JP6637897B2

JP6637897B2 - ノズル、成膜装置及び皮膜の形成方法

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Publication number: JP6637897B2
Application number: JP2016556684A
Authority: JP
Inventors: 公一川崎; 智資平野; 正樹遠藤; 洋子榊原
Original assignee: NHK Spring Co Ltd; Tokyo Denki University
Current assignee: NHK Spring Co Ltd; Tokyo Denki University
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: JPWO2016068331A1; WO2016068331A1

Description

本発明は、コールドスプレー法による成膜装置用のノズル、成膜装置及び皮膜の形成方法に関する。

近年、金属皮膜の形成方法として、コールドスプレー法が知られている（例えば特許文献１〜４参照）。コールドスプレー法とは、材料の粉末を、融点又は軟化点以下の温度の高圧ガスと共にノズルから噴射し、固相状態のまま基材に衝突させることにより、基材の表面に皮膜を形成する方法である。コールドスプレー法においては、溶射法と比較して低い温度で加工が行われるので、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。また、熱応力の影響を緩和することもできる。さらに、基材及び皮膜となる材料がともに金属である場合、金属材料の粉末が基材（又は先に形成された皮膜）に衝突した際に粉末と基材との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じるので、密着強度の高い積層体を得ることができる。

ノズルとしては通常、基端側から先端側に向けて幅が徐々に狭くなった後、再び先端に向けて幅が広がる先細末広形状のノズル（所謂ラバルノズル）が用いられる。高圧ガス及び材料の粉末は、このラバルノズルを通過する際に加速されて噴射される。

このようなコールドスプレー法においては、ノズルから噴射される粉末を高速にするほど緻密な皮膜を形成することができ、膜質の向上を図ることが可能になると共に、適用可能な皮膜材料の種類を増やすことができる。

米国特許第５３０２４１４号明細書特開２００５−９５８８６号公報特開２００８−８０３２３号公報特開２０１２−５２１８６号公報

ノズルから噴射される粉末を高速にする方法として、高圧ガスとして一般的に使用される窒素や空気の代わりに、より高速化が可能なヘリウムガスを用いることが考えられる。しかしながら、ヘリウムガスは非常に高価であるので、皮膜の製造コストが上昇してしまう。また、成膜装置に対して高耐圧の設備を設ける必要が生じるので、現実的ではない。

上記特許文献３の図２１には、コールドスプレー用の噴射ノズル装置として、本体部の先端に接続される加速ノズルの構造が開示されている。しかしながら、この加速ノズルは構造が複雑であると共に、粉体の流路の内壁にもガスを供給する必要があるため、装置全体の構成が複雑かつ大がかりとなり、実用化が困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コールドスプレー法において使用される粉末の噴射速度を簡素な構成で高速化することができるノズル、及びこのようなノズルを備えた成膜装置及び皮膜の形成方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るノズルは、材料の粉末をガスと共に噴射し、前記粉末を基材の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜装置において用いられるノズルであって、前記粉末を前記ガスと共に通過させる通路が内部に形成されたノズル管と、前記ノズル管の先端部に設けられ、該先端部から出射した前記粉末及び前記ガスを通過させる筒状部材であって、前記基端側の端面における内壁側面間の幅が前記ノズル管の先端部における前記通路の幅よりも広い筒状部材と、を備えることを特徴とする。

上記ノズルにおいて、前記筒状部材の前記基端側の端面は、前記ノズル管の先端部との接続部を除いて閉じていることを特徴とする。

上記ノズルは、当該ノズルの中心軸を含む断面において、前記ノズル管の先端部における前記通路の内壁面と前記筒状部材の前記基端側の端面とのなす角度が２７０°以下であることを特徴とする。

上記ノズルにおいて、前記筒状部材の前記基端側の端面における内壁側面間の幅は、前記ノズル管の先端部における前記通路の幅の１．１倍以上１．４倍以下であることを特徴とする。

