JP6889862B2 - コールドスプレーガン及びそれを備えたコールドスプレー装置 - Google Patents
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Description
本件出願に係る発明は、原料粉末を作動ガスと共にノズルから高速で噴出し、固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成するコールドスプレーガン及びそれを備えたコールドスプレー装置に関する。本件出願に係る発明は、特に、原料粉末の供給機構に関する。
従来より、種々の金属部材には、耐摩耗性や耐食性の向上を目的として、ニッケル、銅、アルミニウム、クロムまたはこれら合金等の皮膜を形成する技術が採用されている。一般的な皮膜形成方法としては、電気めっき法、無電解めっき法、スパッタリング蒸着法やプラズマ溶射法等がある。近年では、これらの方法に変わる手法として、溶射法や、コールドスプレー法が注目されている。
溶射法は、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、フレーム溶射、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、大気プラズマ溶射等がある。これらの溶射法では、皮膜形成材料を加熱し、溶融または半溶融の微粒子の状態で、基材表面に高速度で衝突させることにより、皮膜を形成する。
これに対して、コールドスプレー法は、高圧の作動ガスが供給されているコールドスプレーガンのチャンバー内に、パウダーポートから搬送ガスにより搬送された原料粉末を噴出させて投入し、当該原料粉末を含む作動ガスを超音速流として噴出し、当該原料粉末を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。このとき、コールドスプレーガン内の作動ガスの温度は、皮膜を形成する金属、合金、金属間化合物、セラミックス等の原料粉末の融点または軟化点よりも低い温度に設定している。よって、コールドスプレー法を用いて形成した金属皮膜は、上述したような従来の手法を用いて形成した同種の金属皮膜に比べて酸化や熱変質が少なく、緻密、高密度で密着性が良好であると同時に導電性、熱伝導率が高くなることが知られている。
例えば、従来のコールドスプレー方法を採用したコールドスプレー用ノズルとしては、特許文献１がある。この特許文献１は、先細で円錐状の圧縮部と該圧縮部に連通する先広がりで円錐状の膨張部とを含み、原料粉末を融点以下の温度に加熱した作動ガスを用いて該圧縮部のノズル入口から流入させ、該膨張部先端のノズル出口より超音速流として噴出させるコールドスプレー用ノズルであって、膨張部は、少なくとも内周壁面が窒化セラミックス、ジルコニアセラミックス、炭化ケイ素セラミックスのいずれかのセラミックス材で形成されていることが開示されている。
また、特許文献２に記載のコールドガス・スプレーガンは、加熱対象のガス流が貫流する筒状圧力容器及び該圧力容器の内部に配置された加熱ヒーターを有する高圧ガス加熱器と、内部を通過する前記ガス流に外部から粒子供給管を介して粒子を供給可能な混合チャンバーと、下流へ向かって収斂する収斂通路、次いでノズルスロート部を介して拡散通路へと続くラバルノズルとを備え、前記高圧ガス加熱器と、前記混合チャンバーと、前記ラバルノズルとが前記ガス流の上流側から順に連設され、前記高圧ガス加熱器と混合チャンバーの内部における前記ガス流との接触面の少なくとも一部が断熱されていることを特徴とする。
上述した特許文献１は、原料粉末を高温の作動ガスが流入されるチャンバー内に供給して、当該原料粉末をその融点又は軟化点以下の高温に加熱し、コールドスプレーノズルから作動ガス流と共に、超音速流として噴出する。この特許文献１では、膨張部が窒化セラミックス等のセラミックス材で形成されているため、コールドスプレー用ノズルへの原料粉末の付着やこれに起因するノズルの閉塞が抑制される。しかし、原料粉末をチャンバー内に供給する原料粉末供給ラインの先端に形成されたパウダーポートはチャンバー内に配置され、当該チャンバー出口付近においてコールドスプレーノズルに向けて開口している。
