JP5845733B2

JP5845733B2 - コールドスプレー用ノズル、及びコールドスプレー装置

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Publication number: JP5845733B2
Application number: JP2011189131A
Authority: JP
Inventors: 徳永　幸二; 幸二徳永
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: JP2013049025A

Description

本発明は、作動ガスに同伴した材料粉末を固相状態のままで被処理物の表面に衝突させて被膜を形成するコールドスプレー装置に用いられるコールドスプレー用ノズル等に関する。

近年、材料粉末を固相状態のままで被処理物の表面に衝突させて緻密な組織でかつ密着強度の高い被膜を形成するコールドスプレーの技術が注目されており、コールドスプレー装置、特に、コールドスプレー用ノズルについて種々の開発がなされている。そして、一般的なコールドスプレー用ノズルの構成等について図５（ａ）を参照して説明する。

図５（ａ）に示すように、一般的なコールドスプレー用ノズル１０１は、窒素等の作動ガスの流れを絞る第１ノズル構成体（ノズル絞り部）１０３を備えており、この第１ノズル構成体１０３の内部には、材料粉末を同伴した作動ガスを流通させるための第１ガス流路１０５が形成されている。また、第１ノズル構成体１０３の先端には、作動ガスを膨張させて噴射する第２ノズル構成体（ノズル膨張部）１０７が同心状に一体に設けられており、この第２ノズル構成体１０７の内部には、作動ガスを流通させるための第２ガス流路１０９が形成されており、この第２ガス流路１０９は、第１ガス流路１０５に連通してある。

従って、材料粉末の融点よりも低い温度の高圧の作動ガスに材料粉末を同伴させて、高圧の作動ガスが第１ガス流路１０５内に供給されると、第１ノズル構成体１０３により作動ガスの流れが絞られ、作動ガスが超音速まで加速され、第１ガス流路１０５内から第２ガス流路１０９内へ超音速流として流入する。続いて、第２ノズル構成体１０７により超音速流の作動ガスが膨張して、第２ノズル構成体１０７内から被処理物Ｗの表面に向かって噴射される。これにより、作動ガスに同伴した材料粉末を固相状態のままで被処理物Ｗの表面に衝突させて被膜Ｃを形成することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。

特開２００８−８０３２３号公報特開２００９−１３１８３４号公報特開２００８−２５３８８９号公報

ところで、被膜Ｃの形成処理中に、第２ガス流路１０９の内壁面、特に、第２ガス流路１０９の内壁面の入口付近には材料粉末が付着し易く、材料粉末の付着が進行すると、コールドスプレー用ノズル１０１の閉塞を招くことになる。このような場合には、被膜Ｃの形成処理を一旦中断して、コールドスプレー用ノズル１０１の交換を行わなければならず、被膜Ｃの形成処理が煩雑化するという問題がある。

また、第２ガス流路１０９の横断面において外周部の方が中央部よりも膨張が激しく、図５（ｂ）に示すように、第２ガス流路１０９の出口側（出口側の横断面）において外周部の方が中央部よりも速くなるような不均一な速度分布Ｄを持つ傾向にある。そのため、第２ガス流路１０９の出口側の速度分布Ｄの不均一な度合いが大きくなると、被膜Ｃの膜厚のばらつき、被膜Ｃの密着強度のばらつき等が生じて、被膜Ｃの品質を高いレベルで向上させることが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のコールドスプレー用ノズル等を提供することを目的とする。

第１の本発明は、材料粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流として被処理物の表面に向かって噴射することにより、前記作動ガスに同伴した前記材料粉末を固相状態のままで前記被処理物の表面に衝突させて被膜を形成するコールドスプレー装置に用いられるコールドスプレー用ノズルにおいて、内管と外管の二重構造により構成され、前記内管の内側に前記材料粉末を同伴した前記作動ガスを流通させるための第１インナーガス流路が形成され、前記第１インナーガス流路の少なくとも先端側が先端方向に向かって縮径し、前記内管の外周面と前記外管の内周面の間に前記作動ガスのみを流通させるための環状の第１アウターガス流路が形成され、前記作動ガスの流れを絞る第１ノズル構成体（ノズル絞り部）と、前記外管の先端に同心状に設けられ、内側に前記第１インナーガス流路及び前記第１アウターガス流路に連通しかつ前記作動ガスを流通させるための第２ガス流路が形成され、前記作動ガスを膨張させて噴射する第２ノズル構成体（ノズル膨張部）と、を備え、前記第１インナーガス流路内からの超音速の一次流れと前記第１アウターガス流路内からの環状の二次流れとの間の剪断層内に３次元的な乱れとしての縦渦が生成されるように、前記内管の先端に突起が形成されている。

