JP6588029B2 - ノズル、成膜装置及び皮膜の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、コールドスプレー法による成膜装置用のノズル、成膜装置および被膜の形成方法に関する。

近年、金属皮膜の形成方法として、コールドスプレー法が知られている（例えば特許文献１参照）。コールドスプレー法とは、材料の粉末を、融点又は軟化点以下の状態の不活性ガスとともにノズルから噴射し、固相状態のまま基材に衝突させることにより、基材の表面に皮膜を形成する方法である。コールドスプレー法においては、溶射法と比較して低い温度で加工が行われるので、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。また、熱応力の影響を緩和することもできる。さらに、基材及び皮膜となる材料がともに金属である場合、金属材料の粉末が基材（又は先に形成された皮膜）に衝突した際に粉末と基材との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じるので、密着強度の高い積層体を得ることができる。このようなコールドスプレー法による成膜装置においては、ノズルから噴射される粉末を高速にするほど緻密な膜を形成することができる。

特開２００８−３０２３１１号公報

ノズルから噴射される粉末を高速にする手段として、減圧雰囲気下において成膜を行うことが考えられる。しかしながら、減圧雰囲気下において成膜を行う場合、成膜装置全体の構成が大がかり且つ煩雑になってしまう。また、成膜対象の基材を交換するごとに減圧及び解放を行わなければならず、効率が良くない。そのため、ノズルから噴射される粉末を、簡素な装置構成で高速化する方法が望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ノズルから噴射される粉末を、簡素な装置構成で高速化することができるノズル、成膜装置および被膜の形成方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るノズルは、材料の粉末をガスと共に噴射し、前記粉末を基材の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜装置において用いられるノズルであって、前記粉末を前記ガスと共に通過させる通路が内部に形成されたノズル管と、前記ノズル管の先端部に設けられ、前記ノズル管から噴射される前記粉末が流れる領域の周囲に旋回流を形成する旋回流形成手段と、を備えることを特徴とする。

上記ノズルにおいて、前記旋回流形成手段は、前記粉末が流れる領域を囲む筒状部材であって、少なくとも前記粉末が流れる領域の下流側の端面が開口した筒状部材と、前記筒状部材の内部に、前記ガスとは別系統のガスを供給するガス供給部と、を備えることを特徴とする。

