JP2011240314A - コールドスプレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料粉末供給装置やガス加熱器を低圧で運転することができ、ガス消費コストを低減することができ、しかもコールドスプレーノズルを閉塞させずに安定した運転を行うことができるコールドスプレー装置を提供する。
【解決手段】材料粉末を作動ガスとともにコールドスプレーノズルから高速で噴射し、固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成するコールドスプレー装置において、
コールドスプレーノズル１内に設けられ、作動ガスのガス通路幅を絞ることにより高速ガス流を形成する高速ガス流形成部Ａと、材料粉末Ｍを低圧ガスに搬送させてコールドスプレーノズルに供給する材料粉末供給路６と、コールドスプレーノズルに高圧の作動ガスを供給する高圧ガス供給路８と、材料粉末を伴う低圧ガスを、コールドスプレーノズルの中心軸方向から高速ガス流形成部Ａの近傍且つその下流側に導入する材料粉末供給ノズル４とを備えてなることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、材料粉末を作動ガスとともにノズルから高速で噴射し、固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成するコールドスプレーに関し、より詳しくは、そのコールドスプレーに使用するコールドスプレー装置に関するものである。

コールドスプレーは、プラズマ溶射等の溶射法に比べ材料粉末を高温に加熱する必要がないため、材料の酸化がほとんどない良好な被膜を得ることができる。

図８は、従来の一般的なコールドスプレー装置の構成を示したものであり、コールドスプレー装置は、スプレーガン５０ａとその先端に設けられたノズル５０ｂからなり、作動ガスのすべてを単一のガス供給部（例えば、窒素ボンベや液体窒素容器等）から得ている。

上記ガス供給部から供給される高圧の作動ガスは二つの経路に分岐され、一方の作動ガスＧ１はガス加熱器５１を経て、材料粉末の融点または軟化温度よりも低い温度に加熱された後、スプレーガン５０ａに供給される。

他方の作動ガスＧ２は粉末供給装置５２に送られ、キャリアガスとして材料粉末とともにスプレーガン５０ａに供給される。

スプレーガン５０ａに供給された作動ガスＧ（Ｇ１、Ｇ２）と材料粉末は、流路が絞られたノズル５０ｂを経ることにより音速から超音速流となりノズル５０ｂの出口から噴出される（例えば、特許文献１参照）。

なお、作動ガスＧとしては、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン等が用いられるが、流速が速い点からヘリウムが好適である。また、材料粉末を超音速流れによって加速させる場合、通常、作動ガスＧとして３〜４ＭＰａの高圧ガスが使用される。

特許第４３１０２５１号公報

しかしながら、上記した従来のコールドスプレー装置では、以下に示すような欠点がある。

(1) 材料粉末の付着歩留まりを重視して材料粉末を加熱した場合、材料粉末がノズル内壁に付着したり、その付着に起因するノズル閉塞が生じるようになる。

(2) 粉末供給装置５２とガス加熱器５１が３〜４ＭＰａの高圧ガス環境に曝されるため、それぞれ耐圧設計が必要となり、コールドスプレー装置のコストが高くなる。

(3) 単一のガス供給部しか持たないため、材料の酸化を防ぐためにはすべての作動ガスを空気以外の例えば窒素ガスやヘリウムガスにしなければならず、加えて作動ガスのほぼ全量を加熱する必要があることからガス消費コストが高くつく。

本発明は以上のような従来のコールドスプレー装置における課題を考慮してなされたものであり、材料粉末供給装置やガス加熱器を低圧で運転することができ、ガス消費コストを低減することができ、しかもコールドスプレーノズルを閉塞させずに安定した運転を行うことができるコールドスプレー装置を提供するものである。

本発明は、材料粉末を作動ガスとともにコールドスプレーノズルから高速で噴射し、固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成するコールドスプレー装置において、
上記コールドスプレーノズル内に設けられ、上記作動ガスのガス通路幅を絞ることにより高速ガス流を形成する高速ガス流形成部と、
上記材料粉末を低圧の作動ガスに搬送させて上記コールドスプレーノズルに供給する材料粉末供給路と、
上記コールドスプレーノズルの高速ガス流形成部に高圧の作動ガスを供給する高圧ガス供給路と、
上記材料粉末を伴う上記低圧の作動ガスを、上記コールドスプレーノズルの中心軸方向から上記高速ガス流形成部の近傍且つその下流側に導入する材料粉末供給ノズルと、
を備えてなるコールドスプレー装置である。

