JP3944427B2 - ノズル装置および金属間化合物形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材に溶融金属を吐出するためのノズル装置およびそれを備えた金属間化合物形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の自動車、船舶、航空宇宙機器などの輸送機関あるいはエネルギプラントの熱機関などに用いる構造材料として、軽く耐熱性に優れた材料の開発が不可欠である。高強度耐熱材料として期待されるアルミナイド系などの金属間化合物はこのような条件に適合する素材である。ＮｉＡｌ，ＴｉＡｌなどの金属間化合物は、８００℃〜１０００℃で使用できる高温材料としてエンジン部品、宇宙航空機機体部品などへの応用が期待されている。
【０００３】
そこで、金属間化合物の組成または組織の最適化および高性能化、所望の構造体を得るための加工方法の開発など実用化に向けた研究が行われている。特開２００２−３０４６３号公報には、金属材料表面に耐食性および耐摩耗性を付与する目的で金属間化合物の被覆を行う被覆方法および被覆装置が記載されている。特開２００２−３０４６３号公報に記載された被覆装置では、ニッケルなどの粉末金属が堆積用ノズルから基材表面に堆積され、続いてアルミニウムなどの溶融金属が吐出用ノズルから基材表面に吐出され、粉末金属と溶融金属の自己発熱反応により基材上に金属間化合物の被覆層が形成される。
【０００４】
図８は、従来の被覆装置に用いられる吐出用ノズルの模式的断面図である。吐出用ノズル３０１内には溶融アルミニウム３０２が収容される。吐出用ノズル３０１の内部にアルゴンガス３０３が供給され、溶融アルミニウム３０２の上面を加圧することにより、吐出用ノズル３０１の先端の孔３０４からアルミニウム液滴３０５が吐出される。それにより、予め基材２上に形成された粉末ニッケルの堆積層３０６に、アルミニウム液滴３０５が吐出され、焼成合成反応により微小なＮｉＡｌ要素片が形成される。吐出用ノズル３０１を移動させることにより基材２上に金属間化合物ＮｉＡｌからなる被覆層を形成することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
実用的に被覆層を形成するためには、ある程度連続的に被覆装置の運転を継続する必要がある。しかしながら、図８の吐出用ノズル３０１では、溶融アルミニウム３０２とノズル内面との摩擦または温度勾配により、先端部の孔３０４に目詰まりが生じる場合がある。先端部の孔３０４に目詰まりが生じた場合には、被覆装置の運転を停止し、吐出用ノズル３０１の清掃および再調整もしくは吐出用ノズル３０１の交換などを行う必要がある。したがって、長時間に渡り連続的に溶融アルミニウムを吐出することは困難である。また、被覆層の厚さまたは吐出用ノズル３０１の移動速度に応じてアルミニウムの液滴３０５のサイズなどの最適化を行う場合も、その都度、先端部の孔３０４の調整や吐出用ノズル３０１の交換を行う必要があり、生産的ではない。
【０００６】
本発明の目的は、長時間の連続稼動を行った場合にも目詰まりが生じにくく溶融金属の円滑かつ連続的な吐出が可能なノズル装置を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、吐出する溶融金属の液滴の最適化を容易に行うことが可能なノズル装置を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、長時間の連続稼動を行った場合にも高品質の金属間化合物を形成することが可能な金属間化合物形成装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係るノズル装置は、溶融金属を吐出するノズル装置であって、互いに分離可能に構成された外筒部および内筒部と、内筒部の内部空間に気体を供給する気体供給装置と、気体供給装置により供給される気体の圧力をパルス状に制御する制御装置とを備え、外筒部は、内周面を有する周壁部と吐出孔が設けられた底部とを有し、内筒部は、外周面を有する周壁部と気体導入孔が設けられた底面とを有し、外筒部の内周面と内筒部の外周面との間に材料源を収容するための第１の空間が形成されるとともに、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間に第１の空間内の材料源に基づく溶融金属の薄膜層を保持するための第２の空間が形成されたものである。
【００１０】
本発明に係るノズル装置においては、外筒部の内周面と内筒部の外周面との間の第１の空間に材料源を収容し、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第２の空間に第１の空間から供給された溶融金属の薄膜層を形成することができる。薄膜層は表面張力により第２の空間に保持される。気体導入孔を通して薄膜層の上面を気体により加圧することにより溶融金属の液滴を吐出孔から吐出させることができる。この場合、気体導入孔から導入される気体の圧力がパルス状に制御される。したがって、溶融金属の液滴を連続的または間欠的に吐出させることができる。液滴の吐出後は第１の空間からさらに溶融金属が第２の空間に供給され、その溶融金属が表面張力により薄膜層を形成する。したがって、吐出孔には溶融金属が残留せず目詰まりが生じにくく、溶融金属の円滑かつ連続的な吐出が可能となる。
【００１１】
また、外筒部と内筒部は互いに分離することができる。したがって、吐出孔に目詰まりが生じても外筒部のみを取り外して清掃または交換することができるため、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【００１２】
外筒部の底部上面および内筒部の底面がそれぞれ平坦面からなってもよい。この場合、外筒部の底部上面および内筒部の底面により平坦な第２の空間が形成される。したがって、その平坦な第２の空間に溶融金属が供給されることにより、溶融金属の平坦な薄膜層が形成される。
【００１３】
吐出孔と気体導入孔とが対向するように配置されることが好ましい。この場合、吐出孔と気体導入孔が対向するため、気体導入孔から導入した気体を溶融金属とともに吐出孔から円滑に吐出させることができる。したがって、気体導入孔から気体を導入することにより溶融金属の液滴を吐出孔から円滑に吐出させることができる。
【００１４】
外筒部は、互いに分離可能に結合された複数の部材により構成されてもよい。この場合、外筒部を構成する複数の部材を互いに取り外すことにより、清掃作業または交換作業を容易に行うことができる。
【００１５】
外筒部は、底部を含む第１の部材と周壁部を含む第２の部材とにより構成され、第１の部材と第２の部材とが互いに分離可能に結合されてもよい。この場合、吐出孔に目詰まりが生じても底部を含む第１の部材を取り外して清掃または交換することができるため、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【００１６】
吐出孔および気体導入孔の各々は０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲の直径を有することが好ましい。この場合、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第２の空間に形成される溶融金属の薄膜層が表面張力により第２の空間に確実に保持される。したがって、吐出孔に溶融金属が残留せず目詰まりが生じにくい。
【００１７】
ノズル装置は、第１の空間に導入する溶融金属を収容する収容部をさらに備えてもよい。この場合、収容部から第１の空間に溶融金属を補充することができる。したがって、溶融金属の補充のために稼動を停止する必要がなく効率的である。
【００１８】
