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JP2013049025A - Nozzle for cold spray and cold spray apparatus - Google Patents

Nozzle for cold spray and cold spray apparatus Download PDF

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JP2013049025A
JP2013049025A JP2011189131A JP2011189131A JP2013049025A JP 2013049025 A JP2013049025 A JP 2013049025A JP 2011189131 A JP2011189131 A JP 2011189131A JP 2011189131 A JP2011189131 A JP 2011189131A JP 2013049025 A JP2013049025 A JP 2013049025A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the efficiency of the treatment of forming a coating C and the quality of the coating C to a high level.SOLUTION: On the side surface of the box 3 of the apparatus, the first nozzle formation 33 that throttles a flow of a working gas is constituted by a double structure composed of an interior tube 35 and an outer tube 37. The first inner gas passage 39 is formed inside the interior tube 35, and the first annular outer gas passage 41 is formed between the outer peripheral surface of the interior tube 35 and the interior peripheral surface of the outer tube 37. The second nozzle formation 43 expanding a working gas and spraying is disposed concentrically at the tip of the outer tube 37, and the second gas passage 45 is formed inside the second nozzle formation 43. Two or more interior protrusions 47 and two or more outer protrusions 49 are formed at the tip of the interior tube 35 at intervals in the circumferential direction.

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。   The present invention relates to a cold spray nozzle or the like used in a cold spray apparatus that forms a film by colliding a material powder accompanying a working gas with a surface of an object to be processed in a solid state.

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。   In recent years, the cold spray technology that forms a film with a dense structure and high adhesion strength by colliding the material powder with the surface of the object to be processed in the solid state has attracted attention. Various developments have been made on spray nozzles. The configuration of a general cold spray nozzle will be described with reference to FIG.

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。   As shown in FIG. 5A, a general cold spray nozzle 101 includes a first nozzle structure (nozzle restrictor) 103 that restricts the flow of a working gas such as nitrogen, and this first nozzle structure. Inside the body 103, a first gas flow path 105 is formed for circulating the working gas accompanied by the material powder. A second nozzle structure (nozzle expansion portion) 107 that expands and injects the working gas is provided concentrically and integrally at the tip of the first nozzle structure 103, and the second nozzle structure 107. Is formed with a second gas flow path 109 for circulating the working gas, and the second gas flow path 109 communicates with the first gas flow path 105.

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。   Therefore, when the high-pressure working gas is supplied into the first gas flow path 105 with the high-pressure working gas having a temperature lower than the melting point of the material powder and the working gas is supplied to the first gas flow path 105, the working gas is produced by the first nozzle structure 103. , The working gas is accelerated to supersonic speed and flows from the first gas flow path 105 into the second gas flow path as a supersonic flow. Subsequently, the supersonic flow working gas is expanded by the second nozzle structure 107 and is injected from the second nozzle structure 107 toward the surface of the workpiece W. Thereby, the coating material C can be formed by colliding the material powder accompanying the working gas with the surface of the workpiece W in the solid state.

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。   In addition, there exist some which are shown to patent document 1-patent document 3 as a prior art relevant to this invention.

特開2008−80323号公報JP 2008-80323 A 特開2009−131834号公報JP 2009-131834 A 特開2008−253889号公報JP 2008-253889 A

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。   By the way, during the process of forming the coating C, the material powder tends to adhere to the inner wall surface of the second gas flow path 109, in particular, near the inlet of the inner wall surface of the second gas flow path 109, and the adhesion of the material powder proceeds. As a result, the cold spray nozzle 101 is blocked. In such a case, the process for forming the coating C must be temporarily interrupted and the cold spray nozzle 101 must be replaced, and there is a problem that the process for forming the coating C becomes complicated.

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。   Further, in the cross section of the second gas flow path 109, the outer peripheral portion expands more rapidly than the center portion, and as shown in FIG. 5B, the outlet side (the cross section on the outlet side) of the second gas flow path 109. ) Tends to have a non-uniform velocity distribution D such that the outer peripheral portion is faster than the central portion. Therefore, when the degree of non-uniformity of the velocity distribution D on the outlet side of the second gas flow path 109 is increased, the film thickness of the coating film C, the adhesion strength of the coating film C, and the like are increased, and the quality of the coating film C is improved. There is a problem that it is difficult to improve the level.

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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a cold spray nozzle or the like having a novel configuration that can solve the above-described problems.

