JP2010121196A - コールドスプレー装置及びコールドスプレー方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末速度計測装置を用いて実際に材料粉末の噴射速度を測定することなく施工条件を判定することが可能な、コールドスプレー装置及びコールドスプレー方法を提供する。
【解決手段】材料粉末Ａをノズルから作動ガスＧと共に所定の施工条件で噴射して基材Ｂ上に付着させるコールドスプレー装置１であって、ノズル内の作動ガスＧの流れ場を上記施工条件に基づいて解析して材料粉末Ａの噴射速度を推定することで、ノズルから噴射される材料粉末Ａを基材Ｂ上に付着させることが可能か否かを判定する施工条件判定システム１００を有するという構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コールドスプレー装置及びコールドスプレー方法に関するものである。

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方法は、材料粉末を作動ガスと共にノズルから所定速度（音速〜超音速程度の高速度）で噴射し、固相状態のまま基材に衝突・付着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、セラミックス等が用いられる。また、作動ガスとしては、空気、窒素、ヘリウム等が用いられ、この作動ガスをノズルに供給する際は、作動ガスの温度は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方法では、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等に比べて、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。
このようなコールドスプレー方法及びこのコールドスプレー方法を実施するコールドスプレー装置としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されるものが知られている。
特開２００６−５２４４９号公報 特開２００８−９３６３５号公報

ところで、コールドスプレー方法を用いて、ノズルから噴射される材料粉末を基材上に付着させる付着臨界条件としては、材料粉末の噴射速度がその重要な因子となることが知られている。このことから従来、コールドスプレー方法を用いて基材上に被膜を形成する施工が可能か否かを判定するに際しては、材料粉末の噴射速度に基づいてその施工条件を判定しており、このような材料粉末の噴射速度は、粉末速度測定装置を用いて実際に測定してその判定を行っていた。
しかしながら、材料粉末の噴射速度を測定する粉末速度測定装置は、高価でありコスト高になるという問題がある。また、材料粉末の種類と基材の種類との組合せにより、付着臨界条件は変化することから、その都度粉末速度測定装置を用いて材料粉末の噴射速度を測定しなければならず、施工に移行するまでに時間が掛かるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、粉末速度計測装置を用いて実際に材料粉末の噴射速度を測定することなく施工条件を判定することが可能な、コールドスプレー装置及びコールドスプレー方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、材料粉末をノズルから作動ガスと共に所定の施工条件で噴射して基材上に付着させるコールドスプレー装置であって、上記ノズル内の上記作動ガスの流れ場を上記施工条件に基づいて解析して上記材料粉末の噴射速度を推定することで、上記ノズルから噴射される上記材料粉末を上記基材上に付着させることが可能か否かを判定する施工条件判定システムを有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、所定の施工条件の下、ノズル内の作動ガスの流れ場を解析することによって、その流れ場において材料粉末に作用する力を算出して、材料粉末の噴射速度を推定することが可能となる。

また、本発明では、上記施工条件判定システムは、上記ノズルに供給する上記作動ガスのガス圧力と、上記ノズルに供給する上記作動ガスのガス温度と、上記ノズルに供給する上記作動ガスのガス種類と、上記ノズルの形状とに基づいて、上記解析を行うという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、ノズル内の作動ガスの流れ場の形成に影響をもたらす、作動ガスのガス圧力、ガス温度、ガス種類、及びノズルの形状に基づいて解析を行う。

また、本発明では、上記ノズルには、上記ノズルの長さ方向の温度分布を計測するための複数の温度センサが設けられており、上記施工条件判定システムは、上記解析により推定される上記ノズルの長さ方向の温度分布と、上記温度センサにより計測される上記温度分布との差が、所定の許容値の範囲内に収まる場合に、施工可能と判定するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、解析により推定されるノズルの長さ方向の温度分布と、実測したノズルの長さ方向の温度分布との差が、所定の許容値の範囲内、つまり、解析結果と実測結果とのノズルの温度分布を比較することにより、解析が実際の流れ場を適切に再現している場合に、施工可能とする判定が行われる。

また、本発明では、上記施工条件判定システムは、上記解析により推定される上記ノズルの噴射口の作動ガス温度と、上記基材の種類に応じて設定される施工可能な基材臨界温度とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、解析により推定されるノズルの噴射口の作動ガス温度と、基材の種類に応じて設定される施工可能な基材臨界温度とに基づいて、施工条件の判定が行われる。

また、本発明では、上記施工条件判定システムは、上記解析により推定される上記ノズル内の第２作動ガス温度と、上記材料粉末の種類に応じて設定される施工可能な材料粉末臨界温度とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、解析により推定されるノズル内の第２作動ガス温度と、材料粉末の種類に応じて設定される施工可能な材料粉末臨界温度とに基づいて、施工条件の判定が行われる。

また、本発明では、上記施工条件判定システムは、上記解析結果と上記材料粉末の粒子径とに基づいて推定される上記噴射速度と、上記基材の種類と上記材料粉末の種類との組合せによって設定される施工可能な臨界噴射速度とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、解析結果と材料粉末の粒子径とに基づいて推定される噴射速度と、基材の種類と材料粉末の種類との組合せによって設定される施工可能な臨界噴射速度とに基づいて、施工条件の判定が行われる。