第１の本発明の構成によると、前記材料粉末の融点よりも低い温度の高圧の前記作動ガスに前記材料粉末を同伴させて、高圧の前記作動ガスが前記第１インナーガス流路内に供給されると共に、前記材料粉末の融点よりも低い温度の高圧の前記作動ガスが前記第１アウターガス流路内に供給される。すると、前記第１ノズル構成体により前記作動ガスの流れが絞られて、前記作動ガスが超音速まで加速され、前記第１インナーガス流路内から前記超音速の一次流れ（一次超音速流）として、前記第１アウターガス流路内から環状の前記二次流れとして前記第２ガス流路内にそれぞれ流入する。続いて、前記第２ノズル構成体により前記超音速の一次流れの前記作動ガス及び前記二次流れの前記作動ガスがそれぞれ膨張（膨張・加速）して、前記第２ノズル構成体の先端から前記被処理物の表面に向かって噴射される。これにより、前記作動ガスに同伴した前記材料粉末を固相状態のままで前記被処理物の表面に衝突させて前記被膜を形成することができる。

ここで、前記第２ガス流路内において、前記二次流れが前記超音速の一次流れを囲むようになっており、前記超音速の一次流れと前記二次流れの境界部によって、前記作動ガスを前記超音速の一次流れとして噴出可能な空力的ノズルを区画形成することができる。また、前記内管の先端に前記突起が形成されることにより、前記超音速の一次流れと前記二次流れとの間の剪断層内に３次元的な乱れとしての縦渦が生成されて、前記剪断層内に生成される２次元的な渦（２次元大規模渦）の成長を抑止（抑制）できるため、前記超音速の一次流れと前記二次流れの混合を十分に抑制して、前記空力的ノズルの形状を安定的に維持することができる。これにより、前記第２ガス流路の内壁面に前記材料粉末が付着し難くなって、前記コールドスプレー用ノズルの閉塞を回避することができると共に、前記第２ガス流路の出口側（出口側の横断面）における前記超音速の一次流れの速度分布を均一な速度分布に近づけることができる。

第２の本発明は、材料粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流として被処理物の表面に向かって噴射することにより、前記作動ガスに同伴した前記材料粉末を固相状態のままで前記被処理物の表面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、第１の本発明の構成からなるコールドスプレー用ノズルを備えた。

本発明の第２の構成によると、本発明の第１の構成による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、記第２ガス流路の内壁面に前記材料粉末がより付着し難くなって、前記コールドスプレー用ノズルの閉塞を回避きるため、前記被膜の形成処理中に、前記コールドスプレー用ノズルの交換を極力なくして、前記被膜の形成処理の能率を向上させることができる。

また、前記第２ガス流路の出口側における前記超音速の一次流れの速度分布を均一な速度分布に近づけることができるため、前記被膜の膜厚のばらつき、前記被膜の密着強度のばらつき等をなくして、前記被膜の品質を高いベルで向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズルの断面図である。図２は、本発明の実施形態に係るコールドスプレー装置の模式的な図である。図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズルにおける内管の先端側の拡大断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）における矢視部Ｂの拡大図である。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の実施形態に係るコールドスプレー用ノズルにおける別態様の内管の先端側の拡大断面図である。図５（ａ）は、一般的なコールドスプレー用ノズルの断面図、図５（ｂ）は、第２流路の出口側の速度分布を示す図である。

本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明する。

図２に示すように、本発明の実施形態に係るコールドスプレー装置１は、材料粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流Ｆ１，Ｆ２として被処理物Ｗの表面に向かって噴射することにより、作動ガスに同伴した材料粉末を固相状態のままで被処理物Ｗの表面に衝突させて被膜Ｃを形成する装置である。ここで、材料粉末には、本発明の実施形態にあっては、銅アルミ，チタン，銀，ニッケル，亜鉛，錫，モリブデン、鉄，タルタン，ニオブ，シリコン，クロム等の金属の粉末、チタン合金，ニッケルクロム合金，ステンレス鋼，アルミニウム合金，銅合金等の合金の粉末、アルミナ等のセラミックスの粉末等が用いられ、作動ガスには、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが用いられる。

