KR20040084640A

KR20040084640A - 냉 분사 노즐 설계

Info

Publication number: KR20040084640A
Application number: KR1020040017106A
Authority: KR
Inventors: 하이네스제프리디.; 샌더스스튜어트에이.
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-13
Publication date: 2004-10-06
Also published as: EP1462546B1; SG121867A1; TWI260997B; MXPA04002859A; RU2004104441A; US7543764B2; US20040191449A1; JP2004298863A; EP1462546A3; EP1462546A2; KR100592833B1; DE602004000936T2; RU2261763C1; DE602004000936D1; TW200424020A; ATE327356T1

Abstract

냉 분사 기술에 사용하기 위한 노즐이 기술된다. 상기 노즐은 수렴 섹션 및 발산 섹션을 구비하여 분말 재료를 분사하기 위한 통로를 구비하고, 적어도 상기 발산 섹션은 폴리벤지미다졸로 형성된다. 상기 노즐의 한 실시예에 있어서, 상기 수렴 섹션도 또한 폴리벤지미다졸로 형성된다.

Description

냉 분사 노즐 설계{COLD SPRAY NOZZLE DESIGN}

본 발명은 미국 에너지성(the U.S. Department of Energy)에 의해 수여된 CRADA 제SC001/01589호 하에서 정부 지원으로 제작되었다. 미합중국 정부는 본 발명에 있어서 소정의 권한을 갖는다.

본 발명은 금속 합금 코팅제를 공작물 상으로 증착시키기 위해 냉 분사 시스템에 사용하는 개선된 노즐 설계에 관한 것이다.

냉 가스 동적 분사(예컨대, 냉 분사)는 분말 금속이 고상 결합을 통해 증착되는 비교적 새로운 기술이다. 이러한 결합 기구는 헬륨 및/또는 질소 가스를 사용하는 수렴/발산 (라발) 노즐을 통한 초음속까지 입자의 가속을 통해 달성된다.

본 명세서에 참조로 포함된 알키모프(Alkhimov) 등에 허여된 미국특허 제5,302,414호는 냉 가스 동적 분사 시스템을 개시한다.

냉 분사 시스템에 사용되었던 전형적인 노즐 재료는 황동, 스테인레스강 및 공구강을 포함한다. 알루미늄 및 어떤 니켈 합금과 같은 어떤 재료의 증착 중에, 노즐은 금속 분말에 의해 오염되거나 막혀서 시스템 고장을 유발하고, 손상된 노즐을 제거하기 위해 재작업되어야 한다. 알루미늄의 오염은 대략 3 내지 4분 내에 발생하지만, 반면에 이 새로운 기술을 상용화하기 위해서는 최소 8시간의 연속 작업이 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 바람직한 수준의 연속 작업을 제공하는 노즐을 제공하는 것이다.

전술한 목적은 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 개선된 냉 분사 노즐은 수렴 섹션 및 발산 섹션을 구비하여 분말 금속을 분사하기 위한 통로를 포함하고, 적어도 상기 발산 섹션은 폴리벤지미다졸로 형성된다. 본 발명의 한 실시예에 있어서, 수렴 섹션도 또한 폴리벤지미다졸로 형성된다.

본 발명의 냉 분사 노즐 설계의 다른 상세한 설명뿐만 아니라 그 외의 다른 목적 및 장점은 하기의 설명과 동일한 참조 부호가 동일한 부재를 나타내는 첨부한 도면으로 서술된다.

도1은 본 발명의 노즐이 사용될 수 있는 냉 분사 시스템을 도시한 도면.

도2는 본 발명에 따른 냉 분사 노즐의 확대 단면도.

도3은 폴리벤지미다졸로 제작된 노즐에 대해 시간의 함수로 부식 속도를 도시한 그래프.

