TWI432603B - 冷噴霧器用噴嘴及使用該冷噴霧器用噴嘴之冷噴霧器裝置 - Google Patents

Description

冷噴霧器用噴嘴及使用該冷噴霧器用噴嘴之冷噴霧器裝置

本發明關於一種冷噴霧用噴嘴以及使用此冷噴霧用噴嘴之冷噴霧器裝置。

已往，在例如製鐵製程中的鑄型或輥、汽車車輪、燃汽輪機構成機件等的各種金屬構件上，爲使其耐磨性或耐蝕性提升，以期待其金屬構件的長壽命化，有所謂於金屬構件上形成鎳、銅、鋁、鉻或其等合金等之皮膜的技術爲衆所週知。

形成其皮膜之一方法中，有使用金屬電鍍法。惟若使用金屬電鍍法，無法於大面積施工且有容易發生裂痕的問題。

至於其他方法，有以熔射方式形成皮膜的方法。作為該熔射，包含所謂的減壓電漿熔射(LPPS)法、火焰熔射法、高速火焰熔射(HVOF)法以及大氣電漿熔射法等。然而，以該等熔射法形成皮膜時，有因熔射中金屬被氧化，緻密皮膜的形成有其困難度，且導電率及導熱率較低，附著率低而有不經濟等的問題。

作為代替該方法的皮膜形成新技術，有一種以固相狀態之原料粉末形成皮膜的「冷噴霧器」備受業界注目。此種冷噴霧器係使低於原料粉末的熔點或軟化點的作用氣體成爲超音速噴流，由該作用氣體中的輸送氣體，將被搬送的原料粉末自粉末通囗前端噴出後予以投入，就此以固相狀態衝撞基材而形成皮膜。也就是說，係將金屬、合金、金屬間化合物、陶瓷等原料粉末就此以固相狀態高速衝撞基材表面而形成爲皮膜者。為了與上述電漿熔射法等有所區別，以下，使用冷噴霧器之皮膜形成方法稱為「CS熔射法」。

再者，此CS熔射法的概念使用一般冷噴霧器裝置之概略圖的圖2與顯示以往技術之冷噴霧器用之噴嘴的形態例之概略剖面圖的圖3加以詳細說明。自儲存有氮氣、氦氣、空氣等 之壓縮氣體筒狀高壓容器2之氣體供應機構分歧為作用氣體管線(經由閥5a之管線)及運送氣體管線(經由閥5b之管線)。高壓作用氣體藉由加熱器10被加熱至原料粉末之熔點或軟化點以下之溫度後，供給至冷噴霧器罐之腔室12內。另一方面，將高壓的運送氣體導入原料粉末供給裝置15，使原料粉末運送至上述腔室12內。藉由運送氣體運送之原料粉末自粉末通口1h前端供給，利用作用氣體成為超音波流自圓錐狀壓縮部1b通過喉部1c，自位於圓錐狀膨脹部1d之前端之噴嘴出口1e噴出，直接以固相狀態衝撞於基材18表面，形成皮膜。

使用此CS熔射法所形成之皮膜，相較於使用上述熔射法形成之皮膜，已知前者為緻密、高密度、導電性、導熱率均高、氧化或熱變質亦少，且密著性良好者。

此CS熔射法的問題為自噴嘴前端噴出之前述原料粉末無法全部成為基材表面之皮膜。亦即，所噴出之原料粉末形成皮膜之效率[(成為皮膜之原料粉末量)/(噴出之原料粉末量)]×100%(以下稱為「熔射效率」)無法成為100%。因此，若熔射效率小，則未形成皮膜之原料粉末於基材周邊變得散亂，變成浪費資源及能源。又，用以形成所期望皮膜所必要之CS熔射裝置的運轉時間變長。因此，若提高熔射效率，則可提高皮膜之形成效率，未形成皮膜而散亂之原料粉末亦變少。亦即，在改善CS熔射裝置的生產性的同時，亦可達成資源與能源的有效活用。

因此專利文獻1(美國專利公開2006-27687號公報)中，揭示原料粉末溫度只要未達熔點溫度，則溫度越高越好，原料粉末在將要衝撞基材之前被作用氣體加熱，使原料粉末溫度上升之同時提高氣體流速之技術。具體而言，自前述膨脹部之前端附近到基材表面之間，使用微波誘導加熱。因此，上述加熱的效果，揭示有在基材表面之粉末變形加大。藉此，認為若基材表面粉末的變形加大，則可提升CS熔射法之熔射效率。