そのため、チャンバー内に原料粉末を供給する原料粉末供給ラインのパウダーポート自体が、作動ガスの温度に上昇してしまい、内部を流通する原料粉末が、当該パウダーポートの内壁に付着し、これに起因するパウダーポートの閉塞が生じる。特に、原料粉末として、アルミニウム（融点約６６０℃）や、スズ（融点約２３２℃）、亜鉛（融点約４１９℃）、銅（融点約１０８３℃）、銀（融点約９６１℃）などの金属若しくはこれらの合金は、各融点を超えると当然にパウダーポートの内壁に付着してしまうが、中でもロウ材として用いられるような金属は融点よりもかなり低い温度であっても高温の金属に触れると付着し、閉塞を生じる。したがって、緻密で良質な皮膜を形成するためには、作動ガスの温度を原料粉末の融点や軟化点により近い温度とすべきであるにもかかわらず、パウダーポートの閉塞を抑制するために、作動ガスの温度をより低く抑える必要があった。
また、特許文献２では、ガス流を加熱する圧力容器の出口とラバルノズルとの間に混合チャンバーを設け、粒子供給管をこの混合チャンバーに側方から外殻を貫通して引き込み、外部から被覆材料粒子をガス流に供給している。しかしながら、特許文献２の場合も、粒子供給管は、混合チャンバー内に引き込まれた状態で配設されているため、原料粉末の供給ポート部分が作動ガス温度に上昇してしまう。よって、特許文献１と同様に、粒子供給管の粒子出口部分の内壁に原料粉末が付着し、これに起因するポートの閉塞が生じる。
そこで、市場からは、原料粉末供給ポートの閉塞を効果的に抑制して、作動ガス温度を原料粉末の融点や軟化点により近い高温で運転することを可能とするコールドスプレーガン及びそれを備えたコールドスプレー装置の開発が要望されていた。
そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、本発明に係るコールドスプレーガン及びそれを用いたコールドスプレー装置に想到した。以下、「コールドスプレーガン」と「コールドスプレー装置」に分けて述べる。
＜本発明に係るコールドスプレーガン＞
本発明に係るコールドスプレーガンは、搬送ガスにより搬送された原料粉末を、当該原料粉末の融点又は軟化点以下の温度に加熱した作動ガスと共に超音速流で噴出して、当該原料粉末を固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成するものであって、前記作動ガスを収容するチャンバーと、入口から延在方向にわたって先細りの円錐状に形成された圧縮部と、当該圧縮部に続く狭小なスロート部と、当該スロート部から出口にわたって先広がりの円錐状に形成された膨張部とを備え、前記チャンバーから吐出した前記作動ガスを出口で超音速流とする作動ガス流路が形成されたコールドスプレー用ノズルと、前記作動ガス流路の流路方向でみたときに前記チャンバーの出口から前記スロート部の範囲に位置し、当該チャンバーから吐出した前記作動ガスに前記原料粉末を供給する原料粉末供給流路と、前記原料粉末供給流路の少なくとも出口部分を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係るコールドスプレーガンは、搬送ガスにより搬送された原料粉末を、当該原料粉末の融点又は軟化点以下の温度に加熱した作動ガスと共に超音速流で噴出して、当該原料粉末を固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成するものであって、前記作動ガスを収容するチャンバーと、入口から延在方向にわたって先細りの円錐状に形成された圧縮部と、当該圧縮部に続く狭小なスロート部と、当該スロート部から出口にわたって先広がりの円錐状に形成された膨張部とを備え、前記チャンバーから吐出した前記作動ガスを出口で超音速流とする作動ガス流路が形成されたコールドスプレー用ノズルと、前記作動ガス流路の流路方向でみたときに前記チャンバーの出口から前記スロート部の範囲に位置し、当該チャンバーから吐出した前記作動ガスに前記原料粉末を供給する原料粉末供給流路と、前記原料粉末供給流路の少なくとも出口部分を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係るコールドスプレーガンは、前記冷却手段が、前記作動ガス流路を構成する内壁の冷却を同時に行うものであることが好ましい。
