WO2021177437A1 - スプレーノズル、ノズル先端部、及び溶射装置 - Google Patents

スプレーノズル、ノズル先端部、及び溶射装置 Download PDF

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平野　正樹
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タツタ電線株式会社
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    • B05B7/1613—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed the spraying of the material involving the use of an atomising fluid, e.g. air comprising means for heating the atomising fluid before mixing with the material to be sprayed

Definitions

  • the present invention relates to a spray nozzle used in a thermal spraying device, a nozzle tip portion, and a thermal spraying device provided with the spray nozzle.
  • the spray nozzle used for cold spray has a Laval nozzle structure capable of accelerating high-pressure gas from subsonic speed to supersonic speed.
  • the spray nozzle has a circular cross section or a rectangular cross section.
  • Patent Document 1 Such a conventional spray nozzle is disclosed in, for example, Patent Document 1.
  • the above-mentioned conventional technology has the following problems.
  • the Laval nozzle structure accelerates the fluid and raises the fluid energy.
  • the fluid energy is highest at the center of the cross section of the spray nozzle and decreases as it approaches the wall surface.
  • the film on the object (such as a substrate) is thicker at the center and thinner at the edges.
  • the center of the coating may collapse.
  • the film thickness of the conventional spray nozzle tends to be unstable.
  • the film thickness becomes unstable, there arises a problem that the film characteristics (electrical characteristics, adhesion, hardness, etc.) also become unstable.
  • Other thermal spraying techniques using spray nozzles have similar challenges.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a spray nozzle, a nozzle tip, and a thermal spraying device capable of reducing a film thickness difference. ..
  • the spray nozzle is a spray nozzle used in a spraying apparatus, and has a nozzle body having a first passage through which a coating material and a carrier gas pass, and the nozzle.
  • the nozzle tip is provided at the tip of the main body and has a second passage which is a second passage communicating with the first passage and widens at a position away from the center of the cross section.
  • the nozzle tip according to one aspect of the present disclosure is a nozzle tip provided in the spray nozzle of the spraying apparatus, and has a first passage through which the coating material and the carrier gas pass. It is a second passage provided at the tip of the main body and communicating with the first passage, and has a second passage that widens at a position away from the center of the cross section.
  • the difference in film thickness of the film can be reduced.
  • the schematic shape of the spray nozzle according to this embodiment is shown, the left figure shows a side view of the spray nozzle, and the right figure shows the tip of the spray nozzle. It is the schematic of the cold spray apparatus which concerns on this embodiment. Another example of the second passage according to this embodiment is shown. It is a photograph which shows an example of the tip part of the spray nozzle which concerns on this Example. It is a graph which compared the film thickness of the spray nozzle which concerns on this embodiment of FIG. 4 and the conventional spray nozzle.
  • This embodiment can be applied to all thermal spraying devices (methods).
  • Examples of the thermal spraying device (method) include cold spraying and aerosol deposition.
  • cold spray will be described as an example.
  • Cold spray a film forming method called cold spray has been used.
  • a carrier gas having a temperature lower than the melting point or softening temperature of the coating material is made to flow at high speed, the coating material is charged into the carrier gas flow to accelerate the flow, and the coating material collides with a substrate or the like at high speed in a solid phase state. It is a method of forming a film.
  • the coating principle of cold spray is understood as follows.
  • the critical velocity In order for the coating material to adhere to and deposit on the substrate to form a coating, a collision velocity above a certain critical value is required, and this is called the critical velocity.
  • the critical velocity When the coating material collides with the substrate at a rate lower than the critical rate, the substrate wears and the substrate has only small crater-like depressions.
  • the critical rate varies depending on the material, size, shape, temperature, oxygen content, base material, etc. of the coating material.
  • FIG. 2 is a schematic view of the cold spray device 100.
  • the cold spray device 100 includes a tank 110, a heater 120, a spray nozzle 1, a feeder 140, a base material holder 150, and a control device (not shown).
  • the tank 110 stores carrier gas.
  • the carrier gas is supplied from the tank 110 to the heater 120.
  • An example of a carrier gas is nitrogen, helium, air, or a mixed gas thereof.
  • the pressure of the carrier gas is adjusted to be, for example, 70 PSI or more and 150 PSI or less (about 0.48 Mpa or more and about 1.03 Mpa or less) at the outlet of the tank 110.
  • the pressure of the carrier gas at the outlet of the tank 110 is not limited to the above range, and is appropriately adjusted depending on the material and size of the coating material, the material of the base material, and the like.
  • the heater 120 heats the carrier gas supplied from the tank 110. More specifically, the carrier gas is heated to a temperature lower than the melting point of the coating material supplied from the feeder 140 to the spray nozzle 1. For example, the carrier gas is heated in the range of 50 ° C. or higher and 500 ° C. or lower when measured at the outlet of the heater 120. However, the heating temperature of the carrier gas is not limited to the above range, and is appropriately adjusted depending on the material and size of the coating material, the material of the base material, and the like.
