JP6966766B2

JP6966766B2 - 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

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Publication number: JP6966766B2
Application number: JP2017074481A
Authority: JP
Inventors: 博隆深沼
Original assignee: PLASMA GIKEN CO Ltd
Current assignee: PLASMA GIKEN CO Ltd
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2021-11-17
Anticipated expiration: 2037-04-04
Also published as: CA3055731C; AU2018249142A1; KR20190118621A; JP2018178149A; CN110462099A; AU2023248129A1; US11478806B2; WO2018186351A1; EP3608441A4; EP3608441A1; CN110462099B; CA3055731A1; US20200108405A1; KR102280256B1

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、当該作動ガスの加熱に関する。

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した原料粉末を噴出して投入し、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。

図４に、従来のコールドスプレー装置１００の概略構成を示す模式図を示す。窒素ガス、ヘリウムガス、空気等の高圧ガスを貯蔵した圧縮ガスボンベ２からのガス供給ライン３は、作動ガスライン４と、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を形成した電気抵抗発熱体からなるヒータ１０１が介設されている。作動ガスライン４に流入した作動ガスは、当該ヒータ１０１において原料粉末の融点又は軟化点以下の温度まで加熱された後、コールドスプレーガン１０２のチャンバー１０３内に導入される。

搬送ガスライン５には、原料粉末供給装置６が設けられ、搬送ガスライン５に流入した搬送ガスは、原料粉末供給装置６に導入して原料粉末を同伴して、コールドスプレーガン１０２のチャンバー１０３内のパウダーポート１０４から作動ガス中に供給する。

当該チャンバー１０３の先端には、コールドスプレーノズル３０が装着されている。よって、チャンバー１０３内の作動ガスは、パウダーポート１０４から供給した原料粉末を同伴して、当該コールドスプレーノズル３０の円錐状の先細部３２からスロート部３３を通過して超音速流となり、さらに円錐状の膨張部３４の先端に位置するノズル出口３５から噴出する。コールドスプレーノズル３０から噴出した原料粉末は、固相状態のまま、基材４０の表面に衝突して堆積し、皮膜４１を形成する。

このコールドスプレー法では、基材に衝突する原料粉末粒子の速度と温度が皮膜付着効率に大きく影響する。具体的に、原料粉末粒子の速度は、ガス速度に依存し、ガス速度はチャンバー内のガス温度の平方根に比例して増加する。コールドスプレー皮膜の特性は、原料粉末粒子の衝突速度に大きく影響を受け、一般的には衝突速度が速いほど緻密で密着力の高い皮膜を形成することができる。より高速の粒子速度を得るためには、ガス温度をできるだけ高温にすることが望ましい。また、ガス圧力も原料粉末粒子の速度に影響を与える。具体的には、流速が等しく圧力が異なるガスの流れの中に粒子を投入したとき、圧力の高いガス流、すなわち、ガス密度の高いガス流は、圧力の低いガス流、すなわち、ガス密度の低いガス流に比べて粒子を加速する力が強いので、粒子はより高速になる。

例えば、特許文献１には、金属、合金、ポリマーおよび金属の機械的混合物からなる群から選択した少なくとも１つの第１の材料の粉末の粒子をガス中に導入して物品にコーティングを施すためのガスダイナミックスプレー方法において、予混合チャンバに供給するガスの加熱手段として、ガスが流れる薄肉管の螺旋状の抵抗体合金製の発熱素子を用いることが開示されている。

また、特許文献２には、加熱対象のガス流が貫流する筒状圧力容器および該圧力容器の内部に配置した加熱ヒータを有する高圧ガス加熱器と、内部を通過する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、下流に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、高圧ガス加熱器と、混合チャンバーと、ラバルノズルとがガス流の上流側から順に連設され、高圧ガス加熱器と混合チャンバーの内部におけるガス流との接触面の少なくとも一部が断熱されているコールドガススプレーガンが開示されている。

米国第５３０２４１４号公報特表２００９−５３１１６７号

しかしながら、特許文献１に示されるようなガス加熱に用いる螺旋状の抵抗体合金製の配管では、内部を流れる作動ガスが高圧であるため、当該配管を高温に加熱すると、配管内外での圧力差がより大きくなり、変形や破裂の危険性がある。特に、加熱に用いる配管の温度が、当該配管を構成する材料の降伏応力が低くなる温度以上に高くなると、配管内外での圧力差によって配管が破裂する危険性が高くなる。そのため、当該配管内の圧力は、高くても５ＭＰａに抑えなければならない。