ノズル装置は、内筒部の内部空間に気体を供給する気体供給装置をさらに備えてもよい。この場合、内筒部の内部空間に気体を供給することにより、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第２の空間に保持される溶融金属の薄膜層を加圧し、溶融金属の液滴を吐出孔から吐出させることができる。
【００１９】
気体供給装置は、第１の空間に気体を供給してもよい。この場合、第１の空間に収容された溶融金属の液面を気体により加圧することにより、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第２の空間に溶融金属の吐出後に溶融金属を確実に供給することができる。
【００２０】
制御装置は、パルスの時間幅および時間間隔のうち少なくとも一方を制御してもよい。この場合、気体供給装置により供給される気体の供給時間および供給間隔を制御することができる。したがって、吐出孔から吐出される溶融金属の液滴のサイズおよび吐出速度を制御することができる。その結果、吐出する液滴の最適化を容易に行うことができる。
【００２１】
第２の発明に係る金属間化合物形成装置は、基材上に第１の物質を堆積する堆積装置と、基材上の第１の物質上に第２の物質からなる溶融金属を吐出することにより第１および第２の物質の金属間化合物層を形成する上記第１の発明に係るノズル装置とを備えたものである。
【００２２】
本発明に係る金属間化合物形成装置においては、基材上に第１の物質からなる堆積層が形成され、上記のノズル装置により基材上の堆積層に第２の物質からなる溶融金属が吐出される。この場合、ノズル装置の気体導入孔から導入される気体の圧力がパルス状に制御される。したがって、溶融金属の液滴を連続的または間欠的に吐出させることができる。それにより、基材上に第１および第２の物質からなる金属間化合物が形成される。上記のノズル装置を用いるので、長時間の稼動を行った場合にも目詰まりが生じにくく溶融金属の円滑かつ連続的な吐出が可能となる。その結果、長時間の連続稼動を行った場合にも高品質の金属間化合物を形成することが可能となる。
【００２３】
第３の発明に係る金属間化合物形成装置は、基材上に第１の物質を堆積する堆積装置と、基材上の第１の物質上に第２の物質からなる溶融金属を吐出することにより第１および第２の物質の金属間化合物層を形成するノズル装置とを備え、ノズル装置は、互いに分離可能に構成された外筒部および内筒部を備え、外筒部は、内周面を有する周壁部と吐出孔が設けられた底部とを有し、内筒部は、外周面を有する周壁部と気体導入孔が設けられた底面とを有し、外筒部の内周面と内筒部の外周面との間に材料源を収容するための第１の空間が形成されるとともに、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間に第１の空間内の材料源に基づく溶融金属の薄膜層を保持するための第２の空間が形成されたものである。
本発明に係る金属間化合物形成装置においては、基材上に第１の物質からなる堆積層が形成され、上記のノズル装置により基材上の堆積層に第２の物質からなる溶融金属が吐出される。それにより、基材上に第１および第２の物質からなる金属間化合物が形成される。上記のノズル装置を用いるので、長時間の稼動を行った場合にも目詰まりが生じにくく溶融金属の円滑かつ連続的な吐出が可能となる。その結果、長時間の連続稼動を行った場合にも高品質の金属間化合物を形成することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る金属間化合物形成装置によれば、第１の物質の堆積と第２の物質の吐出とにより、基材上に金属間化合物の被覆層を効率良く形成できる。金属間化合物とは、複数の金属元素が結合し、成分の金属元素とは異なる新たな性質を有する化合物を意味する。ここで、「被覆層」は、基材を被覆する場合には「肉盛り被覆層」と呼ばれ、複数の基材を溶接する場合には「肉盛り溶接部」と呼ばれる。第１の物質および第２の物質は、所望する金属間化合物の特性（例えば、耐熱性、耐久性、耐環境性、摺動性など）に応じて、適当に選択する。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態に係る金属間化合物形成装置について説明する。なお、本実施の形態においては、第１の物質としてニッケル、第２の物質としてアルミニウムを用いる。
【００２６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る金属間化合物形成装置を示す模式図である。
【００２７】
金属間化合物形成装置１は、チャンバ６０を備える。チャンバ６０内には、ＸＹテーブル１０が水平面内で互いに直交する２方向に移動可能に設けられている。ＸＹテーブル１０上には、基台１１ａ，１１ｂを上下方向に昇降する昇降装置１２ａ，１２ｂが設けられている。基台１１ａ，１１ｂ上にはそれぞれ基材２が載置される。これにより、基台１１ａ，１１ｂ上の基材２が前後左右方向および上下方向に移動可能となっている。それにより、吐出ユニット３０の下方に基台１１ａを移動させ、堆積ユニット２０の下方に基台１１ｂを移動させることができる。
【００２８】
また、チャンバ６０内には、基台１１ａに載置された基材２上に粉末ニッケル２１を堆積する堆積ユニット２０と、基台１１ｂに載置された基材２上に溶融アルミニウムを吐出可能な吐出ユニット３０とが設けられている。ＸＹテーブル１０は、例えば、図示しない回転装置により鉛直方向の軸の周りで回転可能に構成される。
【００２９】
堆積ユニット２０は、粉末ニッケルの供給装置として機能する。堆積ユニット２０は、内部に粉末ニッケルを収容する。また、堆積ユニット２０の下部には、所定の粒径の粉末ニッケル２１を適宜に落下供給するための篩（ふるい）機２３が設けられている。加振機２２で篩機２３を振動させることにより堆積ユニット２０から粉末ニッケル２１が落下し、基材２上に粉末堆積層８０が形成される。
【００３０】
吐出ユニット３０は、吐出ノズル３１を有し、溶融アルミニウムの液滴吐出装置として機能する。吐出ノズル３１の構造の詳細は後述する。吐出ノズル３１内の溶融アルミニウムを加熱溶融するため、吐出ノズル３１の周囲を取り囲むように抵抗ヒータなどの熱源３５が設けられている。
【００３１】
チャンバ６０の内部は、真空の状態、あるいはアルゴンなどの不活性ガスまたは窒素などの反応性ガス（以下、「ガス体」という。）の雰囲気に気密に保たれる。チャンバ６０の外部には、チャンバ６０の内部を排気して真空状態にするためのポンプなどからなる減圧装置６２が設けられている。また、チャンバ６０内には、高周波熱源などからなる加熱機６１、ブロアなどからなるガス循環装置６３、温度検知器６４および圧力計６５が設けられている。加熱機６１によりチャンバ６０内が加熱され、ガス循環装置６３によりチャンバ６０内のガス体が循環される。また、温度検知器６４により、基台１１ａ，１１ｂ上の基材２の温度が検知され、圧力計６５によりチャンバ６０内の圧力が測定される。
【００３２】
チャンバ６０の外側には、ガス体をチャンバ６０内に供給するためのガス管５１が設けられている。ガス管５１は、ガス体をチャンバ６０に直接導くガス管５２と、ガス体を吐出ノズル３１に導くガス管５３とに分岐する。チャンバ６０内を真空にするときは、ガス管５２からチャンバ６０にガス体は供給されない。また、ガス管５１には、ガス供給装置５４が設けられており、ガス管５３に供給するガス体の圧力を制御する。
【００３３】
金属間化合物形成装置１の外部には制御ユニット７０および計算機ユニット７１が設けられており、金属間化合物形成装置１が自動的に制御される。
【００３４】
計算機ユニット７１は、基材２を２次元的または３次元的に被覆するための設計パターンに基づいて座標データなどの設計データを作成するために用いられる。制御ユニット７０は、計算機ユニット７１により得られた設計データ、温度検知器６４により検知された温度、圧力計６５により測定された圧力に基づいて、ＸＹテーブル１０、昇降装置１２ａ，１２ｂ、加振機２２、熱源３５、ガス供給装置５４、加熱機６１、減圧装置６２およびガス循環装置６３を制御する。