  • the carrier gas is heated by the heater 120 and then supplied to the spray nozzle 1.
  • the spray nozzle 1 accelerates the carrier gas heated by the heater 120 in the range of 300 m / s or more and 1200 m / s or less, and injects the carrier gas toward the base material 170.
  • the speed of the carrier gas is not limited to the above range, and is appropriately adjusted depending on the material and size of the coating material, the material of the base material, and the like.
  • the feeder 140 supplies the coating material into the flow of carrier gas accelerated by the spray nozzle 1.
  • the particle size of the coating material supplied from the feeder 140 is as large as 1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the coating material supplied from the feeder 140 is sprayed from the spray nozzle 1 onto the base material 170 together with the carrier gas.
  • the base material holder 150 fixes the base material 170.
  • the carrier gas and the coating material are sprayed from the spray nozzle 1 onto the base material 170 fixed to the base material holder 150.
  • the distance between the surface of the base material 170 and the tip of the spray nozzle 1 is adjusted, for example, in the range of 1 mm or more and 30 mm or less. If the distance between the surface of the base material 170 and the tip of the spray nozzle 1 is closer than 1 mm, the injection speed of the coating material decreases. This is because the carrier gas ejected from the spray nozzle 1 flows back into the spray nozzle 1. At this time, the member (hose or the like) connected to the spray nozzle 1 may come off due to the pressure generated when the carrier gas flows backward.
  • the film efficiency decreases. This makes it difficult for the carrier gas and the coating material ejected from the spray nozzle 1 to reach the base material 170.
  • the distance between the surface of the base material 170 and the spray nozzle 1 is not limited to the above range, and is appropriately adjusted depending on the material and size of the coating material, the material of the base material, and the like.
  • the control device controls the cold spray device 100 based on the information stored in advance and / or the input of the operator. More specifically, the control device includes the pressure of the carrier gas supplied from the tank 110 to the heater 120, the temperature of the carrier gas heated by the heater 120, the type and amount of the coating material supplied from the feeder 140, and the base material. The distance between the surface of 170 and the spray nozzle 1 is controlled.
  • a well-known film material may be used for cold spraying.
  • the film material nickel powder, tin powder, or a mixed material of tin powder and zinc powder can be used.
  • the advantages of cold spray are, for example: (1) Suppression of film oxidation, (2) Suppression of thermal alteration of the film, (3) Dense film formation, (4) Suppression of fume generation, (5) Minimal masking required, (6) Simple equipment Film formation, (7) Formation of a thick metal film in a short time.
  • the spray nozzle 1 is a cross section of a passage formed in the spray nozzle 1 through which the coating material and the carrier gas pass, and is a cross section in a direction perpendicular to the flow direction of the coating material and the carrier gas. It shall be.
  • FIG. 1 shows a schematic shape of the spray nozzle 1 according to the present embodiment, the left figure shows a side view (top view) of the spray nozzle 1, and the right figure shows the tip portion 16 of the spray nozzle 1.
  • the spray nozzle 1 is, for example, a tapered tapered nozzle.
  • the spray nozzle 1 includes a nozzle body 15 and a tip portion (nozzle tip portion) 16.
  • the nozzle body 15 is configured in the order of the cross-sectional area reducing portion 10, the throat portion 12, and the cross-sectional area expanding portion 14 along the flow of the coating material and the carrier gas.
  • the cross-sectional area reduction portion 10 is a portion where the cross-sectional area of the spray nozzle 1 is gradually reduced along the flow of the coating material and the carrier gas.
  • the throat portion 12 is a portion having the smallest cross-sectional area of the spray nozzle 1.
  • the cross-sectional area expansion portion 14 is a portion where the cross-sectional area of the spray nozzle 1 gradually expands along the flow of the coating material and the carrier gas.
  • the tip portion 16 is an outlet portion for the coating material and the carrier gas.
  • the cross-sectional area reduction portion 10, the throat portion 12, the cross-sectional area expansion portion 14, and the tip portion 16 may be integrally formed.
  • the tip portion 16 may be configured to be removable from the cross-sectional area expansion portion 14.
  • the tip portion 16 may be attached to and detached from the cross-sectional area expanding portion 14 by any known method.
  • the cross-sectional area reducing portion 10, the throat portion 12, and the cross-sectional area expanding portion 14 have a first passage 20 through which the coating material and the carrier gas pass.
  • the tip portion 16 has a second passage 21 that communicates with the first passage 20.
  • the cross section of the second passage 21 is substantially rectangular and has a width W and a height H.
  • the point P in the figure is the intersection of the diagonal lines of the rectangular cross section, and indicates the cross-sectional center of the second passage 21.
  • the height of the second passage 21 at the point P is H1 (H1 ⁇ H).
  • the cross section of the spray nozzle 1 is rectangular.
  • the cross section of the second passage 21 is substantially rectangular.
  • the sides L1 to L4 corresponding to the long side of the cross section of the second passage 21 are inclined by an angle ⁇ with respect to the long side of the cross section of the spray nozzle 1, respectively.
