JP2017025385A - Cold spray device, and coating sheet forming method using the device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コールドスプレー装置およびこれを用いた被膜形成方法に関する。 The present invention relates to a cold spray apparatus and a film forming method using the same.
基材へ被膜を形成する装置として、材料粉末を作動ガスによりノズルから噴射し、固相状態のまま基材に衝突・付着させることができるコールドスプレー装置が知られている（特許文献１〜３）。コールドスプレー装置を用いて、被膜を形成させた場合、材料粉末をその融点以上の高温に加熱する必要がない。そのため、加熱に起因する酸化や相変態などを防止することができ、意図した性質を有する被膜を形成させることができる。 As an apparatus for forming a coating film on a base material, a cold spray apparatus is known in which material powder is sprayed from a nozzle with a working gas and can collide and adhere to the base material in a solid state (Patent Documents 1 to 3). ). When a film is formed using a cold spray device, it is not necessary to heat the material powder to a temperature higher than its melting point. Therefore, oxidation and phase transformation caused by heating can be prevented, and a film having intended properties can be formed.
しかしながら、コールドスプレー装置による被膜形成に使用することのできる材料粉末の種類はごく限られたものである。例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）などのような材料粉末同士を凝集させることが困難な材料粉末を使用した場合、単なる圧粉体となってしまったり、高い緻密性を有する被膜を形成することができなかった。また、マグネシウムやアルミニウムなどのような酸化されやすい材料粉末を使用した場合、被膜形成前の保管期間や噴射中に一部酸化を受けてしまい、被膜表面の美観性や被膜の強度を低下させてしまっていた。さらに、酸化ジルコニウムなどの吸湿性の高い材料粉末を使用した場合、被膜形成前の保管期間などに周囲の水分を吸収し、これを用いて形成した被膜の強度を低下させてしまっていた。 However, the types of material powders that can be used for forming a film by a cold spray apparatus are very limited. For example, when a material powder such as aluminum oxide (alumina) that is difficult to agglomerate between material powders can be used, it can be a simple green compact or a highly dense coating can be formed. There wasn't. Also, when using easily oxidized material powders such as magnesium and aluminum, it may be partially oxidized during the storage period and spraying before forming the film, reducing the aesthetics of the film surface and the strength of the film. I was sorry. Further, when a material powder having high hygroscopicity such as zirconium oxide is used, surrounding moisture is absorbed during a storage period before the film is formed, and the strength of the film formed using this is reduced.
ここで、特許文献４において減圧プラズマ溶射による被膜形成方法が提案されているが、該方法は、減圧条件下など、条件を非常に制限されるものであり、工業的に非効率であり、また、高いコストを要する。 Here, in Patent Document 4, a film forming method by low pressure plasma spraying has been proposed, but this method is extremely limited in terms of conditions such as reduced pressure, and is industrially inefficient, High cost.
本実施形態は、上記問題に鑑みてなされたものであり、材料粉末同士を凝集させることが困難な材料粉末、酸化されやすい材料粉末（表面が一部酸化された材料粉末を含む）や吸湿性の高い材料粉末を使用した場合であっても、材料粉末表面をクリーニングすることができ、かつ高い緻密性および強度を有する被膜を形成することができるコールドスプレー装置およびこれを用いた被膜形成方法を提供するものである。また、大気中において使用することができ、効率よく、かつ低コストで被膜を形成することができるコールドスプレー装置およびこれを用いた被膜形成方法を提供するものである。 The present embodiment has been made in view of the above problems, and it is difficult to agglomerate material powders, material powders that are easily oxidized (including material powders whose surfaces are partially oxidized), and hygroscopicity. A cold spray apparatus capable of cleaning the surface of a material powder and forming a film having high density and strength even when a material powder having a high density is used, and a film forming method using the same It is to provide. The present invention also provides a cold spray apparatus that can be used in the atmosphere, can form a film efficiently and at low cost, and a film forming method using the same.
実施形態によるコールドスプレー装置は、大気中において、材料粉末を作動ガスによってノズルから噴射し、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であって、ノズルから材料粉末が噴射された後から、基材に衝突する直後までの間に、材料粉末に対し、エネルギーを付与する機構を備えてなることを特徴とするものである。 The cold spray device according to the embodiment is a cold spray device that sprays material powder from a nozzle with a working gas and forms a film by colliding with a substrate in the atmosphere, and after the material powder is sprayed from the nozzle A mechanism for imparting energy to the material powder is provided immediately before the base material collides with the base material.
実施形態による被膜形成方法は、上記コールドスプレー装置を用いた被膜形成方法であって、ノズルから作動ガスによって粉末粒子を噴射する工程と、噴射させた前記粉末粒子に対し、エネルギー付与機構を使用して、エネルギーを付与する工程と、を含んでなることを特徴とするものである。 A film forming method according to an embodiment is a film forming method using the cold spray device, wherein a step of injecting powder particles with a working gas from a nozzle and an energy application mechanism are used for the injected powder particles. And a step of applying energy.
本実施形態によれば、材料粉末同士を凝集させることが困難な材料粉末を使用した場合であっても、高い緻密性を有する被膜を形成することができる。また、酸化されやすい材料粉末（表面が一部酸化された材料粉末を含む）を使用した場合であっても、材料粉末表面の酸化物を除去することによりクリーニングでき、高い美観性および緻密性を有する被膜を形成することができる。また、吸湿性の高い材料粉末を使用した場合であっても、剥離することなく、十分な強度を有する被膜を形成することができる。また、大気中において使用することができるため、高効率かつ低コストで被膜を形成することができる。 According to this embodiment, even if it is a case where material powder which is difficult to aggregate material powder is used, the film which has high denseness can be formed. In addition, even when using material powders that are easily oxidized (including material powders with partially oxidized surfaces), they can be cleaned by removing the oxides on the surface of the material powder, resulting in high aesthetics and compactness. The film which has can be formed. Further, even when a material powder having high hygroscopicity is used, a film having sufficient strength can be formed without peeling. Moreover, since it can be used in air | atmosphere, a film can be formed with high efficiency and low cost.