本発明の第1の特徴は、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、前記内管の先端に突起が形成されていることを要旨とする。   The first feature of the present invention is that the working gas having a temperature lower than the melting point of the material powder is injected as a supersonic flow toward the surface of the object to be processed, so that the material powder accompanying the working gas is solid-phased. In a cold spray nozzle used in a cold spray device that forms a film by colliding with the surface of the object to be processed in a state, it is constituted by a double structure of an inner tube and an outer tube, A first inner gas flow path for flowing the working gas accompanied by the material powder is formed, and an annular shape for flowing only the working gas between the outer peripheral surface of the inner tube and the inner peripheral surface of the outer tube. A first nozzle structure (nozzle restrictor) for constricting the flow of the working gas and a concentrically provided at the tip of the outer tube, and the first inner gas flow inside Road and the first A second gas passage that is communicated with the water gas passage and allows the working gas to flow therethrough, and includes a second nozzle structure (nozzle expansion portion) that inflates and injects the working gas. The gist is that a protrusion is formed at the tip of the tube.

第1の特徴によると、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超音速の二次流れ(二次超音速流)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超音速の前記一次流の前記作動ガス及び前記超音速の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。   According to the first feature, the high-pressure working gas is supplied into the first inner gas flow path by causing the material powder to accompany the high-pressure working gas having a temperature lower than the melting point of the material powder. The high-pressure working gas having a temperature lower than the melting point of the material powder is supplied into the first outer gas channel. Then, the flow of the working gas is throttled by the first nozzle structure, and the working gas is accelerated to a supersonic speed. As a supersonic primary flow (primary supersonic flow) from the first inner gas flow path. , And flows into the second gas flow channel from the first outer gas flow channel as an annular supersonic secondary flow (secondary supersonic flow). Subsequently, the supersonic primary flow working gas and the supersonic secondary flow working gas are expanded (expanded / accelerated) by the second nozzle constituent, respectively. Sprayed from the tip toward the surface of the workpiece. Thereby, the said material powder accompanying the said working gas can be made to collide with the surface of the said to-be-processed object in a solid-phase state, and the said film can be formed.

ここで、前記第2ガス流路内において、前記超音速の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超音速の二次流れの境界部によって、出口付近に前記第2ノズル構成体の軸心(前記コールドスプレー用ノズルの軸心)に平行な平行部を有しかつ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超音速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超音速の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。   Here, in the second gas flow path, the supersonic secondary flow surrounds the supersonic primary flow, and a boundary between the supersonic primary flow and the supersonic secondary flow. Aerodynamically capable of ejecting the working gas as a primary flow of the supersonic wave, having a parallel portion parallel to the axis of the second nozzle structure (the axis of the cold spray nozzle) in the vicinity of the outlet. Nozzles can be defined. In addition, by forming the protrusion at the tip of the inner tube, a vertical vortex as a three-dimensional turbulence is generated in a shear layer between the primary flow of the supersonic and the secondary flow of the supersonic. Since the growth of the two-dimensional vortex (two-dimensional large-scale vortex) generated in the shear layer can be suppressed (suppressed), the supersonic primary flow and the supersonic secondary flow can be mixed. Sufficiently suppressed, the shape of the aerodynamic nozzle can be stably maintained. This makes it difficult for the material powder to adhere to the inner wall surface of the second gas flow path, so that the cold spray nozzle can be prevented from being blocked, and the outlet side (outlet side) of the second gas flow path can be avoided. Of the primary flow of the supersonic velocity in the horizontal cross section of FIG.

特に、前記第1インナーガス流路内に供給される前記作動ガスの温度に比べて、前記第1アウターガス流路内に供給される前記作動ガスの温度を十分に低く設定しておくことにより、前記超音速の二次流れの前記作動ガスによって前記第2ガス流路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、前記第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、前記被膜の形成処理中における前記コールドスプレー用ノズルの閉塞を十分かつ確実に回避することができる。   In particular, by setting the temperature of the working gas supplied into the first outer gas channel sufficiently lower than the temperature of the working gas supplied into the first inner gas channel. The entire inner wall surface of the second gas flow path can be cooled (film cooling) by the working gas of the supersonic secondary flow. This makes it difficult for the material powder to adhere to the inner wall surface of the second gas flow path, so that the cold spray nozzle can be sufficiently and reliably prevented from being blocked during the coating forming process.