本発明に係るコールドスプレーガンは、前記原料粉末供給流路が、前記作動ガス流路の下流側に向けて傾斜して形成されたことが好ましい。
本発明に係るコールドスプレーガンは、前記原料粉末供給流路が、前記作動ガス流路の上流側に向けて傾斜して形成されたことが好ましい。
本発明に係るコールドスプレーガンにおいて、前記冷却手段は、冷却液が循環する冷却液流路を備えた水冷式冷却部であることが好ましい。
＜本発明に係るコールドスプレー装置＞
本発明に係るコールドスプレー装置は、上述したコールドスプレーガンを備えたことを特徴とする。
本発明に係るコールドスプレー装置は、上述したコールドスプレーガンを備えたことを特徴とする。
本発明のコールドスプレーガンによれば、チャンバーから吐出した作動ガスを出口で超音速流とする作動ガス流路が形成されたコールドスプレー用ノズルと、チャンバーから吐出した作動ガスに原料粉末を供給する原料粉末供給流路と、原料粉末供給流路を冷却する冷却手段とを備えるため、原料粉末供給流路内の原料粉末が作動ガスによって高温に加熱されることを抑制することができ、原料粉末供給流路内の原料粉末を常に低温に維持することができる。よって、原料粉末供給流路が閉塞することを効果的に抑制することができるため、作動ガス温度を従来よりも用いる原料粉末の融点や軟化点に近い温度で運転することが可能となる。従って、コールドスプレー用ノズルからより原料粉末の融点や軟化点に近い温度で作動ガス流を噴出することができ、高い付着効率で緻密で良質な皮膜形成を実現することが可能となる。
本発明は、搬送ガスにより搬送された原料粉末を、当該原料粉末の融点又は軟化点以下の温度に加熱した作動ガスと共に超音速流で噴出して、当該原料粉末を固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成するコールドスプレーガンであって、前記作動ガスを収容する「チャンバー」と、入口から延在方向にわたって先細りの円錐状に形成された圧縮部と、当該圧縮部に続く狭小なスロート部と、当該スロート部から出口にわたって先広がりの円錐状に形成された膨張部とを備え、前記チャンバーから吐出した前記作動ガスを出口で超音速流とする作動ガス流路が形成された「コールドスプレー用ノズル」と、前記作動ガス流路の流路方向でみたときに前記チャンバーの出口から前記スロート部の範囲に位置し、当該チャンバーから吐出した前記作動ガスに前記原料粉末を供給する「原料粉末供給流路」と、前記原料粉末供給流路の少なくとも出口部分を冷却する「冷却手段」とを備えることを特徴とするものである。以下、本発明のコールドスプレーガンを用いたコールドスプレー装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は本実施の形態に係るコールドスプレー装置Ｃの概略構成を示す模式図である。本実施の形態に係るコールドスプレー装置Ｃは、本発明を適用したコールドスプレーガン１と、当該コールドスプレーガン１に原料粉末を搬送ガスと共に供給する原料粉末供給装置６と、コールドスプレーガン１に所定の圧力の作動ガスを供給し、原料粉末供給装置６に所定の圧力の搬送ガスを供給する圧縮ガス供給部とを備えている。
圧縮ガス供給部は、高圧ガスをコールドスプレーガン１や原料粉末供給装置６に供給可能とするものであれば、いずれのものを採用することができ、本実施の形態では、高圧ガスが貯蔵された圧縮ガスボンベ２を用いる。よって、本発明において、当該圧縮ガス供給部は、例えば、圧縮機等から供給するものであってもよい。
圧縮ガス供給部からコールドスプレーガン１に供給される作動ガスや、原料粉末供給装置６に供給される搬送ガスとして用いられるガスは、ヘリウム、窒素、空気、アルゴン、これらの混合ガス等を用いることができる。皮膜形成に用いる原料粉末に応じて、任意に選択することができる。高い流速を実現する場合には、ヘリウムを用いることが好ましい。
本実施の形態において、圧縮ガスボンベ２に接続されたガス供給ライン３は、コールドスプレーガン１に接続される作動ガスライン４と、原料粉末供給装置６に接続される搬送ガスライン５とに分岐される。