また、本発明では、上記施工条件判定システムは、上記材料粉末のうち異なる粒子径を複数選択し、選択した複数の上記材料粉末の粒子径毎に上記噴射速度を複数推定して、複数の上記噴射速度と上記臨界噴射速度とに基づいて、上記材料粉末が上記基材上に付着する歩留まり率を推定し、推定した上記歩留まり率と、所定の歩留まり率とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、材料粉末のうち異なる粒子径を複数選択し、選択した複数の材料粉末の粒子径毎に噴射速度を複数推定して、複数の噴射速度と臨界噴射速度とに基づいて、材料粉末が基材上に付着する歩留まり率を推定し、推定した歩留まり率と、所定の歩留まり率とに基づいて、施工条件の判定が行われる。

また、本発明では、上記施工条件判定システムは、上記判定の結果が施工不可である場合に、上記ノズルに供給する上記作動ガスのガス圧力と、上記ノズルに供給する上記作動ガスのガス温度と、上記ノズルに供給する上記作動ガスのガス種類と、上記ノズルの形状と、上記材料粉末の粒子径とのうち少なくともいずれか一つのパラメータを調整するように指示するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、判定の結果が施工不可である場合に、材料粉末の噴射速度に影響をもたらす、作動ガスのガス圧力、ガス温度、ガス種類、ノズルの形状、及び材料粉末の粒子径のパラメータを調整するように指示することで、施工条件を変化させて施工可能に導くことができる。

また、本発明では、材料粉末をノズルから作動ガスと共に所定の施工条件で噴射して基材上に付着させるコールドスプレー方法であって、上記ノズル内の上記作動ガスの流れ場を上記施工条件に基づいて解析して上記材料粉末の噴射速度を推定することで、上記ノズルから噴射される上記材料粉末を上記基材上に付着させることが可能か否かを判定する施工条件判定工程を有するという構成を採用する。

本発明によれば、材料粉末をノズルから作動ガスと共に所定の施工条件で噴射して基材上に付着させるコールドスプレー装置であって、上記ノズル内の上記作動ガスの流れ場を上記施工条件に基づいて解析して上記材料粉末の噴射速度を推定することで、上記ノズルから噴射される上記材料粉末を上記基材上に付着させることが可能か否かを判定する施工条件判定システムを有するという構成を採用することによって、所定の施工条件の下、ノズル内の作動ガスの流れ場を解析することで、その流れ場において材料粉末に作用する力を算出して、材料粉末の噴射速度を推定することが可能となる。すなわち、推定した材料粉末の噴射速度に基づいて施工条件を判定することで、実際に粉末速度計測装置を用いて噴射速度を測定することなく、施工可能か否かの判定することができる。
したがって、本発明は、粉末速度計測装置を用いることと比べて、低コスト化及び施工に移行する時間の短縮化を図ることができるコールドスプレー装置を提供することができる効果がある。

以下、本発明に係るコールドスプレー装置及び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。
図３は、本実施形態に係る施工条件判定システム１００の概略構成を示すブロック図である。
コールドスプレー装置１は、コールドスプレー方法を用いて基材Ｂの表面上に保護層Ｒを形成するものであり、材料粉末Ａをスプレーする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と、スプレーガン１１（より詳しくはノズル１１Ｎ）から噴射される材料粉末Ａを基材Ｂ上に付着させることが可能か否かを判定する施工条件判定システム１００から概略構成される。

コールドスプレー部１０は、材料粉末Ａを所定速度（例えば、音速〜超音速）で基材Ｂの表面に固相状態で衝突させて保護層Ｒを形成するための装置であって、図２に示すように、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、ノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布を計測する複数の温度センサ１５を概略備えている。

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の先端部（噴射口１１Ｎ１）から噴出される。
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。

ノズル１１Ｎは、スプレーガン１１に対して取り外し／取り付け自在な構成となっており、いわゆる段付きノズルやストレートノズル等を採用することができる。本実施形態のノズル１１Ｎは、図２に示すようにストレートノズルを採用している。
温度センサ１５は、ノズル１１Ｎの長さ方向において所定距離離間して複数その外壁に接続されており、接続された位置のノズル１１Ｎの温度を検出すると共に、その検出結果を施工条件判定システム１００に出力する構成となっている。温度センサ１５としては、熱電対が好適に用いられる。

図１に戻り、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。

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。

施工条件判定システム１００は、ノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場を所定の施工条件に基づいて解析して材料粉末Ａの噴射速度を推定することで、ノズル１１Ｎから噴射される材料粉末Ａを基材Ｂ上に付着させることが可能か否かを判定するものであり、図３に示すように、判定結果を出力する表示部１０１と、所定の施工条件を入力する操作部１０２と、解析や判定に用いられる所定の情報を記憶する記憶部１０３と、表示部１０１、操作部１０２、記憶部１０３及び複数の温度センサ１５と電気的に接続されて所定の演算を行い、流れ場の解析と施工条件の判定とを概略行う演算部１０４とを備える構成となっている。