  • the second passage 21 is widened at a position away from the center P of the cross section.
  • the second passage 21 has a height larger than the height H1 at a position away from the center P of the cross section.
  • the first passage 20 may have a rectangular cross section.
  • the first passage 20 may have a cross-sectional shape similar to the cross section of the second passage 21, and the first passage 20 may have an inner surface flush with the inner surface of the second passage 21.
  • the second passage 21 may have a cross-sectional shape different from the cross-sectional shape shown in FIG. 1 as long as it is widened at a position away from the cross-sectional center P. Another example of the second passage 21 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 3 shows another example of the second passage according to the present embodiment.
  • a plurality of examples will be described in order from the top. Both examples have in common that the second passage widens at a position away from the center P of the cross section.
  • the tip portion 30 has a substantially rectangular second passage 31.
  • the portion corresponding to the two long sides of the rectangle is formed in a stepped shape.
  • the tip portion 32 has a substantially rectangular second passage 33.
  • a portion corresponding to the two long sides of the rectangle is formed in an arc shape.
  • the tip portion 34 has a substantially rectangular second passage 35.
  • the second passage 35 differs from the second passage 21 in the following points. Specifically, in the second passage 21, the portions corresponding to the two long sides of the rectangle are inclined. On the other hand, in the second passage 35, only the portion corresponding to one long side of the rectangle is inclined.
  • the tip portion 36 has a substantially rectangular second passage 37.
  • the second passage 37 differs from the second passage 35 in the following points. Specifically, in the second passage 35, the portion corresponding to one long side of the rectangle is inclined. On the other hand, in the second passage 37, only half of one long side of the rectangle is inclined.
  • the tip 38 has a substantially rectangular second passage 39.
  • the second passage 39 differs from the second passage 21 in the following points. Specifically, the cross section of the second passage 21 is point-symmetrical with the cross-section center P as the base point. On the other hand, the cross section of the second passage 39 is not point-symmetrical with the cross-section center P as the base point.
  • the tip portion 40 has a second passage 41.
  • the outer shape of the tip portion 40 is circular.
  • the outer shape of the second passage 41 is substantially circular.
  • the cross-sectional center P of the second passage 41 is the center of the circle of the second passage 41.
  • two opposing portions are recessed inward.
  • the second passage according to the present embodiment can adopt various cross-sectional shapes.
  • the second passage widens at a position away from the center of the cross-section.
  • the spray nozzle 1 according to the present embodiment has the following effects.
  • the film thickness of the conventional spray nozzle tends to be unstable.
  • the film characteristics electrical characteristics, adhesion, hardness, etc.
  • the second passage 21 is widened at a position away from the center of the cross section.
  • the fluid energy inside the spray nozzle 1 is lower in the central portion and higher in the end portion than when the conventional spray nozzle is used.
  • the cross section of the second passage 21 is widened on the end side, the film forming range of the spray nozzle 1 is also widened.
  • the film thickness at the end of the spray nozzle 1 is larger than that of the conventional spray nozzle, and the difference in film thickness of the entire film can be reduced. Therefore, by using the spray nozzle 1, the film characteristics (electrical characteristics, adhesion, hardness, etc.) can be made more stable.
  • FIG. 4 is a photograph showing an example of the tip portion 16 of the spray nozzle 1 according to this embodiment.
  • the tip portion 16 is integrally formed with the cross-sectional area reducing portion 10, the throat portion 12, and the cross-sectional area expanding portion 14.
  • the first passage 20 has a cross section similar to the cross section of the second passage 21.
  • FIG. 5 is a graph comparing the film thicknesses of the spray nozzle 1 of FIG. 4 and the conventional spray nozzle.
  • the horizontal axis of FIG. 5 indicates the film formation position corresponding to the width of the second passage 21 of 10 mm.
  • the vertical axis of FIG. 5 shows the film thickness of the film measured with a dial gauge.
  • the graph of FIG. 5 is a graph obtained under the following conditions. -Film material: Tin (Sn) ⁇ Film time: 3 seconds ⁇ Film formation position (measurement position of film formation): 0 mm, 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm -Measurement result: Average value of three measurement results-Other conditions: Conditions described in the above (cold spray device 100) From the result of FIG. 5, the following (1) and (2) are shown.
  • the reason for (2) above is considered to be the fluid energy distribution inside the spray nozzle 1.
  • the fluid energy inside the conventional spray nozzle is highest at the center of the cross section of the spray nozzle and decreases as it approaches the wall surface.
  • the film on the object (such as the substrate) becomes thicker at the center and thinner at the edges.
  • the center of the film may collapse.
  • the film thickness of the film tends to be unstable.
  • the film thickness is about 250 ⁇ m when the film formation position is about 1 mm and about 150 ⁇ m when the film formation position is 4 to 9 mm, and the difference between the two is as much as 100 ⁇ m.
  • the second passage 21 is widened at a position away from the center P of the cross section.
  • the fluid energy inside the spray nozzle 1 is lower at the central portion and higher at the end portion as compared with the conventional spray nozzle, and the energy intensity is leveled.