作動ガスライン４には、内部に作動ガス流路が形成された電気抵抗発熱体からなる加熱装置としてのヒータ７が介設されている。当該作動ガスライン４には、圧力調整器８、流量計９が介設されており、圧縮ガスボンベ２からヒータ７に供給される作動ガスの圧力及び流量が調整される。ヒータ７は、電源１０から電圧が印加されて、通電により抵抗発熱を生じ、内部に形成された作動ガス流路を通過する作動ガスを原料粉末の融点又は軟化点以下の所定の温度まで加熱する。本実施の形態では、作動ガスを加熱する装置として電気抵抗発熱体からなるヒータを用いているが、作動ガスを高圧下で原料粉末の融点又は軟化点以下の所定の温度まで加熱することが可能であれば、特に限定されない。そして、当該作動ガスライン４の出口は、コールドスプレーガン１のチャンバー２１に接続されている。
搬送ガスライン５の端部は、原料粉末供給装置６に接続されている。原料粉末供給装置６は、原料粉末が収容されたホッパー１１と、当該ホッパー１１から供給された原料粉末を計量する計量器１２と、当該計量された原料粉末を搬送ガスライン５から供給された搬送ガスと共にコールドスプレーガン１のチャンバー２１内に搬送する原料粉末供給ライン１３を備えている。当該搬送ガスライン５には、圧力調整器１６、流量計１７、圧力計１８が介設されており、圧縮ガスボンベ２から原料粉末供給装置６に供給される搬送ガスの圧力及び流量が調整される。
本発明において用いられる原料粉末としては、金属、合金、金属間化合物等を挙げることができる。具体的には、ニッケル、鉄、銀、クロム、チタン、銅、又は、これらの合金の粉末を例示することができる。
次に、本発明に係るコールドスプレーガンの実施の形態としてのコールドスプレーガン１について、図２及び図３を参照して詳しく説明する。図２は本実施の形態に係るコールドスプレーガン１の断面斜視図、図３は図２のコールドスプレーガン１の概略断面図である。
コールドスプレーガン１は、内部に高圧の作動ガスが収容されるチャンバー２１が構成された本体２０と、当該チャンバー２１の先端に接続されたコールドスプレー用ノズル３０と、チャンバー２１から吐出した作動ガスに原料粉末を供給する原料粉末供給流路４０と、少なくとも当該原料粉末供給流路４０を冷却する冷却手段を備えている。
本体２０は、例えば、３ＭＰａ〜１０ＭＰａの高圧に耐えられるような耐圧性能を備えた有底筒状部材により構成されている。当該本体２０は、例えば、ステンレス合金或いはニッケル基耐熱合金により構成されていることが好ましい。この本体２０の底部には、作動ガス入口２２が形成されており、当該作動ガス入口２２には、作動ガス供給ノズル２３を介して、ヒータ７にて加熱された後の作動ガスが流出する作動ガスライン４の出口が接続されている。そして、本実施の形態における本体２０には、チャンバー出口２４が形成されており、当該チャンバー出口２４には、先端にコールドスプレー用ノズル３０を接続するためのノズル接続部２５が一体に形成されている。なお、図中、２８は、チャンバー２１内の作動ガス流を整流して乱流にならないようにするための整流板である。
コールドスプレー用ノズル３０は、先端のノズル入口３１から延在方向にわたって先細りの円錐状に形成された圧縮部３２と、当該圧縮部３２に続く狭小なスロート部３３と、当該スロート部３３から他端のノズル出口３５にわたって先広がりの円錐状に形成された膨張部３４とを備えている。これら圧縮部３２と、スロート部３３と、膨張部３４とは、ノズル入口３１からノズル出口３５に至る作動ガス流路３６を構成する。
当該コールドスプレー用ノズル３０は、ステンレス鋼や、工具鋼、超硬合金等により製造してもよい。しかし、ニッケルや、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、又はこれらの合金を原料粉末として用いる場合には、ノズルの各部、特に膨張部に原料粉末が付着し、さらにはノズルが閉塞する場合があるため、少なくとも当該コールドスプレー用ノズル３０の内壁面は、ガラス材や、セラミックス材、タングステンカーバイド合金などにより構成されていることが好ましい。ここでいうガラス材としては、特に限定されないが、ケイ酸ガラス、ケイ酸アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、カリ石灰ガラス、鉛ガラス、バリウムガラス、ホウケイ酸ガラス等を例示することができるが、耐摩耗性ガラス、具体的にはケイ酸ガラス又はケイ酸アルカリガラスが好ましい。また、セラミックス材としては、窒化ケイ素セラミックス、ジルコニアセラミックス、炭化ケイ素セラミックスなどを採用することができる。なお、本発明において、当該コールドスプレー用ノズル３０の材質や形状は、ここで述べた形状や材質に限定されるものではなく、既存のコールドスプレー用ノズルを採用することもできる。