表示部１０１は、ディスプレイ等から構成されており、演算部１０４の制御の下に所定の情報を表示することによって、例えばユーザに施工条件の判定結果を通知させ、また、施工条件のパラメータの調整を指示するマンマシンインタフェースとして機能する。
操作部１０２は、ハードウエアキーとして物理的に備えられたキーボードやマウス等から構成されており、例えば施工条件のパラメータの入力に用いられる構成となっている。

記憶部１０３は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶媒体を有しており、その記憶媒体に予め、解析データ、基材データ、材料粉末データ、臨界噴射速度データ等が記憶されている。
解析データは、本実施形態におけるノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場の熱流体解析を行うＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）ソフトに関する情報、例えば、ノズル１１Ｎ内の流れ場のメッシュ情報や、作動ガスＧのガス圧力、ガス温度、ガス種類及びノズル１１Ｎの形状をパラメータとし、これらパラメータに基づいてノズル１１Ｎ内の流れ場を解析する演算式の情報等から構成される。また、この解析結果と材料粉末Ａの粒子径とに基づいて材料粉末Ａの噴射速度を推定する演算式の情報等を有している。なお、これら演算式は、実験等によって予め求められるものである。

基材データは、基材Ｂの種類に応じて設定される施工可能な基材臨界温度（以下、Ｔcrit,sの符号で示すことがある）に関する情報から構成される。記憶されている基材Ｂの種類としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ合金、ステンレス鋼、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｎｉ合金、タングステン・カーバイド（ＷＣ−Ｃo）等が挙げられ、この種類に応じた基材臨界温度がそれぞれ記憶されている。なお、基材臨界温度とは、コールドスプレー方法において基材Ｂが許容できる上限の温度であり、例えば、所定温度の作動ガスＧの噴き付けによって基材Ｂに材質変化、熱変形や溶融等が生じない臨界温度（例えば、基材ＢがＡｌの場合、基材臨界温度は３００℃程度）に設定される。

材料粉末データは、材料粉末Ａの種類に応じて設定される施工可能な材料粉末臨界温度（以下、Ｔcrit,pの符号で示すことがある）に関する情報から構成される。記憶されている材料粉末Ａの種類としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ合金、ステンレス鋼、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｎｉ合金、タングステン・カーバイド（ＷＣ−Ｃo）等が挙げられ、この種類に応じた材料粉末臨界温度がそれぞれ記憶されている。なお、材料粉末臨界温度とは、コールドスプレー方法において材料粉末Ａが許容できる上限の温度であり、例えば、所定温度の作動ガスＧによって材料粉末Ａが材質変化、熱変形や溶融等しない臨界温度（例えば、材料粉末ＡがＡｌの場合、材料粉末臨界温度は３００℃程度）に設定される。

臨界噴射速度データは、基材Ｂの種類と材料粉末Ａの種類との組合せによって設定される施工可能な臨界噴射速度（以下、Ｖcritの符号で示すことがある）に関する情報から構成される。この臨界噴射速度データは、基材Ｂの種類と材料粉末Ａの種類とで臨界噴射速度が決定されるデータテーブル形式となっており、例えば、Ａｌの基材Ｂに対し、Ａｌの材料粉末Ａを選択した場合の臨界噴射速度、あるいはＡｌの基材Ｂに対し、Ｎｉの材料粉末Ａを選択した場合の臨界噴射速度等がこのデータテーブルと照合することで導出される。なお、臨界噴射速度とは、所定の基材Ｂに対し、所定の材料粉末Ａが付着・堆積する臨界の噴射速度であり、例えば、基材ＢがＡｌ、材料粉末ＡがＡｌの場合、臨界噴射速度は４００ｍ／ｓ程度に設定される。

演算部１０４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子部品、並びに表示部１０１、操作部１０２、記憶部１０３、温度センサ１５との間で電気信号の授受を行う各種入出力インターフェース回路等から構成されている。この演算部１０４は、以下に説明する施工条件判定システム１００のフローチャートに沿って所望の演算や、各構成機器の制御を行う構成となっている。

続いて、上記構成の施工条件判定システム１００の施工条件判定の動作（施工条件判定工程）を図４〜図８を参照して説明する。なお、以下の説明では、基材ＢとしてＡｌを選択し、材料粉末Ａとして同じくＡｌを選択した場合の施工条件の判定の例に沿って説明する。
図４は、本実施形態に係る施工条件判定システム１００の動作を説明するフローチャートである。
図５は、本実施形態に係る施工条件判定システム１００の動作を説明するフローチャートである。
図６は、本実施形態に係るノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布の解析結果と実測結果とを示す図である。
図７は、本実施形態に係る材料粉末Ａの粒度分布を示す図である。
図８は、本実施形態に係る材料粉末Ａの代表粒径毎の噴射速度の算出結果を示す図である。

図４に示すように、先ず、ユーザは、ＣＦＤによるノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場の解析に係るパラメータ（第１パラメータ）である、ガス圧力、ガス温度、ガス種類、及びノズル形状を、操作部１０２を操作して施工条件判定システム１００に入力する（ステップＳ１）。
本実施形態では、例えば、ガス圧力は０．６ＭＰａ、ガス温度は４００℃、ガス種類は空気（圧縮空気）、ノズル形状は長さ１２０ｍｍのストレートノズル、と入力する。