  • the difference in film thickness of the film is reduced.
  • the film thickness is stable at about 250 ⁇ m, particularly at the film formation positions of 1 to 8 mm.
  • the film characteristics electrical properties, adhesion, hardness, etc. are also stable.
  • the spray nozzle according to the first aspect of the present invention is a spray nozzle used in a spraying apparatus, and is provided at a nozzle body having a first passage through which a coating material and a carrier gas pass, and at the tip of the nozzle body.
  • the second passage communicates with the first passage, and includes a nozzle tip portion having a second passage that widens at a position away from the center of the cross section.
  • the difference in film thickness of the film can be reduced.
  • the first passage has a cross section similar to the cross section of the second passage and is flush with the inner surface of the second passage. It may be configured to have an inner surface.
  • the same fluid energy distribution as that of the second passage is formed in the first passage.
  • more coating material passes through the end of the first passage as compared with the conventional spray nozzle.
  • the coating material that has passed through the end of the first passage passes through the end of the second passage as it is.
  • a more stable film can be formed, and the difference in film thickness can be further reduced.
  • the second passage may be configured to be substantially rectangular.
  • a spray nozzle having a rectangular cross section has a thinner film thickness at the center of the film and is easier to widen the width of the film than a spray nozzle having a circular cross section. Therefore, by providing the above configuration, the spray nozzle according to the third aspect of the present invention can further improve the film forming efficiency.
  • the nozzle tip may be integrated with the nozzle body.
  • the spray nozzle can be easily manufactured.
  • the nozzle tip may be detachable from the nozzle body.
  • the tip of the nozzle can be attached to the manufactured spray nozzle, and even in that case, the difference in film thickness of the film can be reduced.
  • the thermal spraying device may be a cold spraying device.
  • the nozzle tip according to the seventh aspect of the present invention is a nozzle tip provided in the spray nozzle of the spraying apparatus, and is provided at the tip of the nozzle body having a first passage through which the coating material and the carrier gas pass.
  • the second passage communicates with the first passage, and has a second passage that widens at a position away from the center of the cross section.