上記ノズルにおいて、前記筒状部材の長さは、前記ノズル管の先端部における前記通路の幅の３倍以上５倍以下であることを特徴とする。

上記ノズルは、当該ノズルの中心軸と直交する断面において、前記ノズル管及び前記筒状部材が円形状、楕円形状、矩形状、又は多角形状をなすことを特徴とする。

本発明に係る成膜装置は、前記ノズルと、前記粉末を圧縮されたガスと混合して前記ノズルに供給するガス粉末混合部と、前記ガス粉末混合部に前記圧縮されたガスを導入するガス室と、前記ガス粉末混合部に前記粉末を供給する粉末供給部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る皮膜の形成方法は、基材表面に、皮膜材料の粉体を、前記成膜装置により、ガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより、前記基材に皮膜を形成する工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、基端側の内壁側面間の幅がノズル管の先端部における通路の幅よりも広い筒状部材をノズル管の先端部に設けるので、ノズル管から出射したガスを急激に膨張させて加速することができる。従って、ノズルからガスと共に噴射される粉末の噴射速度を簡素な装置で高速化することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。図２は、図１に示すノズルの外観を概略的に示す斜視図である。図３は、図１に示すノズルの先端部を拡大して示す縦断面図である。図４は、図１に示すノズルを噴射口の正面から見た平面図である。図５は、拡大管の基端側の形状の参考例を示す縦断面図である。図６は、拡大管の基端側の形状の変形例を示す縦断面図である。図７は、本発明の実施の形態に係るノズルの形状の変形例を示す斜視図である。図８は、本発明の実施の形態に係るノズルの形状の変形例を示す平面図である。図９は、本発明の実施の形態に係るノズルの形状の別の変形例を示す平面図である。図１０は、本発明の実施の形態に係るノズルの形状のさらに別の変形例を示す平面図である。図１１は、本発明の実施の形態に係るノズルが有するノズル管の形状の変形例を示す縦断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る成膜装置１は、コールドスプレー法による成膜装置であり、高圧ガス（圧縮ガス）を加熱するガス加熱器２と、成膜材料の粉末を収容してスプレーガン４に供給する粉末供給装置３と、加熱された高圧ガスを粉末と混合してノズル５に導入するスプレーガン４と、ガス加熱器２及び粉末供給装置３に対する高圧ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ６及び７とを備える。スプレーガン４は、高圧ガスと共に粉末を噴射するノズル５を含んでいる。

高圧ガスとしては、安価な空気や、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが使用される。ガス加熱器２に供給された高圧ガスは、材料の粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、スプレーガン４に導入される。高圧ガスの加熱温度は、好ましくは１５０〜９００℃である。

一方、粉末供給装置３に供給された高圧ガスは、粉末供給装置３内の粉末をスプレーガン４に所定の吐出量となるように供給する。

加熱された高圧ガスは、ノズル５を通過することにより超音速流（空気及び窒素の場合、約３４０ｍ／ｓ以上、ヘリウムの場合、約１０００ｍ／ｓ以上）となって噴射される。この際の高圧ガスのガス圧力は、０．３〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。高圧ガスの圧力をこの程度に調整することにより、基材１００に対する皮膜１０１の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは、３〜５ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。

このような成膜装置１において、基材１００をスプレーガン４に向けて配置すると共に、成膜材料の粉末を粉末供給装置３に投入し、ガス加熱器２及び粉末供給装置３への高圧ガスの供給を開始する。それにより、スプレーガン４に供給された粉末が、この高圧ガスの超音速流の中に投入されて加速され、ノズル５から噴射される。この粉末が、固相状態のまま基材１００に高速で衝突して堆積することにより、皮膜１０１が形成される。

図２は、ノズル５の外観を概略的に示す斜視図である。また、図３は、ノズル５の先端部を拡大して示す縦断面図（ノズル５の中心軸を含む断面図）である。図４は、ノズル５を噴射口の正面から見た平面図である。図２〜図４に示すように、ノズル５は、粉末を通過させる通路５１ａが内部に形成されたノズル管５１と、該ノズル管５１の先端部に設けられた筒状部材である拡大管５２とを備える。本実施の形態において、ノズル管５１及び拡大管５２の噴射口は矩形状をなしている。なお、図３に示す白抜き矢印の長さは、ノズル５に導入された粉末の速度を模式的に表す。また、図３に示す一点鎖線の矢印は、ノズル管５１から拡大管５２に出射した高圧ガスの流れを模式的に表す。