更に、前記第1インナーガス流路内及び前記第1アウターガス流路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、前記超音速の一次流れと前記超音速の二次流れの前記境界部の位置を前記第2ノズル構成体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、前記超音速の一次流れ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。   Furthermore, the supersonic primary flow and the supersonic secondary flow are adjusted by adjusting the ratio of the supply flow rate of the working gas supplied into the first inner gas passage and the first outer gas passage, respectively. The position of the boundary portion of the flow can be moved closer to and away from the axis of the second nozzle structure. Thereby, the expansion ratio of the supersonic primary flow can be set to an expansion ratio corresponding to the pressure of the working gas.

本発明の第2の特徴は、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の特徴からなるコールドスプレー用ノズルを用いたことを要旨とする。   The second feature of the present invention is that the working gas having a temperature lower than the melting point of the material powder is jetted toward the surface of the object to be processed as a supersonic flow so that the material powder accompanying the working gas is solid-phased. A gist of the present invention is that a cold spray nozzle having the first feature is used in a cold spray apparatus that forms a film by colliding with the surface of the object to be processed in the state.

第2の特徴によると、第1の特徴による作用と同様の作用を奏する。   According to the 2nd characteristic, there exists an effect | action similar to the effect | action by a 1st characteristic.

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十分かつ確実に回避きるため、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。   According to the present invention, the material powder is less likely to adhere to the inner wall surface of the second gas flow path, and the clogging of the cold spray nozzle can be avoided sufficiently and reliably. The efficiency of the coating film forming process can be improved by minimizing the replacement of the cold spray nozzle.

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。   In addition, since the velocity distribution of the supersonic primary flow at the outlet side of the second gas flow path can be made close to a uniform velocity distribution, variations in the film thickness of the coating, variations in the adhesion strength of the coating, etc. Without it, the quality of the coating can be improved with a high bell.

更に、前記超音速の一次流れ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、前記作動ガスの圧力を変更した場合でも、前記第2ガス流路内において前記超音速の一次流れの作動ガスを適正膨張させて、前記被膜の品質を維持することができる。   Furthermore, since the expansion ratio of the supersonic primary flow can be set to an expansion ratio according to the pressure of the working gas, even when the pressure of the working gas is changed, the supersonic primary flow in the second gas flow path. The quality of the coating can be maintained by properly expanding the flow of working gas.

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。FIG. 1 is a cross-sectional view of a cold spray nozzle according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is a schematic diagram of a cold spray apparatus according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view of the distal end side of the inner tube in the cold spray nozzle according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3B is an enlarged view of an arrow B in FIG. is there. 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。4 (a), 4 (b), and 4 (c) are enlarged cross-sectional views of the distal end side of the inner tube of another aspect in the cold spray nozzle according to the embodiment of the present invention. 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。FIG. 5A is a cross-sectional view of a general cold spray nozzle, and FIG. 5B is a diagram showing a velocity distribution on the outlet side of the second flow path.

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。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

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。   As shown in FIG. 2, the cold spray apparatus 1 according to the embodiment of the present invention injects a working gas having a temperature lower than the melting point of the material powder toward the surface of the workpiece W as supersonic flows F1 and F2. By this, it is an apparatus which forms the film C by making the material powder accompanying the working gas collide with the surface of the workpiece W in the solid state. Here, in the embodiment of the present invention, the material powder is a powder of a metal such as copper aluminum, titanium, silver, nickel, zinc, tin, molybdenum, iron, tartan, niobium, silicon, chromium, or titanium alloy. Nickel-chromium alloy, stainless steel, aluminum alloy, copper alloy and other alloy powders, alumina and other ceramic powders are used, and the working gas is an inert gas such as nitrogen, helium, or argon.

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。   The cold spray device 1 is operated by a device casing 3, a cold spray nozzle 5 detachably provided on a side surface of the device casing 3, and a cold spray nozzle 5 provided inside the device casing 3. And a gas supply unit 7 for supplying gas. The specific configuration of the gas supply unit 7 is as follows.

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。   In the apparatus housing 3, a gas cylinder 9 is provided as a gas supply source for storing a working gas such as high-pressure nitrogen having a pressure of 40 atmospheres or more. Further, one end of a main pipe 11 for circulating a high-pressure working gas is connected to the gas cylinder 9, and one end of a branch pipe 13 for circulating a high-pressure working gas is provided in the middle of the main pipe 11. Is branched. Further, the gas cylinder 9 is connected to one end of a sub pipe 15 for circulating a high-pressure working gas accompanied by the material powder. A powder supply source for supplying the material powder is provided in the middle of the sub pipe 15. A powder feeder 17 is provided.