도4는 다양한 노즐 재료의 성능을 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 계량 공급장치(metering feeder)

1': 케이싱

2: 호퍼

2': 리드(lid)

2": 스레드(thread)

4: 초음속 노즐

5: 압축 가스 공급원

6: 공압 라인(pneumatic line)

7: 차단 및 제어 부재

8: 흡입관(inlet pipe)

9: 원통형 드럼

9': 원통형 표면 또는 원통형 외주연

10: 오목부

11: 분말 입자 유동 제어기

12: 이격된 관계

13: 중간 노즐

14: 공간

15: 차폐판(baffle plate)

16: 호퍼 하부

17: 혼합실 벽

18, 23: 통로

19: 노즐 에지

20: 초음속부

21: 난류 노즐

22: 호퍼 상부

24: 내부 공간

25: 튜브

48: 슬리브

100: 수렴 섹션

102: 발산 섹션

도면을 참조하면, 도1은 알루미늄 분말 코팅제와 같은 분말 코팅제를 제품의 표면에 냉 분사하기 위한 시스템(1)을 도시한다. 시스템(1)은 스레드(2")에 의해 장착된 리드(2')를 구비하는 분말용 호퍼(2)를 수용하는 케이싱(1')과, 분말을 계량하기 위한 수단과, 혼합실을 구비하고, 이들 모두 서로 통해 있다. 시스템은 또한 혼합실과 통해 있는 분말 입자를 가속시키기 위한 노즐(4)과, 압축 가스 공급원(5) 및 압축 가스를 혼합실로 공급하기 위해 공급원에 연결된 수단을 구비한다. 압축 가스 공급 수단은 차단 및 제어 부재(7)를 거쳐 압축 가스 공급원(5)을 계량 공급장치(1)의 흡입관(8)에 연결하는 공압 라인(6)의 형태이다. 분말 계량 수단은 원통형 표면(9')에 오목부(10)를 구비하고 혼합실 및 입자 가속 노즐(4)과통해 있는 원통형 드럼(9)의 형태이다.

시스템은 또한 코팅 도중에 분말의 소정 질량 유량 속도를 보장하도록 드럼(9)의 원통형 외주연(9')에 대해 이격된 관계(12)로 장착된 분말 입자 유동 제어기(11)와, 혼합실과 인접하여 배치되고 흡입관(8)을 통해 압축 가스 공급 수단과 압축 가스 공급원(5)과 연통하는 중간 노즐(13)을 포함한다.

분말 입자가 계량 공급장치(1)의 드럼(9)과 케이싱(1') 사이의 공간(14)으로 들어가지 못하게 막아 드럼(9)의 막힘을 피하기 위해, 차폐판(15)이 드럼(9)의 원통형 표면(9')을 직접적으로 결합하는 호퍼 하부에 제공된다.

분말에 의한 오목부(10)의 균일한 충진과 혼합실로의 신뢰성 있는 유입을 보장하기 위해, 드럼(9)은 그 원통형 표면(9')의 일부가 호퍼(2)의 하부(16)로서 사용되고 다른 부분이 혼합실 벽(17)을 형성하는 방식으로 수평으로 연장되도록 장착된다. 드럼(9)의 원통형 표면(9') 내의 오목부(10)는 계량 중에 분말 입자의 유동 속도의 요동을 감소시키는 나선형 라인을 따라 연장되어 있다. 소정의 프로파일, 고밀도 및 저온을 갖는 가스 유동 초음속 속도에 부가하고, 또한 300 내지 1200 m/s의 속도 범위까지 분말 입자의 가속을 보장하기 위해, 분말 입자의 가속용 노즐(4)은 초음속이 되도록 제작되고 특정 모양 단면의 통로(18)를 구비한다. 노즐(4)의 통로(18)는 수렴 섹션(100) 및 발산 섹션(102)을 구비한다. 또한, 통로(18)는 양호하게 유동 단면의 한 치수가 다른 치수보다 더 크고, 노즐 에지(19)에서 초음속 부(20)의 길이 "l"에 대해 더 작은 치수의 비는 약 0.04에서 약 0.01의 범위를 갖는다.

통로(18)는 소정의 프로파일의 가스 및 분말 제트가 형성되도록 허용하는 구조를 가지며, 분말의 충분한 가속을 보장하고, 코팅되어 있는 표면의 압축 가스층 상류에서 속도 손실을 낮춘다.

압축 가스 공급원용 수단을 출발하여 흡입관(8)을 통해 노즐(13)로 유입되는 압축 가스 유동의 난류 노즐(21)은 혼합실 내의 출구에서 중간 노즐(13)의 내면에 제공된다. 이 난류 노즐(21)은 분말의 효과적인 제거와 가스 및 분말 혼합물의 조성을 보장한다. 가스 유동이 혼합실 벽(17)을 형성하는 드럼(9)의 원통형 표면(9')의 부분으로 흐를 때 리코일 유동을 제공하고 분말 및 가스의 효과적인 혼합을 보장하기 위하여, 중간 노즐(13)은 그 길이 방향 축이 드럼(9)의 원통형 표면(9')에 그려진 법선에 대하여 80°내지 85°의 각도로 연장하는 방식으로 장착된다.

