JP5751512B2

JP5751512B2 - 粉末中心軸供給式ｈｖａｆ溶射装置

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Publication number: JP5751512B2
Application number: JP2010240583A
Authority: JP
Inventors: 興司三谷; 栄司三谷
Original assignee: 有限会社エスエスシー
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: JP2012092391A

Description

本発明は、金属の酸化や金属酸化物等の変質を抑え、緻密な溶射皮膜を形成することができるＨＶＡＦ溶射装置に関する。

金属や金属酸化物を溶射することにより材料の変質を抑制した金属、セラミックス又は樹脂の皮膜を基材にコーティングする方法については、様々な方法が提案されている。例えば、減圧プラズマ溶射では、チャンバー内を不活性減圧雰囲気にして、原料の金属をプラズマジェットによって溶融して成膜する。しかし、この減圧プラズマ溶射では、皮膜の品質は優れているものの、コストが非常に高いという問題がある。

また、酸素を燃焼の酸化剤（助燃剤）として使用する高速フレーム溶射（ＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙＯｘｙ−Ｆｕｅｌ：ＨＶＯＦ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、フレームが高温であるため、金属が酸化されてしまう問題がある。上記問題を解決すべく、不活性ガスを混合することにより、燃焼ガス温度を制御した高速フレーム溶射が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。しかし、この方法では、金属の溶融温度未満での溶射が可能であるものの、燃焼の酸化剤に純酸素及びガス温度制御に窒素などの不活性ガス等を用いるため、コストが高いという問題がある。

さらに、低温での溶射が可能なコールドスプレーが提案されている。しかし、この方法では、アルミニウムや銅などの軟質金属では緻密な皮膜が得られるが、チタンでは作動ガスに高価なヘリウムを使わなければ、緻密な皮膜の形成は困難である。また、コールドスプレーでは、作動ガスとして、ヘリウムや窒素等の工業用ガスを大量に使用するため、コストが非常に高いという問題がある。

金属や金属酸化物を溶射する際に、コストを比較的低く抑える方法として、圧縮空気を燃焼の酸化剤として使用するＨＶＡＦ（ＨｉｇｈＶｅｌｏｃｉｔｙＡｉｒ−Ｆｕｅｌ）溶射装置があるが、ＨＶＡＦ溶射装置を用いた場合であっても、フレームは比較的高温であるため、金属の酸化や金属酸化物の変質が発生するという問題があった。

液体燃料を用いるＨＶＡＦ溶射装置は安全面では気体燃料を用いる装置に勝るが、燃焼のためには液体の気化が必要であり、必然的に燃焼室は長くならざるを得ず、構造上空冷型では粉末を中心軸に供給する装置はない。

特開２００９−２１４０２０号公報特開２００６−２７４３２６号公報特開２００７−２９９５０号公報

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、比較的コストを低く抑えて溶射することが可能であり、金属の酸化や金属酸化物の変質を抑え、基材との密着性に優れた、緻密な溶射皮膜を形成することができるＨＶＡＦ溶射装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、これらの課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、ＨＶＡＦ溶射装置において、特殊な形状のラバルノズルを連結し、粉末状の金属、セラミックス又は樹脂（以下、金属等という）をラバルノズル内の燃焼ガスの流路上に直接供給することで上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、液体燃料を圧縮空気により燃焼させ、発生した燃焼ガスを利用して高温から低温まで幅広い温度領域を有する金属等を基材に衝突させるＨＶＡＦ溶射装置であって、燃料と圧縮空気を混合し燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室と、燃焼室に連結され、低温のガスを利用する場合、燃焼室で生成された燃焼ガスを冷却する冷却室と、金属等を噴射する燃焼ガス噴射方向とは逆の方向を背面方向とした場合に、冷却室の背面方向から粉末状の金属等を装置内に供給する粉末供給路と、冷却室の正面方向に連結され、粉末供給路から供給された金属等が燃焼ガスとともに通過するラバルノズルと、ラバルノズルに連結され、ラバルノズルを通過した金属等が超音速の燃焼ガスとともに通過し、且つ、通過の過程で金属等を加速させるバレルとを備えたＨＶＡＦ溶射装置に関する。

本発明では、底面が冷却室に隣接して配置された略円錐台形状の短円錐部と、上面が短円錐部の上面と隣接して配置され、底面がバレルと隣接して配置された略円錐台形状の長円錐部とから構成されており、長円錐部の底面の径が短円錐部の底面の径より大きく、長円錐部の高さが短円錐部の高さより高く、短円錐部の上面の径と長円錐部の上面の径が、短円錐部及び長円錐部の両底面より小さいラバルノズルを有することが好ましい。