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。   A valve 19 capable of adjusting the opening degree (opening area) of the main pipe 11 is disposed at one end side (upstream in the supply direction) of the main pipe 11 with respect to the branch part (branch part to the branch pipe 13). . Further, a valve 21 capable of adjusting the opening degree of the main pipe 11 is disposed at the other end side (downstream in the supply direction) of the branch portion in the main pipe 11. Further, a valve 23 for adjusting the opening degree of the branch pipe 13 is arranged in the middle of the branch pipe 13, and a valve 25 for adjusting the opening degree of the sub pipe 15 is arranged in the middle of the sub pipe 15. Has been.

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。   Between the branch portion in the main pipe 11 and the valve 19, a resistance heating heater 27 that heats the working gas to a predetermined low temperature (for example, 400 degrees) lower than the melting point of the material powder is disposed. Between the branch portion in the main pipe 11 and the valve 21, a resistance heating type heater 29 that heats the working gas to a predetermined high temperature (for example, 800 degrees) lower than the melting point of the material powder is disposed. Further, a resistance heating type heater 31 for heating the working gas to a predetermined high temperature is disposed in the middle of the sub-pipe 15.

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。   Then, the specific structure of the nozzle 5 for cold spray which is the principal part of embodiment of this invention is demonstrated.

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。   As shown in FIGS. 1 and 2, a first nozzle structure (nozzle restricting portion) 33 for restricting the flow of the working gas is detachably provided on the side surface of the apparatus housing 3. This first nozzle structure The body 33 is constituted by a double structure of an inner tube 35 and an outer tube 37. In addition, a first inner gas flow path 39 for circulating the working gas accompanied by the material powder is formed inside the inner pipe 35, and the distal end side of the first inner gas flow path 39 is in the distal direction. The diameter is reduced toward. Further, the first inner gas flow path 39 is connected to the other end of the main pipe 11 and the other end of the sub pipe 15, and the first inner gas flow path 39 is heated to a predetermined high temperature and is made of a material. A working gas accompanied by powder is supplied.

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。   Between the outer peripheral surface of the inner tube 35 and the inner peripheral surface of the outer tube 37, an annular first outer gas channel 41 for allowing only working gas to flow is formed. The distal end side is reduced in diameter toward the distal end direction. The first outer gas channel 41 is connected to the other end of the branch pipe 13 so that the working gas heated to a predetermined low temperature is supplied into the first outer gas channel 41. It has become.

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。   A second nozzle configuration body (nozzle expansion portion) 43 that inflates and injects the working gas is integrally provided at the tip of the outer tube 37, and inside the second nozzle configuration body 43, A second gas flow path 45 for flowing the working gas is formed. The second gas flow path 45 communicates with the first inner gas flow path 39 and the first outer gas flow path 41, and the second gas flow path 45 is formed from within the first inner gas flow path 39. As the supersonic primary flow (primary supersonic flow) F1, the working gas flows in from the first outer gas passage 41 as an annular supersonic secondary flow (secondary supersonic flow) F2. Yes.

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、各内突起47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たり、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。   As shown in FIGS. 3A and 3B, a plurality of inner protrusions 47 protruding radially inward are formed at the distal end of the inner tube 35 at intervals in the circumferential direction. The height is set smaller than the thickness of the boundary layer F1a of the supersonic primary flow F1. A plurality of outer projections 49 projecting radially outward are formed at the distal end of the inner tube 35 at intervals in the circumferential direction, and the height of each inner projection 47 is a supersonic secondary flow F2. Is set smaller than the thickness of the boundary layer F2a. Instead of forming a plurality of inner projections 47 and a plurality of outer projections 49 at the tip of the inner tube 35, only the plurality of inner projections 47 or a plurality of outer projections as shown in FIGS. Only 49 may be formed, or a plurality of axial protrusions 51 protruding in the axial direction of the inner tube 35 may be formed at the tip of the inner tube 35 as shown in FIG. .

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。   Then, the effect | action and effect of embodiment of this invention are demonstrated.

