JP6363915B2 - コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法に関する。

ドライコーティング技術として、溶射法が知られている。溶射法は、メッキなどのウェットコーティングと比較して、環境に有害な物質を排出しないという特徴を有している。一般に、溶射法においては、高温のガスの流れを用いて固体粒子（溶射粒子）を加速および加熱し、機械部品や構造部材の被コーティング物（基材）の表面に吹き付ける。溶射粒子は、軟化状態または半溶融状態で被コーティング物の表面に次々に衝突し、塑性変形を起こして皮膜となる。そして、溶射粒子の材料の種類によって、耐食性、耐酸化性、耐摩耗性を有するコーティング（皮膜）を形成することが可能である。また、数１０μｍ〜数ｃｍの厚さの皮膜を形成することが可能である。

一方、従来の溶射法では、溶射粒子を加熱・加速するガスの温度が数１０００℃以上であるため、溶射粒子が熱により変質するという問題を有している。このような問題を解決するため、コールドスプレー溶射法が開発されている。コールドスプレー溶射法は、最高で１０００℃程度まで加熱した高圧の不活性ガス（例えば窒素やヘリウム）を、ノズルを通じて超音速に加速し、このガスの流れを用いて溶射粒子を基材に吹き付ける。コールドスプレー溶射法においては、従来の溶射法に比較してガス温度が低いため、溶射粒子はほとんど酸化しない。ただし、溶射粒子の温度が従来の溶射法に比較して低いため、溶射粒子が基材表面で塑性変形しにくい。そこで、コールドスプレー溶射法では、溶射粒子の速度を上げ、熱エネルギーよりも運動エネルギーによって溶射粒子に塑性変形を生じさせて成膜させている。

コールドスプレー溶射法では、溶射粒子を加速するために、ノズル内を流通するガスを超音速に加速することが必要になる。また、溶射粒子を最大限加速し、かつ、ガスの消費量を抑制するために、コールドスプレー溶射法で用いられるノズル内のガスの流路は、内径が小さく細長い末広がり形状に形成される。例えば、流路は長さが１００〜３００ｍｍ程度で、内径が２〜５ｍｍ程度に形成される。なお、ノズルの内周面の表面粗さが粗いほど、ガスが減速されやすくなる。しかしながら、ノズルの内周面の表面粗さと減速の程度の定量的な関係はいまだ明らかになっていない。このため、ノズルの設計自体はノズルの内周面の表面粗さを無視することで計算により可能であるが、計算だけではノズル内面の表面粗さが原因のガス速度の低下をノズルの設計に反映できない。したがって、コールドスプレー溶射法で用いるノズルを製作した後には、ガス速度が超音速になっているか否かを実験により確認しなければならない。

ノズル内でガス速度が超音速になっているか否かを判定する方法としては、ノズル内壁の静圧分布を測定する方法がある。しかしながら、この方法では、ノズルの複数箇所に静圧測定用の穴をあける必要がある。このほか、ノズル出口においてガス速度を測定する方法があるが、この場合には高価な測定機器が必要になる。

特許文献１と特許文献２には、流体のリークの検出とリーク発生位置の特定する方法として、配管の外部表面温度を用いる方法が開示されている。しかしながら、これらの特許文献は、いずれも、コールドスプレー溶射法で用いられるノズルへの適用を想定するものではない。さらに、これらの方法では、配管内の流体の状態そのものを測定することはできない。

特開２００７−２２５４４０号公報 特開２００２−２１４０６３号公報

上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、安価かつ簡便に、コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態を診断する方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法であって、前記ノズルのスロートからノズル出口までの範囲の外周面の流通方向の温度分布を測定する温度分布測定ステップと、前記温度分布測定ステップにおいて測定した温度分布に基づいて、前記ノズルの流路におけるガスの流通状態を判定する判定ステップと、を有し、前記温度分布測定ステップにおいて測定された温度分布が、前記スロートから前記ノズル出口よりも上流側に前記ノズル出口の側の端面の外径と同じ長さを離れた位置までの範囲において、前記ガスの流通方向の下流側に向かって単調に低下する場合には、前記判定ステップにおいて、ガスの流通状態が目標とする状態にあると判定することを特徴とする。

前記判定ステップにおいて、最も温度が低い位置に衝撃波が発生していると判定する構成が適用できる。

前記温度分布測定ステップにおいては、常温のガスを用いる構成が適用できる。

温度分布測定ステップにおいて、赤外線カメラによって前記ノズルの外周面の温度分布を測定する構成が適用できる。

前記温度分布測定ステップにおいて前記ノズルの外周面のある位置における温度を測定し、前記ノズルが未使用（初期状態を測定するための使用を除き、実稼働に供する前をいう）である状態と使用を開始した後の状態である状態とで、前記ある位置における温度上昇量を算出し、算出した前記温度上昇量に基づいてガス速度の低下量を算出する構成が適用できる。