また、当該配管は、所定の耐圧構造を備えていることから、管厚が厚く、熱容量が大きい。そのため、内部を流れる作動ガスの温度を安定させるまでに、多くの電力が必要となるばかりか、ケーシングを設けた場合であっても、当該配管表面からの放熱による熱損失が大きい。よって、特許文献１に示されるような加熱手段は、エネルギー効率が悪いという問題がある。また、必要となる熱量を確保するためには、加熱手段の容量を大きくする必要があり、装置全体の大型化を招く問題がある。

そこで、特許文献２に示されるように、圧力容器の内部に加熱ヒータを設けたコールドガススプレーガンが開発されているが、当該特許文献２では、加熱ヒータが多数のフィラメント形態の電熱線から成るフィラメントヒータであるため、断線し易いという問題がある。そのため、長時間安定した運転を行うことが困難となる問題がある。

また、特許文献１や特許文献２に代表されるような従来のコールドスプレー装置は、融点や軟化点が１０００℃以下の金属材料等を用いて皮膜形成する場合、十分な皮膜特性を実現することができるが、融点や軟化点がより高い金属材料を用いて皮膜形成するためには、不向きであった。緻密で密着力の高い皮膜を形成するためには、用いる金属材料等の融点や軟化点により近い温度にまで作動ガスを加熱する必要がある。しかし、従来のコールドスプレー装置において、作動ガスを１０００℃より高い温度に加熱することは、事実上、多くの障害があり、融点や軟化点が１０００℃を超える金属材料等については、十分な皮膜特性を実現することは困難であった。

以上のことから、装置の小型軽量化を実現しつつ、原料粉末を安定して所定の高温に加熱することができるコールドスプレーノズルおよびそれを用いたコールドスプレー装置を提供することを目的とする。

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した原料粉末を、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ノズル出口から噴出して、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、先端に当該ノズルが接続して当該ノズルに送出する当該作動ガスを収容するチャンバーを備え、当該チャンバー内に、通電により抵抗発熱する発熱抵抗体で構成されたガス加熱配管を配置し、当該ガス加熱配管内部に流入する作動ガスを加熱するものであり、当該ガス加熱配管は、内部に作動ガス流路を形成したコイルヒータであり、作動ガス入口側端部が当該チャンバー外に引き出され、作動ガス出口側端部が当該チャンバー内で開口す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において、前記ガス加熱配管は、前記チャンバー内に絶縁部材を介して保持されると共に、前記作動ガス出口側端部が前記チャンバー内壁に当接して配置されることが好ましい。

＜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。

本発明のコールドスプレーガンによれば、内部に作動ガスが流通する発熱抵抗体で構成されたガス加熱配管を、ノズルに送出する作動ガスを収容するチャンバー内に配置している。そのため、ガス加熱配管内とチャンバー内との圧力差が小さくなり、ガス加熱配管にかかる負荷が小さくなる。よって、ガス加熱配管内の作動ガスの圧力を高く設定しても、当該ガス加熱配管が変形や破裂するおそれが少ない。ゆえに、従来と比べて加熱配管内外の圧力差が極めて低いため、ガス加熱温度を、当該ガス加熱配管の材料の降伏応力が極めて低くなる温度、例えば１２００℃まで上げても当該加熱配管が破壊されることを回避することができる。例えば従来の加熱方式では、ヒータの温度を１０００℃とした場合、加熱配管内外の圧力差は５ＭＰａ程度が限界であったが、本発明によれば、ガス加熱配管の内外の圧力差が０．５ＭＰａ程度とすることができる。そのため、当該ガス加熱配管温度を１２００℃まで上げても当該加熱配管が破壊されるおそれがない。よって、本発明によれば、作動ガスの温度を従来よりも高温に設定できるため、従来と比べて１００〜１５０ｍ／ｓ程度速い粒子速度を実現することができる。したがって、より緻密で機械的特性に優れた皮膜形成を実現することができる。