本発明において、上記材料粉末供給路に、上記材料粉末を伴う上記低圧の作動ガスを加熱する加熱装置を設けることが好ましい。

本発明において、上記コールドスプレーノズルが、上記材料粉末供給ノズルが挿入される中空室を備えた本体部とその本体部から延設される加速ノズル部を有する場合、
上記材料粉末供給ノズルの先端外壁と上記加速ノズル部の入口側内壁との間に上記高速ガス流形成部を形成することができる。

本発明において、上記加速ノズル部が、ノズルの先端に向けて内径が段階的に拡大するように内径が異なる複数のリング状部品を筒状に連結することによって構成される場合、隣接する上記リング状部品の内壁段差部分に、上記高速ガス流をノズル先端側に向けて筒状に噴射する環状の噴射口を形成することができる。

また、上記加速ノズル部における下流側の上記噴射口に圧縮空気を供給する圧縮空気供給路を接続すれば、安価なガスを用いてコールドスプレーノズル内の高速流れを維持しつつ材料粉末の温度降下を防止することができる。

さらにまた、上記圧縮空気供給路に、上記圧縮空気の温度を調整する温度調整装置を設ければ、コールドスプレーノズルから噴射される材料粉末の温度を調整することができる。

なお、本発明における材料粉末としては、金属、合金、金属間化合物、セラミックス等を使用することができる。また、作動ガスとしては窒素、ヘリウム、アルゴンなどを用いることができる。

また、本発明の高速ガス流とは、例えばマッハ数Ｍが３の超音速ガス流を意味する。

本発明によれば、材料粉末供給路における材料粉末供給装置やガス加熱器を低圧で運転することができるため耐圧設計が不要となる。また、ガス消費コストを低減することができるとともに、ノズルが閉塞しないコールドスプレーを実現することができる。

本発明に係るノズル内マッハ数とノズル内圧力の関係を示したグラフである。 本発明に係るコールドスプレーノズルの第一実施形態を示す縦断面図である。 図２の要部拡大図である。 図２に示したコールドスプレーノズルを用いたコールドスプレー装置のフロー図である。 本発明に係るコールドスプレーノズルの第二実施形態を示す縦断面図である。 図５に示したコールドスプレーノズルを用いたコールドスプレー装置のフロー図である。 材料粉末を模擬した水滴が加速ノズル内を飛行する状態を示した図面代用写真である。 従来のコールドスプレー装置の構成を示す説明図である。 図５に示したコールドスプレーノズルの基本形態を示す縦断面図である。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

1. 本発明のコールドスプレーノズルの原理
コールドスプレーに使用される超音速ノズル内のガス流れは、ガス通路の最狭部分で流速が丁度、音速に等しいマッハＭ＝１の流れになっており、その上流側ではマッハＭ＜１の亜音速流れとなり、その下流側ではマッハＭ＞１の超音速流れになっている。

流速が速くなると、流体の持つエネルギのうち運動エネルギはより高くなるのに反し、圧力エネルギは相対的に低下する。すなわち、超音速流れでは圧力が低下する。

この関係式は下記式(1)により表される。

ここで、ｐ_０：作動ガスの元圧、ｐ：マッハ数Ｍでのノズル内圧力、Ｍ：ノズル内流れのマッハ数、κ：ガスの比熱比（空気や窒素はκ＝１．４）

例えば作動ガスの元圧が４ＭＰａの場合、ノズル内マッハ数とノズル内圧力との関係は図１のグラフに示す特性Ｎのように変化する。同グラフにおいて、横軸はノズル内マッハ数、縦軸はノズル内圧力ＭＰａを示している。

同グラフにおいて、ノズル内マッハ数Ｍが３になると、もはや超音速ノズル内の圧力は大気圧と同じ０．１ＭＰａまで低下していることが分かる。このような環境に材料粉末を供給するのであれば、従来のコールドスプレー装置のように粉末キャリアガスを４ＭＰａもの高圧にする必要ない。

そこで、０．４ＭＰａ程度の低圧のガスをキャリアガスとして使用し、十分に加熱した材料粉末および低圧のキャリアガスを、超音速ノズルに供給することを計画した。

2. 本発明の第一実施形態
2.1 コールドスプレーノズルの第一の構成
図２は、一段ノズルから高圧の作動ガスを噴射し、材料粉末を加速させるコールドスプレーノズルを示したものであり、図３は図２に示した高速ガス流形成部Ａの拡大図である。

図２に示したコールドスプレーノズル１は、本体部２と、その本体部２の先端に接続される加速ノズル部３とから主として構成されている。

上記本体部２は中空室２ａを有する有底筒状部材からなり、上記加速ノズル部３はその中空室２ａの開口を閉塞するフランジ部３ａとそのフランジ部３ａから延設される直管部３ｂとを備えている。