本発明によれば、コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態を、安価かつ簡便に診断できる。

図１は、ノズルの構成例を模式的に示す断面図である。 図２は、ノズルの流路におけるガスのマッハ数（定性的に速度に対応）を模式的に示すグラフである。 図３は、本発明の実施形態に係る診断方法の実施方法を模式的に示す図である。 図４は、本発明の実施形態に係る診断方法の実施方法を模式的に示す図である。 図５は、温度分布測定ステップにおいて測定される温度分布の測定結果の例を示すグラフである。 図６は、実験装置の構成を模式的に示す図である。 図７（ａ）は、入口圧力P₀が１気圧（ゲージ圧）の条件での実験結果を示すグラフであり、図７（ｂ）は、入口圧力P₀が７気圧（ゲージ圧）での実験結果を示すグラフである。 図８（ａ）は、ノズルの除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度の減速量を計算した結果を示すグラフであり、図８（ｂ）はノズルの除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度の減速率の算出結果の例を示すグラフである。 図９（ａ）は、ノズルの除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度の減速量を計算した結果を示すグラフであり、図９（ｂ）は、ノズルの除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度の減速率の算出結果の例を示すグラフである。

本発明者は、鋭意研究の結果、コールドスプレー溶射法で用いられるノズルにおいて、ノズル内のガスの流通方向の速度分布の増減とノズルの外周面におけるガスの流通方向の温度分布の増減とは、定性的に逆の傾向を示すという知見を得た。本発明者はこの知見に基づき、ノズルの外周面におけるガスの流通方向の温度分布から、ノズル内のガスの流通状態を診断する方法を見出した。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明の便宜上、「コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法」を、「診断方法」と略して記すことがある。本発明の実施形態に係る診断方法は、溶射法のうち、特にコールドスプレー溶射法に適用される。従来の溶射法は、厚さが数１０〜数１００μｍ程度のコーティングが目的となる。これに対して、コールドスプレー溶射法によれば、コーティングのみならず、厚さが数ｃｍ程度までの成形体の製造が可能である。

まず、コールドスプレー溶射法に用いられるノズル１（以下、単に「ノズル１」と記す）の構成例について、図１を参照して説明する。図１は、ノズル１の構成例を模式的に示す断面図である。図１中の矢印Ｆは、ガスおよび溶射粒子の流通方向（以下、単に「流通方向」と記す）を示す。図１に示すように、ノズル１は全体として筒状の構成を有し、その内部には長手方向に貫通するガスおよび溶射粒子の流路１３が形成される。そして、長手方向の一方の端面（図１においては左側の端面）にはガスおよび溶射粒子が流入するノズル入口１１が形成され、他方の端面（図１においては右側の端面）にはガスおよび溶射粒子が噴射するノズル出口１２が形成される。流路１３には、先細部１３１と末広部１３３とスロート１３２とが形成される。先細部１３１は、ノズル入口１１の側に形成され、流通方向の下流側に向かうにしたがって内径が徐々に小さくなる。末広部１３３は、先細部１３１よりも流通方向の下流側に設けられ、流通方向の下流側に向かうにしたがって内径が徐々に大きくなる。スロート１３２は、流路１３のうちで内径が最も小さい部分である。先細部１３１と末広部１３３との境界がスロート１３２となる。

ノズル１の流路１３にガスを流通させた場合のガスの流通状態について、図２を参照して説明する。図２は、ノズル１の流路１３におけるマッハ数（定性的にガス速度）を模式的に示すグラフである。なお、マッハ数とは、速度が音速の何倍であるかを表す数値である。

図２（ａ）は、ノズル１に供給されるガスの圧力（ノズル入口１１におけるガスの圧力。以下、入口圧力と称する）と大気圧の差が小さい場合を示す。入口圧力P₀を大気圧から徐々に上げていくと、図２（ａ）に示すように、ガス速度は、先細部１３１では下流側に向かうにしたがって大きくなり、スロート１３２において最大となる。ただし、入口圧力P₀と大気圧との差が小さいうちは、スロート１３２におけるガス速度は音速よりも遅い。末広部１３３でのガス速度は、下流側に向かうにしたがって小さくなる。

入口圧力P₀をゲージ圧で例えば１気圧弱程度に上昇させると、図２（ｂ）に示すように、ガス速度は、スロート１３２において音速（マッハ数１）に達する。ただし、この場合でも、末広部１３３におけるガス速度は、下流側に向かうにしたがって小さくなる。

入口圧力P₀をさらに上昇させると、図２（ｃ）に示すように、ガス速度は、スロート１３２を始点として、流通方向の下流側に向かってある位置ｘ_sまでは大きくなる。この位置ｘ_sを超えると、ガス速度は下流側に向かうにしたがって小さくなる。この場合には、この位置ｘ_sにおいて衝撃波が発生している。ガス速度は衝撃波を通過するときに突然、音速よりも遅い速度に減速する。