次に、演算部１０４は、入力された第１パラメータと記憶部１０３の解析データとに基づいて、ノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場を解析する（ステップＳ２）。ここで、上記解析により、図６に示すような、縦軸に温度、横軸にノズル長さが設定されるグラフにより、ノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布が算出・推定される。
また、上記第１パラメータに基づいて、図２に示すコールドスプレー部１０を動作させる。具体的には、ガス加熱器１３及び不図示のガス供給部を駆動させ、１２０ｍｍのストレートノズルのノズル１１Ｎに作動ガスＧ（圧力が０．６ＭＰａ、温度が４００℃の圧縮空気）を供給する。そして、複数の温度センサ１５は、作動ガスＧが供給されたノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布を実測して検出すると共に、この実測結果を演算部１０４に出力する。

次に、演算部１０４は、解析により推定されるノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布と、複数の温度センサ１５により実測されるノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布とに基づいて、施工条件を判定する（ステップＳ３）。より詳しくは、図６に示すノズル１１Ｎの温度分布の解析結果と実測結果との差が所定の許容値の範囲内にあるか否かを判断することで、施工条件を判定する。すなわち、ここでは、ノズル１１Ｎの温度分布を指標として解析結果と実測結果とを比較することによって、解析により現実のノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場が適切に再現されているかを判定する。

なお、本実施形態の当該所定の許容値は、解析結果と実測結果との差分の温度（ΔＴｎ）がΔＴｎ＜４０Ｋ（ケルビン）で示される範囲内にあるときに解析が適当になされていると経験則から判断できるため、４０Ｋに設定されている。すなわち、ΔＴｎ＜４０Ｋであれば、解析が現実のノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場を適切に再現されていると判断し、次のステップＳ４に移行する。一方、ΔＴｎ≧４０Ｋであれば、解析が現実のノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場を適切に再現しておらず、施工条件の判定の信用性が低下することから、演算部１０４は、表示部１０１にエラー表示（すなわち施工不可）を表示させた後（ステップＳ３１）、動作を終了させる。
なお、ΔＴｎ≧４０Ｋである場合は、記憶部１０３に記憶されている解析データを修正するとともに再検討し、再び解析を行うこととなる。

ΔＴｎ＜４０Ｋである場合、演算部１０４は、上記解析により推定される噴射口１１Ｎ１の作動ガス温度である噴射口ガス温度（Ｔg out）を算出すると共に、上記解析により推定されるノズル１１Ｎ内の作動ガス温度（第２作動ガス温度）であるノズル内ガス温度（Ｔg in）を算出する（ステップＳ４）。
なお、噴射口ガス温度は、上記解析により算出される基材Ｂに衝突する作動ガス温度のこと（つまり、噴射口１１Ｎ１近傍の作動ガス温度）であり、本実施形態では図６に示す解析結果より（すなわち、ノズル長さ０．１３ｍの位置の）２００℃となる。
また、ノズル内ガス温度は、上記解析により算出されるノズル１１Ｎ内の作動ガス温度（より詳しくは、ノズル１１Ｎ内において最も温度が高い温度）のことであり、本実施形態では図６に示す解析結果より（すなわち、ノズル長さの２／３の位置である０．０８ｍの位置の）２８０℃となる。

次に、演算部１０４は、入力された第２パラメータである基材Ｂの種類と記憶部１０３の基材データとに基づいて、基材臨界温度（Ｔcrit,s）を導出する。また、入力された第２パラメータである材料粉末Ａの種類と記憶部１０３の材料粉末データとに基づいて、材料粉末臨界温度（Ｔcrit,p）を導出する（ステップＳ５）。
本実施形態では、基材Ｂは、Ａｌを選択しているため、基材臨界温度は３００℃となる。また、材料粉末Ａは、Ａｌを選択しているため、材料粉末臨界速度は３００℃となる。

そして、演算部１０４は、算出した噴射口ガス温度と導出した基材臨界温度とに基づいて、施工条件を判定する（ステップＳ６）。すなわち、ここでは、噴射ガス温度を推定することによって噴射される作動ガスＧが基材Ｂに材質変化、熱変形や溶融等の影響を及ぼすか否かに基づいて、施工条件の判定が行われる。
より詳しくは、噴射口ガス温度と基材臨界温度との関係が、Ｔg out≦Ｔcrit,sで示される場合は、施工可能であるとして次のステップＳ７に移行し、一方、当該関係が、Ｔg out＞Ｔcrit,sで示される場合は、施工不可であるとしてステップＳ１００に移行する。

ステップＳ１００では、演算部１０４は、表示部１０１に施工不可表示をさせて、ユーザに判定結果を通知させると共に、入力したパラメータを調整するように指示する。ここでは、演算部１０４は、ステップＳ１に戻り、第１パラメータのうち、例えば、ガス温度のパラメータを調整するように指示することとなる。