本発明では、燃焼室と冷却室が燃焼ガス噴射方向に対して垂直方向に隣接して配置されることが好ましい。

本発明では、粉末供給路が冷却室の背面方向から燃焼ガス噴射方向に対して水平方向に設けられ、金属等がラバルノズルを通過する燃焼ガスの流路の略中心軸上に供給されることが好ましい。

本発明では、粉末供給路がラバルノズルの直前（冷却室前面の略円錐台形状の短円錐部の端部の手前）まで伸びており、金属等がラバルノズル内へ直接供給されることが好ましい。

本発明によれば、特殊な形状のラバルノズルを用いることで、金属等を超音速で噴射させることができ、比較的低温で金属等を溶射させることが可能なＨＶＡＦ溶射装置を提供することができる。本発明では、比較的低温で金属等を溶射することができるため、金属の酸化や金属酸化物の変質を抑えることが可能であり、基材との密着性に優れた緻密な溶射皮膜を形成することが可能となる。また、粉末状の金属等を、ラバルノズルを通過する燃焼ガス噴射方向への燃焼ガスの流路の中心軸上に沿って供給できるため、ラバルノズル内やバレル内が汚染及び損耗されにくく、これらの耐久性が向上する。

本発明の実施の形態にかかるＨＶＡＦ溶射装置の全体像を表わす図である。本発明の実施の形態にかかるラバルノズル５を燃焼ガス噴射方向とは水平な面に沿って切断した断面図である。実施例１にて得られる溶射皮膜表面の走査型電子顕微鏡による写真である。実施例１にて得られる溶射皮膜断面の走査型電子顕微鏡による写真である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態の説明を行なうが、本発明の趣旨に反しない限り、本発明はこれらの実施の形態に限定されない。本発明のＨＶＡＦ溶射装置では、金属等を溶射することが可能である。図１は、本発明の実施の形態にかかるＨＶＡＦ溶射装置１の全体像を表わす図（ＨＶＡＦ溶射装置における金属等の噴射方向、及び、燃料と圧縮空気の供給方向と水平な面に沿って切断した断面図）である。ＨＶＡＦ溶射装置１は、燃焼室（チャンバー）２と、燃焼室２に隣接して配置された冷却室３と、冷却室３の背面方向から金属等の噴射方向に対して水平方向に配置された金属等供給路４と、冷却室３の正面方向に連結されたラバルノズル５と、ラバルノズル５に連結されたバレル６とを備えている。

燃焼室２は、灯油等の液体燃料を導入する燃料導入口７と、圧縮空気を導入する圧縮空気導入口８が設けられている。燃料が燃料導入口７より、圧縮空気が圧縮空気導入口８より燃料室２に導入されると、燃料と圧縮空気は燃焼室２内で混合され、燃焼し、燃焼ガスが生成する。

燃焼室２に導入される燃料の流量は、１〜１０Ｌ／ｈｏｕｒであることが好ましく、さらには２〜８Ｌ／ｈｏｕｒであることが好ましい。１Ｌ／ｈｏｕｒより少ないと、金属等の加熱温度が低いため、緻密な溶射皮膜が得られない傾向にあり、１０Ｌ／ｈｏｕｒより多いと、金属等の加熱温度が高すぎるため、金属等の変質や酸化が起こりやすくなる傾向にある。

燃焼室２に導入される圧縮空気の流量は、燃焼室及び冷却室の容量、ラバルノズル及びバレル形状、接合口径などに関係するが、２〜５ｍ^３／ｍｉｎであることが好ましく、さらには２．３〜３．３ｍ^３／ｍｉｎであることが好ましい。２ｍ^３／ｍｉｎより少ないと、金属等の加速が不十分となり、溶射皮膜の剥離が発生しやすく、３．５ｍ^３／ｍｉｎより多いと、金属等の加熱温度が低いため、緻密な溶射皮膜が得られない傾向にある。

燃焼室２におけるチャンバー圧力は、０．２〜０．７ＭＰａであることが好ましく、さらには０．３〜０．６ＭＰａであることが好ましい。０．２ＭＰａより小さいと、金属等の加速が不十分となり、緻密な溶射皮膜が得られない傾向にあり、０．７ＭＰａより大きいと、金属等の加速が速すぎるため、金属等が基材に衝突する際に飛散が発生してしまう傾向がある。加えて圧縮空気を供給するコンプレッサーが特殊仕様となり、コスト上昇の要因となる。