ノズル管５１の通路５１ａは、基端側（図１に示すスプレーガン４側）から先端側（拡大管５２側）に向けて幅Ｄが一旦狭くなった後、再び先端に向けて幅Ｄが広がる末広形状をなしている。なお、このような形状の通路が設けられたノズルはラバルノズルと呼ばれ、通路５１ａの幅Ｄが最も狭い部分はスロートと呼ばれる。スプレーガン４からガスと共に導入された粉末は、スロート５１ｂを通過する際に加速され、ノズル管５１の先端から拡大管５２内に噴射される。

拡大管５２は、基端側の内壁側面間の幅Ｗがノズル管５１の出射端面５１ｃにおける通路５１ａの幅Ｄ₁よりも広い筒状部材である。拡大管５２の基端側の端面５２ａはノズル管５１との接続部を除いて閉じており、拡大管５２の先端側の端面５２ｂは開放されている。ノズル管５１から噴射されたガスは、拡大管５２において急激に膨張して加速される。この膨張したガスと共に粉末も加速され、拡大管５２の先端から外部に向けて噴射される。

次に、拡大管５２の寸法について説明する。拡大管５２は、ノズル管５１から出射した高圧ガスを急激に膨張させ、さらに、内壁側面に沿って進行させる。そのため、拡大管５２の基端側の内壁側面間の幅Ｗは、出射端面５１ｃにおける通路５１ａの幅Ｄ₁よりも広くなっている。好ましくは、拡大管５２の幅Ｗを、通路５１ａの幅Ｄ₁の約１．１倍以上１．４倍以下、より好ましくは１．２倍程度にすると良い。また、拡大管５２の長さＬについては、膨張した高圧ガス及び粉末を整流しつつ充分に加速させるため、幅Ｄ₁の約３倍以上５倍以下、より好ましくは４倍程度にすると良い。

次に、拡大管５２の基端側の端面５２ａの形状について説明する。図３においては、ノズル管５１の先端部（出射端面５１ｃ近傍）における通路５１ａの内壁面５１ｄと拡大管５２の端面５２ａとのなす角度θを２７０°としているが、両者のなす角度θはこれに限定されない。好ましくは、角度θを２７０°以下にすると良い。図５は、拡大管の基端側の形状の参考例を示す縦断面図である。また、図６は、拡大管の基端側の形状の変形例を示す縦断面図である。

図５に示すように、ノズル管５１の先端部における通路５１ａの内壁面５１ｄと拡大管５３の端面５３ａとのなす角度θを２７０°より大きくする場合、即ち、通路５１ａの出射端面５１ｃに対して拡大管５３の端面５３ａを後退させる場合、拡大管５３内に、高圧ガスの膨張及び加速に寄与しない領域５３ｂが生じてしまう。そのため、高圧ガス及び粉末の加速は可能であるものの、ロスも生じてしまう。

これに対し、図６に示すように、ノズル管５１の先端部における通路５１ａの内壁面５１ｄと拡大管５４の端面５４ａとのなす角度θを２７０°以下とする場合、即ち、通路５１ａの出射端面５１ｃに対して拡大管５４の端面５４ａを前進させる場合、高圧ガスの膨張及び加速に寄与しない領域を低減させることができる。そのため、高圧ガス及び粉末を効率良く加速させることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ノズル管５１の先端部に拡大管５２を設けるので、ノズル管５１から噴射される粉末を簡素な構成で高速化することが可能となる。従って、緻密な皮膜を形成することができ、膜質の向上を図ることが可能となる。また、本実施の形態によれば、拡大管５２を設けない従来の構成と同程度のガス消費量で、粉末を従来よりも高速化することができるので、製造コストの増加を招くことなく、高品質な皮膜を形成する、或いは、多様な種類の皮膜を形成することが可能となる。さらに、本実施の形態によれば、従来よりも少ないガスの供給量で、従来と同程度の粉末の速度を維持することができるので、皮膜の製造コストを低減することが可能となる。