Ｔg out≦Ｔcrit,sである場合、次に演算部１０４は、算出したノズル内ガス温度と導出した材料粉末臨界温度とに基づいて、施工条件を判定する（ステップＳ７）。すなわち、ここでは、ノズル内ガス温度を推定することによってノズル１１Ｎ内において材料粉末Ａに材質変化、熱変形や溶融等の影響を及ぼすか否かに基づいて、施工条件の判定が行われる。
より詳しくは、ノズル内ガス温度と材料粉末臨界温度との関係が、Ｔg in≦Ｔcrit,pで示される場合は、施工可能であるとして次のステップＳ８に移行し、一方、当該関係が、Ｔg in＞Ｔcrit,pで示される場合は、施工不可であるとしてステップＳ１００に移行する。

Ｔg in≦Ｔcrit,pである場合、ユーザは、噴射速度の算出に係るパラメータ（第３パラメータ）である材料粉末Ａの粒度分布を、施工条件判定システム１００に入力する（ステップＳ８、図５参照）。材料粉末Ａの粒度分布は、例えば、図７に示す縦軸に累積度数、横軸に粒子径が設定されるグラフにて示される。材料粉末Ａは、購入時に何マイクロメートル（μｍ）以下と指定でき、本実施形態では７５μｍ以下と指定している。

次に、演算部１０４は、入力された第３パラメータと解析結果とに基づいて、ノズル１噴射速度（Ｖp）を算出する（ステップＳ９）。
噴射速度は、材料粉末Ａの粒子径に基づいて算出される（後述）が、図７に示すように、市販の材料粉末Ａにおいては、異なる粒子径のものが混在している。したがって、ここでは、材料粉末Ａの噴射速度をより正確に推定するため、当該異なる粒子径を複数選択して、その選択した材料粉末Ａの粒子径毎に噴射速度を算出する。具体的には、上記購入時に指定した粒子径（７５μｍ）をｄ_４とし、図７に示すように、累積度数２５％、５０％、７５％の粒子径ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を噴射速度の算出のための代表値とする。すなわち、５μｍの粒子径ｄ_１、２０μｍの粒子径ｄ_２、５０μｍの粒子径ｄ_３を代表値とする。

次に、演算部１０４は、代表値である粒子径ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を有する材料粉末Ａを、解析したノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場中に投入することで、噴射速度を推定・算出する。
噴射速度の推定には、先ず、作動ガスＧの流れ場中に投入された材料粉末Ａに作用する力を求める。作用する力は、材料粉末Ａを所定の粒子径を有する球体であるとモデル化して、球体に対して作用する力（抗力）の演算式（実験等によって予め求められ、記憶部１０３に記憶されているもの）を用いて算出する。そして、投入された材料粉末Ａが、解析において噴射口１１Ｎ１に向かって移動するたびに、順次、その位置の作動ガスＧの流れ場によって作用する力を算出して、材料粉末Ａを進めていき、噴射速度を推定することとなる。
噴射速度（Ｖp）の結果は、例えば、図８に示すように、粒子径ｄ_１の材料粉末Ａの噴射速度（平均）は４５８ｍ／ｓと、粒子径ｄ_２の材料粉末Ａの噴射速度（平均）は４４８ｍ／ｓと、粒子径ｄ_３の材料粉末Ａの噴射速度（平均）は３２６ｍ／ｓと算出される。

次に、演算部１０４は、基材Ｂの種類と材料粉末Ａの種類との組合せによって設定される臨界噴射速度（Ｖcrit）を、記憶部１０３に記憶された臨界噴射速度データから導出する（ステップＳ１０）。本実施形態の場合、基材ＢがＡｌ、材料粉末ＡがＡｌであるため、臨界噴射速度は４００ｍ／ｓとなる。
そして、演算部１０４は、算出した噴射速度と導出した臨界噴射速度とに基づいて、施工条件を判定する（ステップＳ１１）。すなわち、ここでは、噴射速度と臨界噴射速度を比較することによって、噴射された材料粉末Ａが基材Ｂ上に付着・堆積することが可能か否かに基づいて、施工条件の判定が行われる。
より詳しくは、複数算出される噴射速度と臨界噴射速度との関係が一つでも、Ｖp≧Ｖcritで示される場合は、施工可能であるとして次のステップＳ１２に移行し、一方、全ての当該関係が、Ｖp＜Ｖcritで示される場合は、施工不可であるとしてステップＳ１００に移行する。

本実施形態では、臨界噴射速度が４００ｍ／ｓであるため、図８に示すように粒子径ｄ_１の材料粉末Ａ及び粒子径ｄ_２の材料粉末Ａは基材Ｂ上に付着・堆積し、粒子径ｄ_３の材料粉末Ａは基材Ｂ上に付着・堆積することができないことがわかる。すなわち、粒度分布でいえば、累積度数５０％程度までの材料粉末Ａは、基材Ｂ上に付着することとなる。
次に、演算部１０４は、算出した複数の噴射速度と導出した臨界噴射速度に基づいて、材料粉末Ａが基材Ｂ上に付着する歩留まり率（ｙ％）を算出する（ステップＳ１２）。
ここで歩留まり率とは、供給する材料粉末Ａの量（個数）に対して、基材Ｂ上にどれだけの材料粉末Ａの量が付着・堆積するかを示すものである。