【００３５】
まず、基台１１ａに載置された基材２上に堆積ユニット２０から粉末ニッケル２１が堆積され、粉末堆積層８０が形成される。所望の領域に粉末堆積層８０が得られるように、ＸＹテーブル１０は前後左右に移動する。次に、基台１１ａが吐出ユニット３０の下方に移動する。次いで、基材２上の粉末堆積層８０に吐出ユニット３０から溶融アルミニウムが吐出される。これにより、基材２上で発熱を伴いながらＮｉＡｌの被覆層８１が形成される。基材２上の領域に所望の被覆層８１が得られるようにＸＹテーブル１０が前後左右に移動する。金属間化合物の被覆層を複数重ねる場合には、同様な動作を繰り返す。それにより、基材２上に形成される被覆層を厚くすることができる。また、３次元的形状を有する被覆層のパターンを形成することができる。
【００３６】
図２は、図１の金属間化合物形成装置１に用いられる吐出ノズル３１の断面図であり、図３は、図１の金属間化合物形成装置１に用いられる吐出ノズル３１の分解断面図であり、図４は、図２の吐出ノズル３１のＡ−Ａ線断面図である。
【００３７】
図２または図３に示すように、吐出ノズル３１は、内筒部３２および外筒部３３，３４，３５により構成される。これらの内筒部３２および外筒部３３，３４，３５は、例えば、グラファイト、アルミナ、炭化ケイ素などのセラミックスにより形成される。
【００３８】
内筒部３２は、円筒状の周壁部３２０を有し、周壁部３２０の内部に円柱状の通路３２１が設けられている。周壁部３２０の下端部は漸次径小となっている。周壁部３２０の底面３２４は平坦に形成され、底面３２４の中心に通路３３１に連通する噴出孔（気体導入孔）３２２が開口している。噴出孔３２２の直径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。周壁部３２０の外側には径大な円柱状の嵌合部３２５が一体的に設けられている。嵌合部３２５には複数の通路３２３が上下に貫通するように形成されている。嵌合部３２５の外周面には雄ねじ３２６が形成されている。
【００３９】
外筒部３３は円筒状の周壁部３３０を有し、周壁部３３０の内部に円柱状の通路３３１が設けられている。周壁部３３０の外周面の下端部には雄ねじ３３２が形成されている。
【００４０】
外筒部３４は、円筒状の周壁部３４０を有する。周壁部３４０は、上端部側に径大な内周面を有し、中央部に中間径の内周面を有し、下端部側に径小な円周面を有する。また、周壁部３４０は、下端部に径小な外周面を有する。上端部側の径大な内周面には雌ねじ３４１が形成され、中央部の中間径の内周面には雌ねじ３４２が形成され、下端部の径小な外周面には雄ねじ３４３が形成されている。
【００４１】
外筒部３５は、円筒状の周壁部３５０および底部３５２を有する。周壁部３５０は、上端部側に径大な内周面を有し、下端部側に径小な内周面を有する。周壁部３５０の上端部側の内周面には雌ねじ３５４が形成されている。底部３５２の中央部の上面３５３は平坦に形成されている。底部３５２の中心には吐出孔３５１が設けられている。吐出孔３５１の直径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。
【００４２】
内筒部３２の雄ねじ３２６を外筒部３４の雌ねじ３４２に螺合させ、外筒部３３の雄ねじ３３２を外筒部３４の雌ねじ３４１に螺合させ、外筒部３４の雄ねじ３４３を外筒部３５の雌ねじ３５４に螺合させることにより、吐出ノズル３１を組み立てることができる。
【００４３】
図２に示すように、内筒部３２および外筒部３３，３４，３５を組み立てた状態では、内筒部３２の外周面と外筒部３４，３５の内周面との間に空間３７０が形成される。また、内筒部３２の底面３２４と外筒部３５の底部３５２の上面３５３との間に平坦な空間３７１が形成される。空間３７０は内筒部３２の通路３２３を通して外筒部３３の通路３３１に連通している。また、吐出孔３５１は空間３７１を通して噴出孔３２２、通路３２１および通路３３１に連通している。内筒部３２の底面３２４と外筒部３５の底部３５２の上面３５３との間の距離は、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００４４】
図５は、吐出ノズル３１の吐出孔３５１から溶融アルミニウム３８が吐出される様子を描いた模式図である。
【００４５】
吐出ノズル３１内の空間３７０には、溶融アルミニウム３８が貯留されている。溶融アルミニウム３８は、例えば粉末アルミニウムまたは固形アルミニウム片の状態で内筒部３２の通路３２３を通して空間３７０内に充填され、図１の加熱源３５により加熱溶融することにより得られる。内筒部３２の底面３２４と外筒部３５の底部３５２の上面３５３との間の平坦な空間３７１には、空間３７０から供給される溶融アルミニウム３８により溶融アルミニウムの薄膜層３８１が形成される。薄膜層３８１は表面張力により平坦な空間３７１に保持される。この状態で図１のガス供給装置５４により通路３３１にガス体が供給される。
【００４６】
通路３３１に供給されたガス体は、内筒部３２の通路３２１を通して噴出孔３２２から溶融アルミニウムの薄膜層３８１を加圧する。それにより、外筒部３５の吐出孔３５１から溶融アルミニウムの液滴３８２が吐出される。
【００４７】
また、通路３３１に供給されたガス体は、内筒部３２の通路３２３を通して溶融アルミニウム３８の液面を加圧する。それにより、溶融アルミニウムの液滴３８２の吐出後も絶えず溶融アルミニウム３８が平坦な空間３７１に供給され、溶融アルミニウムの薄膜層３８１が空間３７１に保持される。そのため、連続的に溶融アルミニウムの液滴３８２の吐出が可能である。
【００４８】
このように、内筒部３２の底面３２４と外筒部３５の底部３５２の上面３５３との間の平坦な空間３７１に溶融アルミニウムの薄膜層３８１が保持され、ガス体による加圧時に吐出孔３５１から吐出されるので、吐出孔３５１の目詰まりが生じにくい。
【００４９】
また、吐出孔３５１の目詰まりが生じた場合でも、吐出ノズル３１から外筒部３５のみを取り外して清掃または交換することができるので、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【００５０】
図１に示すガス供給装置５４によりガス体を短い時間間隔でパルス状に断続的に加圧することができる。この場合、断続的なガス体の供給により溶融アルミニウムの液滴３８２を連続的または間欠的に吐出させることが可能である。さらに、パルスの時間幅および時間間隔の少なくとも一方を制御することにより、溶融アルミニウムの液滴３８２の大きさや吐出速度を制御することができる。
【００５１】
図６は、図１のガス供給装置５４により供給されるガス体の圧力変化を示す図である。縦軸はガス供給装置５４から供給されるガス体の圧力であり、横軸は時間である。パルスの時間幅ＯＰはガス体がガス供給装置５４から供給される時間であり、パルスの時間間隔ＣＬはガス体がガス供給装置５４から供給されない時間である。
【００５２】
図６（ａ）はパルスの時間幅ＯＰが大きく、パルスの時間間隔ＣＬが小さい場合であり、図６（ｂ）はパルスの時間幅ＯＰが小さく、パルスの時間間隔ＣＬが大きい場合である。
【００５３】
図６（ａ）の場合には、ガス体の供給時間が長く供給間隔が短くなっている。それにより、吐出ノズル３１から大きなサイズの液滴３８２が短い間隔で連続的に吐出される。
【００５４】
図６（ｂ）の場合には、ガス体の供給時間が短く供給間隔が長くなっている。それにより、小さいサイズの液滴３８２が間欠的に吐出される。
【００５５】