（変形例１）
次に、本発明の実施の形態の変形例１について説明する。図７は、本実施の形態に係るノズルの形状の変形例を示す斜視図である。また、図８〜図１０は、本実施の形態に係るノズルの形状の変形例を示す平面図である。

ノズル管５１及び拡大管５２を噴射口の正面からみた形状（言い換えると、ノズル５の中心軸と直交する断面における形状）は矩形状に限定されない。例えば図７及び図８に示すノズル管５１Ａ及び拡大管５２Ａのように、円形状としても良い。また、図９に示すノズル管５１Ｂ及び拡大管５２Ｂのように、楕円形状としても良い。或いは、図１０に示すノズル管５１Ｃ及び拡大管５２Ｃのように、六角形等の多角形状としても良い。好ましくは、ノズル管５１Ａ〜５１Ｃ及び拡大管５２Ａ〜５２Ｃの断面形状を互いに相似にすると良いが、これに限定されるものではない。いずれにしても、ノズル管５１Ａ〜５１Ｃの出射端面における通路の幅Ｄ₁に対して、拡大管５２Ａ〜５２Ｃの内壁側面間の幅Ｗを大きくすることにより、ノズル管５１から出射する高圧ガスを急激に膨張させることができれば良い。

（変形例２）
次に、本発明の実施の形態の変形例２について説明する。図１１は、本実施の形態に係るノズルが有するノズル管の形状の変形例を示す縦断面図である。上記実施の形態においては、ノズル管５１としてラバルノズルを適用したが、ノズルの形状はこれに限定されない。例えば図１１に示すように、先端部５５ａが狭くなった先細ノズル５５の先端に拡大管５２を取り付けても良い。この場合も、先細ノズル５５から出射した高圧ガスを拡大管５２において急激に膨張させて加速することができる。

１成膜装置
２ガス加熱器
３粉末供給装置
４スプレーガン
５ノズル
６、７バルブ
５１、５１Ａ〜５１Ｃノズル管
５１ａ通路
５１ｂスロート
５１ｃ出射端面
５１ｄ内壁面
５２、５２Ａ〜５２Ｃ、５３、５４拡大管
５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５４ａ端面
５３ｂ領域
５５先細ノズル
１００基材
１０１皮膜

Claims

材料の粉末をガスと共に噴射し、前記粉末を基材の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜装置において用いられるノズルであって、
前記粉末を前記ガスと共に通過させる通路が内部に形成されたノズル管と、
前記ノズル管の先端部に設けられ、該先端部から出射した前記粉末及び前記ガスを通過させる筒状部材であって、基端側の端面における内壁側面間の幅が前記ノズル管の先端部における前記通路の幅よりも広い筒状部材と、
を備え、前記ノズル管は、通路の幅が基端側から先端側に向けて狭くなった後、再び広がる末広形状をなし、前記筒状部材の前記基端側の端面における内壁側面間の幅は、前記ノズル管の先端部における前記通路の幅の１．１倍以上１．４倍以下であることを特徴とするノズル。
前記筒状部材の前記基端側の端面は、前記ノズル管の先端部との接続部を除いて閉じていることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
当該ノズルの中心軸を含む断面において、前記ノズル管の先端部における前記通路の内壁面と前記筒状部材の前記基端側の端面とのなす角度は２７０°以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のノズル。
前記筒状部材の長さは、前記ノズル管の先端部における前記通路の幅の３倍以上５倍以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のノズル。
当該ノズルの中心軸と直交する断面において、前記ノズル管及び前記筒状部材は、円形状、楕円形状、矩形状、又は多角形状をなすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のノズル。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のノズルと、
前記粉末を圧縮されたガスと混合して前記ノズルに供給するガス粉末混合部と、
前記ガス粉末混合部に前記圧縮されたガスを導入するガス室と、
前記ガス粉末混合部に前記粉末を供給する粉末供給部と、
を備えることを特徴とする成膜装置。
基材表面に、皮膜材料の粉体を、請求項６に記載の成膜装置により、ガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより、前記基材に皮膜を形成する工程を含むことを特徴とする皮膜の形成方法。