コールドスプレー装置１は、装置筐体３と、この装置筐体３の側面に着脱可能に設けられたコールドスプレー用ノズル５と、装置筐体３の内部に設けられかつコールドスプレー用ノズル５に作動ガスを供給するガス供給ユニット７とを備えている。そして、ガス供給ユニット７の具体的な構成は、次のようになる。

装置筐体３内には、例えば４０気圧以上の高圧の窒素等の作動ガスを貯留するガス供給源としてのガスボンベ９が設けられている。また、ガスボンベ９には、高圧の作動ガスを流通させるためのメイン配管１１の一端が接続されており、このメイン配管１１の途中には、高圧の作動ガスを流通させるための分岐配管１３の一端が分岐接続されている。更に、ガスボンベ９には、材料粉末を同伴した高圧の作動ガスを流通させるためのサブ配管１５の一端が接続されており、このサブ配管１５の途中には、材料粉末を供給する粉末供給源として粉末供給器１７が配設されている。

メイン配管１１における分岐部（分岐配管１３への分岐部）よりも一端側（供給方向上流側）には、メイン配管１１の開口度（開口面積）を調節可能なバルブ１９が配設されている。また、メイン配管１１における分岐部よりも他端側（供給方向下流側）には、メイン配管１１の開口度を調節可能なバルブ２１が配設されている。更に、分岐配管１３の途中には、分岐配管１３の開口度を調節するバルブ２３が配設されており、サブ配管１５の途中には、サブ配管１５の開口度を調節するバルブ２５が配設されている。

メイン配管１１における分岐部とバルブ１９との間には、作動ガスを材料粉末の融点よりも低い所定の低温度（例えば４００度）まで加熱する抵抗加熱式のヒータ２７が配設されており、メイン配管１１における分岐部とバルブ２１との間には、作動ガスを材料粉末の融点よりも低い所定の高温度（例えば８００度）まで加熱する抵抗加熱式のヒータ２９が配設されている。また、サブ配管１５の途中には、作動ガスを所定の高温度まで加熱する抵抗加熱式のヒータ３１が配設されている。

続いて、本発明の実施形態の要部であるコールドスプレー用ノズル５の具体的な構成について説明する。

図１及び図２に示すように、装置筐体３の側面には、作動ガスの流れを絞る第１ノズル構成体（ノズル絞り部）３３が着脱可能に設けられており、この第１ノズル構成体３３は、内管３５と外管３７の二重構造により構成されている。また、内管３５の内側には、材料粉末を同伴した作動ガスを流通させるための第１インナーガス流路３９が形成されており、この第１インナーガス流路３９の先端側は、先端方向に向かって縮径してある。更に、第１インナーガス流路３９は、メイン配管１１の他端及びサブ配管１５の他端に接続されており、第１インナーガス流路３９内には、所定の高温度に加熱されかつ材料粉末を同伴した作動ガスが供給されるようになっている。

内管３５の外周面と外管３７の内周面の間には、作動ガスのみを流通させるための環状の第１アウターガス流路４１が形成されており、第１アウターガス流路４１の先端側は、先端方向に向かって縮径してある。また、第１アウターガス流路４１は、分岐配管１３の他端に接続されており、第１アウターガス流路４１内には、所定の低温度に加熱された作動ガスが供給されるようになっている。

外管３７の先端には、作動ガスを膨張させて噴射する第２ノズル構成体（ノズル膨張部）４３が同心状に一体に設けられており、この第２ノズル構成体４３の内側には、作動ガスを流通させるための第２ガス流路４５が形成されている。また、第２ガス流路４５は、第１インナーガス流路３９及び第１アウターガス流路４１に連通しており、第２ガス流路４５内には、第１インナーガス流路３９内から超音速の一次流れ（一次超音速流）Ｆ１として、第１アウターガス流路４１内から環状の超音速の二次流れ（二次超音速流）Ｆ２として作動ガスがそれぞれ流入するようになっている。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、内管３５の先端には、径方向内側へ突出した複数の内突起４７が周方向に間隔を置いて形成されており、各内突起４７の高さは、超音速の一次流れＦ１の境界層Ｆ１ａの厚さよりも小さく設定されている。また、内管３５の先端には、径方向外側へ突出した複数の外突起４９が周方向に間隔を置いて形成されており、各外突起４９の高さは、超音速の二次流れＦ２の境界層Ｆ２ａの厚さよりも小さく設定されている。なお、内管３５の先端に複数の内突起４７及び複数の外突起４９が形成される代わりに、図４（ａ）（ｂ）に示すように、複数の内突起４７のみ又は複数の外突起４９のみが形成されるようにし、又は、図４（ｃ）に示すように、内管３５の先端に内管３５の軸方向へ突出した複数の軸突起５１が形成されるようにしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

