁誘導加熱するなどの方法を用いることが出来る。

本件発明に係るコールドスプレー装置の形態： 本件発明に係るコールドスプレー装置は、原料粉末を供給する原料粉末供給手段と、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給手段と、該原料粉末を、融点以下の該作動ガスを用いて超音速流として噴出させるノズルを備えたコールドスプレーガンとを含むコールドスプレー装置であって、該ノズルに前記コールドスプレー用のノズルを用いている。前記ノズルを用いると、ノズル出口から噴出する原料粉末の温度が上昇しており、基材面に衝突したときの変形量が大きく、皮膜を形成する能力が向上している。即ち、低温粒子が存在することによる溶射効率の低下を回避できる。従って、本件発明に係るコールドスプレー装置は、溶射効率が大きく改善されたコールドスプレー装置である。更に、原料粉末の温度を容易に上昇させることが出来れば、作動ガスの温度を必要以上に高く設定する必要がなく、原料粉末を構成する粒子の外周部分の過熱状態も回避できる。即ち、ノズル内での原料粉末の凝集も発生しにくい、コールドスプレー装置である。

＜ノズルの製作＞
実施例で用いたコールドスプレー用の試験ノズルは、従来形状のノズルに使用する圧縮部を、円錐形状はそのままで、出口の内径が２０ｍｍφになるように、先端部を切断し、チャンバーとして用いた。この切断部分に内径２０ｍｍφの円筒状の予熱領域を接続した。そして圧縮領域は、予熱領域からスロート部に向かう、長さが１５０ｍｍの円錐形状とした。そして、圧縮部の長さを調整するために、圧縮領域の長さを一定として、予熱領域の長さが異なる５種類を製作した。このようにして、圧縮部全体の長さが５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、５００ｍｍそして８００ｍｍの、５種類のコールドスプレー用のノズルを製作した。また、スロート部から先広がりで円錐状の膨脹部には、スロート径が２ｍｍφ、噴出部の径が６ｍｍφの逆円錐形であり、長さが２００ｍｍの従来ノズルを用いた。しかし、上記ノズルの全体構成は、従来の圧縮部を切断したチャンバーを用いたため、パウダーポートが予熱領域内に位置していた。そこで、有効な加熱長さを明確にするため、各実施例の圧縮部長さは、パウダーポートの位置からスロート部までの長さと定義した。

＜皮膜の形成＞
基材に対する皮膜の形成は、図２に示す構成のコールドスプレー装置に、上記に製作した５種類の予熱領域を用い、実施例１〜実施例５としてＣＳ溶射試験を行なった。

各実施例とも原料粉末には、アルミニウム、銅、ＳＵＳ−３１６、そしてＭＣｒＡｌＹ（Ｍは金属）の４種類を用い、作動ガスの温度を、アルミニウムと銅は３５０℃、ＳＵＳ−３１６は６００℃、ＭＣｒＡｌＹは８００℃に設定し、原料粉末供給量３０ｇ／分、チャンバーガス圧力３ＭＰａで３０分間スプレーした。試験条件を纏めて以下の表１に示す。

上記試験では、圧縮部長さが２００ｍｍのノズルを用いたところで、アルミニウムの溶射効率９５％、銅の溶射効率９７％が得られた。従って、この２種類の原料粉末に対しては、更に長い圧縮部を備えるノズルを用いた試験は実施しなかった。そして、原料粉末のＳＵＳ−３１６に対しては、圧縮部長さが５０ｍｍでは溶射効率が１０％程度であったが、圧縮部長さを８００ｍｍにすると溶射効率は８１％に上昇した。また、原料粉末のＭＣｒＡｌＹに対しても同様の傾向が見られ、圧縮部長さが５０ｍｍでは溶射効率は０％であったが、圧縮部長さを８００ｍｍにすると６２％の溶射効率が得られた。上記結果を纏めて、以下の表２に示す。

上記表２に示すように、実施例では、全ての原料粉末に対して、圧縮部が長くなるほど溶射効率が上昇している。即ち、圧縮部がノズル入口側に予熱領域を備え、圧縮領域との合計長さが長いと、溶射効率の改善に効果を発揮する。

本件発明に係る、圧縮部がノズル入口側の予熱領域と圧縮領域とを備えるコールドスプレー用のノズルを用いるＣＳ溶射法では、原料として供給した粉末の温度が、圧縮部を通過している間に上昇するので、溶射効率が改善される。また、前記ノズルを用いたＣＳ溶射法で皮膜を形成すれば、作動ガスの温度を低く設定しても溶射効率が改善される。

本件発明に係るコールドスプレー用のノズルの一実施形態を示す概略断面図である。 一般的なコールドスプレー装置の概略図である。 従来技術のコールドスプレー用のノズルの形態例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ コールドスプレー用ノズル
１ａ ノズル入口
１ｂ 圧縮部
１ｃ スロート部
１ｄ 膨張部
１ｅ ノズル出口
１ｆ 予熱領域
１ｇ 圧縮領域
１ｈ パウダーポート
２ 圧縮ガスボンベ
３ 作動ガスライン
４ 搬送ガスライン
５ａ、５ｂ 圧力調整器
６ａ、６ｂ 流量調節弁
７ａ、７ｂ 流量計
８ａ、８ｂ 圧力ゲージ
９ 電力源
１０ ヒーター
１１ コールドスプレーガン
１２ チャンバー
１３ 圧力計
１４ 温度計
１５ 原料粉末供給装置
１６ 計量器
１７ 原料粉末供給ライン
１８ 基材
１９ ノズル中心線
２０ スロート入射角度
矢線 原料粉末の流れ

Claims (4)

1. 圧縮部、スロート部、及びそのスロート部から先広がりで円錐状の膨脹部とを備え、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口から流入させ、該膨脹部先端のノズル出口より超音速流として噴出させるコールドスプレー用のノズルであって、
   該圧縮部がノズル入口側の予熱領域と圧縮領域とを備えることを特徴とするコールドスプレー用のノズル。
2. 前記圧縮部の長さが５０ｍｍ〜１０００ｍｍである請求項１に記載のコールドスプレー用のノズル。
3. 前記予熱領域に加熱装置を備える請求項１又は請求項２に記載のコールドスプレー用のノズル。
4. 原料粉末を供給する原料粉末供給手段と、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給手段と、該原料粉末を、融点以下の該作動ガスを用いて超音速流として噴出させるノズルを備えたコールドスプレーガンとを含むコールドスプレー装置であって、
   該ノズルに請求項１〜請求項３のいずれかに記載のコールドスプレー用のノズルを用いることを特徴とするコールドスプレー装置。

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