JP2009179831A - コールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コールドスプレー用ノズルの内壁部への原料粉末の付着及びコールドスプレー用ノズルの閉塞を大幅に減少できるコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置を提供する。
【解決手段】この課題を達成するため、先細で円錐状の圧縮部と該圧縮部に連通する先広がりで円錐状の膨張部とを含み、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、該膨張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ノズルであって、該膨張部は、少なくとも内周壁面がグラッシーカーボンで形成されていることを特徴とするコールドスプレー用ノズルを採用する。
【選択図】図１

Description

本件発明は、操業中のノズルへの原料粉末、特にアルミニウム粉末の付着やこれに起因するノズルの閉塞を大幅に減少させたコールドスプレー用ノズル及び該コールドスプレー用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の鋳型やロール、自動車ホイール、ガスタービン構成部品等の各種の金属部材には、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べく、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技術が知られている。

この皮膜を形成する一つの方法として、金属メッキが用いられている。しかし、金属メッキは、大面積に施工できない、クラックが発生し易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方法が挙げられる。この溶射としては、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、フレーム溶射、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）及び大気プラズマ溶射等が含まれる。しかし、これら溶射で皮膜を形成した場合には、溶射中に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。

これらに代わる新たな皮膜を形成する技術として、固相状態のまま原料粉末の皮膜を形成する「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、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より噴出させ、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超音速で基材表面に固相状態で衝突させて皮膜を形成するものである。

さらに、このコールドスプレー技術を詳細に説明すると、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からのガス供給手段は、作動ガスラインと搬送ガスラインとに分岐される。高圧の作動ガスは、ヒーターにより原料粉末の融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内に供給される。他方、高圧の搬送ガスは、原料粉末供給手段に導入され、原料粉末を上記チャンバー内に搬送する。搬送ガスにより搬送された原料粉末は、作動ガスによりノズルの円錐状の圧縮部を経て超音速流となり、円錐状の膨張部の先端に位置するノズル出口より噴出し、基材表面に固相状態で衝突し、皮膜を形成する。

このコールドスプレーによる皮膜は、従来より提案されている上述した溶射による皮膜に比べて、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。

このコールドスプレーの大きな問題は、原料粉末のノズルへの付着やこれに起因するノズルの閉塞である。ノズルとしては、通常、ステンレス鋼、工具鋼、超硬合金等を用いて製造されるが、アルミニウム、ニッケル、銅、アルミニウム、ステンレス鋼又はこれらの合金を原料としてコールドスプレーにより皮膜を形成する場合には、ノズルの各部、特に膨張部に原料粉末が付着し、さらにはノズルが閉塞する。これは、操業時に、原料粉末とノズル内面との間で摩擦が生じ、ノズル内面の温度が上昇し、原料粉末がノズル内面に凝着することに起因する。このことがシステムの故障の原因となり、またこのことにより頻繁なノズル交換作業が必要となる。このようなノズルに対する原料粉末の付着やこれに起因するノズルの閉塞は、操業後、場合によっては数分間で生じ、コールドスプレー技術の実用化において大きな障害となっていた。特にアルミニウム粉末を原料とした場合には、ノズルの各部へのアルミニウム粉末の付着が著しく、ノズルの閉塞が顕著であった。

特許文献１（特開２００４−２９８８６３号公報）には、ノズルの少なくとも膨張部（拡大部）をポリベンゾイミダゾールからなるコールドスプレー技術用ノズルを開示し、このノズルにより金属粉末によるノズルへの付着やノズルの詰まりを減らすことができるとされている。

また、特許文献２（特開２００５−９５８８６号公報）には、ノズル入口部に続く円錐状の先細部と、先細部にのど部を介して続く短尺の円錐状の末広部と、末広部に続く筒状の平行部からなり、平行部に脱着機構及び／又は粉末投入口を設けたコールドスプレー用ノズルが開示されている（請求項１）。特許文献２では、上記のノズル設計を特定することによって、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となり、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となるとされている。

特許文献１のように、ノズル材料としてポリベンゾイミダゾールを用いた場合には、原料粉末によるノズルへの付着やノズルの詰まりを一定限度は減らすことができるが、アルミニウム粉末を原料粉末とした場合には、この効果は充分ではない。また、ポリベンゾイミダゾールは樹脂であるため、溶射粒子の衝突により容易に摩耗するためノズル寿命が短いのみならず、その上、耐熱性が低いため５００℃以上の高温では使用できない。