また、本発明のコールドスプレーガンは、高温高圧の作動ガスが収容されるチャンバー内にガス加熱配管を配置するため、ガス加熱配管の熱損失が少ない。さらに、上述したように、ガス加熱配管の温度を従来よりも高く設定することができるため、作動ガスの流速を速めることができる。よって、ガス加熱配管の内壁と作動ガスとの境膜の厚さを薄くすることができ、ガス加熱配管から当該ガス加熱配管内を流れる作動ガスへの熱伝達効率をさらに向上させることができる。したがって、チャンバーの外に作動ガスを加熱する装置が設けられている場合と比べてエネルギー消費量を大幅に削減することができ、装置全体の小型軽量化を実現することができる。

本実施の形態に係るコールドスプレー装置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ガンの概略断面図である。図２のコールドスプレーガンの断面斜視図である。従来のコールドスプレー装置の概略構成を示す模式図である。

本発明は、搬送ガスにより搬送した原料粉末を、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ノズル出口から噴出して、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、先端に当該ノズルが接続して当該ノズルに送出する当該作動ガスを収容するチャンバーを備え、当該チャンバー内に、通電により抵抗発熱する発熱抵抗体で構成されたガス加熱配管を配置し、当該ガス加熱配管内部に流入する作動ガスを加熱するものである。そして、当該ガス加熱配管は、内部に作動ガス流路を形成したコイルヒータであり、作動ガス入口側端部が当該チャンバー外に引き出され、作動ガス出口側端部が当該チャンバー内で開口す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、本発明にかかる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る。本実施の形態では、圧縮ガス供給部として、高圧ガスを貯蔵した圧縮ガスボンベ２を用いている。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に供給する作動ガスや、原料粉末供給装置６に供給す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に接続したガス供給ライン３は、コールドスプレーガン１に接続した作動ガスライン４と、原料粉末供給装置６に接続した搬送ガスライン５とに分岐される。

作動ガスライン４の端部は、コールドスプレーガン１のチャンバー２１内に配設したガス加熱配管２２の入口側端部２２Ａに接続されている。当該作動ガスライン４には、圧力調整器１１、流量計１２が介設されている。これら圧力調整器１１及び流量計１２は、圧縮ガスボンベ２からガス加熱配管２２に供給する作動ガスの圧力及び流量の調整に用いる。

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１３と、当該ホッパー１３から供給した原料粉末を計量する計量器１４と、当該計量した原料粉末を搬送ガスライン５から供給し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１５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が介設されている。これら、圧力調整器１６、流量計１７、圧力計１８は、圧縮ガスボンベ２から原料粉末供給装置６に供給する搬送ガスの圧力及び流量の調整に用いる。

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、本発明にかかるコールドスプレーガン１の実施の形態について、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の概略断面図、図３は図２のコールドスプレーガン１の断面斜視図である。

コールドスプレーガン１は、内部に高圧の作動ガスを収容するチャンバー２１が構成された本体２０と、当該チャンバー２１の先端に接続したコールドスプレーノズル３０とを備えている。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部材である。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、導電性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。

そして、当該チャンバー２１内には、通電により抵抗発熱して内部に流入する作動ガスを上述した原料粉末の融点又は軟化点以下の高温に加熱する発熱抵抗体で構成したガス加熱配管２２が配置されている。本発明において、当該ガス加熱配管２２を構成する発熱抵抗体は、通電により発熱する材料であれば、金属や導電性セラミックス等から選択したいずれの材料も用いることができる。しかし、形状加工の自由度と機械強度とを勘案すると、合金材料を用いて作製することがことが好ましい。合金材料はその合金を構成する純金属よりも耐蝕性と耐熱性に優れており、電気抵抗も大きいのが通常だからである。

中でも、鉄基合金系であるステンレススチール系は種類も多く、その加工技術も確立されているため、コスト面では有利である。しかし、作動ガスを１２００℃以上の温度に加熱することを考慮すると、ステンレススチール系では耐熱性と耐蝕性に不安がある。そこで、発熱抵抗体は、ニッケル基合金であるインコネル６００（商標）と同等以上の耐熱特性を備える鉄基合金系やコバルト基合金系等から選択される耐熱耐蝕材料を用いて作製することが好ましい。具体的には、使用する作動ガスの種類や、圧量、そして作動ガスを加熱する最高温度と製作コスト等を勘案して最適な材料を選択すればよい。インコネル系以外の合金では、例えば、ニッケル基合金系ではハステロイ（登録商標）、鉄基合金系ではインコロイ（商標）、コバルト基合金系ではＳ８１０等が使用可能である。