図２（ｃ）に示す状態から入口圧力P₀をさらに上昇させていくと、衝撃波が発生する位置は、流通方向の下流側に向かって移動していく。そして、図２（ｄ）に示すように、衝撃波がノズル出口１２において発生する状態となると、ガス速度は、スロート１３２においてマッハ１となり、末広部１３３において下流側に向かうにしたがって単調に大きくなる。この状態では、末広部１３３の全域においてガス速度が音速を超える「超音速流れ」が得られる。

コールドスプレー溶射法においては、衝撃波が末広部１３３を流通方向へ通り過ぎた状態が、ガスの理想的な流通状態である。このため、図２（ｄ）に示す状態が、ノズル１の流路１３におけるガスの流通状態の目標となる。本発明の実施形態に係る診断方法では、ノズル１の外周面の流通方向の温度分布に基づいて、ノズル１の流路１３におけるガスの流通状態を診断する。

次に、ガス速度とガス温度との関係について説明する。ガス温度は、ガス速度が大きくなるほど低下するという傾向を有する。ガス温度の低下は、ガス速度が音速を超えると顕著に現れるようになる。コールドスプレー溶射法においては、入口圧力P₀をゲージ圧で１気圧の数倍以上に大きくするため、ガス速度はスロート１３２において音速（マッハ１）に達する。そして、ガス速度がスロート１３２において音速に達し、かつ、衝撃波が末広部１３３を流通方向へ通り過ぎた状態では、ノズル入口１１からノズル出口１２に至るまで、ガス速度は流通方向の下流側に向かうにしたがって単調に大きくなる。そして、特にスロート１３２からノズル出口１２にかけて、ガスの温度が著しく低下する。

ノズル入口１１の側に他の部材（例えばガスの小型の空気溜め５など）が接続されている場合には、ガスが常温であれば当該他の部材も常温になるため、ノズル１と当該他の部材との間で熱伝導（流通方向の熱伝導）はほとんど生じない。そして、ノズル１の流路１３の金属内部を流通するガスの熱は、ノズル１の内周面から外周面に向かって、流通方向に直角な方向に伝導する。このため、ノズル１の外周面には、ノズル１の内周面の温度分布がそのまま表れることになる。したがって、ノズル１の外周面の流通方向の温度分布を測定することにより、ノズル１の内周面の流通方向の温度分布（すなわち、ノズル１の内周面上でのガスの流通方向の温度分布）を測定できる。そこで、本発明の実施形態では、ノズル１の外周面における流通方向の温度分布を接触または非接触で測定し、その測定結果をノズル１の内周面上でのガスの流通方向の温度分布とみなす。そして、この測定結果に基づいて、ガスの流通状態を診断する。

具体的には、ガスの流通状態が図２（ｄ）に示すような状態であれば、ノズル１の外周面の流通方向の温度は、ノズル出口１２の側の端面近傍を除き、スロート１３２からノズル出口１２に向かって単調に低下する。したがって、このような温度分布が測定された場合には、ガスの流通状態が理想的な状態（目標とする状態）にあることを示している。なお、ノズル出口１２の側の端面の近傍の温度については後述する。一方、衝撃波が末広部１３３の中間において発生している場合には、ノズル１の外周面の温度は、衝撃波が発生している位置ｘ_s（図２（ｃ）参照）において最低となり、衝撃波よりも下流側においては流通方向の下流側に向かうにしたがって上昇することになる。このためこのような温度分布が測定された場合には、測定温度の最も低い位置の近傍において衝撃波が発生していることを示している。

次に、本発明の実施形態に係る診断方法の実施方法について、図３と図４を参照して説明する。図３と図４は、診断方法の実施方法を模式的に示す図である。図３に示すように、本発明の実施形態に係る診断方法においては、ノズル１の外周面の流通方向の温度分布を接触で測定する接触測定手段として、複数のシートカップル熱電対７３が適用される。そして、図３に示すように、ノズル１の末広部１３３の全長の下流側約半分の外周面に、複数(たとえば５個)このＫ型シートカップル熱電対７３を貼り付ける。このような構成によれば、ノズル１の末広部１３３の全長の下流側約半分において、外周面の流通方向の温度分布を測定できる。また、図４に示すように、非接触で測定する非接触測定手段として、赤外線カメラ６が適用される。赤外線カメラ６は、少なくともノズル１の末広部１３３の全長を撮影できる（末広部１３３の全長にわたって流通方向の温度分布を測定できる）ように配置される。ただし、末広部１３３の周方向の全域を撮影できる必要はない。なお、温度の測定手段は、ノズル１の外周面の流通方向の温度分布を接触または非接触で測定することができる機器であればよく、シートカップル熱電対や赤外線カメラ６に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る診断方法は、温度分布測定ステップと判定ステップとを有する。