概略的な歩留まり率（ｙ％）を算出するために、以下の式（１）、（２）、（３）を用いる場合もある（ｎ＝１、２、３）。
ｙ＝｛Σｄ_ｎ×ｉ（ｄ_ｎ）／（ｄ_１ ^３＋ｄ_２ ^３＋ｄ_３ ^３＋ｄ_４ ^３）｝×１００ …（１）
ｉ（ｄ_ｎ）＝１ （ｆ（ｄ_ｎ）＝Ｖp≧Ｖcrit） …（２）
ｉ（ｄ_ｎ）＝０ （ｆ（ｄ_ｎ）＝Ｖp＜Ｖcrit） …（３）
すなわち、材料粉末Ａの粒子径（ｄ_ｎ）から所定の関係式（ｆ（ｄ_ｎ））で算出される噴射速度（Ｖp）が臨界噴射速度（Ｖcrit）以上ならばｉ（ｄ_ｎ）＝１となり、当該粒子径の三乗が分子に積算され、一方、算出される噴射速度（Ｖp）が臨界噴射速度（Ｖcrit）より小さいならばｉ（ｄ_ｎ）＝０となることで、歩留まり率（ｙ％）が算出される。
本実施形態では、歩留まり率は、ｙ＝２．５％となる。また、パラメータを調整して、例えば、材料粉末Ａの粒子径ｄ_３でｆ（ｄ_ｎ）＝Ｖp≧Ｖcritの場合であれば、４１％の歩留まり率と算出される。

次に、演算部１０４は、算出した歩留まり率と所定の歩留まり率とに基づいて、施工条件を判定する（ステップＳ１３）。すなわち、ここでは、算出した歩留まり率とユーザが予め設定する所定の歩留まり率（例えば、５０％や８０％等）とを比較することによって、施工条件の判定が行われる。
より詳しくは、算出した歩留まり率（ｙ％）と所定の歩留まり率（Ｙ％）との関係が、ｙ≧Ｙで示される場合は、理想的に施工可能であるとして次のステップＳ１４に移行し、一方、当該関係が、ｙ＜Ｔで示される場合は、施工不可であるとしてステップＳ１００に移行する。

ここで、算出した歩留まり率が所定の歩留まり率より悪い（低い）場合には、コストの面から考慮して第１パラメータのガス温度を上げることが行われる。ここで、例えば、演算部１０４は、噴射口ガス温度（Ｔg out）及びノズル内ガス温度（Ｔg in）のいずれか一方が臨界の温度に至るまで温度を上昇させるような指示を表示部１０１に表示させる。
上記指示によっても、歩留まり率が改善されない場合は、演算部１０４は、次にコスト安のガス圧力を上げるような指示を表示部１０１に表示させる。
ガス温度、ガス圧力の調整によっても、歩留まり率が改善されない場合は、演算部１０４は、最終的には他のパラメータであるガス種類（ガス種類の分子量が小さいと材料粉末Ａの加速性が向上するため、例えば、空気からヘリウム等への変更）、材料粉末Ａの粒子径（購入時の材料粉末Ａの粒子径を小さいものへ変更）あるいは、ノズル１１Ｎの形状を調整するような指示を表示部１０１に表示させる。

ｙ≧Ｙである場合、演算部１０４は、表示部１０１に施工可能表示をさせ、ユーザに施工条件の判定結果を通知させる（ステップＳ１４）。
そして、ユーザは、当該判定結果に基づいた所望の施工条件の下でコールドスプレー装置１を用いてコールドスプレー方法を実施することとなる。

したがって、上述した本実施形態では、材料粉末Ａをノズル１１Ｎから作動ガスＧと共に所定の施工条件で噴射して基材Ｂ上に付着させるコールドスプレー装置１であって、ノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場を上記施工条件に基づいて解析して材料粉末Ａの噴射速度を推定することで、ノズル１１Ｎから噴射される材料粉末Ａを基材Ｂ上に付着させることが可能か否かを判定する施工条件判定システム１００を有するという構成を採用することによって、所定の施工条件の下、ノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場を解析することで、その流れ場において材料粉末Ａに作用する力を算出して、材料粉末Ａの噴射速度を推定することが可能となる。すなわち、推定した材料粉末Ａの噴射速度に基づいて施工条件を判定することで、実際に粉末速度計測装置を用いて噴射速度を測定することなく、施工可能か否かを判定することができる。また、材料粉末Ａを実際に噴射する必要が無くなるためコスト安を図ることができる。
したがって、本実施形態では、粉末速度計測装置を用いることと比べて、低コスト化及び施工に移行する時間の短縮化を図ることができるコールドスプレー装置１を提供することができる効果がある。

また、本実施形態では、施工条件判定システム１００は、ノズル１１Ｎに供給する作動ガスＧのガス圧力と、ノズル１１Ｎに供給する作動ガスＧのガス温度と、ノズル１１Ｎに供給する作動ガスＧのガス種類と、ノズル１１Ｎの形状とに基づいて、上記解析を行うという構成を採用することによって、ノズル１１Ｎ内の作動ガスＧの流れ場の形成に影響をもたらす、作動ガスＧのガス圧力、ガス温度、ガス種類、及びノズル１１Ｎの形状に基づいて流れ場の解析を行うことで噴射速度を推定することができる。