このパルスの時間幅ＯＰおよびパルスの時間間隔ＣＬを制御することにより、吐出ノズル３１から吐出される液滴３８２のサイズおよび吐出速度を制御することができる。したがって、被覆層の厚さおよびＸＹテーブル１０の移動速度に応じて液滴のサイズおよび吐出速度を最適化することにより、溶融アルミニウムの液滴とニッケル粉末堆積層との反応域および反応相の制御を容易に行うことが可能となる。その結果、金属間化合物からなる被覆層の気孔率および組織を最適化し、高品質の被覆層を形成することが可能となる。
【００５６】
図７は、図１の金属間化合物形成装置１に用いられる吐出ノズルの他の例を示す模式図である。
【００５７】
吐出ノズル３１ａは、内筒部３２ａおよび外筒部３５ａにより構成される。
内筒部３２ａは、円筒状の周壁部３２０ａを有し、周壁部３２０ａの上端部側に径大な外周面を有し、下端部側に径小な外周面を有する。周壁部３２０ａの内部に円柱状の通路３２１ａが設けられており、通路３２１ａの下端部は漸次径小となっている。周壁部３２０ａの底面３２４ａは平坦に形成され、周壁部３２０ａの外周面の下端部には雄ねじ３２６ａが形成されている。また、内筒部３２ａは底面３２４ａの中心に噴出孔３２２ａを有する。噴出孔３２２ａの直径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。
【００５８】
外筒部３５ａは円筒状の周壁部３５０ａおよび底部３５２ａを有する。周壁部３５０ａの上端部側の内周面には雌ねじ３５４ａが形成されている。底部３５２ａの中央部の上面３５３ａは平坦に形成されている。底部３５２ａの中心には吐出孔３５１ａが設けられている。吐出孔３５１ａの直径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。
【００５９】
内筒部３２ａの雄ねじ３２６ａを外筒部３５ａの雌ねじ３５４ａに螺合させることにより、吐出ノズル３１ａを組み立てることができる。
【００６０】
内筒部３２ａおよび外筒部３５ａを組み立てた状態では、内筒部３２ａの下端部側の外周面と外筒部３５ａの内周面との間に空間３７０ａが形成される。また、内筒部３２ａの底面３２４ａと外筒部３５ａの底部３５２ａの上面３５３ａとの間に平坦な空間３７１ａが形成される。吐出孔３５１ａは空間３７１ａを通して噴出孔３２２ａ、通路３２１ａに連通している。
【００６１】
また、吐出ノズル３１ａの側部に溶融アルミニウム３８を貯蔵する貯蔵槽９１が設けられている。貯蔵槽９１の内部は空間３７０ａに連通している。貯蔵槽９１は、ガス体が供給される入り口９２と、アルミニウム粉末材料３９が供給される入り口９３とを備える。
【００６２】
平坦な空間３７１ａには、空間３７０ａから供給される溶融アルミニウム３８ａにより溶融アルミニウムの薄膜層３８１ａが形成される。薄膜層３８１ａは表面張力により平坦な空間３７１ａに保持される。
【００６３】
通路３２１ａに供給されたガス体は、内筒部３２ａの通路３２１ａを通して噴出孔３２２ａから溶融アルミニウムの薄膜層３８１ａを加圧する。それにより、外筒部３５ａの吐出孔３５１ａから溶融アルミニウムの液滴３８２ａが吐出される。
【００６４】
また、入り口９２から供給されたガス体は、貯蔵槽９１内の溶融アルミニウム３８ａの液面を加圧する。それにより、溶融アルミニウムの液滴３８２ａの吐出後も絶えず貯蔵槽９１から溶融アルミニウム３８ａが平坦な空間３７１ａに供給され、溶融アルミニウムの薄膜層３８１ａが空間３７１ａに保持される。そのため、連続的に溶融アルミニウムの液滴３８２ａの吐出が可能である。
【００６５】
貯蔵槽９１から空間３７０ａに溶融アルミニウム３８ａを供給することが可能であるため、空間３７０ａにアルミニウム粉末材料を補充するために金属間化合物形成装置を停止する必要がなく、生産性が向上する。
【００６６】
また、貯蔵槽９１に入り口９３からアルミニウム粉末材料を供給することが可能であり、貯蔵槽９１内の溶融アルミニウム３８ａは常に供給される。
【００６７】
上記実施の形態では、吐出ノズル３１，３１ａの吐出孔３５１，３５１ａが円形である場合を説明したが、吐出孔は円形に限られず楕円形、略多角形などの他の形状であってもよく、あるいはスリット状であってもよい。これらの場合、吐出孔の短辺または短軸の長さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６８】
また、上記実施の形態では、第１の物質がニッケルであり、第２の物質がアルミニウムである場合を説明したが、第１および第２の物質としては任意の金属材料を用いることができ、あるいは、任意の金属材料および任意のセラミックス材料の混合物を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る金属間化合物形成装置を示す模式図である。
【図２】図１の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの断面図である。
【図３】図１の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの分解断面図である。
【図４】図２の吐出ノズルのＡ−Ａ線断面図である。
【図５】吐出ノズルの吐出孔から溶融アルミニウムが吐出される様子を描いた模式図である。
【図６】図１のガス供給装置により供給されるガス体の圧力変化を示す図である。
【図７】図１の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの他の例を示す模式図である。
【図８】従来の被覆装置に用いられる吐出用ノズルの模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 金属間化合物形成装置
２ 基材
１０ ＸＹテーブル
１１ａ，１１ｂ 基台
１２ａ，１２ｂ 昇降装置
２０ 堆積ユニット
２２ 加振機
２３ 篩機
３０ 吐出ユニット
３１，３１ａ 吐出ノズル
３２，３２ａ 内筒部
３３，３４，３５，３３ａ，３４ａ，３５ａ 外筒部
３５ 熱源
５４ ガス供給装置
６０ チャンバ
６１ 加熱機
６２ 減圧装置
６３ ガス循環装置
６４ 温度検知器
６５ 圧力計
７０ 制御ユニット計算機ユニット
７１ 計算機ユニット
９１ 貯蔵槽
３５１，３５１ａ 吐出孔
３２２，３２２ａ 噴出孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材に溶融金属を吐出するためのノズル装置およびそれを備えた金属間化合物形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の自動車、船舶、航空宇宙機器などの輸送機関あるいはエネルギプラントの熱機関などに用いる構造材料として、軽く耐熱性に優れた材料の開発が不可欠である。高強度耐熱材料として期待されるアルミナイド系などの金属間化合物はこのような条件に適合する素材である。ＮｉＡｌ，ＴｉＡｌなどの金属間化合物は、８００℃〜１０００℃で使用できる高温材料としてエンジン部品、宇宙航空機機体部品などへの応用が期待されている。
【０００３】
そこで、金属間化合物の組成または組織の最適化および高性能化、所望の構造体を得るための加工方法の開発など実用化に向けた研究が行われている。特開２００２−３０４６３号公報には、金属材料表面に耐食性および耐摩耗性を付与する目的で金属間化合物の被覆を行う被覆方法および被覆装置が記載されている。特開２００２−３０４６３号公報に記載された被覆装置では、ニッケルなどの粉末金属が堆積用ノズルから基材表面に堆積され、続いてアルミニウムなどの溶融金属が吐出用ノズルから基材表面に吐出され、粉末金属と溶融金属の自己発熱反応により基材上に金属間化合物の被覆層が形成される。
【０００４】