（コールドスプレー装置）
実施形態によるコールドスプレー装置１００は、大気中において、材料粉末を作動ガスによりノズルから噴射し、基材に衝突させることにより、被膜を形成するコールドスプレー装置である。そして、ノズルから噴射された材料粉末に対し、基材に衝突する直後までに、レーザー照射などによってエネルギーを付与する機構１０（以下「エネルギー付与機構」ということがある。）を備えてなることを特徴とする（図１参照）。また、エネルギー付与機構は、レーザービームを、コールドスプレーから噴射される作動ガスのガス流に照射するものに限定されず（図１参照）、例えば基材と略平行にシートレーザーを照射することにより、エネルギー照射領域に材料粉末を通過させることにより行われてもよい（図２参照）。
(Cold spray device)
The cold spray device 100 according to the embodiment is a cold spray device that forms a film by jetting a material powder from a nozzle with a working gas and colliding with a substrate in the atmosphere. And it is provided with the mechanism 10 (henceforth "energy provision mechanism") which provides energy by laser irradiation etc. immediately after it collides with a base material with respect to the material powder injected from the nozzle. Features (see FIG. 1). Further, the energy imparting mechanism is not limited to the one that irradiates the laser beam to the gas flow of the working gas ejected from the cold spray (see FIG. 1), for example, by irradiating the sheet laser substantially parallel to the substrate. The material powder may be passed through the energy irradiation region (see FIG. 2).
ノズルから噴射後、基材に衝突する直後までの間に、材料粉末に対し、エネルギーを付与することにより、固相状態にある材料粉末の原子の振動をより活発にすることができる。このため、原子同士、材料粉末同士の凝集力を向上させることができる。また、材料粉末表面の汚染物や酸化物を除去することができる。さらに、材料粉末にエネルギーを付与することにより、融点以下ではあるが、材料粉末を加熱することができ、材料粉末の含水量を低下させることができる。これらの効果が相乗的に働き、高い美観性および緻密性を有する被膜が得られる。 By applying energy to the material powder immediately after it is ejected from the nozzle until it collides with the substrate, the vibration of the atoms of the material powder in the solid phase can be made more active. For this reason, the cohesive force of atoms and material powder can be improved. Further, contaminants and oxides on the surface of the material powder can be removed. Furthermore, by applying energy to the material powder, the material powder can be heated and the water content of the material powder can be reduced although it is below the melting point. These effects work synergistically to obtain a film having high aesthetics and denseness.
一実施形態において、材料粉末へのエネルギーの付与は、ノズルから噴射後から、基材に衝突する直後までの間に行われればよい。しかしながら、基材に衝突する直前から、基材に衝突する直後までの間に、エネルギーの付与を行うことにより、クリーニングした材料粉末表面が、大気中を移動している間に、再度酸化されてしてしまったり、材料粉末表面に汚染物が付着してしまったりすることを防止することができるため、より好ましい。具体的には、材料粉末が基材に衝突する直前１ミリ秒〜基材に衝突直後１ミリ秒の間に行われることが好ましく、基材に衝突する直前１００ナノ秒〜基材に衝突直後１００ナノ秒の間に行われることがより好ましい。また、基材との距離が、１０ｍｍ以下の時点で行われることが好ましく、５ｍｍ以下の時点で行われることがより好ましい。 In one embodiment, the application of energy to the material powder may be performed after the injection from the nozzle and immediately after the collision with the substrate. However, by applying energy between immediately before impacting the substrate and immediately after impacting the substrate, the cleaned material powder surface is oxidized again while moving in the atmosphere. It is more preferable because it is possible to prevent the contaminants from adhering to the surface of the material powder. Specifically, it is preferably performed within 1 millisecond immediately before the material powder collides with the base material to 1 millisecond immediately after the collision with the base material, and 100 nanoseconds immediately before the base material collides with the base material. More preferably, it is performed during 100 nanoseconds. Moreover, it is preferable to perform when the distance with a base material is 10 mm or less, and it is more preferable to perform when 5 mm or less.
また、粉末材料へのエネルギー付与時間は、噴射される材料粉末の平均一次粒子径および平均二次粒子径、粉末材料の流速ならびに使用するエネルギー付与機構の種類などに応じ、適宜変更することが好ましいが、例えば、１０ナノ秒以上であることが好ましく、２０ナノ秒〜１００ナノ秒であることがより好ましい。 The energy application time to the powder material is preferably changed as appropriate according to the average primary particle diameter and average secondary particle diameter of the material powder to be injected, the flow rate of the powder material, the type of energy application mechanism used, and the like. However, it is preferably 10 nanoseconds or more, and more preferably 20 nanoseconds to 100 nanoseconds.
また、単位面積あたりの材料粉末へのエネルギー付与量は、１０Ｗ〜５００Ｗであることが好ましく、２０Ｗ〜１００Ｗであることがより好ましい。 The amount of energy applied to the material powder per unit area is preferably 10 W to 500 W, and more preferably 20 W to 100 W.
また、実施形態によるコールドスプレー装置１００は、粉末供給部１１、スプレーガン本体１２、ノズル１３、コンプレッサー１４および加熱ヒーター１５など、従来コールドスプレー装置が備える各種機構を備えてなることができる（図１参照）。また、実施形態によるコールドスプレー装置１００は、材料粉末と、基材との衝突部を観察できる機構（以下、「観察機構」という）やレーザーなどの照射位置を調節する、即ち、エネルギー付与領域を調節する機構（以下、「エネルギー付与領域調節機構」という）を備えていてもよい（図示せず）。また、実施形態によるコールドスプレー装置１００は、衝突部の位置情報に基づいて、エネルギー付与領域を調節する程度を算出し、エネルギー付与領域調節機構を制御する機構（以下、「制御機構」という）を備えていてもよい（図示せず）。 Further, the cold spray device 100 according to the embodiment may include various mechanisms that are conventionally provided in the cold spray device, such as a powder supply unit 11, a spray gun body 12, a nozzle 13, a compressor 14, and a heater 15 (FIG. 1). reference). Further, the cold spray device 100 according to the embodiment adjusts the irradiation position of a mechanism (hereinafter referred to as “observation mechanism”) that can observe the collision portion between the material powder and the base material, or a laser, that is, an energy application region. A mechanism for adjusting (hereinafter referred to as “energy applying region adjusting mechanism”) may be provided (not shown). In addition, the cold spray device 100 according to the embodiment calculates a degree of adjusting the energy application region based on the position information of the collision unit, and controls a mechanism (hereinafter referred to as “control mechanism”) that controls the energy application region adjustment mechanism. It may be provided (not shown).