또한, 제품의 표면에 코팅제를 도포하기 위한 장치는 드럼(9)의 원통형 표면(9') 내의 오목부(10)에 압축 가스를 공급하기 위한 수단과, 호퍼(2) 및 혼합실 내의 압력을 평형 잡기 위한 호퍼(2)의 상부(22)를 포함한다. 그러한 수단의 설비는 분말의 계량에 사용된 압력을 제거한다.

중간 노즐(13)의 내면(24)을 호퍼(2)의 상부(22)와 연통시키고 중간 노즐(13)에 연결된 튜브(25)를 구비하는 계량 공급장치(1)의 케이싱(1') 내에서 통로(23)의 형태인 가스 공급 수단은 호퍼(2)를 통해 연장되고 상부에서 180°의 각도로 만곡된다.

드럼(9)은 플라스틱 재료로 제작된 슬리브(48) 내에서 회전되고 드럼(9)의원통형 표면(9')과 결합되도록 장착된다. 슬리브(48)의 플라스틱 재료는 분말 입자를 흡입함으로써 드럼(9)의 형상 보전을 보장하는 플루오르화 플라스틱 테플론(a fluoroplastic TEFLON)이다. 슬리브(48) 설비는 드럼(9)의 마모를 낮추고 그 표면(9')의 변형을 감소시키고 또한 막힘을 제거한다.

도1에 도시된 코팅제를 도포하기 위한 장치는 하기의 방식으로 기능을 한다. 가스 공급원(5)으로부터 압축 가스는 공압 라인(6)을 따라 차단 및 제어 부재(7)를 통해 계량 공급장치의 흡입관(8)으로 공급되고, 상기 가스는 중간 노즐(13)에 의해 가속되고 고정되어 있는 드럼(9)의 원통형 표면(9')에 대해 충돌하도록 80°내지 85°사이의 각도로 안내되며, 그리고 나서 특정 모양의 초음속 노즐(4)을 통해 빠져나가는 혼합실로 유입한다. 초음속 노즐(4)은 차단 및 제어 부재(7)에 의해 작업 조건(5 내지 20 기압)이 되고, 따라서 300 m/s 내지 1200 m/s까지의 속도 범위로 초음속 가스 제트를 형성한다.

호퍼(2)로부터의 분말은 오목부(10)를 채우기 위해 드럼(9)의 원통형 표면(9')에 도달하고, 드럼의 회전 중에, 분말은 혼합실로 운송된다. 중간 노즐(13)에 의해 형성되고 난류 노즐(21)에 의해 난류가 된 가스 유동은 분말을 드럼(9)의 원통형 표면(9')에서 가스와 분말 혼합물이 형성되는 혼합실로 불어서 떨어뜨린다. 분말의 유동 속도는 드럼(9)의 회전수와, 드럼(9) 및 분말 유동 제어기(11) 사이의 공간(12)에 의해 미리 설정된다. 차폐판(15)은 분말이 케이싱(1') 및 드럼(9) 사이의 공간(14)으로 유입되는 것을 방지한다. 중간 노즐(13)로부터의 가스는 잔여 분말로부터 통로를 깨끗하게 청소하기 위해 드럼(9)및 케이싱(1') 사이의 공간으로 유입되도록 통로(23)를 따라 튜브(25)를 통해 부가적으로 분리되고, 상기 가스는 호퍼(2)의 상부(22)에 유입되어 호퍼(2) 및 혼합실 압력을 평형이 되도록 한다. 혼합실로부터의 가스 및 분말 혼합물은 통로(18)의 초음속부(20)에서 가속된다. 따라서, 고속 가스 및 분말 제트는 코팅제 조성을 위해 필요한 유동 속도의 밀도와 입자의 속도와 함께 통로(18)의 단면 형태에 의해 결정되어 형성된다. 통로(18)의 초음속부(20)의 소정 프로파일에 대해, 분말 입자의 질량 유동 속도의 밀도는 계량 공급장치(1)에 의해 명시되고, 입자의 속도는 사용 가능한 가스에 의해 규정된다. 예컨대, 공기와 혼합된 헬륨의 비율이 0% 내지 100% 사이에서 변함으로써, 분말 입자의 속도는 300m/s 내지 1200m/s 사이에서 변할 수 있다.