温度分布測定ステップは、末広部１３３の外周面の流通方向の温度分布を接触または非接触で測定するステップである。温度分布測定ステップでは、まず、常温のガスをノズル１に流通させる。この際、入口圧力P₀を所定の一定の値に維持する。常温のガスを用いる理由は、ノズル１において流通方向に熱伝導が生じることを防止して、ノズル１の外周面に内周面上でのガスの流通方向の温度分布が現れるようにするためである。すなわち、実際の施工時のように、常温よりも高温のガスを流通させると、ノズル１においては流通方向の熱伝導が発生し、ノズル１の外周面の温度がガスの温度を正確に反映しなくなるためである。ガスの流通の開始後、ノズル１の外周面の温度が静定するのを待って、赤外線カメラ６によってノズル１の外周面を撮影する。このようにして、温度分布測定ステップでは、末広部１３３の外周面における流通方向の温度分布を接触または非接触で測定する。

判定ステップにおいては、温度分布測定ステップにおいて測定した温度分布に基づいて、ガスの流通状態を判定する。図５は、温度分布測定ステップにおいて測定される温度分布の測定結果の例を示すグラフである。前述のとおり、ガスの流通状態が図２（ｄ）に示すような状態であれば、図５（ａ）に示すように、ノズル１の外周面の流通方向の温度分布は、ノズル出口１２の側の端面近傍（端面から上流側に向かって所定の長さＣの範囲）の領域を除き、スロート１３２からノズル出口１２に向かって単調に低下する。このため、このような測定結果が得られた場合には、コールドスプレー溶射法における理想的な状態（目標とする状態）が得られていると判定する。なお、この所定の長さＣおよび領域については後述する。一方、ガスの流通状態が図２（ｃ）に示す状態である場合には、ノズル１の外周面の温度は、図５（ｂ）に示すように、衝撃波が発生している位置ｘ_sの近傍において最低となり、そこから流通方向の下流側においては、ノズル出口１２に向かうにしたがって上昇していく。このため、図５（ｂ）に示すように、測定した温度分布をグラフ化すると下に凸の形状になり、下に凸の頂点の位置（最低温度の位置）がノズル出口１２の側の端面から所定の長さＣの位置よりも流通方向の上流側に位置している場合には、下に凸の頂点の位置の近傍において衝撃波が発生しており、ガス速度は単調な増加ではないと判定する。

なお、ガスの流通状態が図２（ｄ）に示す状態であっても、図５（ａ）に示すように、ノズル出口１２の側の端面近傍（端面から所定の長さＣの範囲）の領域において、ノズル１の外周面の温度が上昇するという測定結果が得られる。この温度上昇は、ノズル出口１２の側の端面と外気との熱伝達が原因であり、不可避的に発生する。実験の結果、不可避的な温度上昇が発生する範囲は、ノズル出口１２の側の端面の直径とほぼ同じであることが見出された。そこで、次に示すような方法を用いることにより、この温度上昇が判定結果に影響を及ぼさないようにできる。まず、この温度上昇が発生する領域（ノズル出口１２の側の端面から所定の長さＣの範囲の領域）の温度分布を判定に使用しないという方法が適用できる。説明の便宜上、この所定の長さＣを「除外長さＣ」と記し、ノズル出口１２の側の端面から除外長さＣだけ上流側の位置を「除外位置Ｄ」と称し、ノズル出口１２の側の端面から除外長さＣの範囲を除外領域と称する。本実施形態では、除外長さＣとして、例えば、ノズル出口１２の側の端面の外径を用い、ノズル出口１２の側の端面から除外領域Ｄについては、ガスの流通状態の判定に用いないという方法が適用できる。通常、コールドスプレーでは、ノズル出口から基材までの距離が５ｍｍ程度と短い。そのため、除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度は、溶射粒子が基材に衝突する速度にほぼ等しい。また、あらかじめ、ノズル出口１２の側の端面と外気との熱伝達が原因で生じる温度上昇を計算しておき、この計算結果に基づいて、ノズル出口１２の側の端面近傍において発生した温度上昇に、ガス速度の低下が原因で生じる温度上昇が含まれるか判別することができる。例えば、測定された温度と計算した温度の差分を算出し、この差分が閾値以上である場合には、ガス速度が低下していると判定する。

このように、本発明の実施形態に係る診断方法によれば、ノズル１の流路１３におけるガスの定性的な流通状態を、ノズル１に測定のための特別な加工などを施すことなく、接触または非接触で容易に診断できる。このため、本発明の実施形態に係る診断方法によれば、例えば新たに設計したノズル１が所望の性能を有するかを診断できる。