  • the thermal spraying device may include the spray nozzle according to any one of the first to sixth aspects of the present invention.
  • the thermal spraying apparatus can reduce the difference in film thickness.
  • Spray nozzle 10 Cross-sectional area reduction part 12 Throat part 14 Cross-sectional area expansion part 15 Nozzle body 16, 30, 32, 34, 36, 38, 40 Tip part (nozzle tip part) 20 First passage 21, 31, 33, 35, 37, 39, 41 Second passage 42a, 42b Part 100 Cold spray device 110 Tank 120 Heater 140 Feeder 150 Base material holder 170 Base material

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Abstract

皮膜の膜厚差を軽減するスプレーノズルを実現する。コールドスプレー装置（１００）のスプレーノズル（１）であって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路（２０）を有するノズル本体（１５）と、ノズル本体（１５）の先端部に設けられ、かつ、第１通路（２０）と連通する第２通路（２１）であって、その断面中心（Ｐ）から離れた位置において拡幅する第２通路（２１）を有するノズル先端部（１６）とを備えるスプレーノズル。

Description

スプレーノズル、ノズル先端部、及び溶射装置
　本発明は、溶射装置に用いられるスプレーノズル、ノズル先端部、及び、該スプレーノズルを備えた溶射装置に関する。
　従来の溶射技術として、例えばコールドスプレーが知られている。通常、コールドスプレーに使用されるスプレーノズルは、高圧ガスを亜音速から超音速まで加速することが可能なラバルノズル構造（Ｌａｖａｌ　ｎｏｚｚｌｅ）を有する。また、スプレーノズルは、円形断面または矩形断面を有する。そのような従来のスプレーノズルは、例えば特許文献１に開示されている。
日本国特表２００８－５４０１１５号公報（２００８年１１月２０日公開）
　上述のような従来技術は以下の課題を有する。
　コールドスプレーに使用される従来のスプレーノズル内を高圧ガス（流体）が通過するとき、ラバルノズル構造によって流体が加速して、流体エネルギーが上昇する。流体エネルギーは、スプレーノズル断面の中央部が最も高く、壁面に近づくほど低くなる。その結果、対象物（基板等）上の皮膜は、中央部が厚く、端部ほど薄くなる。あるいは、スプレーノズル断面の中央部の流体エネルギーが高すぎると、皮膜の中央部が崩れてしまう場合もある。
　このように、従来のスプレーノズルは、皮膜の膜厚が不安定になりやすい。皮膜の膜厚が不安定になると、皮膜特性（電気特性、密着性、または硬度など）も不安定になるという課題が生ずる。スプレーノズルを使用する他の溶射技術（エアロゾルデポジション等）も同様の課題を有する。
　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、皮膜の膜厚差を軽減することが可能な、スプレーノズル、ノズル先端部、及び溶射装置を実現することにある。
　上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係るスプレーノズルは、溶射装置に用いられるスプレーノズルであって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体と、上記ノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有するノズル先端部と、を備える。
　上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係るノズル先端部は、溶射装置のスプレーノズルに設けられるノズル先端部であって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有する。
　本開示の一態様によれば、皮膜の膜厚差を軽減することができる。
本実施形態に係るスプレーノズルの概略形状を示し、左図はスプレーノズルの側面図を、右図はスプレーノズルの先端部を示す。 本実施形態に係るコールドスプレー装置の概略図である。 本実施形態に係る第２通路の他の例を示す。 本実施例に係るスプレーノズルの先端部の一例を示す写真である。 図４の本実施形態に係るスプレーノズルと従来のスプレーノズルとで皮膜の膜厚を比較したグラフである。
　以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
　本実施形態は、溶射装置（方法）全般に適用することができる。溶射装置（方法）としては、例えば、コールドスプレーまたはエアロゾルデポジション等を挙げることができる。本実施形態では、コールドスプレーを例に説明する。
〔コールドスプレー〕
　近年、コールドスプレーと呼ばれる皮膜形成法が利用されている。コールドスプレーは、皮膜材料の融点または軟化温度よりも低い温度のキャリアガスを高速流にし、そのキャリアガス流中に皮膜材料を投入し加速させ、固相状態のまま基材等に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。
　コールドスプレーの皮膜原理は、次のように理解されている。