また、特許文献２は、ノズル部材の交換を容易にすること等を目的とするもので、本質的にノズルに対する原料粉末の付着やこれに起因する閉塞を減少させることを意図するものではない。

このように、ノズルへの原料粉末、特にアルミニウム粉末の付着やこれに起因するノズルの閉塞というコールドスプレー技術における実用上の大きな課題は、未だ解決されていない。

特開２００４−２９８８６３号公報 特開２００５−９５８８６号公報

従って、本件発明の目的は、操業中のコールドスプレー用ノズルへの原料粉末、特にアルミニウム粉末の付着やこの付着に起因するコールドスプレー用ノズルの閉塞を大幅に減少し、長寿命化を達成できるコールドスプレー用ノズル及び該コールドスプレー用ノズルを用いたコールドスプレー装置を提供することにある。

本件発明者等は、検討の結果、コールドスプレー用ノズル材料の一部又は全部にグラッシーカーボンを用いることにより、上記目的が達成し得ることに想到した。

コールドスプレー用ノズル： 本件発明に係るコールドスプレー用ノズルは、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、当該スロート部は、少なくとも内周壁面がグラッシーカーボンで形成されていることを特徴とする。

本件発明に係るコールドスプレー用ノズルの前記膨張部は、少なくとも内周壁面がグラッシーカーボンで形成されていることが好ましい。

本件発明に係るコールドスプレー用ノズルの前記圧縮部は、少なくとも内周壁面がグラッシーカーボンで形成されていることが好ましい。

本件発明に係るコールドスプレー用ノズルの上記圧縮部は、ノズル入口側の予熱領域と圧縮領域とを備えることが好ましい。

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、その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、該ノズルに上述のコールドスプレー用ノズルを用いることを特徴とする。

本件発明に係るコールドスプレー用ノズル及び該コールドスプレー用ノズルを用いたコールドスプレー装置は、操業時の原料粉末、特にアルミニウム粉末等の軟質金属粉末のコールドスプレー用ノズルの内壁部への付着及びこれに起因するコールドスプレー用ノズルの閉塞を大幅に減少でき、コールドスプレー用ノズルの長寿命化が達成できるので、コールドスプレー用ノズルの頻繁な交換が不要となる。

以下、本件発明を実施するための最良の形態について詳述する。ここで、図１及び図２は、本件発明に係るコールドスプレー用ノズルの一実施形態を示す概略断面図である。

コールドスプレー用ノズルの形態： 本件発明に係るコールドスプレー用ノズルは、図１及び図２に示す圧縮部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、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ノズル１である。

そして、図２を参照すれば、コールドスプレー用ノズル１は、チャンバーに接続し、端部にノズル入口１ａを有する先細で円錐状の圧縮部１ｂとこれに連通し、端部にノズル出口１ｅを有する先広がりで円錐状の膨張部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、該膨張部先端のノズル出口１ｅより超音速流として噴出させる。本件発明に係るコールドスプレー用ノズルは、少なくとも上記した圧縮部１ｂと膨張部１ｄを有していればよく、その他の形状は任意である。また、膨張部１ｄのノズル出口側に筒状の平行部を設けてもよい。なお、図１及び図２において、矢線は原料粉末の流れを示す。

また、図２に示されるように、圧縮部１ｂは、ノズル入口側の予熱領域１ｆと圧縮領域１ｇとを備えることも好ましい。このように予熱領域と圧縮領域とを設けるのは、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、原料粉末の温度を十分に上昇させ、溶射効率を改善するためである。上記予熱領域には加熱装置を設けてもよく、このことにより、原料粉末の温度低下を防止することができる。

図１及び図２に示した案面構造から理解できるように、本件発明に係るコールドスプレー用ノズルは、当該スロート部１ｃの少なくとも内周壁面がグラッシーカーボンで形成されていることを特徴とする。このスロート部において、最もアルミニウム粉末等の低融点金属粉末の閉塞が起きやすいからである。