すなわち、溶射粒子の材料の種類やガスの条件（圧力や温度など）によって、ノズルの最適な形状は異なる。このため、新しい溶射粒子が開発されると、新しいノズルの設計が必要になる。ノズル１の設計において、ノズル１の末広部１３３の広がり角度θ（図１参照）を大きくすると、末広部１３３の各位置におけるガス速度は大きくなる。一般に、基材に衝突する溶射粒子の速度が大きいほど、緻密で密着力の高い皮膜が得られる。このため、溶射粒子を加速するという観点からは、ノズル１の末広部１３３の広がり角度を大きくすることが好ましい。しかしながら、広がり角度θが過大になると、衝撃波がノズル出口１２ではなく、末広部１３３の中間において発生するようになる。この状態では、衝撃波よりも下流側においてはガス速度が低下する。また、ノズル１の内壁面が粗いと、入口圧力P₀を大きくしても、衝撃波がなかなかノズル出口１２に達しない。コールドスプレー溶射法においては、ガスの消費量を減らすため、より小さい入口圧力P₀でより大きなガス速度を得ることが求められる。ノズル１の流路１３を流通するガス速度は、数値シミュレーションによって計算可能であるが、このシミュレーションには内周面の表面粗さを反映できない。このため、新たに設計したノズル１において、ガス速度がノズル出口１２またはその近傍まで超音速に達しているかどうかの診断が困難である。これに対して本発明の実施形態によれば、新たに設計したノズル１において、ガス速度がノズル出口１２またはその近傍まで超音速に達しているか否かを診断できる。

次に、ガス速度の定量的な情報を得る方法について説明する。まず、流通方向の任意の位置ｘにおけるガスのマッハ数M_gを、次の式（１）を用いて理論的に算出する。式（１）において、γはガスの比熱比であり、P_rはガスのプラントル数であり、T_w［Ｋ］は任意の位置xにおけるノズル１の外周面の温度であり、T_a［Ｋ］はノズル外周面の温度T_wの測定時における大気温度（外気温度）である。ノズル出口１２におけるガス速度を算出するためには、式（１）のT_wとしてノズル出口１２の外周面の温度を用いればよい。

ノズル入口１１におけるガスの温度は大気温度に等しいため、ノズル入口１１からノズル出口１２までのガスの流れが断熱流れであると近似すると、任意の位置ｘにおけるガス温度T_g［Ｋ］は、次の式（２）により理論的に算出できる。

そして、任意の位置xにおけるガス速度u_gは、次の式（３）により理論的に算出できる。なお、式（３）において、Rはガスの気体定数である。

このように、ノズル１の外周面の温度を測定するとともに、その際の大気温度を測定し、その測定結果を上述の式（１）〜（３）に適用することで、ガス速度u_gの定量的な情報を得ることができる。さらに、ノズル１が未使用である状態での測定結果に基づくガス速度u_gの算出結果と、ノズル１の使用開始後の状態での測定結果に基づくガス速度u_gの算出結果をとの差分を算出することにより、使用により生じるガス速度u_gの低下量を測定できる。このように、本発明の実施形態によれば、ガス速度u_gの低下量を、接触または非接触で容易かつ安価に測定できる。なお、本発明にいう未使用とは、実稼働に供する前であって、初期状態の測定のための使用を除くものとする。

さらに、ノズル出口１２における溶射粒子の速度u_p,eは、次の式（４）によって算出できる。次の式（４）において、d_pは溶射粒子の直径であり、Lはノズル１の末広部１３３の長さであり、ρ_pは溶射粒子の密度であり、P₀はスロート１３２の上流でのガスの貯気圧力であり、u_g,eはノズル出口１２でのガス速度である。

ただし、前述のとおり、除外領域においては、ノズル１の外周面の温度がノズル出口１２の側に向かうにしたがって上昇する。このため、ノズル出口１２におけるガス速度と溶射粒子の速度は、除外位置Ｄにおいて算出する。前述のとおり、この除外長さＣには、ノズル出口１２の側の端部の外径が適用される。除外位置Ｄにおけるガス速度と溶射粒子の速度は、次の式（５）〜（８）を用いて算出される。これらの式（５）〜（８）において、T'_wは、除外位置Ｄにおけるノズル１の外周面の温度である。M'_g,eは、除外位置におけるガスのマッハ数である。T'_g,eは除外位置Ｄにおけるガス温度である。u'_g,eは、除外位置Ｄにおけるガス速度である。u'_p,eは、除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度である。次の数式（５）〜（８）は、それぞれ、前述の数式（１）〜（４）に対応する。

また、ノズル１を長期間にわたって使用すると、ノズル１の内周面に溶射粒子が付着したり、溶射粒子がノズル１の内周面を傷つけたりして、ノズル１の内周面の表面粗さが粗くなっていく。そうすると、未使用の状態に比較してガス速度が低下していき、その結果、溶射粒子の速度も低下していく。本発明の実施形態によれば、このような使用により生じる溶射粒子の速度の低下を判定することができる。ここで、ノズル１の使用が原因で生じる溶射粒子の速度の低下を判定する方法について説明する。