（コールドスプレー装置の動作）
まず、粉末供給部１１へ材料粉末を投入する。この材料粉末は、粉末供給ガスにより、ノズル１３へ供給される。次いで、コンプレッサー１４において圧縮され、加熱ヒーター１５において予備加熱された作動ガスとともに、ノズル１３に供給された材料粉末は、ノズル１３から噴射される。この作動ガスは、ノズル１３を通過させることにより、超音速に加速させることができる。そして、噴射された材料粉末に対し、エネルギー付与機構１０を使用してエネルギーを付与する。エネルギーが付与された材料粉末は、作動ガスにより、基材１６へ衝突し、被膜を形成する。
(Cold spray device operation)
First, the material powder is charged into the powder supply unit 11. This material powder is supplied to the nozzle 13 by a powder supply gas. Next, the material powder supplied to the nozzle 13 together with the working gas compressed in the compressor 14 and preheated in the heater 15 is jetted from the nozzle 13. This working gas can be accelerated to supersonic speed by passing through the nozzle 13. And energy is provided with respect to the injected material powder using the energy provision mechanism 10. The material powder to which energy is applied collides with the base material 16 by the working gas and forms a film.
形成される被膜の厚さは、被膜の使用用途などに応じ適宜変更することができる。例えば、被膜の厚さを５０μｍ〜２００μｍとすることができる。また、実施形態によるコールドスプレー装置によれば、材料粉末に対し、十分なエネルギーを付与することができるため、従来のコールドスプレー装置では、形成が困難であった１００μｍ以上の厚さを有する被膜を形成することも可能である。 The thickness of the coating film to be formed can be appropriately changed according to the intended use of the coating film. For example, the thickness of the coating can be 50 μm to 200 μm. In addition, according to the cold spray device according to the embodiment, sufficient energy can be imparted to the material powder. Therefore, a coating having a thickness of 100 μm or more, which has been difficult to form with the conventional cold spray device, is provided. It is also possible to form.
形成する被膜の使用用途としては、例えば、ガスタービンや蒸気タービンなどにおける耐熱膜や、水力発電などにおいて使用される水車の耐土砂摩耗・耐キャビテーション被膜などが挙げられる。 Examples of usages of the coating film to be formed include a heat-resistant film in a gas turbine, a steam turbine, and the like, and a soil and sand wear / cavitation-resistant film of a water turbine used in hydroelectric power generation.
ノズル先端から基材までの距離は、材料粉末の噴射速度などを考慮し、適宜変更することが好ましいが、例えば、０．５ｃｍ〜２ｃｍとすることができる。 The distance from the nozzle tip to the substrate is preferably changed as appropriate in consideration of the injection speed of the material powder, and can be set to 0.5 cm to 2 cm, for example.
（エネルギー付与機構）
第１の実施形態によるエネルギー付与機構は、図１に示すように、パルスレーザー照射装置１０である。パルスレーザー照射装置より照射されるパルスレーザー光は、材料粉末表面のクリーニング効果が極めて高く、また、材料粉末に高いエネルギーを付与することができるため、本実施形態は、特に好ましい。
(Energy grant mechanism)
The energy application mechanism according to the first embodiment is a pulse laser irradiation apparatus 10 as shown in FIG. This embodiment is particularly preferable because the pulsed laser light emitted from the pulsed laser irradiation device has a very high cleaning effect on the surface of the material powder and can impart high energy to the material powder.
一実施形態において、パルスレーザー照射装置１０は、ＹＡＧレーザー発振器などのレーザー発振器１７、光ファイバ１８および光学ヘッド１９を備えてなる。 In one embodiment, the pulse laser irradiation apparatus 10 includes a laser oscillator 17 such as a YAG laser oscillator, an optical fiber 18, and an optical head 19.
パルスレーザー照射装置から照射されるパルスレーザー光のパルス幅は、５０ｎｓ以下であることが好ましい。パルス幅が５０ｎｓ以下であることにより、材料粉末および基材を過度に加熱することなく、材料粉末にエネルギーを付与することができ、また、材料粉末表面の汚染物や、酸化物を除去することができ、良好な被膜を形成させることができる。より好ましくは、パルス幅は、２０ｎｓ〜４０ｎｓである。 The pulse width of the pulse laser beam emitted from the pulse laser irradiation device is preferably 50 ns or less. When the pulse width is 50 ns or less, energy can be imparted to the material powder without excessively heating the material powder and the base material, and contaminants and oxides on the surface of the material powder can be removed. And a good film can be formed. More preferably, the pulse width is 20 ns to 40 ns.
また、パルスレーザー照射装置の出力は、１０〜１ｋＷであることが好ましく、２０〜１００Ｗであることがより好ましい。また、発振周波数は、１０〜５００ｋＨｚであることが好ましく、５０〜２００ｋＨｚであることがより好ましい。 Moreover, it is preferable that it is 10-1 kW, and, as for the output of a pulse laser irradiation apparatus, it is more preferable that it is 20-100W. Further, the oscillation frequency is preferably 10 to 500 kHz, and more preferably 50 to 200 kHz.
パルスレーザー光の光束径は、材料粉末の一次平均粒子径および二次平均粒子径などに応じ、適宜調整すべきであり、特に限定されるものではないが、０．０１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。 The beam diameter of the pulse laser beam should be appropriately adjusted according to the primary average particle diameter and secondary average particle diameter of the material powder, and is not particularly limited, but is 0.01 mm to 8 mm. Preferably, it is 0.1 mm-5 mm.