燃焼室２における燃焼温度は、１７００〜２３００Ｋであることが好ましく、さらには１８００〜２３００Ｋであることが好ましい。１７００Ｋより低いと、燃焼室圧力が低下し燃焼ガスの速度も低下するので緻密な溶射皮膜が得られない傾向にある。

燃焼室２において、生成した燃焼ガスは、冷却室３において空冷された後、ラバルノズル５内に供給される。冷却室３には、冷却ガス導入管９から空気等の冷却ガスが導入される。金属等供給路４は、冷却室３の背面から粉末状の金属等を供給することが可能であり、粉末状の金属等が圧縮空気不活性ガスとともに金属等供給路４へ供給されると、冷却室３を通過し、ラバルノズル５の直前（後述する短円錐部の底面側の端部の近傍）に金属等が排出される。金属等供給路４は、燃焼ガス噴射方向に水平で、且つ金属等がバレルから噴射される際のバレル６の噴射口の略中心軸上、すなわち、ラバルノズル５を構成する円錐部略中心軸上（すなわち、円錐台の上面と底面の円の中心を通る軸、ここでは、軸Ｘという）に沿って設置されている。金属等供給路４を通過して、ラバルノズル５内に直接供給された金属等は、金属等供給路４の先端にある金属等排出口４ｂから軸Ｘ上に排出され、ラバルノズル５内の燃焼ガスの流れに乗って噴射される。その結果、金属等の粒子に付与される運動エネルギーが、燃焼ガス噴射方向とは異なる他の方向へ分散されることがなくなり、また、ラバルノズル５やバレル６の内壁の汚染及び損耗を防ぐことができる。また、金属等供給路４において、金属等は圧縮空気または不活性ガスとともに供給されるため、金属等の酸化や変質を防ぐことができる。

超音速の燃焼ガスとともにラバルノズル５を通過した金属等は、バレル６内を通過することでさらに加速され、基材に向かって排出される。このような過程を経て、金属等が基材に衝突し、堆積することにより溶射皮膜が形成される。冷却室３は、燃焼室２と金属等の噴射方向に対して垂直方向に隣接して配置されており、空冷により、燃焼室２で生成された燃焼ガスを冷却する。なお、金属等供給路４を冷却室３の背面方向から燃焼ガス噴射方向に対して水平方向に設けて、金属等がラバルノズルを通過する燃焼ガスの流路の略中心軸上に供給されるようにするため、燃焼室２は冷却室３に対して、燃焼ガス噴射方向とは垂直に隣接して配置されることが好ましい。

本発明で用いられる金属等の金属等供給路４からの供給量は、１０〜１００ｇ／ｍｉｎであることが好ましく、さらには２０〜８０ｇ／ｍｉｎであることが好ましい。１０ｇ／ｍｉｎより少ないと、高速成膜のメリットが少なくなる。

次に、本発明の実施の形態にかかるラバルノズル５について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態にかかるラバルノズル５を燃焼ガス噴射方向とは水平な面に沿って切断した断面図である。ラバルノズル５は、底面が冷却室３に隣接して配置された略円錐台形状の短円錐部１０、底面がバレル６と隣接して配置された略円錐台形状の長円錐部１１から構成される。

図２において、金属等の噴射方向に対して水平方向である短円錐部１０の高さをａ_１、金属等の噴射方向に対して水平方向である長円錐部１１の高さをｂ_１と定義した場合、ａ_１＜ｂ_１であることが好ましい。

また、短円錐部１０の高さａ_１と長円錐部１１の高さｂ_１の比は、ａ_１／ｂ_１＝１／１．２〜１／５であることが好ましく、さらに、ａ_１／ｂ_１＝１／１．５〜１／３であることが好ましい。

ここで、図２において、短円錐部１０の底面の径をａ_２、長円錐部１１の底面の径をｂ_２、短円錐部１０の上面と長円錐部１１の上面との接合部をｃと定義する。すなわち、金属等の噴射方向に対して垂直方向である、短円錐部１０の上面の径、及び金属等の噴射方向に対して垂直方向である、長円錐部１１の上面の径はｃとなる。このように定義した場合、Ｃ＜ａ_２≦ｂ_２となることが好ましい。このような形状とすることで、ラバルノズル５を通過する燃焼ガスの流路の略中心軸（図１における軸Ｘ）上に供給された金属等は、超音速となりラバルノズル５を通過する。また、金属排出路４は、ラバルノズル５の直前まで水平方向に伸びており、好ましくは、ラバルノズルの入口部分である短円錐部１０の底面の直前まで伸びていることが好ましい。金属等が金属等供給口４ａから供給されると、ラバルノズル５を通過する燃焼ガスの流路の略中心軸上に供給されるため、ラバルノズル５の内壁は金属等で汚染及び損耗されにくく、ラバルノズル５の耐久性が向上する。