まず、ノズル１が未使用（新品）である状態において、常温のガスをノズル１の流路１３に流通させ、ノズル１の末広部１３３の外周面の除外位置Ｄの温度を測定する。測定方法は、前述の温度分布測定ステップにおける方法と同じ方法が適用できる。また、常温のガスを用いる理由も前述のとおりである。併せて、この時の大気温度（外気温度）T_aを測定する。そして、上述した式（５）〜（８）を用いて、除外位置Ｄにおけるマッハ数M'_gと、ガス温度T'_g,eと、ガス速度u'_g,eと、溶射粒子の速度u'_p,eとを算出する。そして、これらを記録しておく。ノズル１の使用を開始してからは、所望の定期的なタイミングで、前述と同様の方法により除外位置Ｄの外周面の温度T'_wと大気温度（外気温度）T_aを測定する。この所望の定期的なタイミングとしては、例えば、毎日の加工開始前のタイミングなどが適用できる。そして、未使用時と同様に、数式（５）〜（８）を用いて、除外位置Ｄにおけるマッハ数M'_gと、ガス温度T'_g,eと、ガス速度u'_g,eと、溶射粒子の速度u'_p,eとを算出する。さらに、未使用時における溶射粒子の速度u'_p,eと使用開始後における溶射粒子の速度u'_p,eとの差を算出する。この差を溶射粒子の速度の低下量Δu_pとする。すなわち、

Δu_p＝（未使用時の溶射粒子の速度u'_p,e）−（使用開始後の溶射粒子の速度u'_p,e） 式（９）

である。

次に、ガスが常温よりも高い温度である場合のガス速度と溶射粒子の速度の計算方法について説明する。ここでは、ガスのマッハ数はガス温度に依存しないという原理を用いている。まず、式（５）を用い、除外位置Ｄにおけるマッハ数M'_g,eを算出する。一般に、ノズル内の流通方向のある位置におけるマッハ数は、その位置の流路断面積をスロート断面積で除した値により求められる。すなわち、ノズル内の流通方向のある位置におけるマッハ数はノズルの幾何形状により決まり、ガス温度に依存しない。そのため、常温のガスと高温のガスとで、マッハ数M'_g,eは同じ値になる。そして、次の式（１０）を用い、除外位置Ｄにおけるガス温度T'_g,eを算出する。

式（１０）は、式（６）の大気温度T_aが、ノズル入口１１におけるガスの温度（供給されるガスの温度）T_g0に置き換えられた式である。そして、式（１０）を用いて算出した除外位置Ｄにおけるガス温度T'_g,eを式（７）に代入して、除外位置Ｄにおけるガス速度u'_g,eを算出する。さらに、式（８）を用いて除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度u'_p,eを算出する。なお、未使用時および使用開始後のいずれであっても、この方法により除外位置Ｄにおけるガス速度u'_g,eと溶射粒子の速度u'_p,eを算出できる。

このように、使用によって生じるガス速度と溶射粒子の速度の低下を診断できるから、本実施形態に係る診断方法により、実際のコールドスプレー溶射法の実施において、ノズルや製造される製品の品質の管理が容易になる。すなわち、毎日の加工開始前において本発明の実施形態に係る診断方法を実施し、未使用の状態からのガス速度の低下量や低下率を検出することによって、ノズルのクリーニングや交換のタイミングの決定が容易になる。または、ノズル１が所望の性能を維持できなくなるよりも前に、クリーニングや交換ができる。

（実施例１）
次に、本発明の実施形態に係る診断方法の有効性を検証した実験について説明する。本発明者は、本発明の実施形態に係る診断方法の有効性を、ガスの静圧分布とノズル１の外周面の温度分布との関係に基づいて確認した。ノズル１の流路１３におけるガスの静圧は、ガス速度が高くなるにしたがって低下する。このため、末広部１３３において下流側に向かって静圧が低下していくのであれば、ガス速度がノズル１の出口に向かうにしたがって大きくなっていることを直接的に示しているといえる。また、末広部１３３の中間から出口に向かうにしたがってガスの静圧が高くなっていく場合には、ガスの静圧が最小の位置において衝撃波が発生しており、衝撃波よりも流通方向の下流側においてはガス速度が低下していることを直接的に示しているといえる。そして、前述のとおり、ガス温度も、ガス速度が大きくなるほど低下するという傾向を有する。このように、流路１３におけるガスの静圧分布と、ノズル１の外周面の温度分布とは、同じ定性的な傾向を示すと予想される。そこで、流路１３におけるガスの静圧分布とノズル１の外周面の温度分布とが、実際に同じ定性的な傾向を示すのであれば、本発明の実施形態に係る診断方法は有効であるといえる。

実験条件は次のとおりである。図６は、実験装置の構成を模式的に示す図である。ノズル１には、外周面と内周面とを連通する貫通孔である複数（本実施例では１０個）の静圧孔１４が、流通方向に配列されるように形成される。そして、これらの静圧孔１４には、それぞれ、外周面側から圧力センサ７１が取り付けられている。ノズル入口１１の側の端部には雄ネジが形成されており、小型の空気溜め５に形成される雌ネジに固定されている。この小型の空気溜め５には、使用するガスの例として、常温でかつ高圧の空気が定常的に供給される。そして、小型の空気溜め５に貯留される空気は、ノズル１の流路１３を通過してノズル出口１２から外部に噴射される。赤外線カメラ６は、ノズル１の末広部１３３の外周面の流通方向の全体を撮影できるように設置される。