図８は、従来の被覆装置に用いられる吐出用ノズルの模式的断面図である。吐出用ノズル３０１内には溶融アルミニウム３０２が収容される。吐出用ノズル３０１の内部にアルゴンガス３０３が供給され、溶融アルミニウム３０２の上面を加圧することにより、吐出用ノズル３０１の先端の孔３０４からアルミニウム液滴３０５が吐出される。それにより、予め基材２上に形成された粉末ニッケルの堆積層３０６に、アルミニウム液滴３０５が吐出され、焼成合成反応により微小なＮｉＡｌ要素片が形成される。吐出用ノズル３０１を移動させることにより基材２上に金属間化合物ＮｉＡｌからなる被覆層を形成することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
実用的に被覆層を形成するためには、ある程度連続的に被覆装置の運転を継続する必要がある。しかしながら、図８の吐出用ノズル３０１では、溶融アルミニウム３０２とノズル内面との摩擦または温度勾配により、先端部の孔３０４に目詰まりが生じる場合がある。先端部の孔３０４に目詰まりが生じた場合には、被覆装置の運転を停止し、吐出用ノズル３０１の清掃および再調整もしくは吐出用ノズル３０１の交換などを行う必要がある。したがって、長時間に渡り連続的に溶融アルミニウムを吐出することは困難である。また、被覆層の厚さまたは吐出用ノズル３０１の移動速度に応じてアルミニウムの液滴３０５のサイズなどの最適化を行う場合も、その都度、先端部の孔３０４の調整や吐出用ノズル３０１の交換を行う必要があり、生産的ではない。
【０００６】
本発明の目的は、長時間の連続稼動を行った場合にも目詰まりが生じにくく溶融金属の円滑かつ連続的な吐出が可能なノズル装置を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、吐出する溶融金属の液滴の最適化を容易に行うことが可能なノズル装置を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、長時間の連続稼動を行った場合にも高品質の金属間化合物を形成することが可能な金属間化合物形成装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係るノズル装置は、溶融金属を吐出するノズル装置であって、互いに分離可能に構成された外筒部および内筒部と、内筒部の内部空間に気体を供給する気体供給装置と、気体供給装置により供給される気体の圧力をパルス状に制御する制御装置とを備え、外筒部は、内周面を有する周壁部と吐出孔が設けられた底部とを有し、内筒部は、外周面を有する周壁部と気体導入孔が設けられた底面とを有し、外筒部の内周面と内筒部の外周面との間に材料源を収容するための第１の空間が形成されるとともに、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間に第１の空間内の材料源に基づく溶融金属の薄膜層を保持するための第２の空間が形成されたものである。
【００１０】
本発明に係るノズル装置においては、外筒部の内周面と内筒部の外周面との間の第１の空間に材料源を収容し、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第２の空間に第１の空間から供給された溶融金属の薄膜層を形成することができる。薄膜層は表面張力により第２の空間に保持される。気体導入孔を通して薄膜層の上面を気体により加圧することにより溶融金属の液滴を吐出孔から吐出させることができる。この場合、気体導入孔から導入される気体の圧力がパルス状に制御される。したがって、溶融金属の液滴を連続的または間欠的に吐出させることができる。液滴の吐出後は第１の空間からさらに溶融金属が第２の空間に供給され、その溶融金属が表面張力により薄膜層を形成する。したがって、吐出孔には溶融金属が残留せず目詰まりが生じにくく、溶融金属の円滑かつ連続的な吐出が可能となる。
【００１１】
また、外筒部と内筒部は互いに分離することができる。したがって、吐出孔に目詰まりが生じても外筒部のみを取り外して清掃または交換することができるため、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【００１２】
外筒部の底部上面および内筒部の底面がそれぞれ平坦面からなってもよい。この場合、外筒部の底部上面および内筒部の底面により平坦な第２の空間が形成される。したがって、その平坦な第２の空間に溶融金属が供給されることにより、溶融金属の平坦な薄膜層が形成される。
【００１３】
吐出孔と気体導入孔とが対向するように配置されることが好ましい。この場合、吐出孔と気体導入孔が対向するため、気体導入孔から導入した気体を溶融金属とともに吐出孔から円滑に吐出させることができる。したがって、気体導入孔から気体を導入することにより溶融金属の液滴を吐出孔から円滑に吐出させることができる。
【００１４】
外筒部は、互いに分離可能に結合された複数の部材により構成されてもよい。この場合、外筒部を構成する複数の部材を互いに取り外すことにより、清掃作業または交換作業を容易に行うことができる。
【００１５】
外筒部は、底部を含む第１の部材と周壁部を含む第２の部材とにより構成され、第１の部材と第２の部材とが互いに分離可能に結合されてもよい。この場合、吐出孔に目詰まりが生じても底部を含む第１の部材を取り外して清掃または交換することができるため、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【００１６】
吐出孔および気体導入孔の各々は０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲の直径を有することが好ましい。この場合、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第２の空間に形成される溶融金属の薄膜層が表面張力により第２の空間に確実に保持される。したがって、吐出孔に溶融金属が残留せず目詰まりが生じにくい。
【００１７】
ノズル装置は、第１の空間に導入する溶融金属を収容する収容部をさらに備えてもよい。この場合、収容部から第１の空間に溶融金属を補充することができる。したがって、溶融金属の補充のために稼動を停止する必要がなく効率的である。
【００１８】
ノズル装置は、内筒部の内部空間に気体を供給する気体供給装置をさらに備えてもよい。この場合、内筒部の内部空間に気体を供給することにより、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第２の空間に保持される溶融金属の薄膜層を加圧し、溶融金属の液滴を吐出孔から吐出させることができる。
【００１９】
気体供給装置は、第１の空間に気体を供給してもよい。この場合、第１の空間に収容された溶融金属の液面を気体により加圧することにより、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間の第２の空間に溶融金属の吐出後に溶融金属を確実に供給することができる。
【００２０】
制御装置は、パルスの時間幅および時間間隔のうち少なくとも一方を制御してもよい。この場合、気体供給装置により供給される気体の供給時間および供給間隔を制御することができる。したがって、吐出孔から吐出される溶融金属の液滴のサイズおよび吐出速度を制御することができる。その結果、吐出する液滴の最適化を容易に行うことができる。
【００２１】
第２の発明に係る金属間化合物形成装置は、基材上に第１の物質を堆積する堆積装置と、基材上の第１の物質上に第２の物質からなる溶融金属を吐出することにより第１および第２の物質の金属間化合物層を形成する上記第１の発明に係るノズル装置とを備えたものである。
【００２２】
本発明に係る金属間化合物形成装置においては、基材上に第１の物質からなる堆積層が形成され、上記のノズル装置により基材上の堆積層に第２の物質からなる溶融金属が吐出される。この場合、ノズル装置の気体導入孔から導入される気体の圧力がパルス状に制御される。したがって、溶融金属の液滴を連続的または間欠的に吐出させることができる。それにより、基材上に第１および第２の物質からなる金属間化合物が形成される。上記のノズル装置を用いるので、長時間の稼動を行った場合にも目詰まりが生じにくく溶融金属の円滑かつ連続的な吐出が可能となる。その結果、長時間の連続稼動を行った場合にも高品質の金属間化合物を形成することが可能となる。