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。   The opening degree of the main pipe 11 is adjusted by the valves 19 and 21, and high-pressure working gas is passed (circulated) from the gas cylinder 9 through the valve 19, the heater 27, the valve 21, and the heater 29, and the sub pipe 15 The high pressure working gas heated to a predetermined high temperature is entrained by passing the high pressure working gas from the gas cylinder 9 through the valve 25, the heater 31, and the powder supplier 17 by adjusting the opening degree of the gas. Thus, a high-pressure working gas is supplied into the first inner gas passage 39. In addition to adjusting the opening degree of the main pipe 11 with the valve 19, the opening degree of the branch pipe 13 is adjusted with the valve 23, and high-pressure working gas is passed from the gas cylinder 9 through the valve 19, the heater 27, and the valve 23. By doing so, a high-pressure working gas heated to a predetermined low temperature is supplied into the first outer gas channel 41. Then, the flow of the working gas is throttled by the first nozzle structure 33, the working gas is accelerated to supersonic speed, and the first outer gas flow path 41 is formed as the supersonic primary flow F1 from the first inner gas flow path 39. It flows into the second gas flow path 45 from the inside as an annular supersonic secondary flow F2. Subsequently, the working gas of the supersonic primary flow F1 and the working gas of the supersonic secondary flow F2 are expanded (expanded / accelerated) by the second nozzle structure 43, respectively, from the tip of the second nozzle structure 43. Sprayed toward the surface of the workpiece W. Thereby, the coating material C can be formed by colliding the material powder accompanying the working gas with the surface of the workpiece W in the solid state.

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。   Here, in the second gas flow path 45, the supersonic secondary flow F2 surrounds the supersonic primary flow F1, and the boundary between the supersonic primary flow F1 and the supersonic secondary flow F2. Has a parallel portion 53p parallel to the axis of the second nozzle structure 43 (the axis of the cold spray nozzle 5) in the vicinity of the outlet, and has a shape approximating the outer shape of the rocket nozzle and the working gas. The aerodynamic nozzle 53 that can be ejected as the supersonic primary flow F1 can be partitioned (formed). Further, by forming a plurality of inner protrusions 47 and a plurality of outer protrusions 49 at the tip of the inner tube 35, as shown in FIG. 3B, a supersonic primary flow F1 and a supersonic secondary flow F2 are obtained. A vertical vortex 55 as a three-dimensional turbulence is generated in the shear layer S between the two and the two-dimensional vortex (two-dimensional large-scale vortex) 57 generated in the shear layer S is suppressed ( (Refer to Japanese Patent No. 4211298), the mixing of the supersonic primary flow F1 and the supersonic secondary flow F2 can be sufficiently suppressed to stably maintain the shape of the aerodynamic nozzle 53. it can. This makes it difficult for the material powder to adhere to the inner wall surface of the second gas flow path 45, thereby preventing the cold spray nozzle 5 from being blocked. As shown in FIG. 1, as shown in FIG. The velocity distribution D of the supersonic primary flow F1 on the outlet side (cross section on the outlet side) can be made closer to a uniform velocity distribution.

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。   In particular, since the temperature of the working gas supplied into the first outer gas passage 41 is set sufficiently lower than the temperature of the working gas supplied into the first inner gas passage 39, the supersonic speed is increased. The entire inner wall surface of the second gas flow path 45 can be cooled (film cooling) by the working gas of the secondary flow F2. Thereby, it becomes difficult for material powder to adhere to the inner wall surface of the 2nd gas flow path 45, and obstruction | occlusion of the nozzle 5 for cold spray can be avoided sufficiently and reliably.

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。   Furthermore, the supersonic primary flow F1 and the supersonic secondary flow are adjusted by adjusting the ratio of the supply flow rate of the working gas supplied into the first inner gas passage 39 and the first outer gas passage 41, respectively. The position of the boundary portion of F2 can be moved closer to and away from the axis of the second nozzle structure 43. Thereby, the expansion ratio of the supersonic primary flow F1 can be set to the expansion ratio according to the pressure of the working gas. Note that the expansion ratio of the supersonic primary flow F1 refers to the crossing of the tip (throat portion) of the first inner gas flow path 39 with respect to the cross sectional area Ao of the supersonic primary flow F1 on the outlet side of the second gas flow path 45. It is the ratio of area Ai (Ao / Ai).

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。   Therefore, according to the embodiment of the present invention, the material powder is less likely to adhere to the inner wall surface of the second gas flow path 45 and the clogging of the cold spray nozzle 5 can be avoided sufficiently and reliably. During the forming process, it is possible to improve the efficiency of the forming process of the coating C by minimizing the replacement of the cold spray nozzle 5.