実験手順は、次のとおりである。まず、小型の空気溜め５に溜められる空気を、ノズル１の流路１３に流通させる。なお、実験中は、入口圧力P₀を所望の一定の値に維持する。そして、ノズル１の外周面の温度が静定するのを待って（１０分程度）、赤外線カメラ６によってノズル１の末広部１３３の外周面を撮影してその流通方向の温度分布を取得する。同時に、圧力センサ７１のデータを取得する。ここでは、入口圧力P₀として、ゲージ圧で１気圧と７気圧の２種類の気圧について実験を行った。

図７（ａ）は、入口圧力P₀が１気圧の条件での実験結果を示すグラフであり、図７（ｂ）は、入口圧力P₀が７気圧での実験結果を示すグラフである。図７（ａ）（ｂ）のいずれにおいても、横軸が流通方向の位置を示す。そして、ｘ＝０ｍｍの位置がスロート１３２の位置であり、ｘ＝１８０ｍｍの位置がノズル出口１２の位置である。

図７（ａ）に示すように、入口圧力P₀がゲージ圧で１気圧の場合には、ガスの静圧はｘ＝５０ｍｍ付近の位置において最低となり、この位置から下流側に向かうにしたがって高くなっている。そして、赤外線カメラ６により測定されたノズル１の外周面の温度も、ｘ＝５０ｍｍ付近の位置において最も低く、この位置から下流側に向かうにしたがって高くなっている。したがって、ノズル１の外周面の温度分布から、ｘ＝５０ｍｍ付近の位置において衝撃波が発生しており、衝撃波の位置から下流側に向かうにしたがってガス速度が低下していると判定できる。このように、赤外線カメラ６によるノズル１の外周面の温度分布は、ノズル１の流路１３を流通するガス速度を定性的に捉えているといえる。

図７（ｂ）に示すように、入口圧力P₀がゲージ圧で７気圧の場合には、流路１３を流通するガスの静圧は、スロート１３２からノズル出口１２に向かって単調に低下している。同様に、ノズル１の外周面の温度は、ノズル出口１２の近傍を除き、スロート１３２からノズル出口１２に向かって単調に減少している。なお、ノズル出口１２の近傍において温度が上昇しているが、この温度上昇は、計算の結果、ノズル出口１２の側の端面と大気との熱伝達が原因で不可避的に生じることが明らかとなった。さらに、このような温度上昇が生じる領域は、本実施例では、ノズル出口１２の側の端面から約２０ｍｍの範囲の領域であるという測定結果が得られた。この長さは、ノズル出口１２の側の端部におけるノズル１の外径（本実施例ではφ２０ｍｍ）とほぼ同じであるという結果が得られた。このため、このような温度上昇が生じる範囲は、ノズル出口１２の側の端面から、ノズル出口１２の側の端部におけるノズル１の外径とほぼ同じ長さの範囲であると推測される。そこで、判定においてこの温度上昇の影響を除去するため、ノズル出口１２の側の端面からノズル１の外径（本実施例ではφ２０ｍｍ）程度の上流までの範囲を除外領域とする。そして、この除外領域の温度は、判定に用いない。

以上のとおり、検証実験の結果、本発明の実施形態による診断方法が有効であることが確認された。

（実施例２）
次に、ノズルの外周面の温度上昇量に対する除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度の減速量を算出した結果の例について説明する。ここでは、温度上昇量として、無次元温度上昇量Δ（T'_w/T_a）を用いる。無次元温度上昇量Δ（T'_w/T_a）は、次の式（１１）で定義されるものとする。

Δ（T'_w/T_a）＝T'_w2/T_a2 − T'_w1/T_a1 式（１１）

ここで、
T_a1：未使用の測定時の大気温度
T_a2：使用開始後の測定時の大気温度
T_w1：未使用の測定時の除外位置Ｄでの外周面温度
T_w2：使用開始後の測定時の除外位置Ｄでの外周面温度
である。

また、計算条件は、次のとおりとする。

ガス：窒素（γ＝１．４０，R＝２９７ J/(kg・K)，Pr＝０．７１）
ガス圧力P₀：３ＭＰａ
未使用の測定時における大気温度T_a1：２７℃（３００［Ｋ］）
使用開始後の測定時における大気温度T_a2：１５℃（２８８［Ｋ］）
未使用の測定時における除外位置Ｄでの外周面温度T'_w1：６℃（２７９［Ｋ］）
使用開始後の測定時における除外位置Ｄでの外周面温度T'_w2：変数
ノズルの末広部の長さＬ：０．２００ｍ
ノズルの外径Ｄ：０．０２０ｍ
粒子材料：銅（ρ_p＝８９６０ ｋｇ／ｍ³）
粒子直径：２０μｍ