ここで、「少なくとも内周壁部」と言っているのは、スロート部の外周部に金属、セラミック等の無機材質を用いて、その内周壁部のみを、グラッシーカーボンでライニングした状態とするものを含む意味で記載している。例えば、当該スロートの外周部を金属、セラミック等の無機材質で構成し、内周壁部にグラッシーカーボンを用い、両者を接合することによってスロート部を形成する等の手法を採用することが可能である。

そして、コールドスプレー用ノズルの構造から考えて、スロート部の次に閉塞を起こしやすいのが膨張部１ｄである。従って、この膨張部１ｄを、グラッシーカーボンで成形することによって、原料粉末の付着及びこれに起因するコールドスプレー用ノズルの閉塞を大幅に減少することができるようになる。

しかし、コールドスプレー用ノズルにおいては、その圧縮部１ｂでも金属粒子による閉塞を起こす場合もある。そこで、圧縮部１ｂの少なくとも内周壁面を、グラッシーカーボンで形成することで、原料粉末の付着及びこれに起因するコールドスプレー用ノズルの閉塞を大幅に減少することができるようになる。

以上のことから理解できるように、本件発明では、上述のように、少なくとも上記スロート部１ｃの内周壁面をグラッシーカーボンで形成する。従って、上記スロート部１ｃ以外の他の部分は、従来より用いられるステンレス鋼等で成形してもよい。しかし、好ましくは、他の部分も含めたコールドスプレー用ノズルの全体の、圧縮部１ｂ及び膨張部１ｄの少なくとも内周壁面も、グラッシーカーボンによって成形されていることが望ましい。コールドスプレー用ノズル全体の内周壁面に、グラッシーカーボン層が存在すると、スロート部１ｃだけでなく、膨張部１ｄ及び圧縮部１ｂにおいても、原料粉末の付着及びこれに起因するコールドスプレー用ノズルの閉塞を大幅に減少することができる。

従って、コールドスプレー用ノズル１の全体がグラッシーカーボンにより、一体成形体として製造されることが、コールドスプレー用ノズル品質としては、最も好ましいと言える。なお、グラッシーカーボンの単一素材で製造する方法は、特に限定されないが、微細加工を必要とすることを考えれば、ダイアモンドバイトを用いた切削加工を用いることが好ましい。

ここで、グラッシーカーボンとは、軽量で、耐熱性、耐薬品性に優れ、また高硬度、高強度の炭素材料であり、構造的に見れば、ベーサルプレーンとエッジプレーンとがランダムな状態になった構造を備えている。このグラッシーカーボンは、例えばフェノールホルムアルデヒド系樹脂、フラン系樹脂、キシレン系樹脂、メラミン系樹脂、アニリン系樹脂等の熱硬化性樹脂を原料として、これらを炭素化、さらには黒鉛化することにより得られ、その物理的特性又は化学的特性は、特に限定されない。

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、その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、該ノズルに上述のコールドスプレー用ノズルを用いることを特徴とする。

図３には、本件発明に係るコールドスプレー装置の概略図を示す。図３において、ガス供給手段は、圧縮ガスボンベ２、作動ガスライン３及び搬送ガスライン４で形成されている。作動ガスライン３及び搬送ガスライン４には、それぞれ圧力調整器５ａ、５ｂ、流量調節弁６ａ、６ｂ、流量計７ａ、７ｂ及び圧力ゲージ８ａ、８ｂが備えられ、圧縮ガスボンベ２からの作動ガス及び搬送ガスの圧力及び流量を調整している。

作動ガスライン３には、電力源９により加熱されるヒーター１０が配置され、作動ガスは、原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱された後、コールドスプレーガン１１中のチャンバー１２内に導入される。チャンバー１２には、圧力計１３と温度計１４が設置され、圧力及び温度を制御している。

一方、原料粉末供給手段は、原料粉末供給装置１５、これに付設される計量器１６及び原料粉末供給ライン１７により構成される。

圧縮ガスボンベ２からの搬送ガスは、搬送ガスライン４を通り、原料粉末供給装置１５に導入され、計量器１６により計量された所定量の原料粉末を原料粉末供給ライン１７を経て、チャンバー１２内に搬送する。

ここで用いられる原料粉末としては、金属、合金、金属間化合物等が挙げられるが、具体的にはアルミニウム、ニッケル、鉄、銀、クロム又はこれらの合金の粉末が例示されるが、特にアルミニウム粉末等の低融点金属粉末を使用する場合に好ましく用いられる。

