JP2011000584A - コールドスプレー用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、アルミニウム粒子が内面に付着することを防止するコールドスプレー用ノズルを提供することにある。
【解決手段】本発明は、アルミニウム粒子を噴射するコールドスプレー用ノズル１の内面が多結晶ダイヤモンド膜３で被覆されていることを特徴とする。このコールドスプレー用ノズル１は、所定のノズル基体２の内面に多結晶ダイヤモンド膜３を形成することで、作動ガス（プロセスガス）に同伴して流動するアルミニウム粒子がコールドスプレー用ノズル１の内面に付着することを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コールドスプレー用ノズルに関する。

従来、コールドスプレー（Cold Spray）法によって基材の表面に皮膜を形成する方法が知られている。この方法は、皮膜材料の融点又は軟化点よりも低い温度に設定した超音速で流れる作動ガス（プロセスガス）に皮膜材料の粒子を同伴させることによって、この粒子を基材の表面に衝突させる（噴射する）ものである。この方法では、皮膜材料の粒子が高速で基材の表面に衝突した際に、固相状態のままでその粒子が塑性変形することによって皮膜が形成される。このようなコールドスプレー法によれば、緻密な組織で密度の高い皮膜を基材の表面に形成することができる。

一般に、コールドスプレー用ノズルとしては、ステンレス鋼、工具鋼、鋼硬合金等の材料で形成されたラバルノズルが知られている。このようなノズルを使用して、皮膜材料としてのアルミニウム粒子を噴射すると、ノズル内にアルミニウム粒子が付着し、更には付着したアルミニウム粒子によってノズルが閉塞する場合がある。そして、ノズルが閉塞すると、ノズルを交換するために、コールドスプレー操作を一旦中断しなければならない問題がある。次に参照する図３（ａ）は、従来のコールドスプレー用ノズルの断面図であって、ノズル内を流れる作動ガスの流線を併記した図、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるIIIｂ部の部分拡大図、図３（ｃ）は、従来のコールドスプレー用ノズルにおいて閉塞が生じる様子を示す概念図である。

図３（ａ）に示すように、コールドスプレー用ノズル１１に窒素、ヘリウム等の作動ガスＧが導入されると、作動ガスＧは絞り部１４でその温度が上昇する。その一方で、絞り部１４の下流側に形成される膨張部１５においては、図３（ｂ）に示すように、コールドスプレー用ノズル１１の壁面近くで作動ガスＧの流れに乱れＴが生じる。そのため、特にこの膨張部１５では作動ガスＧに同伴させたアルミニウム粒子（図示省略）とコールドスプレー用ノズル１１の壁面との摩擦が激しくなって、その壁面の温度が上昇する。したがって、この摩擦熱と、絞り部１４における作動ガスＧの昇温とによって、膨張部１５の壁面の温度が他の部分における壁面の温度よりも高くなる。つまり、膨張部１５には、いわゆるヒートスポットが形成される。

その結果、従来のコールドスプレー用ノズル１１においては、図３（ｃ）に示すように、主に膨張部１５でアルミニウム粒子の凝着物Ａを形成して閉塞する。ちなみに、本発明者は、後記するように、工具鋼で形成された従来のコールドスプレー用ノズル１１を使用した場合に、アルミニウム粒子の温度を４００℃に設定し、アルミニウム粒子の速度を６００ｍ／ｓに設定したスプレー条件で、作動ガス（窒素ガス）の温度が５５０℃を超えると、このコールドスプレー用ノズル１１が数分で閉塞することを確認している。

そこで、従来、交換可能な筒状部を膨張部の下流側に設けたコールドスプレー用ノズルが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このコールドスプレー用ノズルは、筒状部を取り外すことで、膨張部の壁面のメンテナンスが容易になっている。

特開２００５−９５８８６号公報

しかしながら、前記したコールドスプレー用ノズル（例えば、特許文献１参照）は、膨張部のメンテナンスが容易になってはいるものの、付着したアルミニウム粒子をノズルから取り除くためにコールドスプレー操作を一旦中断しなければならない。

そこで、本発明の課題は、コールドスプレー操作を中断することなく継続的に行うことができるコールドスプレー用ノズルを提供することにある。

前記課題を解決する本発明のコールドスプレー用ノズルは、アルミニウム粒子を噴射するコールドスプレー用ノズルの内面が多結晶ダイヤモンド膜で被覆されていることを特徴とする。
本発明は、コールドスプレー用ノズルの内面に多結晶ダイヤモンドをコーティングすることで、内面の硬度、耐衝撃性及び耐熱性を向上させることのみならず、内面にアルミニウム粒子が付着し難くなることを本発明者が新たに見出してなされたものである。

