TWI603784B - 成膜裝置 - Google Patents

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TWI603784B
TWI603784B TW104106797A TW104106797A TWI603784B TW I603784 B TWI603784 B TW I603784B TW 104106797 A TW104106797 A TW 104106797A TW 104106797 A TW104106797 A TW 104106797A TW I603784 B TWI603784 B TW I603784B
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平野智資
川崎公一
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日本發條股份有限公司
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Description

成膜裝置
本發明係關於一種利用冷噴塗(cold spray)法的成膜裝置。
近年來,金屬覆膜的形成方法已知有冷噴塗法(例如參照專利文獻1)。冷噴塗法係藉由將材料的粉末與於熔點或軟化點以下的狀態的惰性氣體一起從噴嘴噴射,且直接以固相狀態撞擊至基材,而在基材的表面形成覆膜之方法。於冷噴塗法中,由於在與溶射法相比之下較低的溫度進行加工,因此可得到無相變態且氧化亦受到抑制的金屬覆膜。而且,也可緩和熱應力的影響。進一步而言,作為基材及覆膜的材料均為金屬時,金屬材料的粉末與基材(或先形成的覆膜)撞擊之際會在粉末與基材之間產生塑性變形而得到錨定效果,並且彼此的氧化覆膜會被破壞而於新生面彼此間產生金屬鍵結,故可得到密著強度高的積層體。
於如此之利用冷噴塗法的成膜裝置中,一般而言,於噴嘴的上游設有氣體粉末混合部,並將分別從別的系統供給之粉末以及高壓氣體導入至此氣體粉末混合 部並予以混合。於是,藉由高壓氣體的氣體壓使粉末從氣體粉末混合部送至噴嘴,而從噴嘴的前端噴射。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1:日本特開2008-302311號公報
然而,於上述一般的成膜裝置中,會有粉末在通過氣體粉末混合部時,粉末偏向於通路的內壁而附著的問題。因此,在內壁的特定部分會堆積粉末,而必須中斷成膜,將氣體粉末混合部及噴嘴自成膜裝置本體取出,且頻繁地清理粉末通路。
本發明係鑑於上述情事而研創者,其目的在於提供一種可於利用冷噴塗法之成膜裝置中,使附著於粉末通過之通路的內壁之粉末量均勻化之成膜裝置。
為了解決上述課題並達成目的,本發明之成膜裝置係將材料的粉末與氣體一同從噴嘴噴射,使前述粉末直接以固相狀態噴附並堆積於基材的表面,藉此形成覆膜的成膜裝置,其係具備:氣體粉末混合部,係將前述氣體與前述粉末予以混合並供給至前述噴嘴;氣體室,係透過至少1個氣體通過口與前述氣體粉末混合部連通,將前述氣體導入至前述氣體粉末混合部;粉末供給管,係將 前述粉末供給至前述氣體粉末混合部,且係貫通前述氣體室,使前述粉末的射出口突出於前述氣體粉末混合部並且朝向噴嘴的前端方向配置;以及整流部,係設於前述氣體室內之前述粉末供給管之周圍,對導入至前述氣體室之前述氣體予以整流,使之通過前述至少1個氣體通過口。
於上述成膜裝置中,前述整流部具有兩端形成開口之呈管狀的構件,並配置成使該構件之一邊的開口面觸抵前述至少1個氣體通過口,使另一邊的開口面相對向前述氣體室之內壁。
於上述成膜裝置中,將前述另一邊的開口面中之供導入至前述氣體室之前述氣體流入之區域的面積設為面積A,將從與前述另一邊的開口面相對向之前述內壁至前述另一邊的開口面為止之距離設為高度,將以前述區域為底面之柱形狀之側面之面積設為面積B時,前述面積B係為前述面積A以上。
於上述成膜裝置中,前述面積B係為前述面積A之8倍以下。