パルスレーザー光の波長は、２００ｎｍ〜３５００ｎｍであることが好ましく、５００ｎｍ〜１５００ｎｍであることがより好ましい。 The wavelength of the pulsed laser beam is preferably 200 nm to 3500 nm, and more preferably 500 nm to 1500 nm.
パルスレーザー照射装置としては、従来公知のものを使用することができ、例えば、東成エレクトロンビーム株式会社製、商品名：イレーザーなどを使用することができる。 As the pulse laser irradiation apparatus, a conventionally known apparatus can be used. For example, trade name: Eraser manufactured by Tosei Electron Beam Co., Ltd. can be used.
第２の実施形態によるエネルギー付与機構は、図３に示すように、真空中で発生した電子ビームを透過膜を通してスプレー雰囲気中に取り出す、電子ビーム照射装置である。電子ビームは、形成させる被膜の光学的影響を受けにくく、安定してエネルギーを付与できるため好ましい。 As shown in FIG. 3, the energy application mechanism according to the second embodiment is an electron beam irradiation apparatus that takes out an electron beam generated in a vacuum into a spray atmosphere through a transmission film. An electron beam is preferable because it is not easily affected by the optical effect of the film to be formed and can stably apply energy.
一実施形態において、電子ビーム照射装置２０は、ＥＢガン２１、ケーブル２２およびＥＢ電源２３を備えてなる。 In one embodiment, the electron beam irradiation apparatus 20 includes an EB gun 21, a cable 22, and an EB power source 23.
電子ビームの径は、材料粉末の一次平均粒子径および二次平均粒子径などに応じ、適宜変更することが好ましく、特に限定されるものではないが、一般に０．０１ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜１ｍｍであることがより好ましい。 The diameter of the electron beam is preferably appropriately changed according to the primary average particle diameter and secondary average particle diameter of the material powder, and is not particularly limited, but is generally preferably 0.01 mm to 5 mm. More preferably, the thickness is 0.1 mm to 1 mm.
電子ビームの加速電圧は、１０〜４００ｋＶであることが好ましく、２０〜１００ｋＶであることがより好ましい。 The acceleration voltage of the electron beam is preferably 10 to 400 kV, and more preferably 20 to 100 kV.
電子ビーム照射装置としては、従来公知のものを使用することができ、例えば、ウシオ電機株式会社製、商品名：Ｍｉｎ−ＥＢなどを使用することができる。 A conventionally well-known thing can be used as an electron beam irradiation apparatus, for example, Ushio Electric Co., Ltd. make, brand name: Min-EB etc. can be used.
第３の実施形態によるエネルギー付与機構は、図４に示すように、プラズマ発生装置である。一実施形態において、プラズマ発生装置２４は、プラズマトーチ２５、ガス供給装置２６、ケーブル２７、電源２８および電源ケーブル２９を備えてなる。 The energy application mechanism according to the third embodiment is a plasma generator as shown in FIG. In one embodiment, the plasma generator 24 includes a plasma torch 25, a gas supply device 26, a cable 27, a power supply 28, and a power supply cable 29.
ガス供給装置からプラズマトーチへは、プラズマ化したガスが供給される。そのガスの温度は、使用する材料粉末および基材の融点などに応じ適宜変更することが望ましいが、一般に、５０〜５００℃であることが好ましく、５０〜２００℃であることがより好ましい。ガス温度を上記数値範囲内とすることにより、材料粉末の溶融を防止しつつ、被膜形成時における材料粉末の吸湿を抑制することができる。また、使用するプラズマは、非平衡プラズマであることが好ましい。 Plasma gas is supplied from the gas supply device to the plasma torch. The temperature of the gas is preferably appropriately changed according to the material powder to be used and the melting point of the base material, but is generally preferably 50 to 500 ° C, more preferably 50 to 200 ° C. By setting the gas temperature within the above numerical range, moisture absorption of the material powder during film formation can be suppressed while preventing melting of the material powder. The plasma used is preferably non-equilibrium plasma.
プラズマ化するガスは、特に限定されるものではないが、水素、アルゴン、ヘリウム、および窒素などが挙げられる。これらの中でも、高密度の水素ラジカルを発生する水素を用いた場合、材料粉末表面のクリーニング効果が高いため好ましい。また、プラズマ放電の原理としては、大気圧グロー放電や誘電体バリヤ放電を利用することができる。 The gas to be converted into plasma is not particularly limited, and examples thereof include hydrogen, argon, helium, and nitrogen. Among these, when hydrogen that generates high-density hydrogen radicals is used, it is preferable because the cleaning effect on the surface of the material powder is high. As the principle of plasma discharge, atmospheric pressure glow discharge or dielectric barrier discharge can be used.
照射されるプラズマの熱流束幅は、材料粉末の一次平均粒子径および二次平均粒子径などに応じ、適宜調整することが好ましい。具体的には、特に限定されるものではないが、０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、０．５ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。 It is preferable to appropriately adjust the heat flux width of the irradiated plasma according to the primary average particle diameter and secondary average particle diameter of the material powder. Specifically, although not particularly limited, it is preferably 0.1 mm to 10 mm, and more preferably 0.5 mm to 5 mm.
（粉末供給部）
上記したように、粉末供給部には、粉末供給ガスと共に、材料粉末が投入される。粉末供給部に投入される材料粉末の種類は、目的とする被膜に応じて選択され、例えば酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化チタン、酸化タングステン、酸化クロム、酸化ガリウム、酸化ニッケル、酸化マグネシウムおよびムライトなどのセラミックス材料やニッケル、コバルト、鉄、クロム、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、チタン、銅、イットリウムおよびこれらの合金などの金属材料を挙げることができる。実施形態によれば、従来コールドスプレーによって被膜を形成することが困難であった、アルミナやそれを含む金属材料なでを用いて被膜を形成することが可能となる。なお、材料粉末として、上記材料を２種以上使用してもよい。
(Powder supply unit)
As described above, the material powder is introduced into the powder supply unit together with the powder supply gas. The type of material powder charged into the powder supply unit is selected according to the target film, for example, zirconium oxide, hafnium oxide, aluminum oxide (alumina), titanium oxide, tungsten oxide, chromium oxide, gallium oxide, nickel oxide. And ceramic materials such as magnesium oxide and mullite, and metal materials such as nickel, cobalt, iron, chromium, aluminum, zinc, zirconium, titanium, copper, yttrium and alloys thereof. According to the embodiment, it is possible to form a film using alumina or a metal material including the metal, which has conventionally been difficult to form a film by cold spray. Two or more of the above materials may be used as the material powder.