搬送ガスによりチャンバー１２内に搬送された原料粉末は、上記作動ガスを用いて超音速流としてコールドスプレー用ノズル１先端より噴出され、固相状態又は固液共存状態で基材１８に衝突させて皮膜を形成する。

ここに用いられるコールドスプレー用ノズル１は、上述したように、先細で円錐状の圧縮部１ｂ、スロート部１ｃ、先広がりで円錐状の膨張部１ｄとを含み、少なくとも該スロート部１ｃの内周壁面が、グラッシーカーボンによって成形されている。

このため、上述したように、コールドスプレー操業時の原料粉末のコールドスプレー用ノズルのスロート部１ｃの内壁部への付着及びこれに起因するコールドスプレー用ノズルの閉塞を大幅に減少できる。以下、実施例に基づき本件発明を具体的に説明する。

この実施例では、図２に示すコールドスプレー用ノズルの圧縮部、スロート部、膨脹部のそれぞれを、図４に示すように連結可能な形態で、グラッシーカーボンを用いて製造し、これらを連結してコールドスプレー用ノズルとして用いた。このコールドスプレー用ノズルを用いて、図３に示した構成のコールドスプレー装置によりコールドスプレー操作を行った。コールドスプレー操業条件及び使用装置は、以下の表１の通りである。また、ここで用いたグラッシーカーボンは、かさ密度１．５１ｇ／ｃｍ^３、電気抵抗率４２μΩ・ｍ、曲げ強度１４７ＭＰａ、ショア硬度１２０の成形体であり、これを物理的に加工して、圧縮部、スロート部、膨脹部のそれぞれを調製した。

この実施例で用いたコールドスプレー用ノズルのサイズに関して、図４を参照して述べる。圧縮部は、内径２０ｍｍφの円筒状の予熱領域を設け、それに接続する長さ１５０ｍｍの円錐形状で、出口側の内径が２０ｍｍφで、圧縮部全体の長さが２００ｍｍとなるようにした。そして、スロート部は、圧縮部と膨張部との中間に位置しており、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のノズルを用いた。更に、膨張部は、長さ２５０ｍｍの円錐形状で、出口側の内径が２０ｍｍφとなるようにした。以上の、圧縮部、スロート部、膨脹部のそれぞれを、図４に示すように連結してコールドスプレー用ノズルとして用い、以下の表１に示す条件で、アルミニウム粉末のコールドスプレー操作を行った。なお、この表１に示す条件において、通常の作動ガス温度が３００℃〜４００℃であるのに対し、当該実施例では作動ガス温度を５００℃〜６００℃という高温条件を採用している。これらの試料を、表２にＥｘ１〜Ｅｘ３として示す。

この結果、高温作動ガス温度を採用しても、３０分間のスプレー操業後、コールドスプレー用ノズルの内壁部への原料粉末の付着、コールドスプレー用ノズルの閉塞は生じなかった。結果を、以下の比較例と対比可能なように表２に示す。

この実施例２では、実施例１の表１に示す原料粉末を、チタン粉末に変え、作動ガス温度を最高７００℃まで昇温して、実施例１と同様の操作で試料として、Ｅｘ４〜Ｅｘ６の試料を作成した。グラッシーカーボンを用いて製造したコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置に関しては、実施例１と同様の図３に示した構成の装置を用いた。その他の条件等は、実施例１と同様であるため、記載を省略する。

、以下の表１に示す条件で、チタン粉末のコールドスプレー操作を行った。なお、この表１に示す条件において、通常の作動ガス温度が４００℃〜５００℃であるのに対し、当該実施例２では作動ガス温度を６００℃〜７００℃という高温条件を採用している。これらの試料を、表３にＥｘ４〜Ｅｘ６として示す。

比較例

［比較例１］
この比較例１は、実施例１との対比を行うためのものである。実施例１で製造したと同様のコールドスプレー用ノズルを、従来より用いられているステンレス鋼を用いて製造した。このコールドスプレー用ノズルを用い、図３に示すコールドスプレー装置により、アルミニウム粉末のコールドスプレーを行った。この比較例での操業条件及び使用装置は、実施例と基本的に同様である。そして、表２に示すように高温の作動ガス温度で製造した試料をＣ１及びＣ２とし、通常の作動ガス温度である３００℃〜４００℃を採用した試料をＣ３及びＣ４とした。