中空室２ａ内にはノズル中心軸Ｃ上に材料粉末供給ノズル４が挿入されている。

この材料粉末供給ノズル４に一次ガスＳ１を供給する経路には、ホッパーから構成される材料粉末供給装置５が設けられ、一次ガスＳ１中に所定量の材料粉末Ｍを導入するようになっている。

上記一次ガスＳ１は、材料粉末Ｍを加速ノズル部３へと搬送すること、および材料粉末Ｍの付着歩留まりが高くなるように加熱することを目的としており、高温に加熱した低圧ガスを使用する。また、一次ガスＳ１は高温中で材料粉末Ｍと接触するため、酸素を含まない、例えば窒素ガスを使用することが好ましい。

このように、低圧のガスを一次ガスＳ１として用い加速ノズル部３内に供給するが、この一次ガスＳ１は材料粉末Ｍと一緒に二次ガス（後述する）から運動力をもらって加速されるため、材料粉末Ｍを搬送できる最小限の流量で足りる。

上記中空室２ａには材料粉末Ｍを加速させるための二次ガスＳ２が高圧で供給されており、加速ノズル部３内に超音速の流れを形成するようになっている。

二次ガス供給孔２ｂを通じて本体部２に供給される二次ガスＳ２は、材料粉末Ｍと接触する機会が多いため、酸素を含まない例えば窒素ガスを使用することが好ましい。また、材料粉末Ｍの温度を低下させないよう、５００℃程度の中温度に加熱しておくことが好ましい。

この二次ガスＳ２は、加速ノズル部３の内壁付近を高速で流れることからシールド効果が働き、材料粉末Ｍが加速ノズル部３の内壁に接触する確率が小さくなる。それにより、材料粉末Ｍが加速ノズル部３の内壁に付着することが防止される。

二次ガスＳ２は、加速ノズル部３の内壁を材料粉末Ｍの接触から保護するとともに、材料粉末Ｍの酸化と温度降下を防ぎ、自ら超音速の気流になりその粘性により加速ノズル部３の中心付近を飛行する材料粉末Ｍを加速させる。

また、図３に示すように、材料粉末供給ノズル４と加速ノズル部３入口との間には高速ガス流形成部としてのスロートが形成されている。

詳しくは、加速ノズル部３の入口側内壁分には、断面円弧状に突出した凸部３ｃが形成されており、この凸部３ｃと対向するようにして材料粉末供給ノズル４の先端部４ａ外壁には、断面楔状のガス流偏向部４ｂが形成されている。

上記スロートは環状の噴射口と連通しており、噴射口出口Ｔ１の開口幅Ｄ１＞スロート最狭部分Ｔ２の開口幅Ｄ２となるように、上記ガス流偏向部４ｂと上記凸部３ｃの形状が決められている。

また、上記ガス流偏向部４ｂの先端は、噴射口最狭部分Ｔ２よりも下流側（ガス流れ方向において）に配置されており、それにより、スロート最狭部分Ｔ２を通過して超音速流れとなり大気圧と同じ程度の圧力となった領域に、材料粉末供給ノズル４から材料粉末Ｍが供給されるようになっている。

2.2 コールドスプレー装置
図４は上記コールドスプレーノズル１を用いたコールドスプレー装置のフロー図である。なお、同図において図２と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図４において、材料粉末供給ノズル４の入口には材料粉末供給路６を通じて窒素ガスボンベ７が接続され、本体部２の二次ガス供給孔２ｂには高圧ガス供給路８を通じて別の窒素ガスボンベ９が接続されている。

上記材料粉末供給路６には、低圧圧力調整弁１０、電磁弁からなる緊急遮断弁１１、材料粉末供給装置５、加熱装置１２が、ガス供給方向に向けて順に設けられている。

一方、上記高圧ガス供給路８には、高圧圧力調整弁１３、電磁弁からなる緊急遮断弁１４、加熱装置１５がガス供給方向に向けて順に設けられている。

上記各緊急遮断弁１１、１４はＰＬＣ（Programmable Logic Controller）１６によって開閉動作が制御されるようになっており、このＰＬＣ１６には圧力センサ１７が接続されている。圧力センサ１７は、コールドスプレーノズル１上流側の材料粉末供給路６の圧力を検知し、検知した圧力を電気信号にしてＰＬＣ１６に与える。なお、図中、Ｆは被膜形成対象である基材を示している。

2.3 コールドスプレー装置の動作
次に、上記コールドスプレー装置の動作について説明する。

一次ガスＳ１と二次ガスＳ２は、独立した２系統からコールドスプレーノズル１に供給される。

一次ガスＳ１は低圧であり、この一次ガスＳ１によって搬送される材料粉末Ｍは加熱装置１２に送られ、材料の融点以下の十分な高温状態まで加熱され、加熱された材料粉末Ｍと一次ガスＳ１はコールドスプレーノズル１へ供給される。