材料粉末の平均一次粒子径は、１０ｎｍ以下であることが好ましく、０．１ｎｍ〜５ｎｍであることがより好ましい。材料粉末の平均一次粒子径を上記数値範囲内とすることにより、エネルギー付与による効果を高めることができ、良好な被膜を形成することができる。また、材料粉末の平均二次粒子径は、１μｍ〜１００μｍであることが好ましく、２μｍ〜５０μｍであることがより好ましい。材料粉末の平均二次粒子径を上記数値範囲内とすることにより、噴射時の飛散および基板との衝突による跳ね返りを防止することができ、良好な被膜を形成することができる。なお、本明細書において、また図５に示すように、「一次粒子」は、独立して存在する単一の粒子３０を意味する。また、「二次粒子」は２以上の一次粒子が凝集ないし固着して形成された粒子３１を意味する。平均一次粒子径および平均二次粒子径は、レーザー回折法により測定することができる。レーザー回折による粒子径測定装置は市販されており、任意のものを用いて測定することができる。平均一次粒子径および平均二次粒子径は、例えば、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置ＬＡ−９５０型（株式会社堀場製作所製）を用いて測定することができる。 The average primary particle size of the material powder is preferably 10 nm or less, and more preferably 0.1 nm to 5 nm. By making the average primary particle diameter of the material powder within the above numerical range, the effect of energy application can be enhanced, and a good coating can be formed. Moreover, it is preferable that the average secondary particle diameter of material powder is 1 micrometer-100 micrometers, and it is more preferable that they are 2 micrometers-50 micrometers. By setting the average secondary particle diameter of the material powder within the above numerical range, scattering during injection and rebounding due to collision with the substrate can be prevented, and a good coating can be formed. In the present specification and as shown in FIG. 5, “primary particles” mean single particles 30 that exist independently. The “secondary particle” means a particle 31 formed by aggregation or fixation of two or more primary particles. The average primary particle diameter and the average secondary particle diameter can be measured by a laser diffraction method. Laser particle size measuring devices are commercially available and can be measured using any device. The average primary particle diameter and the average secondary particle diameter can be measured using, for example, a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus LA-950 (manufactured by Horiba, Ltd.).
（ノズル）
ノズルの絞られた流路を、作動ガスおよび材料粉末が通過することにより、これらは超音速にまで加速され、基材に向かってノズル先端から噴射される。ここに示した例ではノズルとして、コールドズプレー装置で広く採用されているラバルノズルを用いている。この材料粉末の流速は、基材上に被膜を形成することができる程度のものであれば、特に限定されるものではないが、通常は、５００ｍ／ｓｅｃ程度である。本発明によれば、噴射された材料粉末に対し、エネルギーを付与することができるため、これより低い流速であっても被膜を形成させることができ、例えば、材料粉末の流速を１００〜３００ｍ／ｓｅｃ程度とすることができる。このようにより低い流速により材料粉末を基材に衝突させることにより、基材からの跳ね返りを防止することができ、被膜形成率を向上させることができる。また、基材との衝突により、基材の変形および材料粉末が粉砕されてしてしまうことを防止することができる。
(nozzle)
As the working gas and the material powder pass through the narrowed flow path of the nozzle, they are accelerated to supersonic speed and injected from the tip of the nozzle toward the substrate. In the example shown here, a Laval nozzle widely used in a cold spray apparatus is used as the nozzle. The flow rate of the material powder is not particularly limited as long as it can form a film on the substrate, but is usually about 500 m / sec. According to the present invention, since energy can be imparted to the injected material powder, a film can be formed even at a lower flow rate than this, for example, the flow rate of the material powder is 100 to 300 m / It can be about sec. By causing the material powder to collide with the base material at a lower flow rate in this way, it is possible to prevent rebound from the base material and improve the film formation rate. Moreover, it is possible to prevent the base material from being deformed and the material powder from being crushed due to the collision with the base material.
（コンプレッサー）
コンプレッサーにおいて、ガスが圧縮され、高圧の作動ガスとなる。作動ガスの種類は、特に限定されず、例えば、圧縮された空気、窒素、アルゴンまたはヘリウムなどを使用することができる。これらの中でも、作動ガスをより高速のガス流とすることができるという観点からは、ヘリウムが好ましく、コストという観点からは、空気が好ましい。一実施形態におけるコールドスプレー装置は、材料粉末に対し、エネルギーを付与する機構を備えてなるため、通常のコールドスプレー装置の場合と比較し、作動ガスの流速を低くしても良好な被膜を形成させることができるため、空気が特に好ましい。
(compressor)
In the compressor, the gas is compressed into a high-pressure working gas. The kind of working gas is not specifically limited, For example, compressed air, nitrogen, argon, helium, etc. can be used. Among these, helium is preferable from the viewpoint that the working gas can be a higher-speed gas flow, and air is preferable from the viewpoint of cost. Since the cold spray device in one embodiment is provided with a mechanism for imparting energy to the material powder, a good film can be formed even if the working gas flow rate is lower than in the case of a normal cold spray device. Air is particularly preferred.
作動ガスの圧力は、作業安全性の観点から１．０ＭＰａ以下であることが好ましい。一方で十分な特性を有する被膜を形成させるためには、高いことが好ましい。具体的には、０．３〜０．７ＭＰａであることがより好ましい。 The pressure of the working gas is preferably 1.0 MPa or less from the viewpoint of work safety. On the other hand, in order to form a film having sufficient characteristics, it is preferably high. Specifically, it is more preferably 0.3 to 0.7 MPa.