また、本実施形態では、ノズル１１Ｎには、ノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布を計測するための複数の温度センサ１５が設けられており、施工条件判定システム１００は、上記解析により推定されるノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布と、温度センサ１５により計測される上記温度分布とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用することによって、解析により推定されるノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布と、実測したノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布とに基づいて、施工条件の判定が行われる。

また、本実施形態では、施工条件判定システム１００は、上記解析により推定されるノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布と、温度センサにより計測される上記温度分布との差が、所定の許容値の範囲内に収まる場合に、施工可能と判定するという構成を採用することによって、解析により推定されるノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布と、実測したノズル１１Ｎの長さ方向の温度分布との差が、所定の許容値の範囲内、つまり、解析結果と実測結果とのノズル１１Ｎの温度分布を比較することにより、解析が実際の流れ場に沿って適切に再現されているときに、施工可能とする判定が行われる。このことから、施工条件の判定の信用性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、施工条件判定システム１００は、上記解析により推定されるノズル１１Ｎの噴射口の噴射口ガス温度と、基材Ｂの種類に応じて設定される施工可能な基材臨界温度とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用することによって、噴射される作動ガスＧが基材Ｂに材質変化、熱変形や溶融等の影響を及ぼすか否かに基づいた施工条件の判定が行われる。

また、本実施形態では、施工条件判定システム１００は、上記解析により推定されるノズル１１Ｎ内のノズル内ガス温度と、材料粉末Ａの種類に応じて設定される施工可能な材料粉末臨界温度とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用することによって、ノズル１１Ｎ内において作動ガスＧが材料粉末Ａに材質変化、熱変形や溶融等の影響を及ぼすか否かに基づいた施工条件の判定が行われる。

また、本実施形態では、施工条件判定システム１００は、上記解析結果と材料粉末Ａの粒子径とに基づいて推定される上記噴射速度と、基材Ｂの種類と材料粉末Ａの種類との組合せによって設定される施工可能な臨界噴射速度とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用することによって、噴射された材料粉末Ａが基材Ｂ上に付着・堆積することが可能か否かに基づいた施工条件の判定が行われる。

また、本実施形態では、施工条件判定システム１００は、材料粉末Ａのうち異なる粒子径を複数選択し、選択した複数の材料粉末Ａの粒子径毎に上記噴射速度を複数推定して、複数の上記噴射速度と上記臨界噴射速度とに基づいて、材料粉末Ａが基材Ｂ上に付着する歩留まり率を推定し、推定した上記歩留まり率と、所定の歩留まり率とに基づいて、上記施工条件を判定するという構成を採用することによって、材料粉末Ａが基材Ｂ上に付着する歩留まり率を推定し、推定した歩留まり率と、所定の歩留まり率とに基づいて、施工条件の判定が行われる。

また、本実施形態では、施工条件判定システム１００は、上記判定の結果が施工不可である場合に、ノズル１１Ｎに供給する作動ガスＧのガス圧力と、ノズル１１Ｎに供給する作動ガスＧのガス温度と、ノズル１１Ｎに供給する作動ガスＧのガス種類と、ノズル１１Ｎの形状と、材料粉末Ａの粒子径とのうち少なくともいずれか一つのパラメータを調整するように指示するという構成を採用することによって、判定の結果が施工不可である場合に、材料粉末Ａの噴射速度に影響をもたらす、作動ガスＧのガス圧力、ガス温度、ガス種類、ノズル１１Ｎの形状、及び材料粉末Ａの粒子径のパラメータを調整するように指示することで、施工条件を変化させて施工可能に導くことができる。

また、本実施形態では、上記指示は、上記ガス温度を、他の上記パラメータより優先して第１番目に調整するように指示するという構成を採用することによって、先ず、上記パラメータのうち調整することが最もコスト安のガス温度について調整指示がなされる。

また、本実施形態では、上記指定は、上記ガス温度の次に、上記ガス圧力を、他の上記パラメータより優先して第２番目に調整するよう設定されるという構成を採用することによって、ガス温度の次に、上記パラメータのうち調整することがコスト安のガス圧力について調整指示がなされる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した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設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、噴射速度を算出するための材料粉末Ａの粒子径の代表値は、ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３の３つを選択すると説明したが、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、例えば、さらに多くの粒子径を代表値として選択する構成であっても良い。このように多くの代表粒子径を選択することで、材料粉末Ａの噴射速度をより正確に推定することが可能となる。さらに、代表粒子径の選択数に応じて、歩留まり率の算出式も変化することとなる。

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。 本発明の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。 本発明の実施形態に係る施工条件判定システムの概略構成を示すブロック樹脂構造体を示す図である。 本発明の実施形態に係る施工条件判定システムの動作を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態に係る施工条件判定システムの動作を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態に係るノズルの長さ方向の温度分布の解析結果と実測結果とを示す図である。 本発明の実施形態に係る材料粉末の粒度分布を示す図である。 本発明の実施形態に係る材料粉末の代表粒径毎の噴射速度の算出結果を示す図である。

符号の説明

Ａ…材料粉末、Ｂ…基材、Ｇ…作動ガス、１…コールドスプレー装置、ノズル…１１Ｎ、噴射口…１１Ｎ１、１５…温度センサ、１００…施工条件判定システム

Claims (16)