この結果、比較試料であるＣ１〜Ｃ４全てにおいて、３分〜５分後にコールドスプレー用ノズルの膨張部の内壁面に原料粉末の付着が始まり、４分〜６分後には、コールドスプレー用ノズルが閉塞した。従って、溶射効率の測定は出来なかった。これらの結果を、実施例１の結果と対比可能なように表２に示す。

［比較例２］
この比較例２は、実施例２との対比を行うためのものである。実施例１で製造したと同様のコールドスプレー用ノズルを、従来より用いられているステンレス鋼を用いて製造した。このコールドスプレー用ノズルを用い、図３に示すコールドスプレー装置により、チタン粉末のコールドスプレーを行った。この比較例での操業条件及び使用装置は、実施例と基本的に同様である。そして、表３に示すように、高温の作動ガス温度で製造した試料をＣ５及びＣ６とし、通常の作動ガス温度である４００℃〜５００℃を採用した試料をＣ７及びＣ８とした。

この結果、比較試料であるＣ５〜Ｃ８の全てにおいて、４分〜６分後には、コールドスプレー用ノズルが閉塞した。従って、溶射効率の測定は出来なかった。これらの結果を、実施例１の結果と対比可能なように表３に示す。

［実施例と比較例との対比］
実施例１と比較例１との対比： ここでは、上記表２を参照して、実施例１と比較例１との対比を行う。最初に、ノズル摩耗の観点から見ると、比較例１の場合は、スプレー操作開始の後、５分〜６分でスロート部に閉塞が生じるため、ノズル摩耗の測定は出来ないのが実状である。これに対し、実施例１の場合には、スプレー操作を長時間続けてもノズル摩耗が殆ど測定されないという結果が得られている。従って、コールドスプレー用ノズルの内周壁面をグラッシーカーボンで構成すると、当該原料粉末の衝突による摩耗が極度に少なく、長寿命のコールドスプレー用ノズルが得られることが理解できる。

この比較例１では、ステンレス鋼でコールドスプレー用ノズルを製造している。このステンレス鋼は、３００℃〜３５０℃の温度範囲では、顕著な軟化を示さない金属系の硬質材料であり、耐摩耗特性に優れていると考えられる。しかし、実施例１の場合には、熱硬化性樹脂を炭素化、さらには黒鉛化した炭素質系の硬質材料であるグラッシーカーボンによってコールドスプレー用ノズルを製造している。このことから、コールドスプレー用ノズルを、金属系の硬質材料ではなく、炭素質系の硬質材料で製造し、ここで言う軟質金属の溶射温度領域で使用しても、ノズル摩耗がほとんど無いことが分かる。

そして、実施例１と比較例１とのノズル閉塞の状況を対比する。図５には、実施例１において、スプレー時間として３０分が経過したときのスロート部の状態を示している。この図５から明らかなように、スロート部は全く閉塞していない。これに対し、比較例１の場合には、スプレー時間として６分が経過した後にはスロート部が、図６に示すように、原料粉末であるアルミニウム粉末で明らかに閉塞していることが分かる。比較例１のステンレス鋼を用いて形成したコールドスプレー用ノズルの場合には、低温でも粒子の付着現象が顕著に表れる。まして、高温の作動ガス温度を採用すると、５分〜６分でスロート部で閉塞を起こし、コールドスプレー操作が不可能になる。これに対し、実施例１の場合には、そのコールドスプレー用ノズルの内周壁面が、炭素質の硬質材料であるグラッシーカーボンによって形成されており、コールドスプレー操作途中でのノズル閉塞が起こりにくくなっていることが理解できる。従って、コールドスプレー用ノズルの内周壁面をグラッシーカーボンで構成すると、軟質金属材であるアルミニウム粉末の閉塞が無くなり、長時間のコールドスプレー操作可能なコールドスプレー用ノズルの提供が可能になる。