本発明のコールドスプレー用ノズルによれば、アルミニウム粒子が内面に付着することを防止して、コールドスプレー操作を中断することなく継続的に行うことができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズルの構成説明図、（ｂ）は、（ａ）におけるIｂ部の部分拡大図である。 閉塞を生じない噴射条件でノズルを使用した際の、アルミニウム粒子の温度［℃］と、アルミニウム粒子の速度［ｍ／ｓ］との関係を表したグラフである。 （ａ）は、従来のコールドスプレー用ノズルの断面図であって、ノズル内を流れる作動ガスの流線を併記した図、（ｂ）は、（ａ）におけるIIIｂ部の部分拡大図、（ｃ）は、従来のコールドスプレー用ノズルにおいて閉塞が生じる様子を示す概念図である。

以下に、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、コールドスプレー用ノズル１（以下、単に「ノズル１」ということがある）は、多結晶ダイヤモンドをノズル１の内面にコーティングしたものである。つまり、本実施形態に係るノズル１の内壁面は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、多結晶ダイヤモンド膜３で被覆されている。

ノズル１は、略筒状のラバラノズルの形状を有しており、その内側はアルミニウム粉体（粒子）を同伴する窒素、ヘリウム等の作動ガス（プロセスガス）が流通するようになっている。そして、ノズル１の内側には、絞り部４と、この絞り部４の下流側に形成される膨張部５とを備えている。

ノズル基体２は、ノズル１と略同形状を有しており、鋼材で形成することができる。中でも、ノズル基体２の材料としては、低炭素鋼、チタン合金鋼、モリブデン合金鋼、及びチタンジルコニウムモリブデン鋼が望ましい。

多結晶ダイヤモンド膜３は、ＣＶＤ法、熱フィラメント法、プラズマジェット法、火炎法等の公知の方法によって形成することができ、中でもＣＶＤ法で形成されたＣＶＤ多結晶ダイヤモンドからなるものが望ましい。

本実施形態に係るノズル１は、アルミニウム粒子を使用したコールドスプレー法に好適に使用することができる。
アルミニウム粉体の粒子（アルミニウム粒子）としては、特に制限はないが、本実施形態に係るノズル１を使用すると、後記するように、従来のコールドスプレー用ノズルの臨界条件を上回る条件で運転することができるので、例えば作動ガスの温度を従来の温度よりも高く設定することができる。したがって、従来のコールドスプレー用ノズルでは、良好な被膜が得難いとされていた、硬度が比較的に高い反面、もろいアルミニウム粉体（粒子）にも適用することが可能となる。

作動ガス（プロセスガス）としては、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス等が挙げられる。ちなみに、作動ガスとして窒素ガスを使用する場合には、比較的に粒径が大きい（質量が大きい）アルミニウム粒子を使用することができる。また、作動ガスとしてヘリウムを使用する場合には、作動ガスの速度を高めることができるのでアルミニウム粒子の噴射速度を上げることができる。

以上のようなノズル１によれば、内面が多結晶ダイヤモンド膜３で被覆されているので、例えばアルミニウム粒子等の金属粒子が内面に付着することを防止することができる。その結果、従来のコールドスプレー用ノズル（多結晶ダイヤモンド膜３を有しないもの）と比較して、作動ガスの温度や流速を一段と高めても、噴射される金属粒子による閉塞が回避されるので、より重い金属粒子を使用することができる。

また、このノズル１は、内面が多結晶ダイヤモンド膜３で被覆されているので、内面の硬度及び耐衝撃性を向上させることができる。

また、このノズル１は、内面が多結晶ダイヤモンド膜３で被覆されているので、内面の耐熱性を高めることができ、コールドスプレーの施工温度を向上させることができる。その結果、良好な皮膜を形成することができるように、好適なアルミニウム粒子の種類を選択する際に、その選択の幅が広がる。

また、このノズル１は、内面が多結晶ダイヤモンド膜３で被覆されているので、内面の熱伝導性を高めることができる。その結果、局部的な温度上昇であるヒートスポットが生じるのを回避することができる。したがって、このノズル１によれば、焼き付きを防止することができる。