　皮膜材料が基材に付着・堆積して皮膜するには、ある臨界値以上の衝突速度が必要であり、これを臨界速度と称する。皮膜材料が臨界速度よりも低い速度で基材と衝突すると、基材が摩耗し、基材には小さなクレーター状の窪みしかできない。臨界速度は、皮膜材料の材質、大きさ、形状、温度、酸素含有量、又は基材の材質などによって変化する。
　皮膜材料が基材に対して臨界速度以上の速度で衝突すると、皮膜材料と基材（あるいはすでに成形された皮膜）との界面付近で大きなせん断による塑性変形が生じる。この塑性変形、及び衝突による固体内の強い衝撃波の発生に伴い、界面付近の温度も上昇し、その過程で、皮膜材料と基材、および、皮膜材料と皮膜（すでに付着した皮膜材料）との間で固相接合が生じる。
　（コールドスプレー装置１００）
　図２は、コールドスプレー装置１００の概略図である。図２に示すように、コールドスプレー装置１００は、タンク１１０と、ヒーター１２０と、スプレーノズル１と、フィーダ１４０と、基材ホルダー１５０と、制御装置（不図示）とを備える。
　タンク１１０は、キャリアガスを貯蔵する。キャリアガスは、タンク１１０からヒーター１２０へ供給される。キャリアガスの一例として、窒素、ヘリウム、空気、またはそれらの混合ガスが挙げられる。キャリアガスの圧力は、タンク１１０の出口において、例えば７０ＰＳＩ以上１５０ＰＳＩ以下（約０．４８Ｍｐａ以上約１．０３Ｍｐａ以下）となるよう調整される。ただし、タンク１１０の出口におけるキャリアガスの圧力は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
　ヒーター１２０は、タンク１１０から供給されたキャリアガスを加熱する。より具体的に、キャリアガスは、フィーダ１４０からスプレーノズル１に供給される皮膜材料の融点より低い温度に加熱される。例えば、キャリアガスは、ヒーター１２０の出口において測定したときに、５０℃以上５００℃以下の範囲で加熱される。ただし、キャリアガスの加熱温度は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
　キャリアガスは、ヒーター１２０により加熱された後、スプレーノズル１へ供給される。
　スプレーノズル１は、ヒーター１２０により加熱されたキャリアガスを３００ｍ／ｓ以上１２００ｍ／ｓ以下の範囲で加速し、基材１７０へ向けて噴射する。なお、キャリアガスの速度は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
　フィーダ１４０は、スプレーノズル１により加速されるキャリアガスの流れの中に皮膜材料を供給する。フィーダ１４０から供給される皮膜材料の粒径は、１μｍ以上５０μｍ以下といった大きさである。フィーダ１４０から供給された皮膜材料は、スプレーノズル１からキャリアガスとともに基材１７０へ噴射される。
　基材ホルダー１５０は、基材１７０を固定する。基材ホルダー１５０に固定された基材１７０に対して、キャリアガス、及び皮膜材料がスプレーノズル１から噴射される。基材１７０の表面とスプレーノズル１の先端との距離は、例えば、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲で調整される。基材１７０の表面とスプレーノズル１の先端との距離が１ｍｍよりも近いと皮膜材料の噴射速度が低下する。これは、スプレーノズル１から噴出したキャリアガスがスプレーノズル１内に逆流するためである。このとき、キャリアガスが逆流した際に生じる圧力により、スプレーノズル１に接続された部材（ホース等）が外れる場合もある。一方、基材１７０の表面とスプレーノズル１の先端との距離が３０ｍｍよりも離れると皮膜効率が低下する。これは、スプレーノズル１から噴出したキャリアガス及び皮膜材料が基材１７０に到達し難くなるである。
　ただし、基材１７０の表面とスプレーノズル１との距離は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
　制御装置は、予め記憶した情報、及び／又は、オペレーターの入力に基づいて、コールドスプレー装置１００を制御する。より具体的に、制御装置は、タンク１１０からヒーター１２０へ供給されるキャリアガスの圧力、ヒーター１２０により加熱されるキャリアガスの温度、フィーダ１４０から供給される皮膜材料の種類および量、及び基材１７０の表面とスプレーノズル１との距離などを制御する。
　コールドスプレー装置１００では、周知の皮膜材料を用いてコールドスプレーしてよい。例えば、皮膜材料として、ニッケル粉末、錫粉末、又は錫粉末と亜鉛粉末との混合材料などを用いることができる。
　コールドスプレー装置１００を用いることにより、コールドスプレーの利点を享受することができる。コールドスプレーの利点は、例えば次のとおりである。（１）皮膜の酸化抑制、（２）皮膜の熱変質の抑制、（３）緻密な皮膜形成、（４）ヒュームの発生抑制、（５）必要最小限のマスキング、（６）シンプルな装置による皮膜形成、（７）短時間での厚い金属皮膜の形成。
　（スプレーノズル）
　以下、本実施形態に係るスプレーノズル１を図１等により説明する。以下の説明において、「断面」とは、皮膜材料及びキャリアガスが通過する、スプレーノズル１に形成された通路の断面であって、皮膜材料及びキャリアガスの流れ方向に垂直な方向の断面をいうものとする。
　図１は、本実施形態に係るスプレーノズル１の概略形状を示し、左図はスプレーノズル１の側面図（上面図）を、右図はスプレーノズル１の先端部１６を示す。
　スプレーノズル１は、例えば、先細末広ノズルである。スプレーノズル１は、ノズル本体１５と先端部（ノズル先端部）１６とを備える。ノズル本体１５は、皮膜材料及びキャリアガスの流れに沿って、断面積縮小部１０、スロート部１２、断面積拡大部１４の順序で構成される。
　断面積縮小部１０は、皮膜材料及びキャリアガスの流れに沿ってスプレーノズル１の断面積が徐々に縮小する部分である。スロート部１２は、スプレーノズル１の断面積が最も小さい部分である。断面積拡大部１４は、皮膜材料及びキャリアガスの流れに沿ってスプレーノズル１の断面積が徐々に拡大する部分である。先端部１６は、皮膜材料及びキャリアガスの出口部分である。