於上述成膜裝置中,前述整流部係更具有設於前述形成為管狀的構件之內壁面之複數個整流構件。
於上述成膜裝置中,前述整流部之開口面係形成為與前述氣體粉末混合部之與長度方向正交的剖面相似的形狀。
於上述成膜裝置中,前述整流部之開口面係形成為與前述氣體粉末混合部之與長度方向正交的剖面 相同的形狀。
於上述成膜裝置中,前述整流部之開口面係形成為圓形形狀、橢圓形形狀、矩形形狀、或多邊形形狀。
根據本發明,於氣體室內的粉末供給管的周圍設有將導入至氣體室之氣體予以整流而使其通過氣體通過口之整流部,故可使附著在有粉末通過的通路之氣體粉末混合部之內壁粉末均勻化。結果,可使清理粉末通路的頻率減低,且有效率地進行成膜。
1‧‧‧成膜裝置
2‧‧‧氣體加熱器
3‧‧‧粉末供給裝置
4‧‧‧噴塗槍
5‧‧‧噴嘴
6、7‧‧‧閥
10‧‧‧氣體粉末混合部
11‧‧‧氣體室
12‧‧‧粉末供給管
12a‧‧‧射出口
13、30‧‧‧粉末供給管支持部
13a、30a‧‧‧氣體通過口
13b‧‧‧開口
14、40‧‧‧整流部
14a‧‧‧開口面
15‧‧‧溫度感測器
16‧‧‧壓力感測器
17‧‧‧氣體供給路
20‧‧‧柱狀區域
31‧‧‧外周環
32‧‧‧支持棒
41‧‧‧筒部
42‧‧‧整流鰭片
100‧‧‧基材
101‧‧‧覆膜
111、121、122‧‧‧區域
第1圖係表示本發明之實施形態的成膜裝置之構成之示意圖。
第2圖係放大表示第1圖所示噴塗槍的內部之剖面圖。
第3圖係放大表示第2圖所示粉末供給管支持部之平面圖。
第4圖係第2圖所示之整流部之X箭頭視圖。
第5圖係放大表示第2圖所示之整流部之開口面附近之立體圖。
第6圖係表示第2圖所示之粉末供給管支持部之變形例之平面圖。
第7圖係表示第2圖所示之整流部之變形例之立體圖。
第8圖係表示將第7圖所示之整流部安裝於噴塗槍之 狀態之剖面圖。
第9圖係表示實施例2之實驗後之氣體粉末混合部之照片。
第10圖係表示比較例2之實驗後之氣體粉末混合部之照片。
以下,將一邊參照圖式一邊詳細說明本實施形態。另外,本發明並不受限於下列的實施形態。而且,於下列的說明所參照之各圖僅係概略地表示可理解本發明之內容的程度之形狀、大小、以及位置關係。亦即,本發明不僅限於各圖所例示之形狀、大小、以及位置關係。
(實施形態)
第1圖表示係本發明之實施形態的成膜裝置之構成之示意圖。如第1圖所示,本實施形態之成膜裝置1係利用冷噴塗法之成膜裝置,且具備加熱高壓氣體(壓縮氣體)之氣體加熱器2、收容成膜材料之粉末並供給至噴塗槍4之粉末供給裝置3、混合經加熱之高壓氣體與粉末並導入至噴嘴5之噴塗槍4、將粉末與高壓氣體一起噴射之噴嘴5、以及分別調節對氣體加熱器2以及粉末供給裝置3之高壓氣體之供給量的閥6及7。
高壓氣體係使用氦、氮、空氣等。供給至氣體加熱器2之高壓氣體係在加熱至比材料粉末的熔點低的範圍的溫度後導入至噴塗槍4。高壓氣體的加熱溫度較佳為300至900℃。
另一方面,供給至粉末供給裝置3之高壓氣體係以使粉末供給裝置3內的粉末成為指定的吐出量的方式供給至噴塗槍4。
經加熱之高壓氣體係通過噴嘴5而成為超音速流(約340m/s以上)並噴射。此時的高壓氣體的氣體壓力較佳為1至5MPa左右。這是因為藉由將高壓氣體的壓力調整為此程度,而謀求覆膜101對基材100的密著強度之提升。更佳為以2至4MPa左右的壓力。
於如此之成膜裝置1中,係將基材100朝噴塗槍4配置,並將成膜材料的粉末投入至粉末供給裝置3,開始將高壓氣體供給至氣體加熱器2以及粉末供給裝置3。從而,供給至噴塗槍4之粉末被投入至此高壓氣體的超音速流中並加速,而從噴嘴5噴射。此粉末直接以固相狀態對基材100高速地撞擊並堆積,從而形成覆膜101。
第2圖係放大表示第1圖所示之噴塗槍4內部之剖面圖。如第2圖所示,噴塗槍4具備有將高壓氣體與粉末予以混合並供給至噴嘴5之氣體粉末混合部10、填充有導入至氣體粉末混合部10之高壓氣體之氣體室11、將粉末供給至氣體粉末混合部10之粉末供給管12、設於氣體粉末混合部10與氣體室11之交界之粉末供給管支持部13、設於氣體室11內的粉末供給管12周圍之管狀之整流部14、以及設於氣體室11內之溫度感測器15及壓力感測器16。於粉末供給管支持部13中設有連通氣體粉末混合部10與氣體室11之至少1個氣體通過口13a。