上記ノズルにおいて、前記ノズル管から噴射される前記粉末の噴射方向と直交する前記筒状部材の断面は、円形状又は楕円形状をなすことを特徴とする。

上記ノズルにおいて、前記ガス供給部は、前記筒状部材の内周の接線方向にガスを噴射することを特徴とする。

上記ノズルにおいて、前記筒状部材の内周側面に、らせん状をなす溝が形成されていることを特徴とする。

上記ノズルは、前記筒状部材内において前記粉末が流れる領域と前記旋回流が形成される領域とを仕切る仕切り部材をさらに備えることを特徴とする。

上記ノズルにおいて、前記仕切り部材は、筒状をなし、内周側と外周側とを連通する少なくとも１つの孔又はスリットが形成された部材を有することを特徴とする。

本発明に係る成膜装置は、前記ノズルと、前記粉末を圧縮されたガスと混合して前記ノズルに供給するガス粉末混合部と、前記ガス粉末混合部に前記圧縮されたガスを導入するガス室と、前記ガス粉末混合部に前記粉末を供給する粉末供給部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る皮膜の形成方法は、基材表面に、皮膜材料の粉体を、上記成膜装置により、ガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより、前記基材に皮膜を形成する工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ノズルの先端部に、該ノズルから噴射される粉末が流れる領域の周囲に旋回流を形成する旋回流形成手段を設けるので、ノズルから噴射される粉末を、簡素な装置構成で高速化することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すノズルの先端部を拡大して示す縦断面図である。 図３は、図２に示すガス導入口を含む領域におけるサイクロン形成部の横断面図である。 図４は、図１に示すスプレーガンにおけるガスの圧力と、ノズルから噴射されたガス流の速度との関係を示すグラフである。 図５は、サイクロン形成部の変形例（テーパー状）を示す縦断面図である。 図６は、サイクロン形成部の変形例（釣鐘状）を示す縦断面図である。 図７は、サイクロン形成部の変形例（ベル状）を示す縦断面図である。 図８は、サイクロン形成部の変形例（楕円形状）を示す横断面図である。 図９は、サイクロン形成部の変形例（長方形状）を示す横断面図である。 図１０は、サイクロン形成部の変形例（六角形状）を示す横断面図である。 図１１は、サイクロン形成部の別の変形例を示す縦断面図である。 図１２は、仕切り部材の一例を示す断面図である。 図１３は、仕切り部材の別の例を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る成膜装置１は、コールドスプレー法による成膜装置であり、高圧ガス（圧縮ガス）を加熱するガス加熱器２と、成膜材料の粉末を収容してスプレーガン４に供給する粉末供給装置３と、加熱された高圧ガスを粉末と混合してノズル５に導入するスプレーガン４と、高圧ガスと共に粉末を噴射するノズル５と、ガス加熱器２及び粉末供給装置３に対する高圧ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ６及び７とを備える。

高圧ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気等が使用される。ガス加熱器２に供給された高圧ガスは、材料の粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、スプレーガン４に導入される。高圧ガスの加熱温度は、好ましくは１５０〜９００℃である。

一方、粉末供給装置３に供給された高圧ガスは、粉末供給装置３内の粉末をスプレーガン４に所定の吐出量となるように供給する。

加熱された高圧ガスは、ノズル５を通過することにより超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）となって噴射される。この際の高圧ガスのガス圧力は、１〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。高圧ガスの圧力をこの程度に調整することにより、基材１００に対する皮膜１０１の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは、２〜４ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。

このような成膜装置１において、基材１００をスプレーガン４に向けて配置すると共に、成膜材料の粉末を粉末供給装置３に投入し、ガス加熱器２及び粉末供給装置３への高圧ガスの供給を開始する。それにより、スプレーガン４に供給された粉末が、この高圧ガスの超音速流の中に投入されて加速され、ノズル５から噴射される。この粉末が、固相状態のまま基材１００に高速で衝突して堆積することにより、皮膜１０１が形成される。

図２は、ノズル５の先端部を拡大して示す縦断面図である。図２に示すように、ノズル５は、粉末を通過させる通路２０ａが内部に形成されたノズル管２０と、該ノズル管２０の先端部を囲むように設けられたサイクロン形成部２１と、該サイクロン形成部２１にガス供給管２２を介してガスを供給するガス供給部２３とを備える。このうち、サイクロン形成部２１、ガス供給管２２、及びガス供給部２３が、ノズル管２０から噴射される粉末が流れる領域の周囲に旋回流を形成する旋回流形成手段を構成する。

ノズル管２０の通路２０ａの先端部は、先端に向かうほど幅が広がる末広形状をなす。スプレーガン４から導入された粉末は、この通路２０ａをガスと共に通過して基材１００に向けて噴射される。

サイクロン形成部２１は、ノズル管２０から噴射される粉末が流れる領域を囲む筒状部材である。サイクロン形成部２１の２つの端面のうち、粉末の噴射方向Ｌの下流側の端面２１ａは開口している。一方、噴射方向Ｌの上流側の端面２１ｂは、中心部に設けられた嵌合孔２１ｃを除いて閉口している。この嵌合孔２１ｃにノズル管２０を嵌合させることにより、サイクロン形成部２１がノズル管２０に固定される。

サイクロン形成部２１の基端側（図の上方）の側面にはガス導入口２１ｄが設けられており、このガス導入口２１ｄにガス供給管２２が接続されている。図２に示すように、ガス導入口２１ｄ及びガス供給管２２は、サイクロン形成部２１の内部に導入されたガスがサイクロン形成部２１の先端側に向かって流れるように、傾けて設けられている。