具体的には、窒素ガスボンベ７から供給される一次ガスＳ１を低圧圧力調整弁１０で０．４ＭＰａまで減圧し、流量０．２（ｇ／ｓ）でコールドスプレーノズル１の材料粉末供給ノズル４の入口に供給する。

材料粉末供給路６を流れる一次ガスＳ１の流れに対し、材料粉末供給装置５から流量０．２ｇ／ｓで材料粉末Ｍが供給され、一次ガスＳ１と材料粉末Ｍとの固気二相流が形成される。

次いで、上記固気二相流は、インコネルチューブの周囲をセラミックファイバーヒータで隙間無く覆った加熱装置１２に導入され、１０００℃まで加熱される。

本実施形態のコールドスプレー装置では、作動ガスの大半を二次ガスＳ２としてコールドスプレーノズル１に供給するように構成しているため、加熱装置１２が加熱すべき一次ガスＳ１と材料粉末Ｍの量は極めて少なくて済む。加熱装置１２の加熱能力は、例えば１ｋＷ以下のヒータ出力で足りる。

一方、窒素ガスボンベ９から供給される二次ガスＳ２は、圧力４ＭＰａ、流量３０ｇ／ｓでコールドスプレーノズル１に供給される。

本実施形態のコールドスプレー装置によれば、スロート下流の超音速ガス流れに対して材料粉末Ｍを供給するにあたり、ノズル中心軸Ｃ上からノズル軸方向に向けて材料粉末Ｍを供給するように構成しているため、ノズル内の材料粉末Ｍの分布は、ノズル中心軸上で密になり、ノズル内壁近傍で粗になる。それにより、材料粉末Ｍがノズル内壁に接触する頻度が減少しノズルの閉塞を防ぐ効果がある。

また、コールドスプレーノズル内に材料粉末Ｍを供給する時点で材料粉末Ｍを搬送する一次ガスＳ１の温度の方が二次ガスＳ２の温度よりも高温になっている。すなわち、従来のように、一旦、作動ガスの全量を加熱してから材料粉末Ｍを加熱する方法では、作動ガスの平均温度＞材料粉末Ｍの温度となるため、その高温の作動ガスによって基材Ｆが広範囲に加熱されてしまうという問題が起こる。これに対し、本実施形態では、従来と同じ程度まで材料粉末Ｍの温度を高めても、このとき、作動ガスとしての二次ガスＳ２の平均温度＜材料粉末Ｍの温度となるため、基材Ｆが広範囲に加熱されることを避けることができるという利点がある。

上記構成を有するコールドスプレー装置は、閉塞のない安定運転を行うという点に関しては、特に優れた効果はないものの、材料粉末Ｍと少量の一次ガスＳ１については低圧で加熱することができるようになるため、コールドスプレーにおける材料粉末供給系を安価且つ簡単に設計することができ、しかも、材料粉末Ｍを少ないヒータ出力で高温に加熱することができるという利点がある。

また、本実施形態のコールドスプレーノズル１は、一段のみから構成された単純な構成であるため、安価にコールドスプレーノズル装置を設計、製作することができるという利点もある。

3. 本発明の第二実施形態
3.1 コールドスプレーノズルの第二の構成
図５は、多段ノズルから高圧ガスを噴射し、材料粉末Ｍを加速させるコールドスプレーノズルを示したものである。

この構成のコールドスプレーノズルは、特許第４２６８１９３号公報の図２１に示した噴射ノズル装置と基本的に同じ構成のものを使用している。

同特許の噴射ノズル装置の構成を概略説明すると、図９に示すように、中空室７１ａには高圧ガスを供給する第１供給孔７１ｃと、高圧ガスと材料粉末とを供給する第２供給孔７１ｄがそれぞれ設けられており、各高圧ガスは共通のガス源（窒素、ヘリウム、空気等）から分岐させて供給するようになっている。

上記噴射ノズル装置７０によれば、第１供給孔７１ｃを通じて供給される高圧ガスと第２供給孔７１ｄを通じて供給される、材料粉末を含む高圧ガスとが中空室７１ａ内で合流し先細部７１ｂを通過することにより加速され、さらに各リング状部品７２ａ〜７２ｋの連結部分から筒状に噴射される高圧ガスによって加速ノズル部７２内を飛行する材料粉末がシールドされるようになっている。

本発明の第二実施形態に係るコールドスプレーノズルが上記噴射ノズル装置７０と異なる主な点は、材料粉末を搬送するキャリアガスが、高圧ガスから独立した低圧のガス供給系で構成されていることにある。