氣體粉末混合部10之噴嘴5之與長度方向正交的剖面(以下稱為橫剖面)係形成圓形形狀、橢圓形形狀、矩形形狀、多邊形形狀等旋轉對稱形狀的管狀,於本實施形態中為圓形形狀。而且,氣體粉末混合部10一邊的端部區域係朝噴嘴5慢慢變細。在氣體粉末混合部10中,從粉末供給管12同時供給氣體與粉末,並且透過氣體通過口13a從氣體室11導入氣體,並將兩者予以混合。與氣體混合後的粉末係藉由通過噴嘴5側的前端較細的區域而被加速送至噴嘴5。
在氣體室11中,從氣體加熱器2透過氣體供給路17導入經加熱之高壓氣體。氣體室11內的壓力通常係維持在1至5MPa左右。藉由此氣體室11內與氣體粉末混合部10內的壓力差,將高壓氣體導入至氣體粉末混合部10。
粉末供給管12係貫通氣體室11,使粉末的射出口12a朝氣體粉末混合部10內突出,並且將該射出口12a朝向噴嘴5側配置。
第3圖係放大表示粉末供給管支持部13之平面圖。如第3圖所示,在粉末供給管支持部13之中央設有可嵌合粉末供給管12的開口13b,在該開口13b的外周側設有至少1個(於本實施形態為8個)氣體通過口13a。如此之粉末供給管支持部13係被嵌入在氣體粉末混合部10與氣體室11之交界。於是,藉由於粉末供給管支持部13之開口13b嵌合粉末供給管12,該粉末供給管12即沿著 氣體粉末混合部10以及噴嘴5之旋轉中心軸支持。
整流部14係兩端有開口的管狀構件,於粉末供給管12的周圍中,配置為使一邊的開口面觸抵於氣體通過口13a,使另一邊的開口面(開口面14a)相對向於氣體室11之內壁。從氣體加熱器2導入至氣體室11之高壓氣體係從開口面14a流入至整流部14內並予以整流,且通過氣體通過口13a導入至氣體粉末混合部10。
第4圖係第2圖所示之整流部14之X箭頭視圖。整流部14之開口面14a係配合氣體粉末混合部10之橫剖面形狀而形成為圓形形狀、橢圓形形狀、矩形形狀、多邊形形狀等旋轉對稱形狀。亦即,整流部14之開口面14a係形成為與氣體粉末混合部10之橫剖面形狀相似或相同之形狀。如第1圖及第4圖所示,於實施形態1中,將開口面14a形成為與氣體粉末混合部10同一直徑之圓形形狀。
如此之整流部14亦可與粉末供給管支持部13一體地形成。而且,於本實施形態中,整流部14雖然為直徑在長度方向均一的柱狀,但亦可為圓錐狀。
其次,針對整流部14詳細說明。如上所述,導入至氣體室11之高壓氣體係從開口面14a流入至整流部14,在通過整流部14內之期間受到整流。藉由將此經整流之高壓氣體導入氣體粉末混合部10,從粉末供給管12供給至氣體粉末混合部10之粉末即沿著氣體粉末混合部10之長度方向行進,並供給至噴嘴5。此時,行進中之粉末 變得難以附著至氣體粉末混合部10之內壁,而且,即便附著有粉末,亦會於內壁均勻地附著,故粉末不會局部地堆積。
反之,未設有整流部14,或者是整流部14的尺寸不適當時,亦即,導入至氣體粉末混合部10之高壓氣體未經充分整流時,從粉末供給管12供給之粉末的行進方向會有所偏移。因此,粉末會於氣體粉末混合部10之內壁不均勻地附著,而造成局部堆積。
在此,本案的發明人們係反覆進行從成膜裝置1噴射粉末的實驗,積極研究可充分地將導入至氣體粉末混合部10之高壓氣體整流成可使附著於該氣體粉末混合部10之內壁之粉末均勻化之程度的整流部14之尺寸條件。
如第2圖所示,將整流部14之沿著長度方向之氣體室11之寬度設為L1,將整流部14之長度方向之長度設為L2時,從開口面14a至與該開口面14a相對向之氣體室11之內壁為止之距離為L3(L3=L1-L2)。而且,將整流部14之內徑設為,將粉末供給管12之外徑設為
第5圖係放大表示整流部14之開口面14a附近之斜視圖。於氣體室11內設有整流部14時,於該整流部14中,高壓氣體係從將開口面14a設為底面且將自從開口面14a至氣體室11之內壁為止之距離L3設為高度之柱狀區域20流入。此柱狀區域20中,從該柱狀區域20之 側面流入高壓氣體,從開口面14a流出高壓氣體。在此,將開口面14a之面積設為A,將柱狀區域20之側面之面積設為B時,面積A及B係可藉由下式(1)及(2)來表示。