バルブ１９，２１によってメイン配管１１の開口度を調節して、高圧の作動ガスをガスボンベ９からバルブ１９、ヒータ２７、バルブ２１、及びヒータ２９を経由（流通）させると共に、バルブ２５によってサブ配管１５の開口度を調節して、高圧の作動ガスをガスボンベ９からバルブ２５、ヒータ３１、及び粉末供給器１７を経由させることにより、所定の高温度に加熱した高圧の作動ガスに材料粉末を同伴させて、高圧の作動ガスが第１インナーガス流路３９内に供給される。また、バルブ１９によってメイン配管１１の開口度を調節する他に、バルブ２３によって分岐配管１３の開口度を調節して、高圧の作動ガスをガスボンベ９からバルブ１９、ヒータ２７、及びバルブ２３を経由させることにより、所定の低温度に加熱した高圧の作動ガスが第１アウターガス流路４１内に供給される。すると、第１ノズル構成体３３により作動ガスの流れが絞られ、作動ガスが超音速まで加速され、第１インナーガス流路３９内から超音速の一次流れＦ１として、第１アウターガス流路４１内から環状の超音速の二次流れＦ２として第２ガス流路４５内にそれぞれ流入する。続いて、第２ノズル構成体４３により超音速の一次流れＦ１の作動ガス及び超音速の二次流れＦ２の作動ガスがそれぞれ膨張（膨張・加速）して、第２ノズル構成体４３の先端から被処理物Ｗの表面に向かって噴射される。これにより、作動ガスに同伴した材料粉末を固相状態のままで被処理物Ｗの表面に衝突させて被膜Ｃを形成することができる。

ここで、第２ガス流路４５内において、超音速の二次流れＦ２が超音速の一次流れＦ１を囲むようになっており、超音速の一次流れＦ１と超音速の二次流れＦ２の境界部によって、出口付近に第２ノズル構成体４３の軸心（コールドスプレー用ノズル５の軸心）に平行な平行部５３ｐを有しかつロケットノズルの外形状に近似した形状を呈しかつ作動ガスを超音速の一次流れＦ１として噴出可能な空力的ノズル５３を区画形成（形成）することができる。また、内管３５の先端に複数の内突起４７及び複数の外突起４９が形成されることにより、図３（ｂ）に示すように、超音速の一次流れＦ１と超音速の二次流れＦ２との間の剪断層Ｓ内に３次元的な乱れとしての縦渦５５が生成されて、剪断層Ｓ内に生成される２次元的な渦（２次元大規模渦）５７の成長を抑止（抑制）できるため（特許第４２１１２９８号公報参照）、超音速の一次流れＦ１と超音速の二次流れＦ２の混合を十分に抑制して、空力的ノズル５３の形状を安定的に維持することができる。これにより、第２ガス流路４５の内壁面に材料粉末が付着し難くなって、コールドスプレー用ノズル５の閉塞を回避することができると共に、図１に示すように、第２ガス流路４５の出口側（出口側の横断面）における超音速の一次流れＦ１の速度分布Ｄを均一な速度分布に近づけることができる。

特に、第１インナーガス流路３９内に供給される作動ガスの温度に比べて、第１アウターガス流路４１内に供給される作動ガスの温度を十分に低く設定してあるため、超音速の二次流れＦ２の作動ガスによって第２ガス流路４５の内壁面全体を冷却（フィルム冷却）することができる。これにより、第２ガス流路４５の内壁面に材料粉末がより付着し難くなって、コールドスプレー用ノズル５の閉塞を十分かつ確実に回避することができる。