　断面積縮小部１０、スロート部１２、断面積拡大部１４、及び先端部１６は一体に形成されてよい。あるいは、先端部１６は、断面積拡大部１４に脱着可能に構成されてよい。先端部１６が断面積拡大部１４に脱着される場合、先端部１６は、公知の任意の方法によって断面積拡大部１４に脱着されてよい。
　断面積縮小部１０、スロート部１２、及び断面積拡大部１４は、皮膜材料及びキャリアガスが通過する第１通路２０を有する。先端部１６は、第１通路２０に連通する第２通路２１を有する。図１（右図）に示すように、第２通路２１の断面は、略矩形であり、幅Ｗ、高さＨを有する。図中の点Ｐは、矩形断面の対角線の交点であり、第２通路２１の断面中心を示す。点Ｐにおける第２通路２１の高さはＨ１である（Ｈ１＜Ｈ）。
　スプレーノズル１の断面は矩形である。第２通路２１の断面は略矩形である。第２通路２１の断面の長辺に相当する辺Ｌ１～Ｌ４はそれぞれ、スプレーノズル１の断面の長辺に対して角度θ傾斜する。これにより、第２通路２１は、断面中心Ｐから離れた位置において拡幅する。その結果、第２通路２１は、断面中心Ｐから離れた位置において、高さＨ１よりも大きい高さを有する。
　第１通路２０は、矩形の断面を有してよい。第１通路２０は第２通路２１の断面と相似形の断面形状を有し、かつ、第１通路２０は第２通路２１の内面と面一の内面を有してよい。
　第２通路２１は、断面中心Ｐから離れた位置において拡幅しているのであれば、図１に記載された断面形状とは異なる断面形状を有してもよい。第２通路２１の他の例を図３により説明する。
　図３は、本実施形態に係る第２通路の他の例を示す。以下、複数の例を上から順に説明する。何れの例も、第２通路が断面中心Ｐから離れた位置において拡幅する点が共通する。
　先端部３０は、略矩形の第２通路３１を有する。第２通路３１は、矩形の２つの長辺に対応する部分が階段状に形成されている。
　先端部３２は、略矩形の第２通路３３を有する。第２通路３３は、矩形の２つの長辺に対応する部分が弧状に形成されている。
　先端部３４は、略矩形の第２通路３５を有する。第２通路３５は、第２通路２１と以下の点で相違する。具体的に、第２通路２１では矩形の２つの長辺に対応する部分が傾斜する。これに対して、第２通路３５では矩形の１つの長辺に対応する部分のみが傾斜する。
　先端部３６は、略矩形の第２通路３７を有する。第２通路３７は、第２通路３５と以下の点で相違する。具体的に、第２通路３５では矩形の１つの長辺に対応する部分が傾斜する。これに対して、第２通路３７では矩形の１つの長辺の半分のみが傾斜する。
　先端部３８は、略矩形の第２通路３９を有する。第２通路３９は、第２通路２１と以下の点で相違する。具体的に、第２通路２１の断面は、断面中心Ｐを基点として点対称である。これに対して、第２通路３９の断面は、断面中心Ｐを基点として点対称ではない。
　先端部４０は、第２通路４１を有する。先端部４０の外形は円形である。第２通路４１の外形は略円形である。第２通路４１の断面中心Ｐは、第２通路４１の円の中心である。第２通路４１は、対向する２つの部分（図中の部分４２ａ、部分４２ｂ）が内側に凹んでいる。
　このように、本実施形態に係る第２通路は、様々な断面形状を採用することができる。いずれの断面形状においても、第２通路は、断面中心から離れた位置において拡幅する。これにより、本実施形態に係るスプレーノズル１は以下の効果を奏する。
　上述したように、従来のスプレーノズルは、皮膜の膜厚が不安定になりやすい。皮膜の膜厚が不安定になると、皮膜特性（電気特性、密着性、または硬度など）も不安定になるという課題が生じていた。
　これに対して、本実施形態に係るスプレーノズル１では、第２通路２１は、断面中心から離れた位置において拡幅する。これにより、スプレーノズル１の内部における流体エネルギーは、従来のスプレーノズルを用いたときよりも、中央部がより低くなり、端部がより高くなる。また、第２通路２１の断面は端部側が広くなるため、スプレーノズル１の成膜範囲も広くなる。その結果、スプレーノズル１は、従来のスプレーノズルよりも端部における皮膜の膜厚が大きくなり、皮膜全体の膜厚差を軽減することができる。それゆえ、スプレーノズル１を用いることにより、皮膜特性（電気特性、密着性、または硬度など）をより安定させることができる。
　（実施例）
　次に、スプレーノズル１の効果を図４、図５により説明する。
　図４は、本実施例に係るスプレーノズル１の先端部１６の一例を示す写真である。図４に記載の先端部１６の第２通路２１は、Ｈ＝３．３ｍｍ、Ｗ＝１０ｍｍ、θ＝６度である。本実施例において、先端部１６は、断面積縮小部１０、スロート部１２、及び断面積拡大部１４と一体に形成されている。第１通路２０は、第２通路２１の断面と相似形の断面を有する。スロート部１２は、θ＝６度、Ｗ＝４ｍｍの略矩形の断面形状を有する。
　図５は、図４のスプレーノズル１と従来のスプレーノズルとで皮膜の膜厚を比較したグラフである。従来のスプレーノズルは、ラバルノズル構造を有し、その先端部の断面は矩形（Ｈ＝３．３ｍｍ、Ｗ＝１０ｍｍ、θ＝０度）である。
　図５の横軸は、第２通路２１の幅１０ｍｍに対応する成膜位置を示す。図５の縦軸は、ダイヤルゲージで測定された、皮膜の膜厚を示す。図５のグラフは、以下の条件で得られたグラフである。
・皮膜材料：錫（Ｓｎ）
・皮膜時間：３秒
・成膜位置（成膜の測定位置）：０ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ
・測定結果：３回の測定結果の平均値
・その他の条件：上記の（コールドスプレー装置１００）に記載した条件
　図５の結果から、以下（１）、（２）が示される。
（１）成膜位置が端部の場合（成膜位置０ｍｍ～１ｍｍ、及び、９ｍｍ～１０ｍｍ）
　スプレーノズル１と従来のスプレーノズルとでは膜厚は同様の結果を示した。
（２）成膜位置が中央部の場合（成膜位置１～９ｍｍ）
　スプレーノズル１は、従来のスプレーノズルよりも膜厚が顕著に増加した。膜厚位置によっては、スプレーノズル１を用いることにより膜厚が５０％以上増加している。そして、成膜位置１～９ｍｍにおいて、膜厚は約２５０μｍと安定している。
　上記（２）の理由として、スプレーノズル１内部の流体エネルギー分布が考えられる。