本案的發明人們在改變上述面積A及B之關係而進行實驗時,思及若滿足下式(3)時,可充分地對導入至氣體粉末混合部10之高壓氣體予以整流。
1≦(B/A)≦8…(3)
如以上說明,依據本實施形態,藉由以滿足式(3)之方式規定整流部14之長度,即可於氣體粉末混合部10中防止從粉末供給管12供給之粉末偏向於內壁而附著,且局部地堆積。而且,可減低附著於氣體粉末混合部10之內壁之粉末本身。結果,可使清理氣體粉末混合部10之頻率減低,經過長時間有效率地進行成膜。
(變形例1)
接著,針對本實施形態之變形例1進行說明。於上述實施形態中,雖然係藉由於粉末供給管支持部13形成複數個開口而設置氣體通過口13a(參照第3圖),但氣體通過口13a之數目與形狀並不限於此。例如,可適用第6圖所示之粉末供給管支持部30來取代粉末供給管支持部13。
如第6圖所示,粉末供給管支持部30係具備:可嵌合於氣體粉末混合部10與氣體室11之交界之外周環31;以及抵接於粉末供給管12之外周側面並將該粉 末供給管12予以支持之複數個(在第6圖中為4個)支持棒32。此時,與第3圖所示之氣體通過口13a相比較,可增大氣體通過口30a之面積。另外,支持棒32之個數只要是可支持粉末供給管12者,則無特別限定,只要最低限度有1個即可。此時,可將氣體通過口30a一體化。
(變形例2)
接著,針對本實施形態之變形例2進行說明。於第1圖中,雖將整流部14表示為獨立之構件,但如上所述,亦可將整流部14與粉末供給管支持部13一體成形。
而且,亦可將整流部14與氣體粉末混合部10一體成形。此時,在一體形成之氣體粉末混合部10以及整流部14之內側可嵌入有粉末供給管支持部13,亦可將氣體粉末混合部10、整流部14、以及粉末供給管支持部13之3者予以一體成形。
或者,亦可將整流部14與氣體室11一體成形。此時,可對一體形成之氣體室11以及整流部14嵌入粉末供給管支持部13,亦可將氣體室11、整流部14、以及粉末供給管支持部13之3者一體成形。
再者,亦可將整流部14與粉末供給管12一體成形。此時,可將外加有粉末供給管支持部13之3者一體形成,亦可有別於粉末供給管支持部13,將透過對整流部14支持粉末供給管12之支持部將兩者一體形成。
(變形例3)
接著,針對本實施形態之變形例3進行說明。第7圖 係表示整流部之變形例之斜視圖。第7圖所示之整流部40係具備兩端形成開口之呈管狀的筒部41、以及設於該筒部41之內壁之複數個(於第7圖中為4個)的整流鰭片42。各整流鰭片42係呈板狀的整流構件,且以長度方向與筒部41之高度方向平行且長度方向之一端與筒部41之一邊的端面一致的方式配置。於第7圖中,雖將各整流鰭片42之長度方向的長度設為比筒部41之高度更短,但亦可將各整流鰭片42之長度最大伸長至與筒部41之高度同等之程度。
第8圖係對於第2圖所示之噴塗槍4裝設第7圖所示之整流部40以取代整流部14之狀態之剖面圖。藉由使用內側設有整流鰭片42之整流部40,可使從氣體室11經過整流部40流入氣體粉末混合部10之高壓氣體之整流效果進一步提升。
另外,此時亦可與變形例2同樣地將筒部41與氣體粉末混合部10、氣體室11、粉末供給管12、或粉末供給管支持部13一體地成形。
[實施例]
(實施例1)
氣體室11之寬度L1為34mm,整流部14之長度L2為31.6mm(亦即,距離L3=2.4mm),整流部14之內徑為14.8mm,粉末供給管12之外徑為8mm。此時,面積B相對於面積A之比B/A約為1.0,滿足式(3)。
將氣體室11內之溫度設為800℃,將壓力 維持在4MPa,使用4kg之銅粉末進行成膜。之後,拆下氣體粉末混合部10以目視觀察內壁時,粉末幾乎均勻地附著。
(實施例2)
將整流部14之長度L2設為27mm(亦即,距離L3=7mm),其他各部之尺寸係與實施例1相同。面積B相對於面積A之比B/A約為3.0,滿足式(3)。