1. 材料粉末をノズルから作動ガスと共に所定の施工条件で噴射して基材上に付着させるコールドスプレー装置であって、
   前記ノズル内の前記作動ガスの流れ場を前記施工条件に基づいて解析して前記材料粉末の噴射速度を推定することで、前記ノズルから噴射される前記材料粉末を前記基材上に付着させることが可能か否かを判定する施工条件判定システムを有することを特徴とするコールドスプレー装置。
2. 前記施工条件判定システムは、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス圧力と、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス温度と、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス種類と、前記ノズルの形状とに基づいて、前記解析を行うことを特徴とする請求項１に記載のコールドスプレー装置。
3. 前記ノズルには、前記ノズルの長さ方向の温度分布を計測するための複数の温度センサが設けられており、
   前記施工条件判定システムは、前記解析により推定される前記ノズルの長さ方向の温度分布と、前記温度センサにより計測される前記温度分布との差が、所定の許容値の範囲内に収まる場合に、施工可能と判定することを特徴とする請求項１または２に記載のコールドスプレー装置。
4. 前記施工条件判定システムは、前記解析により推定される前記ノズルの噴射口の作動ガス温度と、前記基材の種類に応じて設定される施工可能な基材臨界温度とに基づいて、前記施工条件を判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のコールドスプレー装置。
5. 前記施工条件判定システムは、前記解析により推定される前記ノズル内の第２作動ガス温度と、前記材料粉末の種類に応じて設定される施工可能な材料粉末臨界温度とに基づいて、前記施工条件を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のコールドスプレー装置。
6. 前記施工条件判定システムは、前記解析結果と前記材料粉末の粒子径とに基づいて推定される前記噴射速度と、前記基材の種類と前記材料粉末の種類との組合せによって設定される施工可能な臨界噴射速度とに基づいて、前記施工条件を判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のコールドスプレー装置。
7. 前記施工条件判定システムは、前記材料粉末のうち異なる粒子径を複数選択し、選択した複数の前記材料粉末の粒子径毎に前記噴射速度を複数推定して、複数の前記噴射速度と前記臨界噴射速度とに基づいて、前記材料粉末が前記基材上に付着する歩留まり率を推定し、推定した前記歩留まり率と、所定の歩留まり率とに基づいて、前記施工条件を判定することを特徴とする請求項６に記載のコールドスプレー装置。
8. 前記施工条件判定システムは、前記判定の結果が施工不可である場合に、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス圧力と、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス温度と、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス種類と、前記ノズルの形状と、前記材料粉末の粒子径とのうち少なくともいずれか一つのパラメータを調整するように指示することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のコールドスプレー装置。
9. 材料粉末をノズルから作動ガスと共に所定の施工条件で噴射して基材上に付着させるコールドスプレー方法であって、
   前記ノズル内の前記作動ガスの流れ場を前記施工条件に基づいて解析して前記材料粉末の噴射速度を推定することで、前記ノズルから噴射される前記材料粉末を前記基材上に付着させることが可能か否かを判定する施工条件判定工程を有することを特徴とするコールドスプレー方法。
10. 前記施工条件判定工程では、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス圧力と、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス温度と、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス種類と、前記ノズルの形状とに基づいて、前記解析を行うことを特徴とする請求項９に記載のコールドスプレー方法。
11. 前記ノズルには、前記ノズルの長さ方向の温度分布を計測するための複数の温度センサが設けられており、
    前記施工条件判定工程では、前記解析により推定される前記ノズルの長さ方向の温度分布と、前記温度センサにより計測される前記温度分布との差が、所定の許容値の範囲内に収まる場合に、施工可能と判定することを特徴とする請求項９または１０に記載のコールドスプレー方法。
12. 前記施工条件判定工程では、前記解析により推定される前記ノズルの噴射口の作動ガス温度と、前記基材の種類に応じて設定される施工可能な基材臨界温度とに基づいて、前記施工条件を判定することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。
13. 前記施工条件判定工程では、前記解析により推定される前記ノズル内の第２作動ガス温度と、前記材料粉末の種類に応じて設定される施工可能な材料粉末臨界温度とに基づいて、前記施工条件を判定することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。
14. 前記施工条件判定工程では、前記解析結果と前記材料粉末の粒子径とに基づいて推定される前記噴射速度と、前記基材の種類と前記材料粉末の種類との組合せによって設定される施工可能な臨界噴射速度とに基づいて、前記施工条件を判定することを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。
15. 前記施工条件判定工程では、前記材料粉末のうち異なる粒子径を複数選択し、選択した複数の前記材料粉末の粒子径毎に前記噴射速度を複数推定して、複数の前記噴射速度と前記臨界噴射速度とに基づいて、前記材料粉末が前記基材上に付着する歩留まり率を推定し、推定した前記歩留まり率と、所定の歩留まり率とに基づいて、前記施工条件を判定することを特徴とする請求項１４に記載のコールドスプレー方法。
16. 前記施工条件判定工程では、前記判定の結果が施工不可である場合に、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス圧力と、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス温度と、前記ノズルに供給する前記作動ガスのガス種類と、前記ノズルの形状と、前記材料粉末の粒子径とのうち少なくともいずれか一つのパラメータを調整するように指示することを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。

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