本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
前記実施形態では、多結晶ダイヤモンド膜３をノズル１の内面の全体に亘って形成することを想定しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、膨張部５の内面のみに多結晶ダイヤモンド膜３を形成したものであってもよい。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
（実施例）
実施例では、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、工具鋼からなるノズル基体２の内面の全体に亘って、多結晶ダイヤモンド膜３を形成した。この多結晶ダイヤモンド膜３は、ＣＶＤ法によって形成した。
次に、このノズル１を使用したコールドスプレー法を想定して、アルミニウム粉体（アルミニウム粒子）を同伴する窒素ガス（作動ガス）をノズル１で噴射した。アルミニウム粒子の粒径は２５〜４５μｍであった。噴射条件を図２に示す。ここで参照する図２は、閉塞を生じない噴射条件でノズルを使用した際の、アルミニウム粒子の温度［℃］と、アルミニウム粒子の速度［ｍ／ｓ］との関係を表したグラフである。そして、図２には、アルミニウム粒子の温度［℃］を粒子温度［℃］と記し、アルミニウム粒子の速度［ｍ／ｓ］を粒子速度［ｍ／ｓ］と記すと共に、作動ガスの温度を「ガス温度」として併記している（以下の比較例１及び比較例２においても同じ）。

図２に示すように、本実施例では、アルミニウム粒子の温度を５００℃前後に設定すると共に、アルミニウム粒子の速度を７００ｍ／ｓ前後に設定した３回の噴射工程のいずれにおいても、ノズル１におけるアルミニウム粒子の閉塞は無かった。
ちなみに、窒素ガスのガス温度は４０〜７００℃であった。

（比較例１）
比較例１では、多結晶ダイヤモンド膜３を形成しない、工具鋼からなるノズル基体２を使用して、アルミニウム粉体（アルミニウム粒子）を同伴する窒素ガス（作動ガス）を噴射した。アルミニウム粒子の粒径は２５〜４５μｍであった。噴射条件を図２に示す。ちなみに、図２中の破線は、多結晶ダイヤモンド膜３を形成しないノズル基体２を使用した際に、ノズル基体２が閉塞しない、アルミニウム粒子の温度（粒子温度）及びアルミニウム粒子の速度（粒子速度）の臨界条件Ｃを示す線分である。

図２に示すように、比較例１では、図２中の破線で示す臨界条件Ｃを下回るように、粒子温度［℃］及び粒子速度［ｍ／ｓ］を設定して３回の噴射工程を行った。窒素ガスのガス温度は４０〜４００℃であった。なお、この比較例１では、臨界条件Ｃを下回るように噴射条件を設定したので、ノズル基体２はアルミニウム粒子で閉塞しなかった。

（比較例２）
比較例２では、多結晶ダイヤモンド膜３を形成しない、工具鋼からなるノズル基体２を使用して、アルミニウム粉体（アルミニウム粒子）を同伴する窒素ガス（作動ガス）を噴射した。アルミニウム粒子の粒径は２５〜４５μｍであった。噴射条件を図２に示す。

図２に示すように、比較例２では、図２中の破線で示す臨界条件Ｃの近傍で３回の噴射工程を行った。なお、比較例２での窒素ガスのガス温度は４０〜５５０℃であった。
そして、図示しないが、アルミニウム粒子の温度を４００℃に設定し、アルミニウム粒子の速度を６００ｍ／ｓに設定したスプレー条件で、作動ガス（窒素ガス）の温度が５５０℃を超えると数分で閉塞することが確認された。

（実施例及び比較例のノズルの評価）
多結晶ダイヤモンド膜３を内面に形成した実施例のノズル１を使用すると、図２中の破線で示す臨界条件Ｃを超える領域でアルミニウム粒子の温度（粒子温度）及びアルミニウム粒子の速度（粒子速度）を設定してもアルミニウム粒子による閉塞が生じないことが確認された。

また、この際、多結晶ダイヤモンド膜３を形成しないノズル基体２を臨界条件Ｃの近傍で噴射条件を設定した比較例２では、閉塞を起さなかった作動ガスの最高温度が、５５０℃であるのに対して（図２参照）、実施例の多結晶ダイヤモンド膜３を有するノズル１では、閉塞を起さなかった作動ガスの最高温度が、７００℃であった（図２参照）。つまり、実施例の多結晶ダイヤモンド膜３を有するノズル１では、多結晶ダイヤモンド膜３を有しないノズル基体２と比較して、作動ガスの最高温度に１５０℃のアドバンテージを有することが確認された。

１ コールドスプレー用ノズル（ノズル）
２ ノズル基体
３ 多結晶ダイヤモンド膜
４ 絞り部
５ 膨張部
Ｇ 作動ガス
Ａ 凝着物

Claims (1)

1. アルミニウム粒子を噴射するコールドスプレー用ノズルの内面が多結晶ダイヤモンド膜で被覆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。

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