バレル６は、略円柱形状に成形されており、ラバルノズル５を通過した金属等が超音速燃焼ガスとともに通過し、基材に向かって排出される。バレル６の周囲は、冷却水が循環しており、バレル６を通過する超音速ガス及び飛行粒子の速度減少及び温度上昇を防ぐ働きをする。さらに、金属等は、バレルを通過する燃焼ガスの流路の略中心軸上に供給されるため、バレル６内は金属等で汚染及び損耗されにくく、バレル６の耐久性も向上する。

バレル６の先端から基材までの溶射距離は、適宜調整されることが好ましい。溶射距離が短くなると、燃焼ガスの影響により基材の過熱が生じるなど悪影響を及ぼし、溶射距離が長くなると、金属等の基材に対する衝突速度が不十分となり、溶射皮膜の剥離が発生しやすい傾向にある。

本発明で用いられる金属としては、特に限定されないが、例えば、亜鉛、アルミニウム、チタン、銅、ニッケル、モリブデン、タングステンなどの金属、アルミニウム亜鉛、ニッケルアルミ、ニッケルクロムなどの合金などがあげられる。本発明で用いられるセラミックスとしては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア（酸化チタン）等の金属酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等があげられる。酸化チタンを通常の方法で溶射した場合はルチル型の結晶構造を有する溶射皮膜となるが、本発明では、比較的低温で溶射することが可能となることで、アナターゼ型の結晶構造を有した溶射皮膜（すなわち、光触媒活性を有した溶射皮膜）が得られる。また、これらセラミックスを溶射することで、タイル等の建築資材とすることも可能である。本発明で用いられる樹脂としては、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート等のエンジニアリングプラスチックがあげられる。

本発明で用いられる基材としては、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレスなどが挙げられる。また、本発明で用いられる基材は、アンダーコート処理やブラスト処理などの前処理を行っても良い。基材の厚さは必要に応じて、適宜調整することが好ましく、基材の厚さが薄くなると、溶射をした後に基材に歪みが生じてしまう傾向にある。

本発明で用いられるＨＶＡＦ溶射装置のトラバース速度は、１００〜１００００ｍｍ／ｍｉｎ材料により大幅に変化するが、５００〜８００００ｍｍ／ｍｉｎであることが好ましく、さらには１０００〜６０００ｍｍ／ｍｉｎであることが好ましい。８００００ｍｍ／ｍｉｎ以上であると、均一な溶射皮膜が得られない傾向にあり、１０００ｍｍ／ｍｉｎより遅いと、基材に衝突した金属等の温度が低減しにくく、金属等の変質や酸化が進む傾向にある。

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない

（ＨＶＡＦ溶射装置）
ＨＶＡＦ溶射装置を図１に示すように構成したものを用いた。ノズル長さ、末広部長さ、スロート内径、バレル長さ、バレル内径については、以下の条件のものを用いた。
ノズル長さ：２５ｍｍ
末広部長さ：１５ｍｍ
スロート内径：１４．３ｍｍ及び１０．１ｍｍ
バレル長さ：１２３ｍｍ
バレル内径：１９ｍｍ

（実施例１）
灯油と酸素の燃焼炎を熱源とする上記のＨＶＡＦ溶射装置を用い、表１に示す溶射条件で、酸化チタン（平均粒径１０μｍ）をアルミニウム基材の表面に溶射し、溶射皮膜−１を得た。

（実施例２）
溶射条件を表１に示す条件とし、酸化チタン（平均粒径１７μｍ）に変更してアルミニウム基材の表面に溶射し、溶射皮膜−２を得た。

（比較例１）
溶射条件を表１に示す条件とし、粉末中心軸供給式ＨＶＡＦ溶射装置でなく、通常のＨＶＡＦにラバルノズルを装着した装置で実施例１の粉末を溶射したところ、ガス温度が高温のためにアルミニウム基材が溶融し皮膜作製は出来なかった。

（溶射皮膜の定性評価）
得られた溶射皮膜について、Ｘ線回折装置（株式会社島津製作所製、装置名ＸＲＤ−７０００）により、皮膜の結晶状態の定性評価を行い、溶射前の酸化チタンの結晶状態と比較した。溶射皮膜−１、及び２では、溶射前の酸化チタンと同じアナターゼ相のみのピークを示し、ルチル相は確認されなかった。結果を表２に示す。