ところで、発熱抵抗体のガス加熱配管２２を用いる作動ガスの加熱方式では、通電量を一定とすれば、作動ガスの温度は電気抵抗、すなわち、発熱抵抗体の長さから一義的に決定されると考えるのが通常である。しかし、発熱抵抗体が短いと、作動ガスと発熱抵抗体との接触時間が短くなるため、十分な加熱ができない場合がある。一般に、ガス加熱配管２２内の作動ガスの流速は速いほど境界層が薄くなり、ガス加熱配管２２から作動ガスへの熱伝達は大きくなるため、ガス加熱配管２２の距離を短くしても所定のガス温度を得ることができる。また、ガス加熱配管２２の内径を細くすれば、ガス加熱配管２２内の作動ガスの流速を速くすることができるが、ガス加熱配管２２内の圧力損失が大きくなる。そのため、当該ガス加熱配管２２は、適正な内径と長さを採用することが好ましい。

具体的には、当該ガス加熱配管２２の管長は、目的とする作動ガスの加熱温度に応じて任意に設定することが好ましい。作動ガスの流量を毎分１０００ＳＬＭ程度を想定する場合には、ガス加熱配管２２の管長は０．８ｍ〜１．２ｍの長さが好ましい。

また、当該ガス加熱配管２２の肉厚は、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍとすることが好ましい。ガス加熱配管２２の肉厚が０．５ｍｍを下回る場合には、機械強度が低下し、ハンドリング時に折れや凹みなどの外観損傷が発生しやすくなるからである。ガス加熱配管２２の肉厚が３．０ｍｍを超えて厚くなると、電気抵抗が小さくなって、所望の発熱量を得るために必要な通電量が大きくなるからである。また、ガス加熱配管２２の質量も大きくなって取扱いが困難になると同時に、通電用の電力源と発熱抵抗体自身に対して大きな費用が必要となるため好ましくないからである。

さらに、当該ガス加熱配管２２の内径は、３ｍｍ〜１６ｍｍとすることが好ましく、４ｍｍ〜１０ｍｍとすることがより好ましい。例えば、コールドスプレーガンの後述するスロート部の内径が２ｍｍ程度であると、当該スロート部から噴出する作動ガスの流速は、ほぼ音速である。そのため、ガス加熱配管２２の内径が３ｍｍを下回ると、当該ガス加熱配管２２の内部を流れる作動ガスの流速は、音速の１／４以上の高速となり、圧力損失が大きくなる。この場合、作動ガスの供給源である圧縮ガスボンベ２内の圧力が低下すると、当該ガス加熱配管２２の内部を流れる作動ガスの流速に変動が見られるようになる。作動ガス流速の変動は、形成される皮膜の品質ばらつきに大きな影響を及ぼすため好ましくない。一方、ガス加熱配管２２の内径が１６ｍｍを超えると、ガス加熱配管２２の内部を流れる作動ガスの流速は内径が４ｍｍの場合と比べて約１／１６以下になるため、圧力損失に起因する問題はない。しかし、ガス加熱配管２２と作動ガスとの接触面積が減少する。さらに、流速が小さくなると、ガス加熱配管２２の内壁と作動ガスとの境膜の厚さが厚くなり、ガス加熱配管２２から作動ガスへの伝熱速度が小さくなる。その結果、伝熱効率が低下する傾向が見られるようになるため好ましくない。

また、当該コイル形状の巻数は、３〜１０とすることが好ましい。当該コイル形状の巻数が３より小さいと、コイル径が大きくなり、既存のチャンバー２１内に配置することが困難となるからである。一方、コイル形状の巻数が１０を超えると、コイル径が小さくなるが、コイル形状のピッチが狭くなり、隣接する配管が接触する危険性が増加するからである。

当該ガス加熱配管２２は、入口側端部２２Ａが、チャンバー２１の外側に引き出され、上述した圧縮ガスボンベ２から高圧の作動ガスが供給される作動ガスライン４に接続されている。そして、当該ガス加熱配管２２の出口側端部２２Ｂは、チャンバー２１内にて開口している。本実施の形態において、当該ガス加熱配管２２の出口側端部２２Ｂは、筒状を呈するチャンバー２１の軸方向であって、コールドスプレーノズル３０を設けた側とは反対側に向けて開口していることが好ましい。当該ガス加熱配管２２から噴射した作動ガスの圧力をチャンバー２１内において均一化するためである。