更に、第１インナーガス流路３９内及び第１アウターガス流路４１内にそれぞれ供給される作動ガスの供給流量の割合を調節することにより、超音速の一次流れＦ１と超音速の二次流れＦ２の境界部の位置を第２ノズル構成体４３の軸心に対して接近離隔させることができる。これにより、超音速の一次流れＦ１の膨張比を作動ガスの圧力に応じた膨張比に設定することができる。なお、超音速の一次流れＦ１の膨張比とは、第２ガス流路４５の出口側における超音速の一次流れＦ１の横断面積Ａｏに対する第１インナーガス流路３９の先端（スロート部）の横断面積Ａｉの割合（Ａｏ／Ａｉ）のことである。

従って、本発明の実施形態によれば、第２ガス流路４５の内壁面に材料粉末がより付着し難くなって、コールドスプレー用ノズル５の閉塞を十分かつ確実に回避きるため、被膜Ｃの形成処理中に、コールドスプレー用ノズル５の交換を極力なくして、被膜Ｃの形成処理の能率を向上させることができる。

また、第２ガス流路４５の出口側における超音速の一次流れＦ１の速度分布Ｄを均一な速度分布に近づけることができるため、被膜Ｃの膜厚のばらつき、被膜Ｃの密着強度のばらつき等をなくして、被膜Ｃの品質を高いベルで向上させることができる。

更に、超音速の一次流れＦ１の膨張比を作動ガスの圧力に応じた膨張比に設定できるため、作動ガスの圧力を変更した場合でも、第２ガス流路４５内において超音速の一次流れＦ１の作動ガスを適正膨張させて、被膜Ｃの品質を維持することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、適宜の変更を行うことにより、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

Ｗ被処理物
Ｃ被膜
Ｆ１超音速の一次流れ
Ｆ１ａ超音速の一次流れの境界層
Ｆ２超音速の二次流れ
Ｆ２ａ超音速の二次流れの境界層
Ｓ剪断層
１コールドスプレー装置
３装置筐体
５コールドスプレー用ノズル
７ガス供給ユニット
９ガスボンベ
１１メイン配管
１３分岐配管
１５サブ配管
１７粉末供給器
１９バルブ
２１バルブ
２３バルブ
２５バルブ
２７ヒータ
２９ヒータ
３１ヒータ
３３第１ノズル構成体
３５内管
３７外管
３９第１インナーガス流路
４１第１アウターガス流路
４３第２ノズル構成体
４５第２ガス流路
４７内突起
４９外突起
５１軸突起
５３空力的ノズル
５３ｐ平行部

Claims

材料粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流として被処理物の表面に向かって噴射することにより、前記作動ガスに同伴した前記材料粉末を固相状態のままで前記被処理物の表面に衝突させて被膜を形成するコールドスプレー装置に用いられるコールドスプレー用ノズルにおいて、
内管と外管の二重構造により構成され、前記内管の内側に前記材料粉末を同伴した前記作動ガスを流通させるための第１インナーガス流路が形成され、前記第１インナーガス流路の少なくとも先端側が先端方向に向かって縮径し、前記内管の外周面と前記外管の内周面の間に前記作動ガスのみを流通させるための環状の第１アウターガス流路が形成され、前記作動ガスの流れを絞る第１ノズル構成体と、
前記外管の先端に同心状に設けられ、内側に前記第１インナーガス流路及び前記第１アウターガス流路に連通しかつ前記作動ガスを流通させるための第２ガス流路が形成され、前記作動ガスを膨張させて噴射する第２ノズル構成体と、を備え、
前記第１インナーガス流路内からの超音速の一次流れと前記第１アウターガス流路内からの環状の二次流れとの間の剪断層内に３次元的な乱れとしての縦渦が生成されるように、前記内管の先端に突起が形成されている、コールドスプレー用ノズル。
前記突起が前記内管の径方向内側へ突出している、請求項１に記載のコールドスプレー用ノズル。
前記突起が前記内管の径方向外側へ突出している、請求項１に記載のコールドスプレー用ノズル。
前記突起が前記内管の軸方向へ突出している、請求項１に記載のコールドスプレー用ノズル。
材料粉末の融点よりも低い温度の作動ガスを超音速流として被処理物の表面に向かって噴射することにより、前記作動ガスに同伴した前記材料粉末を固相状態のままで前記被処理物の表面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、
請求項１から請求項４のうちのいずれかの１項に記載のコールドスプレー用ノズルを備えた、コールドスプレー装置。