然而，專利文獻1中，使用微波作為加熱機構，而自噴嘴外側賦予能量。因此，可使用之原料粉末限定於可吸收微波之金屬及一部分陶瓷。因此，若分散之氣體流以通過噴嘴內之狀態照射微波，則粒子流外側之粒子被優先加熱。亦即，噴嘴內粉體溫度分布均一效果有其限度，在原料粉末供給量多的情況，其傾向尤其顯著。其結果，若超過原料粉末供給量之上限，可看出熔射效率降低之傾向，皮膜形成速度總是有上限。

又，於噴嘴前端部分之可加熱噴嘴係採用加熱部分使用陶瓷，較好使用氧化鋁之構造。亦即，冷噴霧器用之噴嘴係以金屬與陶瓷此種之熱膨脹係數不同之異種材料組合之構成。因此，於進行間歇性操作時，成為接受溫度差異大之冷熱循環，於金屬與陶瓷之接合部份，容易發生陶瓷裂開或缺損，相較於以往之以金屬製噴嘴，裝置壽命變短。又，於噴嘴前端部具有微波加熱裝置之CS熔射裝置，相較於以往的裝置，操作性較差。

因此，使用與以往同樣構成之裝置，在不大幅變更條件下而改善熔射效率之CS熔射法成為必要。

因此，本發明人經刻意檢討結果，發現以下發明可作為解決上述問題之手段。

本發明有關之冷噴霧器用噴嘴：本發明有關之冷噴霧器用噴嘴，其特徵為具備一壓縮部、一喉部、以及自該喉部向前端擴大之圓錐狀的膨脹部，使原料粉末利用溫度為該粉末熔點以下的作用氣體自該壓縮部之噴嘴入囗流入，自該膨脹部前端的噴嘴出囗以超音速流噴出之冷噴霧器用噴嘴，其中該壓縮部具備噴嘴入口側之預熱區域以及壓縮區域。

本發明有關之冷噴霧器用噴嘴中，上述壓縮部長度較好為50mm~1000mm。

本發明有關之冷噴霧器用噴嘴中較好於上述預熱區域具 備加熱裝置。

本發明有關之冷噴霧器裝置：本發明有關之冷噴霧器裝置其特徵係包含：供給原料粉末之原料粉末供給機構；供給作用氣體及運送氣體之氣體供給機構；具備利用溫度為該原料粉末之熔點以下之該作用氣體使該原料粉末以超音速流噴出之噴嘴之冷噴霧器噴槍；該噴嘴係使用上述之冷噴霧器用噴嘴。

若使用本發明有關之具備壓縮部具有噴嘴入口側之預熱區域及壓縮區域之冷噴霧器用噴嘴之CS熔射法形成薄膜，熔射效率可獲得改善。若使用該噴嘴，作為原料而供給之原料粉末通過壓縮部之時間，到原料粉末為充份加熱為止之時間較長，原料粉末之高溫加熱變容易。若原料粉末成為高溫，則原料粉末於基板表面之變形量變大，故熔射效率獲得改善。

本發明有關之冷噴霧器用噴嘴之形態：圖1顯示本發明有關之冷噴霧器用噴嘴之概略剖面圖。本發明有關之冷噴霧器用噴嘴之特徵為具備一壓縮部1b、一喉部1c、以及自該喉部向前端擴大之圓錐狀的膨脹部1d，自粉末通口1d供給之原料粉末，使用溫度為該原料粉末之熔點以下之作用氣體，自該壓縮部之噴嘴入口1a流入，由該膨脹部前端之噴嘴出口1e以超音速流噴出之冷噴霧器用噴嘴，該壓縮部具備噴嘴入囗側之預熱區域1f及壓縮區域1g。圖1雖顯示預熱區域為圓筒形狀，但未必為圓筒形狀，可為自壓縮區域連續接續之圓錐形狀者。

