JP4268193B2 - 加速ノズル - Google Patents
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Description
粉末冶金に利用される微粉製造は、容器から注がれる溶湯流に対し、円周上に配置された複数のノズルからその溶湯流に向けてジェットガスを衝突させ、金属材を微粒化する(例えば特許文献1参照)。
プリフォームを製造するスプレーフォーミングにおいても上記微粉製造と同様な構成の微粒化装置(アトマイザー)が使用されている。
上記スプレーフォーミングが大容量の溶湯を供給して塊の堆積物や成型体を得るのに対し、溶射は同様の原理によって少量の材料を供給し皮膜を形成するコーティング技術であり、溶射の方式としては電気を熱源とするアーク溶射や燃焼ガスを熱源とするフレーム溶射等がある。
アーク溶射は、金属材を2本のワイヤの形態で供給し、それぞれのワイヤを陽極と陰極として電荷を付加し、両ワイヤ間でアークを発生させ金属材を溶融する(例えば特許文献4参照)。
ノズルを使用することによって溶射面に向けて高速フレームを形成するとともに、その高速フレーム(燃焼炎)の途中に溶射材を投入する溶射装置(例えば特許文献6参照)が知られている。
微粒化した溶融金属を標的に向けて噴射し凝固させることにより3次元の造形を行う方法である。
材料を溶融またはガス化させることなくガスとともに超音速流で固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成する方法である(例えば特許文献9参照)。超音速で衝突した材料は粒子自体が塑性変形することによって皮膜となるため、他の溶射方法とは異なり、熱による材料の特性変化や酸化が抑制される。
上記スロート部下流側のノズル孔における周方向内壁にノズル中心軸と略平行に且つ下流側に向けてシールドガスを噴射する噴射口を有し、上記高速ガス流の周囲に筒状のシールドガスの流れを形成するシールドガス供給部を備えてなることを要旨とする。
図1は本発明に係る加速ノズルの原理を示したものであり、同図(a)は正面断面図を示し、同図(b)は図1(a)のB部拡大図である。
図2はリング状部品2aの下流側側面を示した斜視図である。
スリットTを通過するシールドガスの流速uはスリット前側の圧力p1とスリット後側の圧力p2より、ガスの密度ρを用いて
超音速ノズルを使用する場合、ラバルノズルのように拡大部を有するノズル形状を通過させなければ、主流ガスGsと同一の流速でシールドガスSGsをノズル2内に供給することができない。
図3は上記加速ノズル1によって得られる粒子速度分布を示したグラフである。
なお、一つのスリットTからノズル2内にシールドガスSGsを供給しても、ある距離についてガスと粒子が移動すると、やがてはノズル2内に少なからず存在する乱れによって粒子がノズル内壁2k近くまで拡散してしまう。
次に、主流ガスGsの流速にシールドガスSGsの流速を一致させてそのシールドガスSGsをノズル2内に供給する方法について説明する。
スリット出口でのマッハ数Miは、式(3)で表される。
図7〜図12は本発明に係る加速ノズルの他の実施形態を示す原理図である。
次に、溶射材に応じた噴射ノズル装置の構成について説明する。
Znは融点が低い(692.7K)ため、400m/sまで十分に加速できれば、衝突時の塑性変形熱で表面が溶け、基材上に付着させることができる。したがって、この場合、図14に示すように加速を重視した長いノズルを使用する。また、ガス圧力は1.2MPa、ガス温度は常温とした。
Tiは融点が高い(1953K)ため、粒子が冷え過ぎた場合700m/s程度まで加速しないと衝突時の塑性変形熱による熱で表面を溶かし付着させることができない。この粒子の加速に必要なガス圧力は、空気の場合、50MPaを超えることになる。したがって、Tiの溶射では粒子が冷え過ぎないように短いノズルを使用する。また、ガス圧力は1.8MPa、ガス温度は常温とした。
図19に示すグラフは、異なる溶射材を使用した場合の溶射性能を比較したものであり、(a)のグラフは溶射によって形成された皮膜の密度を、(b)のグラフは皮膜の歩留まりをそれぞれ示している。
次に、本発明の加速ノズルをコールドスプレーに適用する場合の構成について説明する。
図22は、本発明の加速ノズルを高速フレーム溶射に適用する場合の構成を示したものである。
図23は、溶融金属流を微細化することにより金属粉を製造する微粒化装置に、本発明の加速ノズルを適用する場合の構成を示したものである。
図24は加速ノズル内を飛行する粒子の速度および速度分布を測定するために構成された水実験モデルである。
2 ノズル
2a〜2j リング状部品
2k ノズル内壁
2m スリット最狭部
3 入口側
4 スロート部
5 出口側
6 シールドガス供給路
7 ガス流偏向部
8 上流側端面
9 スタックボルト孔
11 本体部
12 ノズル部
12a〜12k リング状部品
13 ガス通路
14 ワイヤガイド
15 ワイヤ
Claims (6)
- 内径が異なる複数のリング状部品を筒状に連結することにより、ノズルの先端に向けて内径が段階的に拡大するノズル孔を有する粒子加速用のノズルであって、
上記ノズル孔における周方向内壁において、連結された上流側および下流側リング状部品の内壁段差部分に、高速ガス流をノズル先端側に向けて略筒状に噴射するための環状の噴射口が形成されるとともに、この噴射口が上記ノズル孔の筒軸方向に複数段設けられていることを特徴とする加速ノズル。 - 先端の上記リング状部品を除く各リング状部品を貫通して、上記高速ガス流形成用のガスを供給するガス供給路が設けられ、このガス供給路から、上記各段の噴射口に上記ガスを個別に供給するためのガス通路が形成されている請求項1記載の加速ノズル。
- 上記ガス通路が、連結された上流側および下流側リング状部品の間に間隙を設けることによって形成され、このガス通路における上記噴射口近傍に、ガス通路の幅を絞って上記高速ガス流を形成する高速ガス流形成部が形成されている請求項2記載の加速ノズル。
- 溶射装置のノズル出口に、請求項1〜3のいずれか1項に記載の加速ノズルを接続するように構成されたことを特徴とする溶射装置用加速ノズル。
- 微粉製造装置のノズル出口に、請求項1〜3のいずれか1項に記載の加速ノズルを接続するように構成されたことを特徴とする微粉製造装置用加速ノズル。
- コールドスプレー装置のノズル出口に、請求項1〜3のいずれか1項に記載の加速ノズルを接続するように構成されたことを特徴とするコールドスプレー用加速ノズル。
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