本実施の形態において、当該ガス加熱配管２２は、入口側端部２２Ａと、出口側端部２２Ｂ以外の部分でショートすることを防止するため、絶縁部材２３を介してチャンバー２１内に配置しており、当該ガス加熱配管２２の出口側端部２２Ｂのみが、チャンバー２１の内壁のいずれかに当接して配置している。当該絶縁部材２３は、絶縁性、耐熱性、耐圧性に優れたものであれば、特に、限定されるものではなく、例えば、セラミックスなどを採用することができる。

そして、チャンバー２１の外側に引き出されたガス加熱配管２２の入口側端部２２Ａと、出口側端部２２Ｂが当接したチャンバー２１が構成される導電性の本体２０との間に、電源２４から電圧が印加されて、当該ガス加熱配管２２は通電により抵抗発熱を生じる。よって、当該ガス加熱配管２２の発熱により、内部を通過する作動ガスが、用いる原料粉末の融点又は軟化点以下の高温に加熱されると共に、当該ガス加熱配管２２を配設したチャンバー２１内に収容した作動ガスも加熱される。外部に作動ガスを加熱するためのヒータが設けられる場合と異なり、作動ガスが収容されるチャンバー２１内にガス加熱配管２２を設けることで、放熱による熱損失を大幅に抑制することができる。当該ガス加熱配管２２の温度及び作動ガス温度は、当該ガス加熱配管２２に流す電流で制御することが可能である。

このガス加熱配管２２が配設されたコールドスプレーガン１の本体２０の一面２０Ａには、チャンバー出口２５が形成されており、当該チャンバー出口２５には、本体２０内部のチャンバー２１と連通するコールドスプレーノズル３０が接続されている。そして、当該コールドスプレーノズル３０が接続される一面２０Ａと対向する本体２０の他面２０Ｂには、上述した原料粉末供給ライン１５と接続した原料粉末供給ノズル２６が挿入されている。当該原料粉末供給ノズル２６は、本体の一面２０Ａに接続したコールドスプレーノズル３０の中心軸と同軸上となるように、当該チャンバー２１内に挿入することが好ましい。当該原料粉末供給ノズル２６先端のパウダーポート２７は、チャンバー２１のチャンバー出口２５付近にて開口している。このとき、パウダーポート２７は、チャンバー出口２５よりも径が小さくなるように形成しているが、当該チャンバー出口２５は、出口にいくにしたがって先細り形状とすることが好ましい。パウダーポート２７から噴出した原料粉末がチャンバー２１内に逆流してチャンバー２１内を飛散する不都合を抑制することができるからである。

コールドスプレーノズル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先細部３２と、当該先細部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した膨張部３４とを備えている。本発明において、当該コールドスプレーノズル３０は、既存のものを用いることができ、材質や形状等について、特に限定されない。

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ガス加熱配管２２内に供給する。当該ガス加熱配管２２は、コールドスプレーガン１のチャンバー２１内に配設しており、入口側端部２２Ａと出口側端部２２Ｂとの間に電源２４により通電することで、抵抗発熱を生じる。ガス加熱配管２２の大きさや材質、チャンバー２１内の容積、作動ガスの種類や流量、目的とする加熱温度等にもよるが、当該ガス加熱配管２２は、例えば、５００Ａ、３０Ｖ〜４０Ｖの直流電流を供給してもよい。

よって、当該ガス加熱配管２２の入口側端部２２Ａから流入した作動ガスは、当該ガス加熱配管２２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高温に加熱され、当該チャンバー２１内にて開口した出口側端部２２Ｂからチャンバー２１内に噴射される。

チャンバー２１内に噴射した作動ガスは、当該チャンバー２１が所定の容積を備えているため、流速が一定に調整される。特に、当該ガス加熱配管２２の出口側端部２２Ｂは、チャンバー２１の出口に相当するコールドスプレーノズル３０の接続側とは反対に向けて開口して形成されていることにより、圧縮ガスボンベ２からの圧力変動や配管振動に大きく影響されることなく、作動ガス流の流速を一定に調整した状態で、チャンバー出口２５からコールドスプレーノズル３０に噴射することができる。