本發明設有前述預熱區域及壓縮區域之目的在於使原料粉末與經加熱之作用氣體接觸時間變長，使原料粉末之溫度上升者。此效果，只要可使作用氣體種類及溫度成為一定，則隨著使用之原料粉末特性、自供給原料粉末至到達喉部為止之時間(亦即由預熱區域與壓縮區域所構成之壓縮部全體之長度)加以決定。因此，最適宜之CS熔射條件，宜使用成為對象之原料粉末開始試行，並參照其結果加以設定。

本發明有關之冷噴霧器用噴嘴中，上述壓縮部長度較好為50mm~1000mm。如前述，壓縮部之長度係由原料粉末特性或供給量、作用氣體溫度等加以決定。

然而，若壓縮部長度未達50mm，使原料粉末溫度上升之效果不充分而不安定。另一方面，若壓縮部長度超過1000mm，對周圍氛圍之放熱量變大，有作用氣體及原料粉末溫度降低之情況。其結果，放熱對策與加熱對策變成必要，除了設備成本上升以外，亦浪費能源。又，由於操作性惡化而不佳。因此，從上述觀點觀之，較好壓縮部長度為100mm~1000mm。

又，本發明有關之冷噴霧器用噴嘴中，較好於上述預熱區域具備加熱裝置。由於該壓縮部變長則放熱量變大，因此可用以防止作用氣體及原料粉末之溫度降低。因此，較好於預熱區域適當配置加熱裝置，而抑制作用氣體與原料粉末之溫度降低。加熱裝置之配置，隨著壓縮部之長度、作用氣體種類、作用氣體之流速以及原料粉末而異。然而，為了防止原料粉末過熱，該加熱裝置較好設置於預熱區域之中央以後。又，亦可依據需要分段設置複數個加熱機構。具體之加熱方法並無特別限制，可使用於壓縮部筒體壁面內部內藏電熱加熱器，於該筒體外周捲繞電熱加熱器等，筒體為金屬製以電阻加熱或電磁導加熱等方法。

本發明有關之冷噴霧器裝置形態：本發明有關之冷噴霧器裝置包含：供給原料粉末之原料粉末供給機構；供給作用氣體及運送氣體之氣體供給機構；具備利用溫度為該原料粉末之熔點以下之該作用氣體使該原料粉末以超音速流噴出之噴嘴之冷噴霧器噴槍；該噴嘴係使用上述之冷噴霧器用噴嘴。若使用上述噴嘴，自噴嘴出囗噴出之原料粉末之溫度上升，衝撞至基材面時之變形量大，形成皮膜之能力得以提高。亦即，藉由存在有低溫粒子可避免熔射效率降低。因此，本發明有關之冷噴 霧器裝置為熔射效率大為改善之冷噴霧器裝置。進而，若可使原料粉末之溫度容易上升，則並無必要使作用氣體之溫度設定在必要以上的高溫，亦可避免構成原料粉末之粒子外周部份過熱狀態。亦即，本發明有關之冷噴霧器裝置為亦難以發生噴嘴內之原料粉末凝集之冷噴霧器裝置。

[實施例] ＜噴嘴之製作＞

實施例所用之冷噴霧器用試驗噴嘴為，於以往形狀之噴嘴中使用之壓縮部就此為圓錐形狀，以使出囗內徑成為20mmφ之方式，切斷前端部，作為腔室使用。於該切斷部位接續內徑為20mmφ之圓筒狀預熱區域。因此壓縮區域自預熱區域朝向喉部成為長度為150mm之圓錐形狀。因此，為了調整壓縮部之長度，使壓縮區域長度成為一定，製作預熱區域長度不同之五種。如此，製作壓縮部全長為50mm、100mm、200mm、500mm乃至800mm之5種冷噴霧器用噴嘴。又，於自喉部向前端擴大之圓錐狀膨脹部使用狹縫直徑2mmφ、噴出部直徑為6mmφ之倒錐形、長度為200mm之以往噴嘴。然而，上述噴嘴之全體構成，由於使用切斷以往的壓縮部之腔室，因此粉末通口位於預熱區域內。於是，為使有效加熱長度明確，各實施例之壓縮部長度定義為自粉末通囗位置至喉部為止之長度。

＜皮膜形成＞

對於基材形成皮膜係於圖2所示構成之冷噴霧器裝置中使用上述製作之5種預熱區域，進行CS熔射試驗作為實施例1～實施例5。

於各實施例之原料粉末使用鋁、銅、SUS-316以及MCrAlY(M為金屬)4種，作用氣體溫度對鋁及銅設定為350℃，對SUS-316設定為600℃，對MCrAlY設定為800℃，原料粉末供給量30g/分鐘，腔室壓力3MPa進行噴霧30分鐘。試驗條件彙集顯示於下表1。