【００２３】
第３の発明に係る金属間化合物形成装置は、基材上に第１の物質を堆積する堆積装置と、基材上の第１の物質上に第２の物質からなる溶融金属を吐出することにより第１および第２の物質の金属間化合物層を形成するノズル装置とを備え、ノズル装置は、互いに分離可能に構成された外筒部および内筒部を備え、外筒部は、内周面を有する周壁部と吐出孔が設けられた底部とを有し、内筒部は、外周面を有する周壁部と気体導入孔が設けられた底面とを有し、外筒部の内周面と内筒部の外周面との間に材料源を収容するための第１の空間が形成されるとともに、外筒部の底部上面と内筒部の底面との間に第１の空間内の材料源に基づく溶融金属の薄膜層を保持するための第２の空間が形成されたものである。
本発明に係る金属間化合物形成装置においては、基材上に第１の物質からなる堆積層が形成され、上記のノズル装置により基材上の堆積層に第２の物質からなる溶融金属が吐出される。それにより、基材上に第１および第２の物質からなる金属間化合物が形成される。上記のノズル装置を用いるので、長時間の稼動を行った場合にも目詰まりが生じにくく溶融金属の円滑かつ連続的な吐出が可能となる。その結果、長時間の連続稼動を行った場合にも高品質の金属間化合物を形成することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る金属間化合物形成装置によれば、第１の物質の堆積と第２の物質の吐出とにより、基材上に金属間化合物の被覆層を効率良く形成できる。金属間化合物とは、複数の金属元素が結合し、成分の金属元素とは異なる新たな性質を有する化合物を意味する。ここで、「被覆層」は、基材を被覆する場合には「肉盛り被覆層」と呼ばれ、複数の基材を溶接する場合には「肉盛り溶接部」と呼ばれる。第１の物質および第２の物質は、所望する金属間化合物の特性（例えば、耐熱性、耐久性、耐環境性、摺動性など）に応じて、適当に選択する。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態に係る金属間化合物形成装置について説明する。なお、本実施の形態においては、第１の物質としてニッケル、第２の物質としてアルミニウムを用いる。
【００２６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る金属間化合物形成装置を示す模式図である。
【００２７】
金属間化合物形成装置１は、チャンバ６０を備える。チャンバ６０内には、ＸＹテーブル１０が水平面内で互いに直交する２方向に移動可能に設けられている。ＸＹテーブル１０上には、基台１１ａ，１１ｂを上下方向に昇降する昇降装置１２ａ，１２ｂが設けられている。基台１１ａ，１１ｂ上にはそれぞれ基材２が載置される。これにより、基台１１ａ，１１ｂ上の基材２が前後左右方向および上下方向に移動可能となっている。それにより、吐出ユニット３０の下方に基台１１ａを移動させ、堆積ユニット２０の下方に基台１１ｂを移動させることができる。
【００２８】
また、チャンバ６０内には、基台１１ａに載置された基材２上に粉末ニッケル２１を堆積する堆積ユニット２０と、基台１１ｂに載置された基材２上に溶融アルミニウムを吐出可能な吐出ユニット３０とが設けられている。ＸＹテーブル１０は、例えば、図示しない回転装置により鉛直方向の軸の周りで回転可能に構成される。
【００２９】
堆積ユニット２０は、粉末ニッケルの供給装置として機能する。堆積ユニット２０は、内部に粉末ニッケルを収容する。また、堆積ユニット２０の下部には、所定の粒径の粉末ニッケル２１を適宜に落下供給するための篩（ふるい）機２３が設けられている。加振機２２で篩機２３を振動させることにより堆積ユニット２０から粉末ニッケル２１が落下し、基材２上に粉末堆積層８０が形成される。
【００３０】
吐出ユニット３０は、吐出ノズル３１を有し、溶融アルミニウムの液滴吐出装置として機能する。吐出ノズル３１の構造の詳細は後述する。吐出ノズル３１内の溶融アルミニウムを加熱溶融するため、吐出ノズル３１の周囲を取り囲むように抵抗ヒータなどの熱源３５が設けられている。
【００３１】
チャンバ６０の内部は、真空の状態、あるいはアルゴンなどの不活性ガスまたは窒素などの反応性ガス（以下、「ガス体」という。）の雰囲気に気密に保たれる。チャンバ６０の外部には、チャンバ６０の内部を排気して真空状態にするためのポンプなどからなる減圧装置６２が設けられている。また、チャンバ６０内には、高周波熱源などからなる加熱機６１、ブロアなどからなるガス循環装置６３、温度検知器６４および圧力計６５が設けられている。加熱機６１によりチャンバ６０内が加熱され、ガス循環装置６３によりチャンバ６０内のガス体が循環される。また、温度検知器６４により、基台１１ａ，１１ｂ上の基材２の温度が検知され、圧力計６５によりチャンバ６０内の圧力が測定される。
【００３２】
チャンバ６０の外側には、ガス体をチャンバ６０内に供給するためのガス管５１が設けられている。ガス管５１は、ガス体をチャンバ６０に直接導くガス管５２と、ガス体を吐出ノズル３１に導くガス管５３とに分岐する。チャンバ６０内を真空にするときは、ガス管５２からチャンバ６０にガス体は供給されない。また、ガス管５１には、ガス供給装置５４が設けられており、ガス管５３に供給するガス体の圧力を制御する。
【００３３】
金属間化合物形成装置１の外部には制御ユニット７０および計算機ユニット７１が設けられており、金属間化合物形成装置１が自動的に制御される。
【００３４】
計算機ユニット７１は、基材２を２次元的または３次元的に被覆するための設計パターンに基づいて座標データなどの設計データを作成するために用いられる。制御ユニット７０は、計算機ユニット７１により得られた設計データ、温度検知器６４により検知された温度、圧力計６５により測定された圧力に基づいて、ＸＹテーブル１０、昇降装置１２ａ，１２ｂ、加振機２２、熱源３５、ガス供給装置５４、加熱機６１、減圧装置６２およびガス循環装置６３を制御する。
【００３５】
まず、基台１１ａに載置された基材２上に堆積ユニット２０から粉末ニッケル２１が堆積され、粉末堆積層８０が形成される。所望の領域に粉末堆積層８０が得られるように、ＸＹテーブル１０は前後左右に移動する。次に、基台１１ａが吐出ユニット３０の下方に移動する。次いで、基材２上の粉末堆積層８０に吐出ユニット３０から溶融アルミニウムが吐出される。これにより、基材２上で発熱を伴いながらＮｉＡｌの被覆層８１が形成される。基材２上の領域に所望の被覆層８１が得られるようにＸＹテーブル１０が前後左右に移動する。金属間化合物の被覆層を複数重ねる場合には、同様な動作を繰り返す。それにより、基材２上に形成される被覆層を厚くすることができる。また、３次元的形状を有する被覆層のパターンを形成することができる。
【００３６】
図２は、図１の金属間化合物形成装置１に用いられる吐出ノズル３１の断面図であり、図３は、図１の金属間化合物形成装置１に用いられる吐出ノズル３１の分解断面図であり、図４は、図２の吐出ノズル３１のＡ−Ａ線断面図である。
【００３７】
図２または図３に示すように、吐出ノズル３１は、内筒部３２および外筒部３３，３４，３５により構成される。これらの内筒部３２および外筒部３３，３４，３５は、例えば、グラファイト、アルミナ、炭化ケイ素などのセラミックスにより形成される。
【００３８】