（加熱ヒーター）
コンプレッサーにおいて加熱された作動ガスは、加熱ヒーターにおいて加熱される。加熱ヒーターに用いられるヒーターの種類は特に限定されないが、温度調整が容易な、電気抵抗により発熱する電熱ヒーターが好ましい。作動ガスは、材料粉末の融点を考慮して加熱されることが好ましく、一般的には、１００〜８００℃に加熱されることが好ましく、３００〜５５０℃に加熱されることがより好ましい。例えば、材料粉末として、アルミナ（融点：２０７２℃）を使用した場合、作動ガスは、４００〜５５０℃に加熱されることが好ましい。
(Heating heater)
The working gas heated in the compressor is heated in a heater. The type of heater used for the heater is not particularly limited, but an electric heater that easily adjusts the temperature and generates heat by electric resistance is preferable. The working gas is preferably heated in consideration of the melting point of the material powder. In general, the working gas is preferably heated to 100 to 800 ° C, more preferably 300 to 550 ° C. For example, when alumina (melting point: 2072 ° C.) is used as the material powder, the working gas is preferably heated to 400 to 550 ° C.
（観察機構）
観察機構は、材料粉末へのレーザー照射を観察することができるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、ＣＣＤカメラなどを使用することができる。
(Observation mechanism)
The observation mechanism is not particularly limited as long as the laser irradiation to the material powder can be observed, and for example, a CCD camera or the like can be used.
（エネルギー付与領域調節機構）
エネルギー付与領域調節機構は、エネルギーを付与する領域を移動させることができるものであれば、特に限定されず、エネルギー付与機構をスライドさせることのできる装置や、エネルギー付与機構の角度をかえることのできる装置を使用することができる。
(Energy application region adjustment mechanism)
The energy application region adjustment mechanism is not particularly limited as long as it can move the region to which energy is applied, and the device that can slide the energy application mechanism and the angle of the energy application mechanism can be changed. The device can be used.
（制御機構）
基材の表面が平らである場合には、問題とならないことが多いが、その表面が平坦で無く、機材材料そのものに由来する凹凸があったり、表面に加工による模様などが形成されている場合、材料粉末と基材とが衝突する位置のノズルからの距離は、衝突箇所によって異なる場合がある。このとき、粉末粒子がエネルギーを付与されてから基材表面に衝突するまでに時間が変動したり、ガス流に照射されるエネルギー密度が変動したりすることがある。この問題を解消すべく、実施形態によるコールドスプレー装置は、上記観察機構から得られた、基材と材料粉末との衝突位置の情報および実際にエネルギーが付与されている領域の位置情報から、エネルギー付与が最適にはなる位置を算出し、最適なエネルギー付与がなされるように上記エネルギー付与領域調節機構を制御することができる制御機構を備えてなることが好ましい。
(Control mechanism)
When the surface of the base material is flat, it is often not a problem, but the surface is not flat, there are irregularities derived from the equipment material itself, or the surface is patterned by processing etc. The distance from the nozzle where the material powder and the base material collide may differ depending on the collision location. At this time, there are cases where the time varies from when the powder particles are energized to when they collide with the substrate surface, and the energy density irradiated to the gas flow may vary. In order to solve this problem, the cold spray device according to the embodiment uses energy obtained from the observation mechanism based on the information on the collision position between the base material and the material powder and the position information on the region where energy is actually applied. It is preferable to provide a control mechanism capable of calculating a position where the application is optimal and controlling the energy application region adjustment mechanism so that the optimal energy application is performed.
（被膜形成方法）
一実施形態において、被膜形成方法は、上記したコールドスプレー装置を用い、ノズルから作動ガスを用いて粉末粒子を基板表面に噴射する工程と、噴射させた前記粉末粒子に対し、エネルギー付与機構を使用して、エネルギーを付与する工程と、を含んでなる。
(Film formation method)
In one embodiment, the film forming method uses the above-described cold spray device, and uses a nozzle to spray powder particles onto the substrate surface using a working gas, and uses an energy application mechanism for the sprayed powder particles. And applying energy.
また、一実施形態において、被膜形成方法は、材料粉末を粉末供給部に投入する工程と、この材料粉末を粉末供給ガスにより、ノズルへ供給する工程と、および／または作動ガスをコンプレッサーにおいて圧縮する工程と、作動ガスを加熱ヒーターにおいて予備加熱する工程と、を含んでなる。 In one embodiment, the film forming method includes a step of feeding a material powder into a powder supply unit, a step of supplying the material powder to a nozzle by a powder supply gas, and / or compressing a working gas in a compressor. And a step of preheating the working gas in a heater.
（基材）
ここで使用する基材は、特に限定されず、ガラス基材、金属製基材または樹脂製基材などを使用することができる。また、基材の厚さについても、材料粉末の衝突により、変形したりするものでなければ、特に限定されるものではなく、例えば、１〜１０ｍｍのものを使用することができる。また、基材表面は、平らなものあっても、凹凸を有するものであってもよい。さらに、その凹凸は、規則的なものあっても、不規則なものであってもよい。さらに、被膜の形成をより容易とするため、基材表面に対し、ブラスト処理などの表面処理が施されていてもよい。
(Base material)
The substrate used here is not particularly limited, and a glass substrate, a metal substrate, a resin substrate, or the like can be used. Further, the thickness of the base material is not particularly limited as long as it does not deform due to the collision of the material powder, and for example, a thickness of 1 to 10 mm can be used. Further, the substrate surface may be flat or uneven. Further, the irregularities may be regular or irregular. Furthermore, in order to make the formation of the film easier, surface treatment such as blast treatment may be applied to the surface of the base material.
（実施例）
図１に示す、エネルギー付与機構として、パルスレーザー照射装置を備えるコールドスプレー装置を用いて、以下の実施条件において、基材に、被膜を形成させた。
［実施条件］
・材料粉末組成：ジルコニウム酸化物
・材料粉末の平均一次粒子径：５ｎｍ
・材料粉末の平均二次粒子径：１０μｍ
・作動ガス：圧縮空気
・作動ガス温度：４００〜５５０℃
・作動ガス圧力：０．６ＭＰａ
・噴射速度：４００ｍ／ｓｅｃ
・エネルギー付与機構：パルスレーザー照射装置
・パルスレーザー光の波長：１０６２ｎｍ
・パルスレーザー光の繰り返し周波数：５０ｋＨｚ
・パルスレーザーの径：１ｍｍ
・基材材質：ステンレス鋼
・基材形状：５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍ
・ラバルノズル先端−基材間距離：１ｃｍ
(Example)
A coating was formed on the substrate under the following conditions using a cold spray device equipped with a pulse laser irradiation device as the energy application mechanism shown in FIG.