原料粉末供給流路４０は、上述した本体２０のチャンバー２１から吐出した後の作動ガス、より好ましくは、コールドスプレー用ノズル３０のスロート部３３に流入するまでの作動ガスに原料粉末を供給するものである。本実施の形態では、原料粉末供給流路４０は、本体２０のノズル接続部２５のチャンバー出口２４の下流側、かつ、コールドスプレー用ノズル３０のスロート部３３、より好ましくは、ノズル入口３１の上流側に設けられる。
本実施の形態では、原料粉末供給流路４０は、本体２０のノズル接続部２５内に配設される原料粉末流路構成部材４１に形成されている。当該原料粉末流路構成部材４１は、本体２０と同様に、３ＭＰａ〜１０ＭＰａの高圧に耐えられるような耐圧性能を備えたステンレス合金或いはニッケル基耐熱合金により構成されていることが好ましい。当該原料粉末供給流路４０の一端は、当該ノズル接続部２５に設けられた原料粉末供給ノズル４２と連通して接続される。この原料粉末供給ノズル４２には、上述した原料粉末供給ライン１３が接続されている。当該原料粉末供給流路４０の他端は、ノズル接続部２５内に形成された作動ガスが流通する流路、又は、コールドスプレー用ノズル３０の作動ガス流路３６内にて開口している。
本発明において、当該原料粉末供給流路４０は、チャンバー出口２４からコールドスプレー用ノズル３０のスロート部３３に至る作動ガスの流通方向に対して、略垂直方向から接続されて、原料粉末を作動ガスの流通方向に対して略垂直方向から供給するものとしてもよいが、当該作動ガスの流通方向に対して、所定の傾斜角度をなして形成してもよい。
すなわち、図３に示す実施の形態では、原料粉末供給流路４０は、作動ガス流路３６の下流側に向けて所定角度で傾斜して形成されている。これにより、作動ガスの流通方向に対して略垂直方向から供給する場合と比べて、作動ガスに供給される原料粉末と当該作動ガスとの接触時間をより短く設定することができ、原料粉末の温度上昇を抑制することができる。これに対して、図４に示す他の実施の形態では、原料粉末供給流路４０は、作動ガス流路３６の上流側に向けて所定角度で傾斜して形成されている。これにより、作動ガスの流通方向に対して略垂直方向から供給する場合と比べて、作動ガスに供給される原料粉末と当該作動ガスとの接触時間をより長く設定することができる。よって、チタン、タンタル、インコネルなどの高融点の原料粉末を当該融点近傍の高温にまで加熱することができる。よって、作動ガスの流通方向に対して異なる傾斜角度で原料粉末供給流路４０が形成された複数の原料粉末流路構成部材４１を任意に選択して用いることで、作動ガスに供給される原料粉末と当該作動ガスとの接触時間を調整することが可能となる。
本発明におけるコールドスプレーガン１は、少なくとも上述した原料粉末供給流路４０を冷却する冷却手段を備える。当該冷却手段は、冷却液が循環する冷却液流路４６を備えた水冷式冷却部４５であることが好ましく、本実施の形態では、原料粉末供給流路４０を構成する原料粉末流路構成部材４１に、若しくは、当該原料粉末流路構成部材４１と熱交換可能な位置に、冷却液流路４６を備えている。本発明における冷却手段を構成する水冷式冷却部４５は、原料粉末供給流路４０を冷却すると共に、コールドスプレー用ノズル３０のうち、作動ガス流路３６の少なくとも内壁面３６Ａの冷却を同時に行うものであることが好ましい。