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。   In addition, since the velocity distribution D of the supersonic primary flow F1 on the outlet side of the second gas flow channel 45 can be made to be close to a uniform velocity distribution, variations in the film thickness of the coating C, variations in the adhesion strength of the coating C, and the like. The quality of the film C can be improved with a high bell.

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。   Furthermore, since the expansion ratio of the supersonic primary flow F1 can be set to an expansion ratio according to the pressure of the working gas, the supersonic primary flow F1 in the second gas flow path 45 even when the pressure of the working gas is changed. The quality of the coating C can be maintained by appropriately expanding the working gas.

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。   In addition, this invention is not restricted to description of the above-mentioned embodiment, It can implement in a various aspect by making an appropriate change. Further, the scope of rights encompassed by the present invention is not limited to these embodiments.

W 被処理物
C 被膜
F1 超音速の一次流
F1a 超音速の一次流の境界層
F2 超音速の二次流
F2a 超音速の二次流の境界層
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
55 縦渦
57 2次元的な渦(2次元大規模渦)
W Workpiece C Coating F1 Supersonic primary flow F1a Supersonic primary flow boundary layer F2 Supersonic secondary flow F2a Supersonic secondary flow boundary layer S Shear layer 1 Cold spray device 3 Device casing 5 Nozzle for cold spray 7 Gas supply unit 9 Gas cylinder 11 Main pipe 13 Branch pipe 15 Sub pipe 17 Powder feeder 19 Valve 21 Valve 23 Valve 25 Valve 27 Heater 29 Heater 31 Heater 33 First nozzle structure 35 Inner pipe 37 Outer pipe 39 First inner gas channel 41 First outer gas channel 43 Second nozzle structure 45 Second gas channel 47 Inner projection 49 Outer projection 51 Axial projection 53 Aerodynamic nozzle 53p Parallel portion 55 Vertical vortex 57 Two-dimensional vortex (Two-dimensional large-scale vortex)

Claims (6)

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、
前記内管の先端に突起が形成されていることを特徴とするコールドスプレー用ノズル。
By injecting the working gas having a temperature lower than the melting point of the material powder toward the surface of the object to be processed as a supersonic flow, the material powder accompanying the working gas remains in a solid state and remains in the solid state. In a cold spray nozzle used in a cold spray device that forms a film by colliding with the surface,
A first inner gas flow path configured to circulate the working gas accompanied by the material powder is formed inside the inner pipe, the inner pipe and the outer pipe having a double structure; An annular first outer gas passage for allowing only the working gas to flow between the inner peripheral surfaces of the outer pipe, and a first nozzle structure for restricting the flow of the working gas;
A second gas flow path is formed concentrically at the distal end of the outer pipe, and communicates with the first inner gas flow path and the first outer gas flow path and circulates the working gas inside; A second nozzle structure for inflating and injecting the working gas,
A nozzle for cold spraying, wherein a projection is formed at the tip of the inner tube.
前記第1インナーガス流路の少なくとも先端側は、先端方向に向かって縮径してあって、前記第1アウターガス流路の少なくとも先端側は、先端方向に向かって縮径してあること特徴とする請求項1に記載のコールドスプレー用ノズル。   At least the front end side of the first inner gas flow path is reduced in diameter toward the front end direction, and at least the front end side of the first outer gas flow path is reduced in diameter toward the front end direction. The nozzle for cold spray according to claim 1. 前記突起が前記内管の径方向内側へ突出していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のコールドスプレー用ノズル。   The nozzle for cold spray according to claim 1 or 2, wherein the protrusion protrudes radially inward of the inner pipe. 前記突起が前記内管の径方向外側へ突出していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のコールドスプレー用ノズル。   The cold spray nozzle according to claim 1, wherein the protrusion protrudes radially outward of the inner tube. 前記突起が前記内管の軸方向へ突出していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のコールドスプレー用ノズル。   The nozzle for cold spray according to claim 1 or 2, wherein the protrusion protrudes in an axial direction of the inner tube. 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5のうちのいずれかの請求項に記載のコールドスプレー用ノズルを用いたことを特徴とするコールドスプレー装置。
By injecting the working gas having a temperature lower than the melting point of the material powder toward the surface of the object to be processed as a supersonic flow, the material powder accompanying the working gas remains in a solid state and remains in the solid state. In a cold spray device that forms a film by colliding with the surface,
A cold spray device using the cold spray nozzle according to any one of claims 1 to 5.
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