図８（ａ）は、上記の条件のもとで，ノズル１の除外位置Ｄにおける外周面の無次元温度上昇量Δ（T'_w/T_a）に対する溶射粒子の速度の減速量を計算した結果を示すグラフである。図８において、例えば、横軸のΔ（T'_w/T_a） ＝ ０．０３は、上記の計算条件と式（１１）から、使用開始後のノズル１の除外位置Ｄでの外周面温度T'_w2 ＝ ２７６．５［Ｋ］（３．５℃）の場合に対応する。使用開始後のノズル１の除外位置Ｄでの外周面の温度T'_w2は、未使用の場合の外周面の温度 T'_w1 ＝２７９［Ｋ］（６℃）よりも下がっているが、それぞれの測定時における大気温度T_a1，T_a2で除して無次元化して差をとると、Δ（T'_w/T_a）＝０．０３（＞０）となり、Δ（T'_w/T_a）は増大している。この場合の溶射粒子の速度の減速量Δu_pは、図８（ａ）から約１００ｍ／sとなる。図８（ｂ）は、無次元温度上昇量Δ（T'_w/T_a）に対する溶射粒子の速度の減速率の算出結果の例を示すグラフである。ここでいう溶射粒子の速度の減速率とは、使用開始後の除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度の計算値を、未使用時の除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度の計算値で除した値である。具体的には、上記条件ではノズル１の未使用時における除外位置Ｄでの溶射粒子の速度は４８５ｍ／ｓであることから、図８（ｂ）のグラフの縦軸値は、図８（ａ）のグラフに示す縦軸の値を４８５ｍ／ｓで除した値である。この例では、無次元温度上昇量Δ（T'_w/T_a）＝０．０３であると、溶射粒子の速度の減速率は０．２１となる。

（実施例３）
次に、ガスが高温である場合の、ノズルの外周面の温度上昇量に対する除外位置Ｄにおける溶射粒子の速度の減速量を算出した結果の例について説明する。ここでは、ノズル入口１１におけるガス温度T_g0が５７３［Ｋ］（３００℃）である例を示す。なお、これ以外の計算条件は、実施例２と同じである。図９（ａ）は、ノズル１の除外位置Ｄにおける外周面の無次元温度上昇量Δ（T'_w/T_a）に対する溶射粒子の速度の減速量を計算した結果を示すグラフである。図９（ｂ）は、無次元温度上昇量Δ（T'_w/T_a）に対する溶射粒子の速度の減速率の算出結果の例を示すグラフである。図９（ａ）に示すように、ガス温度T_g0＝５７３［Ｋ］（３００℃）の場合には、無次元温度上昇量Δ（T'_w/T_a）＝０．０３では溶射粒子の速度の減少量は１１３ｍ／ｓとなり、ガスが常温である場合に比較して減少量が大きくなる。しかしながら、溶射粒子の速度の減速率は０．１８であり、ガスが常温である場合に比較して、減速率は小さい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、前記実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎない。本発明は、前記実施形態によって技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明は、その技術思想またはその主要な特徴から逸脱することなく、さまざまな形で実施することができる。

本発明は、コールドスプレー溶射法におけるノズル内の気流の状態の診断に有効な技術である。そして、本発明によれば、コールドスプレーの溶射ノズル内の気流の状態を、安価かつ簡便に診断することができる。

１：ノズル
１１：ノズル入口
１２：ノズル出口
１３：流路
１３１：先細部
１３２：スロート
１３３：末広部
１４：静圧孔
６：赤外線カメラ
７３：シートカップル熱電対

Claims (5)

1. コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法であって、
   前記ノズルのスロートからノズル出口までの範囲の外周面の流通方向の温度分布を測定する温度分布測定ステップと、
   前記温度分布測定ステップにおいて測定した温度分布に基づいて、前記ノズルの流路におけるガスの流通状態を判定する判定ステップと、
   を有し、
   前記温度分布測定ステップにおいて測定された温度分布が、前記スロートから前記ノズル出口よりも上流側に前記ノズル出口の側の端面の外径と同じ長さを離れた位置までの範囲において、前記ガスの流通方向の下流側に向かって単調に低下する場合には、前記判定ステップにおいて、ガスの流通状態が目標とする状態にあると判定することを特徴とするコールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法。
2. 前記判定ステップにおいて、最も温度が低い位置に衝撃波が発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載のコールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法。
3. 前記温度分布測定ステップにおいては、常温のガスを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のコールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法。
4. 温度分布測定ステップにおいて、赤外線カメラによって前記ノズルの外周面の温度分布を測定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のコールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法。
5. 前記温度分布測定ステップにおいて前記ノズルの外周面のある位置における温度を測定し、
   前記ノズルが未使用である状態と使用を開始した後の状態である状態とで、前記ある位置における温度を大気温度で除した無次元温度上昇量を算出し、
   算出した前記無次元温度上昇量に基づいてガス速度の低下量を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のコールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法。

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