於上述試驗，使用壓縮部長度為200mm之噴嘴時，獲得鋁的熔射效率95%，銅的熔射效率為97%。因此，對於此2種原料粉末，並未實施使用具備更長壓縮部之噴嘴的試驗。所以，對於原料粉末之SUS-316，壓縮部長度為50mm的熔射效率為10%左右，但若壓縮部長度成為800mm，則熔射效率上升至81%。又，對於原料粉末之MCrAlY發現同樣傾向，壓縮部長度為50mm時溶射效率為10%，但若壓縮部長度成為800mm，則得到62%之熔射效率。上述結果匯集顯示於下表2。

如上表2所示，實施例中，對於所有原料粉末，若壓縮部變長則熔射效率上升。亦即，壓縮部於噴嘴入囗側具備預熱區域，與壓縮區域之合計長度變長，可發揮熔射效率改善效果。

[產業利用性]

本發明以使用於壓縮部具備噴嘴入囗側之預熱區域及壓縮區域之冷噴霧用噴嘴之CS熔射法，即使作為原料供給之粉 末溫度在通過壓縮部之間上升，亦可改善熔射效率。又，若以使用上述噴嘴之CS熔射法形成皮膜，即使作用氣體溫度設定在較低亦可改善熔射效率。

1‧‧‧冷噴霧器用噴嘴

1a‧‧‧噴嘴入口

1b‧‧‧壓縮部

1c‧‧‧喉部

1d‧‧‧膨脹部

1e‧‧‧噴嘴出囗

1f‧‧‧預熱區域

1g‧‧‧壓縮區域

1h‧‧‧粉末通口

2‧‧‧壓縮氣體高壓筒

3‧‧‧動作氣體用管線

4‧‧‧輸送氣體用管線

5a‧‧‧壓力調整器

5b壓力調整器

6a‧‧‧流量調整閥

6b‧‧‧流量調整閥

7a‧‧‧流量計

7b‧‧‧流量計

8a‧‧‧壓力錶

8b‧‧‧壓力錶

9‧‧‧電源

10‧‧‧加熱器

11‧‧‧冷噴霧器噴槍

12‧‧‧噴槍腔室

13‧‧‧壓力錶

14‧‧‧温度計

15‧‧‧原料粉末供給裝置

16‧‧‧計量器

17‧‧‧原料粉末供給管路

18‧‧‧基材

圖1為顯示本發明之冷噴霧器用噴嘴之一實施形態之概略剖面圖。

圖2為一般的冷噴霧器裝置之概略圖。

圖3為顯示以往技術之冷噴霧器用噴嘴之形態例之概略剖面圖。

1‧‧‧冷噴霧器用噴嘴

1a‧‧‧噴嘴入口

1b‧‧‧壓縮部

1c‧‧‧喉部

1d‧‧‧膨脹部

1e‧‧‧噴嘴出口

1f‧‧‧預熱區域

1g‧‧‧壓縮區域

1h‧‧‧粉末通口

Claims (3)

1. 一種冷噴霧器用噴嘴，其特徵為具備一壓縮部、一喉部、以及自該喉部向前端擴大之圓錐狀的膨脹部，使原料粉末利用溫度為該粉末熔點以下的作用氣體自該壓縮部之噴嘴入口流入，自該膨脹部前端的噴嘴出口以超音速流噴出之冷噴霧器用噴嘴，其中該壓縮部具備噴嘴入口側之預熱區域以及壓縮區域，且該預熱區域具備加熱裝置。
2. 如申請專利範圍第1項之冷噴霧器用噴嘴，其中上述壓縮部長度為50mm~1000mm。
3. 一種冷噴霧器裝置，其特徵係包含：供給原料粉末之原料粉末供給機構；供給作用氣體及運送氣體之氣體供給機構；具備利用溫度為該原料粉末之熔點以下之該作用氣體使該原料粉末以超音速流噴出之噴嘴之冷噴霧器噴槍；其中該噴嘴係使用如申請專利範圍第1項之冷噴霧器用噴嘴。