　従来のスプレーノズル内部の流体エネルギーは、スプレーノズル断面の中央部が最も高く、壁面に近づくほど低くなる。これにより、対象物（基板等）上の皮膜は、中央部が厚く、端部ほど薄くなる。あるいは、スプレーノズル断面の中央部のエネルギーが高すぎると、皮膜の中央部が崩れてしまう場合もある。このように、従来のスプレーノズルは、皮膜の膜厚が不安定になりやすい。
　図５の従来のスプレーノズルによると、膜厚は、成膜位置が約１ｍｍにおいて約２５０μｍ、成膜位置が４～９ｍｍにおいては約１５０μｍと、両者の差は１００μｍにも及んでいる。
　これに対して、本実施例では、第２通路２１は、断面中心Ｐから離れた位置において拡幅する。これにより、スプレーノズル１の内部の流体エネルギーは、従来のスプレーノズルと比べると、中央部が低くなり、端部は高くなり、エネルギー強度が均されている。これにより、皮膜の膜厚差は減少する。図５の本実施例によると、特に成膜位置１～８ｍｍにおいては膜厚が約２５０μｍで安定している。膜厚が安定すると、皮膜特性（電気特性、密着性、または硬度など）も安定する。
（まとめ）
　本発明の態様１に係るスプレーノズルは、溶射装置に用いられるスプレーノズルであって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体と、上記ノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有するノズル先端部と、を備える構成である。
　上記の構成によれば、皮膜の膜厚差を軽減することができる。
　本発明の態様２に係るスプレーノズルでは、上記の態様１において、上記第１通路は、上記第２通路の断面と相似形の断面を有し、かつ、上記第２通路の内面と面一の内面を有する構成としてもよい。
　上記の構成によれば、上記第１通路においても上記第２通路と同様の流体エネルギー分布が形成される。これにより、従来のスプレーノズルと比べ、より多くの皮膜材料が上記第１通路の端部を通過する。上記第１通路の端部を通過した皮膜材料はそのまま上記第２通路の端部を通過する。その結果、より安定した皮膜の形成が可能となり、皮膜の膜厚差をより軽減することができる。
　本発明の態様３に係るスプレーノズルでは、本発明の態様１または２おいて、上記第２通路は略矩形である構成としてもよい。
　一般に、断面が矩形のスプレーノズルは、断面が円形のスプレーノズルと比較すると、皮膜の中央部の膜厚を薄くし、かつ、皮膜の幅を広げやすい。そのため、上記構成を備えることにより、本発明の態様３に係るスプレーノズルは、成膜効率をより高めることができる。
　本発明の態様４に係るスプレーノズルでは、本発明の態様１から３の何れかにおいて、上記ノズル先端部は上記ノズル本体と一体である構成としてもよい。
　上記の構成によれば、スプレーノズルの製造が容易になる。
　本発明の態様５に係るスプレーノズルでは、本発明の態様１から４の何れかにおいて、上記ノズル先端部は上記ノズル本体に対して脱着可能である構成としてもよい。
　上記の構成によれば、製造済みのスプレーノズルに上記ノズル先端部を取り付けることもでき、その場合にも皮膜の膜厚差を軽減することができる。
　本発明の態様６に係るスプレーノズルでは、本発明の態様１から５の何れかにおいて、上記溶射装置は、コールドスプレー装置としてもよい。
　上記の構成によれば、コールドスプレーの種々の利点を享受しつつ、皮膜の膜厚差を軽減することができる。
　本発明の態様７に係るノズル先端部は、溶射装置のスプレーノズルに設けられるノズル先端部であって、皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有する構成である。
　上記の構成によれば、上記スプレーノズルと同様の効果を奏する。
　本発明の態様８に係る溶射装置は、本発明の態様１から６の何れかに記載のスプレーノズルを備えてもよい。
　上記の構成によれば、本発明の態様８に係る溶射装置は、皮膜の膜厚差を軽減することができる。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１　スプレーノズル
１０　断面積縮小部
１２　スロート部
１４　断面積拡大部
１５　ノズル本体
１６、３０、３２、３４、３６、３８、４０　先端部（ノズル先端部）
２０　第１通路
２１、３１、３３、３５、３７、３９、４１　第２通路
４２ａ、４２ｂ　部分
１００　コールドスプレー装置
１１０　タンク
１２０　ヒーター
１４０　フィーダ
１５０　基材ホルダー
１７０　基材

Claims (8)

  1. 　溶射装置に用いられるスプレーノズルであって、
    　皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体と、
    　上記ノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有するノズル先端部と、
    を備えるスプレーノズル。
  2. 　上記第１通路は、上記第２通路の断面と相似形の断面を有し、かつ、上記第２通路の内面と面一の内面を有する、請求項１に記載のスプレーノズル。
  3. 　上記第２通路は略矩形である、請求項１または２に記載のスプレーノズル。
  4. 　上記ノズル先端部は上記ノズル本体と一体である、請求項１から３の何れか１項に記載のスプレーノズル。
  5. 　上記ノズル先端部は上記ノズル本体に対して脱着可能である、請求項１から４の何れか１項に記載のスプレーノズル。
  6. 　上記溶射装置は、コールドスプレー装置である、請求項１から５の何れか１項に記載のスプレーノズル。
  7. 　溶射装置のスプレーノズルに設けられるノズル先端部であって、
    　皮膜材料およびキャリアガスが通過する第１通路を有するノズル本体の先端部に設けられ、かつ、上記第１通路と連通する第２通路であって、その断面中心から離れた位置において拡幅する第２通路を有する、ノズル先端部。
  8. 　請求項１から６の何れか１項に記載のスプレーノズルを備えた、溶射装置。
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