본 발명에 따라 도2를 참조하면, 초음속 노즐(4) 내의 통로(18)의 막힘은 적어도 발산 섹션(102)을 폴리벤지미다졸로 성형함으로써 방지된다. 폴리벤지미다졸은 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤지미다졸) 조성을 갖는다. 유리하게는, 수렴 섹션(100) 및 발산 섹션(102) 양쪽 모두가 단일 노즐 구조에서 상기 재료로 성형될 수 있다. 그러한 노즐(4)의 모놀리식(monolithic) 형태는 알루미늄 및 알루미늄 합금을 공작물 상으로 분사할 때 특히 유용하다. 폴리벤지미다졸은 800℉(426.7℃)까지 안정하다. 그것은 로크웰(Rockwell) 105 E와 우수한 부식 저항 특성을 갖는 매우 단단한 폴리머이다. 게다가, 이런 재료는 어떤 치수가 요구되더라도 성형되어 압착될 수 있다. 또한, 바스톡(barstock)에서 아주 미세한 공차까지 쉽게 기계 가공될 수 있다.

냉 분사 노즐에 폴리벤지미다졸 사용의 장점을 나타내기 위하여, 노즐 부식 시험이 모놀리식 폴리벤지미다졸 구조로부터 성형된 노즐을 사용하여 수행되었다. 제트 조건은 약 12 g/min의 이송 속도로 300℃에서 발리메트 코포레이션(Valimet Corporation)에 의해 제작된 순도 99.7% 알루미늄의 제품명인 H-20 알루미늄을 사용하는 250 psig(1723.7kPa)의 헬륨이었다. 도3은 상기 노즐에 대한 시간의 함수로서 부식 속도를 도시한다. 대부분의 부식은 최초 5분의 운전 기간 중에 발생했다. 이러한 부식은 수렴 및 발산 섹션 사이의 목 영역 주위에서 발생했다. 초기 부식 후에, 노즐은 약 0.64mg/min의 속도로 부식되었다. 도4는 무게 변화 대 시간의 조건으로 노즐 재료의 순위를 나타낸다. 이 도면은 폴리벤지미다졸로 성형된 노즐이 매우 다양한 다른 잠재적인 노즐 재료보다 더 좋다는 것을 나타낸다.

또한 수행되었던 상기 시험은 폴리벤지미다졸이 사용되었을 때 어떤 오염도 나타내지 않았다. 후속의 시도는 오염되지 않고 8시간동안 알루미늄의 성공적인 분사를 계속해서 나타낸다.

본 발명에 따라서 본 명세서에서 기술된 목적, 수단 및 장점을 완전히 만족시키는 냉 분사 노즐 설계가 제공되었음이 명백하다. 본 발명이 특정 실시예와 관련하여 기술되었지만, 다른 대체, 수정 및 변경들이 전술한 기재를 이해한 본 기술 분야의 숙련자에게 명백해질 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 광의의 범주 내에 있는 그러한 대체, 수정 및 변경들을 포함하여야 한다.

본 발명은 종래 기술에 비해 바람직한 수준의 연속 작업을 제공하는 노즐을제공한다.

Claims

냉 분사 기술에 사용하기 위한 노즐이며,

수렴 섹션과 발산 섹션을 구비하여 분말 재료를 분사하기 위한 통로를 포함하고,

적어도 상기 발산 섹션은 폴리벤지미다졸로 형성되는 노즐.
제1항에 있어서, 상기 수렴 섹션 및 상기 발산 섹션 모두가 상기 폴리벤지미다졸로 형성되는 노즐.
분말 재료의 원료와,

상기 분말 재료를 가스와 혼합하기 위한 수단과,

상기 혼합 수단과 통해 있고 상기 분말 재료를 공작물 상으로 분사하기 위한 통로를 구비한 노즐을 포함하고,

상기 노즐은 발산 섹션에 이어 수렴 섹션을 구비하고,

적어도 상기 발산 섹션은 폴리벤지미다졸로 형성되는 냉 분사 시스템.
제3항에 있어서, 상기 수렴 섹션도 또한 폴리벤지미다졸로 형성되는 냉 분사 시스템.
제3항에 있어서, 상기 노즐은 단일 노즐 구조인 냉 분사 시스템.