内筒部３２は、円筒状の周壁部３２０を有し、周壁部３２０の内部に円柱状の通路３２１が設けられている。周壁部３２０の下端部は漸次径小となっている。周壁部３２０の底面３２４は平坦に形成され、底面３２４の中心に通路３３１に連通する噴出孔（気体導入孔）３２２が開口している。噴出孔３２２の直径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。周壁部３２０の外側には径大な円柱状の嵌合部３２５が一体的に設けられている。嵌合部３２５には複数の通路３２３が上下に貫通するように形成されている。嵌合部３２５の外周面には雄ねじ３２６が形成されている。
【００３９】
外筒部３３は円筒状の周壁部３３０を有し、周壁部３３０の内部に円柱状の通路３３１が設けられている。周壁部３３０の外周面の下端部には雄ねじ３３２が形成されている。
【００４０】
外筒部３４は、円筒状の周壁部３４０を有する。周壁部３４０は、上端部側に径大な内周面を有し、中央部に中間径の内周面を有し、下端部側に径小な円周面を有する。また、周壁部３４０は、下端部に径小な外周面を有する。上端部側の径大な内周面には雌ねじ３４１が形成され、中央部の中間径の内周面には雌ねじ３４２が形成され、下端部の径小な外周面には雄ねじ３４３が形成されている。
【００４１】
外筒部３５は、円筒状の周壁部３５０および底部３５２を有する。周壁部３５０は、上端部側に径大な内周面を有し、下端部側に径小な内周面を有する。周壁部３５０の上端部側の内周面には雌ねじ３５４が形成されている。底部３５２の中央部の上面３５３は平坦に形成されている。底部３５２の中心には吐出孔３５１が設けられている。吐出孔３５１の直径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。
【００４２】
内筒部３２の雄ねじ３２６を外筒部３４の雌ねじ３４２に螺合させ、外筒部３３の雄ねじ３３２を外筒部３４の雌ねじ３４１に螺合させ、外筒部３４の雄ねじ３４３を外筒部３５の雌ねじ３５４に螺合させることにより、吐出ノズル３１を組み立てることができる。
【００４３】
図２に示すように、内筒部３２および外筒部３３，３４，３５を組み立てた状態では、内筒部３２の外周面と外筒部３４，３５の内周面との間に空間３７０が形成される。また、内筒部３２の底面３２４と外筒部３５の底部３５２の上面３５３との間に平坦な空間３７１が形成される。空間３７０は内筒部３２の通路３２３を通して外筒部３３の通路３３１に連通している。また、吐出孔３５１は空間３７１を通して噴出孔３２２、通路３２１および通路３３１に連通している。内筒部３２の底面３２４と外筒部３５の底部３５２の上面３５３との間の距離は、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００４４】
図５は、吐出ノズル３１の吐出孔３５１から溶融アルミニウム３８が吐出される様子を描いた模式図である。
【００４５】
吐出ノズル３１内の空間３７０には、溶融アルミニウム３８が貯留されている。溶融アルミニウム３８は、例えば粉末アルミニウムまたは固形アルミニウム片の状態で内筒部３２の通路３２３を通して空間３７０内に充填され、図１の加熱源３５により加熱溶融することにより得られる。内筒部３２の底面３２４と外筒部３５の底部３５２の上面３５３との間の平坦な空間３７１には、空間３７０から供給される溶融アルミニウム３８により溶融アルミニウムの薄膜層３８１が形成される。薄膜層３８１は表面張力により平坦な空間３７１に保持される。この状態で図１のガス供給装置５４により通路３３１にガス体が供給される。
【００４６】
通路３３１に供給されたガス体は、内筒部３２の通路３２１を通して噴出孔３２２から溶融アルミニウムの薄膜層３８１を加圧する。それにより、外筒部３５の吐出孔３５１から溶融アルミニウムの液滴３８２が吐出される。
【００４７】
また、通路３３１に供給されたガス体は、内筒部３２の通路３２３を通して溶融アルミニウム３８の液面を加圧する。それにより、溶融アルミニウムの液滴３８２の吐出後も絶えず溶融アルミニウム３８が平坦な空間３７１に供給され、溶融アルミニウムの薄膜層３８１が空間３７１に保持される。そのため、連続的に溶融アルミニウムの液滴３８２の吐出が可能である。
【００４８】
このように、内筒部３２の底面３２４と外筒部３５の底部３５２の上面３５３との間の平坦な空間３７１に溶融アルミニウムの薄膜層３８１が保持され、ガス体による加圧時に吐出孔３５１から吐出されるので、吐出孔３５１の目詰まりが生じにくい。
【００４９】
また、吐出孔３５１の目詰まりが生じた場合でも、吐出ノズル３１から外筒部３５のみを取り外して清掃または交換することができるので、清掃作業または交換作業が容易である。また、交換部品のコストが低減される。
【００５０】
図１に示すガス供給装置５４によりガス体を短い時間間隔でパルス状に断続的に加圧することができる。この場合、断続的なガス体の供給により溶融アルミニウムの液滴３８２を連続的または間欠的に吐出させることが可能である。さらに、パルスの時間幅および時間間隔の少なくとも一方を制御することにより、溶融アルミニウムの液滴３８２の大きさや吐出速度を制御することができる。
【００５１】
図６は、図１のガス供給装置５４により供給されるガス体の圧力変化を示す図である。縦軸はガス供給装置５４から供給されるガス体の圧力であり、横軸は時間である。パルスの時間幅ＯＰはガス体がガス供給装置５４から供給される時間であり、パルスの時間間隔ＣＬはガス体がガス供給装置５４から供給されない時間である。
【００５２】
図６（ａ）はパルスの時間幅ＯＰが大きく、パルスの時間間隔ＣＬが小さい場合であり、図６（ｂ）はパルスの時間幅ＯＰが小さく、パルスの時間間隔ＣＬが大きい場合である。
【００５３】
図６（ａ）の場合には、ガス体の供給時間が長く供給間隔が短くなっている。それにより、吐出ノズル３１から大きなサイズの液滴３８２が短い間隔で連続的に吐出される。
【００５４】
図６（ｂ）の場合には、ガス体の供給時間が短く供給間隔が長くなっている。それにより、小さいサイズの液滴３８２が間欠的に吐出される。
【００５５】
このパルスの時間幅ＯＰおよびパルスの時間間隔ＣＬを制御することにより、吐出ノズル３１から吐出される液滴３８２のサイズおよび吐出速度を制御することができる。したがって、被覆層の厚さおよびＸＹテーブル１０の移動速度に応じて液滴のサイズおよび吐出速度を最適化することにより、溶融アルミニウムの液滴とニッケル粉末堆積層との反応域および反応相の制御を容易に行うことが可能となる。その結果、金属間化合物からなる被覆層の気孔率および組織を最適化し、高品質の被覆層を形成することが可能となる。
【００５６】
図７は、図１の金属間化合物形成装置１に用いられる吐出ノズルの他の例を示す模式図である。
【００５７】
吐出ノズル３１ａは、内筒部３２ａおよび外筒部３５ａにより構成される。
内筒部３２ａは、円筒状の周壁部３２０ａを有し、周壁部３２０ａの上端部側に径大な外周面を有し、下端部側に径小な外周面を有する。周壁部３２０ａの内部に円柱状の通路３２１ａが設けられており、通路３２１ａの下端部は漸次径小となっている。周壁部３２０ａの底面３２４ａは平坦に形成され、周壁部３２０ａの外周面の下端部には雄ねじ３２６ａが形成されている。また、内筒部３２ａは底面３２４ａの中心に噴出孔３２２ａを有する。噴出孔３２２ａの直径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。
【００５８】
外筒部３５ａは円筒状の周壁部３５０ａおよび底部３５２ａを有する。周壁部３５０ａの上端部側の内周面には雌ねじ３５４ａが形成されている。底部３５２ａの中央部の上面３５３ａは平坦に形成されている。底部３５２ａの中心には吐出孔３５１ａが設けられている。吐出孔３５１ａの直径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。
【００５９】
内筒部３２ａの雄ねじ３２６ａを外筒部３５ａの雌ねじ３５４ａに螺合させることにより、吐出ノズル３１ａを組み立てることができる。
【００６０】