以下、図５を参照しながら詳しく説明する。

同図に示すコールドスプレーノズル２０は、本体部２１と、その本体部２１の先端に接続される加速ノズル部２２とから主として構成されている。

本体部２１は中空室２１ａを有する有底筒状部材からなり、加速ノズル部２２は、ノズル先端に向けて内径が段階的に拡大するように、内径が異なる複数のリング状部品２２ａ〜２２ｅを筒状に連結することによって構成されている。

隣接するリング状部品の内径段差部分には、高速ガス流をノズル先端側に向けて筒状に噴射する環状の噴射口が形成されている。ただし、２２ｅはノズルエンドである。

本体部２１に挿入された材料粉末供給ノズル２３と、最も上流側のリング状部品２２ａの入口側内壁との間、および各リング状部品２２ａ〜２２ｅにおける出口側外壁と入口側内壁との間には高速ガス流形成部Ａとしてのスロートが形成されており、作動ガスの流れを亜音速から超音速に形成するようになっている。

詳しくは、上記高速ガス流形成部Ａは、本体部２１については、材料粉末供給ノズル２３の先端部外壁に形成された断面楔状のガス流偏向部２２ｆとリング状部品２２ａの入口側内壁に形成された断面円弧状の凸部２２ｇとから構成されている。加速ノズル部２２については、リング状部品の出口側外壁に形成された断面楔状のガス流偏向部２２ｆとリング状部品２２ａの入口側内壁に形成された断面円弧状の凸部２２ｇとから構成されている。

加速ノズル部２２の各スロートを通過するガスは、加速ノズル部２２内を飛行する材料粉末Ｍに対し、その周囲に筒状のシールドガスを形成するようになっている。

上記スロートは環状の噴射口と連通しており、その噴射口出口Ｔ１の開口幅Ｄ１＞スロート口最狭部分Ｔ２の開口幅Ｄ２となるように、上記凸部２２ｇが配置されている。

本体部２１の中空室２１ａ内にはノズル中心軸Ｃ上に材料粉末供給ノズル２３が配置されている。この材料粉末供給ノズル２３の先端部２３ａは先細に形成され、上記ガス流偏向部２２ｆとして機能するようになっている。

上記コールドスプレーノズル２０では、材料粉末Ｍを搬送するための一次ガスＳ１として高温に加熱した低圧のガスを使用し、材料粉末Ｍを搬送するその一次ガスＳ１は、ノズル中心軸Ｃ上から加速ノズル部２２内に供給される。

詳しくは、一次ガスＳ１は、スロート最狭部分Ｔ２を通過して超音速になり圧力が低下している領域中に材料粉末供給ノズル２３を介して供給される。上記一次ガスＳ１は、材料粉末Ｍを加速ノズル部２２へと搬送すること、および材料粉末Ｍの付着歩留まりが高くなるようにその材料粉末Ｍを加熱することを目的としている。

一次ガスＳ１は高温中で材料粉末Ｍと接触するため、酸素を含まない、例えば窒素ガスを使用することが好ましい。

なお、材料粉末Ｍはホッパーから構成される材料粉末供給装置２４から供給される。

一次ガスＳ１は上記したように低圧で加速ノズル部２２内に供給されるが、材料粉末Ｍと一緒に、二次ガス、三次ガス（後述する）から運動力をもらって加速ノズル部２２内で加速されるため、一次ガスＳ１としては材料粉末Ｍを搬送できる最小限の流量で足りる。

また、ガスの流量を少なくすることができる代わりに、その一次ガスＳ１を材料粉末Ｍの融点を超えない範囲で加熱装置により可能な限り高温に加熱しておくことが好ましい。

なお、一次ガスＳ１を用いた材料粉末供給系については高圧に耐え得る耐圧仕様にする必要がないため、一般的な加熱装置を利用して例えば１０００℃を超えるような加熱も容易に行える。

また、本体部２１の中空室２１ａには高圧の二次ガスＳ２が導入され、貫通孔２２ｉを通じてリング状部品２２ａ〜２２ｄに流れ、材料粉末供給ノズル２３と最上流側リング状部品２２ａとの間の噴射口、各リング状部品２２ａ〜２２ｅの連結部分に形成された噴射口から噴射され、加速ノズル部２２内に超音速の流れを形成している。

二次ガス供給孔２１ｂを通じて本体部２１内に供給される二次ガスＳ２は、材料粉末Ｍと接触する機会が多いため、酸素を含まない例えば窒素ガスを使用することが好ましく、また、材料粉末Ｍの温度を低下させないよう、５００℃程度の中温度に加熱しておくことが好ましい。