具体的に、本実施の形態では、水冷式冷却部４５は、複数の流路構成部材４８〜５０によって、内部に作動ガス流路３６が形成されるコールドスプレー用ノズル３０との間に形成される一連の冷却液流路４７と、上述した原料粉末供給流路４０を冷却する冷却液流路４６とを備える。流路構成部材４８は、コールドスプレー用ノズル３０の外周面との間に冷却液流路４７を形成し、流路構成部材４９及び流路構成部材５０は、本体２０のノズル接続部２５とコールドスプレー用ノズル３０との間に配設されて、当該ノズル接続部２５とコールドスプレー用ノズル３０との間に冷却液流路４７を形成する。コールドスプレー用ノズル３０の内壁面を冷却する冷却液流路４７と、原料粉末供給流路４０を冷却する冷却液流路４６とは、一連の冷却流路を構成することが好ましい。これら冷却液流路４６、４７を流れる冷却液は、コールドスプレー用ノズル３０の作動ガス流路３６を流れる作動ガスの流通方向に対して対向流とすることがより好ましい。作動ガスが流れる作動ガス流路３６の内壁面３６Ａを効率的に冷却して、原料粉末の付着を効果的に抑制することが可能となるからである。なお、本発明において、水冷式冷却部４５において用いる冷却液に特に限定はないが、例えば、冷却水を用いることができる。なお、本実施の形態において、冷却手段は、水冷式冷却部により構成しているが、少なくとも原料粉末供給流路４０を冷却することができれば、これに限定されない。
以上の構成により、本実施の形態におけるコールドスプレー装置Ｃを用いて皮膜を形成する動作について説明する。まず、高圧ガス供給部としての圧縮ガスボンベ２からガス供給ライン３及び作動ガスライン４を介して高圧の作動ガスをヒータ７に送出する。ヒータ７に流入した作動ガスは、当該ヒータ７内を通過する過程で、当該皮膜の形成に用いる原料粉末の融点又は軟化点以下の所定の高温に加熱された後、作動ガス供給ノズル２３を介してチャンバー２１内に噴射される。
一方、原料粉末供給装置６には、高圧ガス供給部としての圧縮ガスボンベ２からガス供給ライン３及び搬送ガスライン５を介して高圧の搬送ガスが供給される。当該高圧の搬送ガスは、原料粉末供給装置６において、計量器１２によって計量された所定量の原料粉末を同伴して、原料粉末供給ライン１３を介して、コールドスプレーガン１に設けられた原料粉末供給ノズル４２に流入する。この原料粉末供給ノズル４２に接続された原料粉末供給流路４０は、チャンバー出口２４からコールドスプレー用ノズル３０のスロート部３３に至る作動ガスの流路に向けて開口されている。そのため、チャンバー出口２４から噴出した高速の作動ガス流に、原料粉末を伴った搬送ガスが供給される。
原料粉末供給流路４０から供給された原料粉末を伴った高速の作動ガス流は、コールドスプレー用ノズル３０の圧縮部３２からスロート部３３を通過して、超音速流となり、さらに先広がりの円錐状に形成された膨張部３４の先端に位置するノズル出口３５から噴出する。このコールドスプレー用ノズル３０から噴出された原料粉末は、固相状態のまま、基材６０の表面に衝突して堆積し、皮膜６１を形成する。
このとき、原料粉末供給流路４０が形成される原料粉末流路構成部材４１は、冷却液が循環する冷却液流路４６を備えているため、当該原料粉末供給流路４０は、作動ガスの流通によってコールドスプレー用ノズル３０が加熱されても、原料粉末の融点又は軟化点以下の所定の高温にまで加熱されることなく、常時、低温を維持することができる。よって、原料粉末供給流路４０内の原料粉末が作動ガスによって高温に加熱されることを効果的に抑制することができ、原料粉末供給流路４０内の原料粉末を常に低温に維持することができる。そのため、原料粉末として、融点よりもかなり低い温度でも高温の金属に触れると付着してしまうような金属粉末を用いた場合であっても、作動ガスに合流する直前まで水冷式冷却部４５によって低温に維持することができるため、当該原料粉末によって、原料粉末供給流路４０が閉塞することを効果的に抑制することができる。従って、原料粉末流路の閉塞を考慮することなく、作動ガスの温度を原料粉末の融点や軟化点により近い温度とすることができ、高い付着効率で緻密で良質な皮膜形成を実現することが可能となる。
また、上述した原料粉末供給流路４０を冷却する冷却液流路４６は、内部に作動ガス流路３６が形成されるコールドスプレー用ノズル３０との間に形成される冷却液流路４７と一連の冷却液流路を構成する水冷式冷却部４５により構成される。これにより、水冷式冷却部４５に冷却液を循環させることで、原料粉末供給流路４０を冷却することができると同時に、コールドスプレー用ノズル３０の作動ガス流路３６の内壁３６Ａをも冷却することができる。よって、作動ガスが流れる作動ガス流路３６の内壁面３６Ａをも効率的に冷却して、原料粉末供給流路４０の下流側において、当該作動ガス流路３６の内壁面３６Ａに原料粉末が付着する不都合も効果的に抑制することが可能となる。