内筒部３２ａおよび外筒部３５ａを組み立てた状態では、内筒部３２ａの下端部側の外周面と外筒部３５ａの内周面との間に空間３７０ａが形成される。また、内筒部３２ａの底面３２４ａと外筒部３５ａの底部３５２ａの上面３５３ａとの間に平坦な空間３７１ａが形成される。吐出孔３５１ａは空間３７１ａを通して噴出孔３２２ａ、通路３２１ａに連通している。
【００６１】
また、吐出ノズル３１ａの側部に溶融アルミニウム３８を貯蔵する貯蔵槽９１が設けられている。貯蔵槽９１の内部は空間３７０ａに連通している。貯蔵槽９１は、ガス体が供給される入り口９２と、アルミニウム粉末材料３９が供給される入り口９３とを備える。
【００６２】
平坦な空間３７１ａには、空間３７０ａから供給される溶融アルミニウム３８ａにより溶融アルミニウムの薄膜層３８１ａが形成される。薄膜層３８１ａは表面張力により平坦な空間３７１ａに保持される。
【００６３】
通路３２１ａに供給されたガス体は、内筒部３２ａの通路３２１ａを通して噴出孔３２２ａから溶融アルミニウムの薄膜層３８１ａを加圧する。それにより、外筒部３５ａの吐出孔３５１ａから溶融アルミニウムの液滴３８２ａが吐出される。
【００６４】
また、入り口９２から供給されたガス体は、貯蔵槽９１内の溶融アルミニウム３８ａの液面を加圧する。それにより、溶融アルミニウムの液滴３８２ａの吐出後も絶えず貯蔵槽９１から溶融アルミニウム３８ａが平坦な空間３７１ａに供給され、溶融アルミニウムの薄膜層３８１ａが空間３７１ａに保持される。そのため、連続的に溶融アルミニウムの液滴３８２ａの吐出が可能である。
【００６５】
貯蔵槽９１から空間３７０ａに溶融アルミニウム３８ａを供給することが可能であるため、空間３７０ａにアルミニウム粉末材料を補充するために金属間化合物形成装置を停止する必要がなく、生産性が向上する。
【００６６】
また、貯蔵槽９１に入り口９３からアルミニウム粉末材料を供給することが可能であり、貯蔵槽９１内の溶融アルミニウム３８ａは常に供給される。
【００６７】
上記実施の形態では、吐出ノズル３１，３１ａの吐出孔３５１，３５１ａが円形である場合を説明したが、吐出孔は円形に限られず楕円形、略多角形などの他の形状であってもよく、あるいはスリット状であってもよい。これらの場合、吐出孔の短辺または短軸の長さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６８】
また、上記実施の形態では、第１の物質がニッケルであり、第２の物質がアルミニウムである場合を説明したが、第１および第２の物質としては任意の金属材料を用いることができ、あるいは、任意の金属材料および任意のセラミックス材料の混合物を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る金属間化合物形成装置を示す模式図である。
【図２】図１の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの断面図である。
【図３】図１の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの分解断面図である。
【図４】図２の吐出ノズルのＡ−Ａ線断面図である。
【図５】吐出ノズルの吐出孔から溶融アルミニウムが吐出される様子を描いた模式図である。
【図６】図１のガス供給装置により供給されるガス体の圧力変化を示す図である。
【図７】図１の金属間化合物形成装置に用いられる吐出ノズルの他の例を示す模式図である。
【図８】従来の被覆装置に用いられる吐出用ノズルの模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 金属間化合物形成装置
２ 基材
１０ ＸＹテーブル
１１ａ，１１ｂ 基台
１２ａ，１２ｂ 昇降装置
２０ 堆積ユニット
２２ 加振機
２３ 篩機
３０ 吐出ユニット
３１，３１ａ 吐出ノズル
３２，３２ａ 内筒部
３３，３４，３５，３３ａ，３４ａ，３５ａ 外筒部
３５ 熱源
５４ ガス供給装置
６０ チャンバ
６１ 加熱機
６２ 減圧装置
６３ ガス循環装置
６４ 温度検知器
６５ 圧力計
７０ 制御ユニット計算機ユニット
７１ 計算機ユニット
９１ 貯蔵槽
３５１，３５１ａ 吐出孔
３２２，３２２ａ 噴出孔
Claims (11)
- 溶融金属を吐出するノズル装置であって、
互いに分離可能に構成された外筒部および内筒部と、
前記内筒部の内部空間に気体を供給する気体供給装置と、
前記気体供給装置により供給される気体の圧力をパルス状に制御する制御装置とを備え、
前記外筒部は、内周面を有する周壁部と吐出孔が設けられた底部とを有し、
前記内筒部は、外周面を有する周壁部と気体導入孔が設けられた底面とを有し、
前記外筒部の内周面と前記内筒部の外周面との間に材料源を収容するための第１の空間が形成されるとともに、前記外筒部の底部上面と前記内筒部の底面との間に前記第１の空間内の材料源に基づく溶融金属の薄膜層を保持するための第２の空間が形成されたことを特徴とするノズル装置 - 前記外筒部の底部上面および前記内筒部の底面がそれぞれ平坦面からなることを特徴とする請求項１記載のノズル装置
- 前記吐出孔と前記気体導入孔とが対向するように配置されたことを特徴とする請求項１または２記載のノズル装置
- 前記外筒部は、互いに分離可能に結合された複数の部材により構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のノズル装置
- 前記外筒部は、前記底部を含む第１の部材と前記周壁部を含む第２の部材とにより構成され、前記第１の部材と前記第２の部材とが互いに分離可能に結合されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のノズル装置
- 前記吐出孔および前記気体導入孔の各々は０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲の直径を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のノズル装置
- 前記第１の空間に導入する溶融金属を収容する収容部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のノズル装置
- 前記気体供給装置は、前記第１の空間に気体を供給することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のノズル装置
- 前記制御装置は、前記パルスの時間幅および時間間隔のうち少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のノズル装置
- 基材上に第１の物質を堆積する堆積装置と、
前記基材上の第１の物質上に第２の物質からなる溶融金属を吐出することにより前記第１および第２の物質の金属間化合物層を形成する請求項１〜９のいずれかに記載のノズル装置とを備えたことを特徴とする金属間化合物形成装置 - 基材上に第１の物質を堆積する堆積装置と、
前記基材上の第１の物質上に第２の物質からなる溶融金属を吐出することにより前記第１および第２の物質の金属間化合物層を形成するノズル装置とを備え、
前記ノズル装置は、
互いに分離可能に構成された外筒部および内筒部を備え、
前記外筒部は、内周面を有する周壁部と吐出孔が設けられた底部とを有し、
前記内筒部は、外周面を有する周壁部と気体導入孔が設けられた底面とを有し、
前記外筒部の内周面と前記内筒部の外周面との間に材料源を収容するための第１の空間が形成されるとともに、前記外筒部の底部上面と前記内筒部の底面との間に前記第１の空間内の材料源に基づく溶融金属の薄膜層を保持するための第２の空間が形成されたたことを特徴とする金属間化合物形成装置。
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