上記二次ガスＳ２は、加速ノズル部２２の内壁付近を高速で流れるためにシールド効果が働き、材料粉末Ｍが加速ノズル部２２の内壁に接触する確率を低くすることができる。それにより、加速ノズル部２２内壁への材料粉末Ｍの付着を防止することができる。

このように、二次ガスＳ２は、加速ノズル部２２の内壁を、高温で飛行する材料粉末Ｍの接触から保護するとともに材料粉末Ｍの酸化と温度降下を防ぎ、自ら超音速の気流になりその粘性により加速ノズル部２２中心付近を飛行する材料粉末Ｍを加速させる。

材料粉末Ｍをより高速に加速させるためには加速ノズル部２２を長くして加速距離を十分確保する必要がある。

しかしながら、加速ノズル部２２を長くした場合、加速ノズル部２２内で生じる気流の乱れによって、ノズル中心軸Ｃ方向から見た場合の材料粉末Ｍの分布がノズル中心から外周側に徐々に広がっていき、加速ノズル部２２の内壁に接触することになる。

また、加速ノズル部２２内壁とその内部を流れるガスとの間で摩擦が生じるため、加速ノズル部２２内の超音速流れのマッハ数がその摩擦抵抗によって低下し、マッハ１に近づいてしまう。

そのため、加速ノズル部２２内の気流を超音速に維持しながら加速ノズル部２２を長くするためには、加速ノズル部２２の後段のリング状部品からさらに高圧ガスを噴射する必要がある。

この後段加速用の作動ガスとして三次ガスＳ３を使用する。

三次ガス供給孔２２ｈを通じて後段のリング状部品２２ｄに供給する三次ガスＳ３は、加速ノズル部２２内において最外周部分を流れ、ノズル中心軸Ｃ付近を飛行する材料粉末Ｍと接触する可能性が低いため、酸素を含む常温の大気を高圧に圧縮して供給することができる。

この三次ガスＳ３についてもシールド効果が働くため、材料粉末Ｍが加速ノズル部２２の内壁に接触する確率が低くなり、材料粉末Ｍの付着を防止することができる。また、安価な空気を圧縮し、加熱装置を経ずに三次ガスＳ３として使用するため、運転コストを抑制することができる。

三次ガスＳ３の役割は、加速ノズル部２２の内壁を材料粉末Ｍの接触から保護しつつ、自ら超音速の気流になりその粘性により加速ノズル部２２の中心軸Ｃ付近を飛行する材料粉末Ｍを加速させることにある。

3.2 コールドスプレー装置
図６は上記コールドスプレーノズル２０を用いたコールドスプレー装置のフロー図である。なお、同図において図５と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図６において、コールドスプレーノズル２０の本体部２１に挿入されている一次ガスノズル２３の入口は、材料粉末供給路３０を通じて窒素ガスボンベ３１と接続され、本体部２１の二次ガス供給孔２１ｂは、高圧ガス供給路３２を通じて別の窒素ガスボンベ３３と接続され、三次ガス供給孔２２ｈは、圧縮空気供給路３４を通じて空気圧縮機３５と接続されている。

上記材料粉末供給路３０には、低圧圧力調整弁３６、電磁弁からなる緊急遮断弁３７、材料粉末供給装置２４および加熱装置３８が、ガスの流れ方向に向けて順に設けられている。

上記高圧ガス供給路３２には、高圧圧力調整弁３９、電磁弁からなる緊急遮断弁４０および加熱装置４１がガスの流れ方向に向けて順に設けられている。

上記圧縮空気供給路３４には、必要に応じて設けられる放熱装置４２および電磁弁からなる緊急遮断弁４３が設けられている。

上記緊急遮断弁３７、４０および４３はＰＬＣ４４によって開閉動作が制御されるようになっており、そのＰＬＣ４４には、コールドスプレーノズル２０上流側の材料粉末供給路３０の圧力を検知する圧力センサ４５が接続されている。

3.3 コールドスプレー装置の動作
次に、上記構成を有するコールドスプレー装置の動作について説明する。

ガスは３系統に分かれてコールドスプレーノズル２０に供給される。

一次ガスＳ１は最も低圧でありこの一次ガスＳ１によって搬送される材料粉末Ｍは、加熱装置３８に送られて材料粉末Ｍの融点以下の十分な高温状態まで加熱され、コールドスプレーノズル２０へ供給される。

具体的には、窒素ガスボンベ３１から供給される一次ガスＳ１は低圧圧力調整弁３６で０．４ＭＰａまで減圧され、流量０．２（ｇ／ｓ）でコールドスプレーノズル２０の最上流側にある直径１ｍｍの材料粉末供給ノズル２３の入口に供給される。