実施例２と比較例２との対比： ここでは、上記表３を参照して、実施例２と比較例２との対比を行う。ノズル摩耗の観点から見ると、比較例２においても、スプレー操作開始の後、４分〜６分でスロート部に閉塞が生じるため、ノズル摩耗の測定は出来ないのが実状である。これに対し、実施例２のように硬質のチタン粉末を用いてスプレー操作を長時間続けても、ノズル摩耗が殆ど無いという結果が得られている。従って、チタン粉末のような硬質金属粒子を用いたコールドスプレー操作においても、コールドスプレー用ノズルの内周壁面をグラッシーカーボンで構成すると、当該原料粉末の衝突による摩耗が極度に少なく、長寿命のコールドスプレー用ノズルとして機能することが理解できる。

この比較例２では、ステンレス鋼でコールドスプレー用ノズルを製造している。このステンレス鋼は、高温特性に優れた材料であり、３００℃〜７００℃の温度範囲では、顕著な軟化を示さない金属系の硬質材料であり、耐摩耗特性に優れていると考えられる。これに対し、実施例２の場合には、熱硬化性樹脂を炭素化、さらには黒鉛化した炭素質系の硬質材料であるグラッシーカーボンによってコールドスプレー用ノズルを製造している。このことから、コールドスプレー用ノズルを、金属系の硬質材料ではなく、炭素質系の硬質材料で製造し、アルミニウム粉末以上の硬質のチタン粉末を用いた溶射温度領域で使用しても、ノズル摩耗がほとんど無いことが分かる。

そして、実施例２と比較例２とのノズル閉塞の状況を対比する。この閉塞状況を図面で示すことは行っていないが、図５には、実施例において、スプレー時間として３０分が経過したときのスロート部の状態を示している。この実施例１の図５と、比較例１の図６との対比から理解できる原料粉末の閉塞状況と同様である。この比較例２のステンレス鋼を用いて形成したコールドスプレー用ノズルの場合には、高温領域では内周壁面に衝突したチタン粒子が付着しやすく、低温領域ではスロート部での粒子の目詰まりが顕著に表れる。このようなスロート部での閉塞現象は、スプレー操作の開始後、４分〜６分で発生し、コールドスプレー操作が不可能になる。これに対し、実施例２の場合には、そのコールドスプレー用ノズルの内周壁面が、炭素質の硬質材料であるグラッシーカーボンによって形成されているため、その内壁面に対し衝突するチタン粒子の付着現象も起こりにくくなる。その結果、実施例２の場合には、３０分間の連続したコールドスプレー操作でも、全くノズル閉塞が発生しない。

本件発明に係るコールドスプレー用ノズル及び該コールドスプレー用ノズルを用いたコールドスプレー装置により、コールドスプレー操業時の原料粉末がアルミニウム粉末のような低融点軟質金属粉末でも、チタン粉末のような高融点金属粉末であっても、コールドスプレー時に、これらの金属粉末のコールドスプレー用ノズルの内周壁面への付着を効果的に防止し、これに起因するコールドスプレー用ノズルの閉塞を飛躍的に減少できた。この結果、コールドスプレー用ノズルの長寿命化が達成できる。従って、コールドスプレー用ノズルの頻繁な交換が不要となり、コールドスプレー技術の実用化にとって極めて有用技術である。

本件発明に係るコールドスプレー用ノズルの一実施形態を示す概略断面図である。 本件発明に係るコールドスプレー用ノズルの一実施形態を示す概略断面図である。 本件発明に係るコールドスプレー装置の概略図である。 圧縮部、スロート部、膨脹部のそれぞれを連結可能な形態で製造し、これらを連結してコールドスプレー用ノズルとした状態を示す断面模式図である。 スプレー時間として３０分後のスロート部の状態を示す観察写真である（実施例）。 スプレー時間として６分後のスロート部の閉塞状態を示す観察写真である（比較例）。

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
矢線 原料粉末の流れ

Claims (5)

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、
   当該スロート部は、少なくとも内周壁面がグラッシーカーボンで形成されていることを特徴とするコールドスプレー用ノズル。
2. 前記膨張部は、少なくとも内周壁面がグラッシーカーボンで形成されている請求項１に記載のコールドスプレー用ノズル。
3. 前記圧縮部は、少なくとも内周壁面がグラッシーカーボンで形成されている請求項１又は請求項２に記載のコールドスプレー用ノズル。
4. 上記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ノズル。
5. 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、その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４のいずれかに記載のコールドスプレー用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。