本件発明にかかるコールドスプレーガン及びコールドスプレー装置は、原料粉末供給経路において、原料粉末が高温の作動ガスにより加熱され、内壁に付着し閉塞することを効果的に抑制することができる。よって、当該原料粉末供給経路における原料粉末の閉塞を考慮することなく、作動ガスを原料粉末の融点や軟化点により近い温度に設定することができる。従って、従来よりも高い付着効率で、緻密で良質な皮膜形成を実現することが可能となる。
Ｃ コールドスプレー装置
１ コールドスプレーガン
２ 圧縮ガスボンベ（高圧ガス供給部）
３ ガス供給ライン
４ 作動ガスライン
５ 搬送ガスライン
６ 原料粉末供給装置
７ ヒータ
１３ 搬送ガスライン
２０ 本体
２１ チャンバー
２２ 作動ガス入口
２３ 作動ガス供給ノズル
２４ チャンバー出口
２５ ノズル接続部
３０ コールドスプレー用ノズル
３１ ノズル入口
３２ 圧縮部
３３ スロート部
３４ 膨張部
３５ ノズル出口
３６ 作動ガス流路
３６Ａ 内壁面
４０ 原料粉末供給流路
４１ 原料粉末流路構成部材
４２ 原料粉末供給ノズル
４５ 水冷式冷却部
４６、４７ 冷却液流路
６０ 基材
６１ 皮膜
１ コールドスプレーガン
２ 圧縮ガスボンベ（高圧ガス供給部）
３ ガス供給ライン
４ 作動ガスライン
５ 搬送ガスライン
６ 原料粉末供給装置
７ ヒータ
１３ 搬送ガスライン
２０ 本体
２１ チャンバー
２２ 作動ガス入口
２３ 作動ガス供給ノズル
２４ チャンバー出口
２５ ノズル接続部
３０ コールドスプレー用ノズル
３１ ノズル入口
３２ 圧縮部
３３ スロート部
３４ 膨張部
３５ ノズル出口
３６ 作動ガス流路
３６Ａ 内壁面
４０ 原料粉末供給流路
４１ 原料粉末流路構成部材
４２ 原料粉末供給ノズル
４５ 水冷式冷却部
４６、４７ 冷却液流路
６０ 基材
６１ 皮膜
Claims (6)
- 搬送ガスにより搬送された原料粉末を、当該原料粉末の融点又は軟化点以下の温度に加熱した作動ガスと共に超音速流で噴出して、当該原料粉末を固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成するコールドスプレーガンであって、
前記作動ガスを収容するチャンバーと、
入口から延在方向にわたって先細りの円錐状に形成された圧縮部と、当該圧縮部に続く狭小なスロート部と、当該スロート部から出口にわたって先広がりの円錐状に形成された膨張部とを備え、前記チャンバーから吐出した前記作動ガスを出口で超音速流とする作動ガス流路が形成されたコールドスプレー用ノズルと、
前記作動ガス流路の流路方向でみたときに前記チャンバーの出口から前記スロート部の範囲に位置し、当該チャンバーから吐出した前記作動ガスに前記原料粉末を供給する原料粉末供給流路と、
前記原料粉末供給流路の少なくとも出口部分を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とするコールドスプレーガン。 - 前記冷却手段が、前記作動ガス流路を構成する内壁の冷却を同時に行うものである請求項１に記載のコールドスプレーガン。
- 前記原料粉末供給流路が、前記作動ガス流路の下流側に向けて傾斜して形成された請求項１又は請求項２に記載のコールドスプレーガン。
- 前記原料粉末供給流路が、前記作動ガス流路の上流側に向けて傾斜して形成された請求項１又は請求項２に記載のコールドスプレーガン。
- 前記冷却手段は、冷却液が循環する冷却液流路を備えた水冷式冷却部である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のコールドスプレーガン。
- 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のコールドスプレーガンを備えたことを特徴とするコールドスプレー装置。
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