一次ガスＳ１を供給する経路の途中で材料粉末供給装置２４から流量０．２ｇ／ｓで材料粉末Ｍがその一次ガスＳ１中に供給され、固気二相流となる。

材料粉末Ｍを搬送する一次ガスＳ１は、インコネルチューブの周囲をセラミックファイバーヒータで隙間無く覆った加熱装置３８を通過する際に、１０００℃まで加熱される。

第二実施形態に係るコールドスプレー装置では、作動ガスの大半を二次ガスＳ２および三次ガスＳ３としてコールドスプレーノズル２０に供給するため、上記加熱装置３８が加熱すべき一次ガスＳ１の量は極めて少なくて済み、したがって加熱装置３８の能力としては例えば１ｋＷ以下のヒータ出力で足りる。

一方、窒素ガスボンベ３３から供給される二次ガスＳ２は、圧力４ＭＰａ、流量１０ｇ／ｓでコールドスプレーノズル２０に供給される。

この二次ガスＳ２は、ステンレス管の周囲にリングヒータを取り付けた加熱装置４１を通過することにより、５００℃に加熱される。なお、このときのリングヒータの出力は１０ｋＷ以下で足りる。

また、三次ガスＳ３としての圧縮空気は、空気圧縮機３５からコールドスプレーノズル２０の後段に直接、供給するようになっている。

詳しくは、空気圧縮機３５としてオイルフリーのレシプロ圧縮機を用い、大気を４ＭＰａまで圧縮し、流量２０ｇ／ｓでリング状部品２２ｄの三次ガス供給孔２２ｈに供給する。

空気圧縮機３５での断熱変化により、圧縮された空気は数１００℃の高温（本実施形態では２００℃）になっているため、三次ガスＳ３は、加熱装置を必要とせずコールドスプレーノズル２０に供給することができる。この高温の三次ガスＳ３は、コールドスプレーノズル２０内の超音速流れを維持するとともに、コールドスプレーノズル２０内を飛行する材料粉末Ｍの温度降下を抑制することができる。

ただし、基材Ｆが樹脂材のように熱に弱い材料の場合、圧縮空気供給路３４の配管外周面に放熱フィン等からなる放熱装置４２を設け、三次ガスＳ３の温度を下げることが好ましい。

このように、放熱装置４２を設ければ、コールドスプレーノズル２０から噴射する全作動ガスの平均温度を下げる方向に制御することができるため、上記放熱装置４２は圧縮空気の温度を調整する温度調整装置として機能する。

こうして、材料粉末Ｍを一次ガスＳ１とともに１，０００℃近くまで加熱し、その高温の材料粉末Ｍをコールドスプレーノズル２０に搬送すると、コールドスプレーノズル２０の中心部のガスも全温度（超音速流れでは速度が増すにしたがって圧力エネルギのみならず分子の内部エネルギも減少して温度は低下するが、流れを堰き止めて流速をゼロにした場合に温度回復した結果の温度）で略１０００℃になり、その近くを流れる二次ガスＳ２は全温度で略５００℃になり、最外周部を流れる三次ガスＳ３は、全温度で略２００℃になり、いわゆるコールドスプレーが得られる。

上記１０００℃の一次ガスＳ１、５００℃の二次ガスＳ２、２００℃程度の三次ガスＳ３の温度を平均すると、基材Ｆに接触する作動ガスの平均全温度は３００℃程度となる。従来のコールドスプレー装置では、予め１０００℃まで全量の作動ガスを加熱していたことを考慮すると、極めて低い作動ガス平均温度でのコールドスプレーが実現できることになる。

このように、本発明のコールドスプレー装置は、付着歩留まりを考慮した場合に粉末温度は高温に維持したいという一方で、熱に弱い基材を熱から守るためには作動ガスの温度を低くしたいという要望を実現させたため、例えば熱に弱い半導体等に接続する材料にも本発明を適用することが可能になる。

3.4 緊急遮断弁の動作
なお、コールドスプレーノズル２０の内壁に材料粉末Ｍが付着して堆積すると、その堆積部分において流れ抵抗が大きくなるため、作動ガスは運動量を損失し、その堆積部分での流れがマッハ１となる一方で堆積部分の上流側が全体的に亜音速になるという、ファノ流れと同じ現象が生じる。

本来であればリング状部品の連結部分に形成されるスロート最狭部分Ｔ２（図５参照）でマッハ数が１となり、その下流側、すなわち、コールドスプレーノズル２０の加速ノズル部２２内の全域で超音速の流れが得られるが、上記した堆積部分でマッハ数が１になってしまうと、その上流側についてはたとえ上記スロート最狭部分Ｔ２の下流側であったとしても亜音速のガス流れとなる。