以與實施例1相同的條件進行成膜後,拆下氣體粉末混合部10以目視觀察內壁。第9圖係表示實施例2之實驗後之氣體粉末混合部10之照片。第9圖所示之黑色區域111係粉末附著之區域。如第9圖所示,於氣體粉末混合部10之內壁,粉末幾乎均勻地附著。
(實施例3)
將整流部14之長度L2設為15.2mm(亦即,距離L3=18.8mm),其他各部之尺寸係與實施例1相同。面積B相對於面積A之比B/A約為8.0,滿足式(3)。
以與實施例1相同的條件進行成膜後,拆下氣體粉末混合部10以目視觀察內壁時,粉末幾乎均勻地附著。
(比較例1)
與以往之成膜裝置相同,於氣體室11內不裝設整流部14(亦即,整流部之長度L2=0mm,距離L3=34mm),以與實施例1相同的條件進行成膜。此時,對於面積A之面積B之比B/A約為14.4,不滿足式(3)。成膜後,取下氣體粉 末混合部10以目視觀察內壁時,內壁一部之側偏向附著有粉末。
(比較例2)
將整流部14之長度L2設為13mm(亦即,距離L3=21mm),其他各部之尺寸係與實施例1相同。面積B相對於面積A之比B/A約為8.9,未滿足式(3)。
以與實施例1相同的條件進行成膜後,拆下氣體粉末混合部10以目視觀察內壁。第10圖係表示比較例2之實驗後之氣體粉末混合部10之照片。第10圖所示之黑色區域121係粉末附著之區域。如第10圖所示,在氣體粉末混合部10之內壁,粉末係偏向一部分之側(第10圖之左側)附著。另一方面,與區域121相對向之側的區域122不太有粉末附著。
4‧‧‧噴塗槍
5‧‧‧噴嘴
10‧‧‧氣體粉末混合部
11‧‧‧氣體室
12‧‧‧粉末供給管
12a‧‧‧射出口
13‧‧‧粉末供給管支持部
13a‧‧‧氣體通過口
14‧‧‧整流部
14a‧‧‧開口面
15‧‧‧溫度感測器
16‧‧‧壓力感測器
17‧‧‧氣體供給路

Claims (5)

  1. 一種成膜裝置,係將材料的粉末與氣體一同從噴嘴噴射,使前述粉末直接以固相狀態噴附並堆積於基材的表面,藉此形成覆膜的成膜裝置,係具備:氣體粉末混合部,係將前述氣體與前述粉末予以混合並供給至前述噴嘴;氣體室,係透過至少1個氣體通過口與前述氣體粉末混合部連通,將前述氣體導入至前述氣體粉末混合部;粉末供給管,係將前述粉末供給至前述氣體粉末混合部,且係貫通前述氣體室,使前述粉末的射出口突出於前述氣體粉末混合部並且朝向噴嘴的前端方向配置;以及整流部,係設於前述氣體室內之前述粉末供給管之周圍,對被導入至前述氣體室之前述氣體予以整流後,使之通過前述至少1個氣體通過口;前述整流部具有呈兩端開口之管狀的構件,並配置成使該構件之一邊的開口面觸抵前述至少1個氣體通過口,使另一邊的開口面相對向於前述氣體室之內壁;將前述另一邊的開口面中之供被導入至前述氣體室之前述氣體流入之區域的面積設為面積A,將以從與前述另一邊的開口面相對向之前述內壁至前述另一邊的開口面為止之距離為高度且以前述區域為底面之柱 形狀之側面之面積設為面積B時,前述A與前述B係滿足1≦(B/A)≦8。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之成膜裝置,其中,前述整流部係更具有設於前述形成為管狀的構件之內壁面之複數個整流構件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之成膜裝置,其中,前述整流部之開口面係形成為與前述氣體粉末混合部之與長度方向正交的剖面相似的形狀。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之成膜裝置,其中,前述整流部之開口面係形成為與前述氣體粉末混合部之與長度方向正交的剖面相同的形狀。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之成膜裝置,其中,前述整流部之開口面係形成為圓形形狀、橢圓形形狀、矩形形狀、或多邊形形狀。
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