[Conditions]
・ Material powder composition: Zirconium oxide ・ Average primary particle size of material powder: 5 nm
-Average secondary particle size of material powder: 10 μm
-Working gas: Compressed air-Working gas temperature: 400-550 ° C
-Working gas pressure: 0.6 MPa
・ Injection speed: 400m / sec
・ Energy application mechanism: Pulse laser irradiation device ・ Pulse laser light wavelength: 1062 nm
・ Pulse laser light repetition frequency: 50 kHz
・ Pulse laser diameter: 1 mm
-Base material: Stainless steel-Base material shape: 50mm x 50mm x Thickness 5mm
・ Laval nozzle tip-base distance: 1cm
（比較例）
エネルギー付与機構を備えないコールドスプレー装置を使用した以外は、実施例と同様にして、基材に被膜を形成させた。
(Comparative example)
A coating film was formed on the substrate in the same manner as in the example except that a cold spray device without an energy application mechanism was used.
＜付着率試験＞
下記式から、実施例および比較例における付着率を算出した。結果を表に表す。
付着率（％）＝（基材に付着した材料粉末の量／使用した材料粉末の量）×１００
<Adhesion rate test>
From the following formula, the adhesion rate in Examples and Comparative Examples was calculated. Results are presented in a table.
Adhesion rate (%) = (Amount of material powder adhering to substrate / Amount of material powder used) × 100
＜気孔率試験＞
皮膜の断面組織を走査型電子顕微鏡をもちいて１００倍の倍率で写真撮影し、この写真から画像処理によって気孔や欠陥を分離し、面積比から気孔率を求めた。
<Porosity test>
The cross-sectional structure of the film was photographed at a magnification of 100 times using a scanning electron microscope, pores and defects were separated from the photograph by image processing, and the porosity was determined from the area ratio.
＜耐久性試験＞
室温から１０００℃まで加熱した後、室温まで冷却し、サンプルの外観観察から皮膜剥離が生じるサイクル数を測定した。
<Durability test>
After heating from room temperature to 1000 ° C., it was cooled to room temperature, and the number of cycles at which film peeling occurred was measured from appearance observation of the sample.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１０ エネルギー付与機構（パルスレーザー照射装置）
１１ 粉末供給部
１２ スプレーガン本体
１３ ラバルノズル
１４ コンプレッサー
１５ 加熱ヒーター
１６ 基材
１７ レーザー発振器
１８ 光ファイバ
１９ 光学ヘッド
２０ 電子ビーム照射装置
２１ ＥＢガン
２２ ケーブル
２３ ＥＢ電源
２４ プラズマ発生装置
２５ プラズマトーチ
２６ ガス供給装置
２７ ケーブル
２８ 電源
２９ 電源ケーブル
３０ 材料粉末の一次粒子
３１ 材料粉末の二次粒子
１００ コールドスプレー装置
10 Energy application mechanism (pulse laser irradiation device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Powder supply part 12 Spray gun main body 13 Laval nozzle 14 Compressor 15 Heater 16 Base material 17 Laser oscillator 18 Optical fiber 19 Optical head 20 Electron beam irradiation apparatus 21 EB gun 22 Cable 23 EB power supply 24 Plasma generator 25 Plasma torch 26 Gas supply Equipment 27 Cable 28 Power supply 29 Power supply cable 30 Primary particles of material powder 31 Secondary particles of material powder 100 Cold spray device
Claims (10)
前記ノズルから材料粉末が噴射された後から、前記基材に衝突する直後までの間に、前記材料粉末に対し、エネルギーを付与する機構を備えてなることを特徴とする、装置。 A cold spray device that forms a film by injecting material powder from a nozzle with a working gas and colliding with a substrate in the atmosphere,
An apparatus comprising: a mechanism for applying energy to the material powder immediately after the material powder is sprayed from the nozzle and immediately after colliding with the base material.