亜音速のガス流れになると、図１に示したように、ノズル内圧力が２ＭＰａを上回るため、材料粉末供給路３０に設けられた耐圧設計のなされていない各機器は破壊されてしまうことになる。

コールドスプレーノズル２０内壁への材料粉末Ｍの付着は、数秒間から数十秒間をかけてゆっくり発生する現象である。そこで、コールドスプレーノズル２０の入口近傍の材料粉末供給路３０に圧力センサ４５を設け、この圧力センサ４５によって検知される圧力が０．３ＭＰａを上回ると、ＰＬＣ４４が材料粉末供給路３０、高圧ガス供給路３２および圧縮空気供給路３４にそれぞれ設けた緊急遮断弁３７、４０および４３を一斉に閉じるように構成している。

コールドスプレーノズル２０内の材料粉末Ｍの飛行状態を観察するための実験として、一次ガスＳ１〜三次ガスＳ３までの全ての作動ガスを空気として供給し、さらに、一次ガス供給系には材料粉末Ｍの代わりに水を供給し、コールドスプレーノズル２０内を飛行する材料粉末Ｍに見立てた水滴によって材料粉末Ｍの分布を観察した。

図７は、材料粉末を模擬した水滴が加速ノズル内を飛行する状態を示しており、材料粉末Ｍを模擬した水滴はコールドスプレーノズル２０の中心部に集中しており、外周部のノズル内壁近傍には水滴がほとんど存在していないことが確認された。

ただし、この実験では空気と水の質量流量比を１０：１とし、コールドスプレーノズル２０は、マッハ数Ｍ＝２の適正膨張になる条件、すなわち、コールドスプレーノズル２０内部の圧力を大気圧に等しい条件で運転した。

１ コールドスプレーノズル
２ 本体部
２ａ 中空室
２ｂ 二次ガス供給孔
３ 加速ノズル部
３ａ フランジ部
３ｂ 直管部
３ｃ 凸部
４ 材料粉末供給ノズル
４ａ 先端部
４ｂ ガス流偏向部
５ 材料粉末供給装置
６ 材料粉末供給路
７ 窒素ガスボンベ
８ 高圧ガス供給路
９ 窒素ガスボンベ
１０ 低圧圧力調整弁
１１ 緊急遮断弁
１２ 加熱装置
１３ 高圧圧力調整弁
１４ 緊急遮断弁
１５ 加熱装置
１６ ＰＬＣ
１７ 圧力センサ
Ａ 高速ガス流形成部
Ｃ ノズル中心軸
Ｍ 材料粉末

Claims (6)

1. 材料粉末を作動ガスとともにコールドスプレーノズルから高速で噴射し、固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成するコールドスプレー装置において、
   上記コールドスプレーノズル内に設けられ、上記作動ガスのガス通路幅を絞ることにより高速ガス流を形成する高速ガス流形成部と、
   上記材料粉末を低圧ガスに搬送させて上記コールドスプレーノズルに供給する材料粉末供給路と、
   上記コールドスプレーノズルの高速ガス流形成部に高圧の作動ガスを供給する高圧ガス供給路と、
   上記材料粉末を伴う上記低圧ガスを、上記コールドスプレーノズルの中心軸方向から上記高速ガス流形成部の近傍且つその下流側に導入する材料粉末供給ノズルと、
   を備えてなることを特徴とするコールドスプレー装置。
2. 上記材料粉末供給路に、上記材料粉末を伴う上記低圧ガスを加熱する加熱装置が設けられている請求項１に記載のコールドスプレー装置。
3. 上記コールドスプレーノズルは、上記材料粉末供給ノズルが挿入される中空室を備えた本体部とその本体部から延設される加速ノズル部を有し、
   上記材料粉末供給ノズルの先端外壁と上記加速ノズル部の入口側内壁との間に上記高速ガス流形成部が形成されている請求項１または２に記載のコールドスプレー装置。
4. 上記加速ノズル部は、ノズルの先端に向けて内径が段階的に拡大するように内径が異なる複数のリング状部品を筒状に連結することによって構成され、隣接する上記リング状部品の内壁段差部分に、上記高速ガス流をノズル先端側に向けて筒状に噴射する環状の噴射口が形成されている請求項３に記載のコールドスプレー装置。
5. 上記加速ノズル部における下流側の上記噴射口に圧縮空気を供給する圧縮空気供給路が接続されている請求項４記載のコールドスプレー装置。
6. 上記圧縮空気供給路に、上記圧縮空気の温度を調整する温度調整装置が設けられている請求項５記載のコールドスプレー装置。