（溶射皮膜の観察）
得られた溶射皮膜について、走査型電子顕微鏡（株式会社日立ハイテクノロジーズ製、装置名Ｓ−４１００）により、表面の観察を行った。皮膜表面において、酸化チタンの粒子の溶融は観察されず、断面から緻密な皮膜であることが判明した。図３に実施例１にて得られる溶射皮膜表面の写真を示す。また、図４に実施例１にて得られる溶射皮膜断面の写真を示す。

（溶射皮膜の光触媒特性評価）
湿式メチレンブルー分解性能試験を実施して光触媒特性の評価を行った。酸化チタン溶射皮膜をメチレンブルー水溶液に浸漬させ、紫外線光を照射することにより発生するメチレンブルー水溶液濃度の変化を測定することで評価を行う。ここで示す分解活性指数はメチレンブルー水溶液を単位時間当たりに分解させるモル濃度であり、この指数が高いほど活性が高い。実施例１、２に対して試験を行った。自記可視紫外分光光度計（日本分光株式会社製、装置名Ｖ−５６０）により、メチレンブルーの吸収波長ピーク（約６６４ｎｍ）を測定した。

予めメチレンブルーを飽和吸着させた酸化チタン皮膜をメチレンブルー水溶液（１０μｍｏｌ／Ｌ、１０ｍＬ）に浸漬させ、ブラックライトを使用して中心波長約３５０ｎｍの紫外線（１．２ｍＷ／ｃｍ^２）を照射させ、吸光度の時間変化から分解活性指数を求めた。結果を表３に示す。実施例１よりも実施例２の方が皮膜表面の均一性に優れていること及び膜厚が厚いためと推測する。

実施例１、２で得られた溶射皮膜は、いずれも緻密な皮膜であり、溶射前の酸化チタンと比較して、相変態は認められなかった。従って、本発明のＨＶＡＦ溶射装置を用いることにより、金属の酸化を抑え、若しくは加熱による相変態が発生しない緻密な溶射皮膜を形成することができる。

１溶射装置
２燃焼室
３冷却室
４金属等供給路
４ａ金属等供給口
４ｂ金属等排出口
５ラバルノズル
６バレル
７燃料導入口
８圧縮空気導入口
９冷却ガス導入管
１０短円錐部（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ部）
１１長円錐部（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ部）

Claims

液体燃料を圧縮空気により燃焼させ、発生した燃焼ガスを利用して高温の金属、セラミックス又は樹脂を基材に衝突させるＨＶＡＦ溶射装置であって、
燃料と圧縮空気を混合し燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室と、
燃焼室に連結され、燃焼室で生成された燃焼ガスを冷却する冷却室と、
冷却室内へ冷却ガスを導入する冷却ガス導入管と、
金属、セラミックス又は樹脂を噴射する燃焼ガス噴射方向とは逆の方向を背面方向とした場合に、冷却室の背面方向から粉末状の金属、セラミックス又は樹脂を装置内に供給する粉末供給路と、
冷却室の正面方向に連結され、粉末供給路から供給された金属、セラミックス又は樹脂が燃焼ガスとともに通過するラバルノズルと、
ラバルノズルに連結され、ラバルノズルを通過した金属、セラミックス又は樹脂が超音速の燃焼ガスとともに通過し、且つ、通過の過程で金属、セラミックス又は樹脂を加速させるバレルとを備えたＨＶＡＦ溶射装置。
底面が冷却室に隣接して配置された略円錐台形状の短円錐部と、
上面が短円錐部の上面と隣接して配置され、底面がバレルと隣接して配置された略円錐台形状の長円錐部とから構成されており、
長円錐部の底面の径が短円錐部の底面の径より大きく、長円錐部の高さが短円錐部の高さより高く、短円錐部と長円錐部の上面の径が、短円錐部及び長円錐部の両底面より小さいラバルノズルを有する請求項１記載のＨＶＡＦ溶射装置。
燃焼室と冷却室が燃焼ガス噴射方向に対して垂直方向に隣接して配置されることを特徴とする請求項１又は２記載のＨＶＡＦ溶射装置。
粉末供給路が冷却室の背面方向から燃焼ガス噴射方向に対して水平方向に設けられ、金属、セラミックス又は樹脂がラバルノズル及びバレルを通過する燃焼ガスの流路の略中心軸上に供給されることを特徴とする請求項１、２又は３記載のＨＶＡＦ溶射装置。
粉末供給路がラバルノズルの直前まで伸びており、金属、セラミックス又は樹脂がラバルノズル内へ直接供給されることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のＨＶＡＦ溶射装置。