ノズルから作動ガスを用いて粉末粒子を基板表面に噴射する工程と、
噴射された前記粉末粒子に対し、エネルギー付与機構を使用して、エネルギーを付与する工程と、を含んでなることを特徴とする、方法。 A film forming method using the cold spray device according to any one of claims 1 to 9,
Spraying powder particles onto the substrate surface using working gas from a nozzle;
Applying energy to the sprayed powder particles using an energy application mechanism.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019094565A (en) * | 2017-11-22 | 2019-06-20 | 三菱重工業株式会社 | Film deposition apparatus and film deposition method |
| JP2021031773A (en) * | 2019-08-29 | 2021-03-01 | ▲華▼中科技大学Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ | Composite molding system and method of laminated molding and surface coating |
| JP7187073B1 (en) | 2021-08-10 | 2022-12-12 | フン リ，チャン | Ceramic coating system and method |
| CN116065116A (en) * | 2023-02-09 | 2023-05-05 | 哈尔滨工业大学 | A kind of composite spraying device of plasma-cold spraying and the spraying method of composite coating |
| US20240360544A1 (en) * | 2023-04-28 | 2024-10-31 | Supermag Technology (Shanghai) Co., Ltd. | Preparation device and preparation method for alloy targets |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58222432A (en) * | 1982-06-21 | 1983-12-24 | Fuji Photo Film Co Ltd | Magnetically recording medium and its manufacture |
| JPH0442853A (en) * | 1990-06-08 | 1992-02-13 | Vacuum Metallurgical Co Ltd | Method for forming high-temperature superconductor thick films using gas deposition method and apparatus for forming the same |
| JPH0649656A (en) * | 1992-08-04 | 1994-02-22 | Vacuum Metallurgical Co Ltd | Method and device for forming superfine-particle film by gas deposition |
| JP2000212766A (en) * | 1998-07-24 | 2000-08-02 | Agency Of Ind Science & Technol | Method for forming ultrafine particles into film |
| JP2001247979A (en) * | 1998-07-24 | 2001-09-14 | Agency Of Ind Science & Technol | Superfine particle film deposition method |
| JP2003301278A (en) * | 2002-04-12 | 2003-10-24 | Toshiba Corp | Method for manufacturing complex metal and complex metallic member |
| JP2004039286A (en) * | 2002-06-28 | 2004-02-05 | Toto Ltd | Method for manufacturing optical semiconductor electrode and photoelectric conversion element |
| JP2005256017A (en) * | 2004-03-09 | 2005-09-22 | Canon Inc | Apparatus and method for arranging particles |
| JP2006334563A (en) * | 2005-06-06 | 2006-12-14 | Toshiba Corp | Coating method and coating apparatus |
| JP2007308737A (en) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Toyota Motor Corp | Corrosion prevention method for welds |
| JP2008528800A (en) * | 2005-02-02 | 2008-07-31 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | Cold gas spray method |
| JP2011122213A (en) * | 2009-12-11 | 2011-06-23 | Iwate Industrial Research Center | Method for forming film by cold spray method and cold spray apparatus |
| JP2013159814A (en) * | 2012-02-03 | 2013-08-19 | Nisshin Kasei Kk | Metal structure, mortar or pestle for tableting tablet, tablet, and method for producing metal structure |
| JP2014076426A (en) * | 2012-10-10 | 2014-05-01 | Nhk Spring Co Ltd | Film forming method and film forming device |
| JP2014165422A (en) * | 2013-02-27 | 2014-09-08 | Hiroshima Univ | Manufacturing method of semiconductor thin film, manufacturing device for manufacturing semiconductor thin film using the method, and semiconductor device with semiconductor thin film manufactured by the method |
| WO2015079906A1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-06-04 | 株式会社フジミインコーポレーテッド | Thermal-spray material and thermal-spray coating film |
-
2015
- 2015-07-23 JP JP2015146196A patent/JP6605868B2/en active Active
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58222432A (en) * | 1982-06-21 | 1983-12-24 | Fuji Photo Film Co Ltd | Magnetically recording medium and its manufacture |
| JPH0442853A (en) * | 1990-06-08 | 1992-02-13 | Vacuum Metallurgical Co Ltd | Method for forming high-temperature superconductor thick films using gas deposition method and apparatus for forming the same |
| JPH0649656A (en) * | 1992-08-04 | 1994-02-22 | Vacuum Metallurgical Co Ltd | Method and device for forming superfine-particle film by gas deposition |
| JP2000212766A (en) * | 1998-07-24 | 2000-08-02 | Agency Of Ind Science & Technol | Method for forming ultrafine particles into film |
| JP2001247979A (en) * | 1998-07-24 | 2001-09-14 | Agency Of Ind Science & Technol | Superfine particle film deposition method |
| JP2003301278A (en) * | 2002-04-12 | 2003-10-24 | Toshiba Corp | Method for manufacturing complex metal and complex metallic member |
| JP2004039286A (en) * | 2002-06-28 | 2004-02-05 | Toto Ltd | Method for manufacturing optical semiconductor electrode and photoelectric conversion element |
| JP2005256017A (en) * | 2004-03-09 | 2005-09-22 | Canon Inc | Apparatus and method for arranging particles |
| JP2008528800A (en) * | 2005-02-02 | 2008-07-31 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | Cold gas spray method |
| US20100068410A1 (en) * | 2005-02-02 | 2010-03-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Cold Gas Spraying Method |
| JP2006334563A (en) * | 2005-06-06 | 2006-12-14 | Toshiba Corp | Coating method and coating apparatus |
| JP2007308737A (en) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Toyota Motor Corp | Corrosion prevention method for welds |
| JP2011122213A (en) * | 2009-12-11 | 2011-06-23 | Iwate Industrial Research Center | Method for forming film by cold spray method and cold spray apparatus |
| JP2013159814A (en) * | 2012-02-03 | 2013-08-19 | Nisshin Kasei Kk | Metal structure, mortar or pestle for tableting tablet, tablet, and method for producing metal structure |
| JP2014076426A (en) * | 2012-10-10 | 2014-05-01 | Nhk Spring Co Ltd | Film forming method and film forming device |
| JP2014165422A (en) * | 2013-02-27 | 2014-09-08 | Hiroshima Univ | Manufacturing method of semiconductor thin film, manufacturing device for manufacturing semiconductor thin film using the method, and semiconductor device with semiconductor thin film manufactured by the method |
| WO2015079906A1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-06-04 | 株式会社フジミインコーポレーテッド | Thermal-spray material and thermal-spray coating film |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019094565A (en) * | 2017-11-22 | 2019-06-20 | 三菱重工業株式会社 | Film deposition apparatus and film deposition method |
| JP2021031773A (en) * | 2019-08-29 | 2021-03-01 | ▲華▼中科技大学Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ | Composite molding system and method of laminated molding and surface coating |
| JP7089662B2 (en) | 2019-08-29 | 2022-06-23 | ▲華▼中科技大学 | Composite molding system and method of laminated molding and surface coating |
| JP7187073B1 (en) | 2021-08-10 | 2022-12-12 | フン リ，チャン | Ceramic coating system and method |
| JP2023025639A (en) * | 2021-08-10 | 2023-02-22 | フン リ，チャン | Ceramic coating system and method |
| CN116065116A (en) * | 2023-02-09 | 2023-05-05 | 哈尔滨工业大学 | A kind of composite spraying device of plasma-cold spraying and the spraying method of composite coating |
| US20240360544A1 (en) * | 2023-04-28 | 2024-10-31 | Supermag Technology (Shanghai) Co., Ltd. | Preparation device and preparation method for alloy targets |
| US12227833B2 (en) * | 2023-04-28 | 2025-02-18 | Supermag Technology (Shanghai) Co., Ltd. | Preparation device and preparation method for alloy targets |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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