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１４によって計量した所定量の原料粉末を同伴して、原料粉末供給ライン１５を介して、コールドスプレーガン１に設けた原料粉末供給ノズル２６に流入する。この原料粉末供給ノズル２６の先端に形成したパウダーポート２７は、チャンバー出口２５付近において、当該コールドスプレーノズル３０に向けて開口している。そのため、チャンバー出口２５付近の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。

パウダーポート２７から供給した原料粉末を伴った高速の作動ガス流は、コールドスプレーノズル３０の先細部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した膨張部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４０の表面に衝突して堆積し、皮膜４１を形成する。

本発明におけるコールドスプレーガンは、このように、高圧の作動ガスが流れるガス加熱配管２２を、高圧の作動ガスを収容するチャンバー２１内に配置しているため、ガス加熱配管２２内とチャンバー２１内との圧力差が小さくなり、ガス加熱配管２２にかかる負荷が小さくなる。よって、ガス加熱配管２２内の作動ガスの圧力を、例えば、５ＭＰａ〜１０ＭＰａ等に高く設定しても、当該ガス加熱配管２２が変形や破裂するおそれが少ない。ゆえに、従来と比べて加熱配管内外の圧力差が極めて低いため、ガス加熱温度を当該ガス加熱配管の材料の降伏応力が極めて低くなる温度、例えば１２００℃まで上げても当該加熱配管が破壊されることを回避することができる。例えば従来の加熱方式では、ヒータの温度を１０００℃とした場合、加熱配管内外の圧力差は５ＭＰａ程度が限界であったが、本発明によれば、ガス加熱配管の内外の圧力差が０．５ＭＰａ程度とすることができるため、当該ガス加熱配管温度を１２００℃まで上げても当該加熱配管が破壊されるおそれがない。よって、本発明によれば、作動ガスの温度を従来よりも高温に設定できるため、従来と比べて１００〜１５０ｍ／ｓ程度速い粒子速度を実現することができる。したがって、付着効率が高く、より緻密で機械的特性に優れた皮膜形成を実現することができる。

また、高温高圧の作動ガスが収容されるチャンバー２１内にガス加熱配管２２を配置するため、当該ガス加熱配管２２からの放熱によっても、加熱され、当該ガス加熱配管２２の熱損失が少ない。さらに、上述したように、ガス加熱配管２２のガス温度を従来よりも高く設定することができるため、作動ガスの流速を速めることができる。よって、ガス加熱配管２２の内壁と作動ガスとの境膜の厚さを薄くすることができ、ガス加熱配管２２から当該ガス加熱配管２２内を流れる作動ガスへの熱伝達効率をさらに向上させることができる。したがって、チャンバー２１の外に作動ガスを加熱する装置を設けている場合と比べてエネルギー消費量を大幅に削減することができ、従来と同じ加熱温度を実現する場合であっても、装置全体の小型軽量化を実現することができる。

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、作動ガスを加熱するガス加熱配管をチャンバー内に配設しているため、作動ガスの加熱効率が高く、また、作動ガスをより高圧、高温に設定することができる。よって、コールドスプレー装置全体の小型軽量化を実現しつつ、原料粉末を安定して所定の高温に加熱することができる。

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
１５原料粉末供給ライン
２０本体
２１チャンバー
２２ガス加熱配管
２２Ａ入口側端部
２２Ｂ出口側端部
２３絶縁部材
２４電源
２５チャンバー出口
２６原料粉末供給ノズル
２７パウダーポート
３０コールドスプレーノズル
３１ノズル入口
３２先細部
３３スロート部
３４膨張部
３５ノズル出口
４０基材
４１皮膜

Claims

搬送ガスにより搬送した原料粉末を、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ノズル出口から噴出して、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、
先端に当該ノズルが接続して当該ノズルに送出する当該作動ガスを収容するチャンバーを備え、当該チャンバー内に、通電により抵抗発熱する発熱抵抗体で構成されたガス加熱配管を配置し、当該ガス加熱配管内部に流入する作動ガスを加熱するものであり、
当該ガス加熱配管は、内部に作動ガス流路を形成したコイルヒータであり、作動ガス入口側端部が当該チャンバー外に引き出され、作動ガス出口側端部が当該チャンバー内で開口することを特徴とするコールドスプレーガン。
前記ガス加熱配管は、前記チャンバー内に絶縁部材を介して保持されると共に、前記作動ガス出口側端部が前記チャンバー内壁に当接して配置される請求項１に記載のコールドスプレーガン。
請求項１又は請求項２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。