図３は、ガス導入口２１ｄを通るサイクロン形成部２１の横断面図である。図３に示すように、噴射方向Ｌと直交するサイクロン形成部２１の断面は、円形状をなしている。ガス導入口２１ｄ及びガス供給管２２は、サイクロン形成部２１の内部に導入されたガスが旋回して流れるように、サイクロン形成部２１の内周面の接線方向に沿って設けられている。

ガス供給部２３は、ガス室として機能するガス加熱器２に供給されるガスとは別系統で設けられている。以下、ガス供給管２２から供給されるガスを、サイクロンガスという。サイクロンガスとしては、ヘリウムや窒素や空気のように、ガス加熱器２に供給されるガスと同種のガスが用いられる。

このようなノズル５において、ガス供給部２３からガス供給管２２を介してサイクロン形成部２１にサイクロンガスを供給すると、サイクロン形成部２１内にサイクロンが発生する。それにより、ノズル管２０の出口付近からサイクロン形成部２１の先端にわたるサイクロン形成部２１の中心軸近傍の領域が減圧状態となる。この状態でスプレーガン４からノズル５にガスと共に粉末を導入すると、ノズル管２０内の圧力とサイクロン形成部２１内（減圧状態となった領域）における圧力との差により、ノズル管２０を通過した粉末がノズル管２０の出口付近でさらに加速されて噴射される。

図４は、スプレーガン４におけるガスの圧力（入力圧力）と、ノズル管２０の出口付近におけるガス流の速度（出口ガス速度）との関係を示すグラフである。なお、図４に示す１気圧のデータは、サイクロン形成部２１内にサイクロンを発生させない場合（即ち、気圧が外気と同じ場合）を示す。図４に示すように、出口ガス速度は、サイクロン形成部２１内を減圧するほど速くなることがわかる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ノズル管２０の先端部にサイクロン形成部２１を設け、粉末が流れる領域の周囲にサイクロンを発生させるので、簡素な構成で、ノズル管２０から噴射された粉末を高速化することが可能となる。

（変形例１）
上記実施の形態においては、サイクロン形成部２１（図２参照）の上流側の端面２１ｂを、嵌合孔２１ｃを除いて閉口させたが、サイクロン形成部２１をノズル管２０に固定することができれば、端面２１ｂを開口させても良い。

（変形例２）
上述した実施の形態のサイクロン形成部２１に対し、内周面にらせん状の溝を形成しても良い。このような溝を形成することにより、ガス導入口２１ｄから導入されたサイクロンガスが旋回し易くなる。それにより、サイクロン形成部２１の内部に、より確実且つ容易にサイクロンを発生させることができ、ノズル管２０から噴射された粉末を高速化させる効果をさらに高めることが可能となる。

（変形例３）
図５〜図７は、サイクロン形成部２１の変形例を示す縦断面図である。上記実施の形態においては、サイクロン形成部２１の形状を、両端面（端面２１ａ、２１ｂ）の径が同一の筒状としているが、両端面の径が異なる、或いは両端面の長軸同士及び短軸同士の長さがそれぞれ異なる筒状としても良い。

例えば、図５に示すように、側面がテーパー状となったサイクロン形成部２１Ａを用いても良い。また、図６に示すように、側面が外側に凸の曲面状となった、所謂釣鐘状のサイクロン形成部２１Ｂを用いても良い。さらには、図７に示すように、側面が内側に凸の曲面状となった、所謂ベル状のサイクロン形成部２１Ｃを用いても良い。

（変形例４）
図８〜図１０は、サイクロン形成部の別の変形例を示す横断面図である。上記実施の形態においては、サイクロン形成部２１（図３参照）の横断面形状を円形状としたが、内部空間においてサイクロンの形成が可能であれば、横断面形状は円形状に限定されない。

例えば、図８に示すように、横断面が楕円形状をなすサイクロン形成部２１Ｄを用いても良い。また、図９に示すように、横断面が長方形状をなすサイクロン形成部２１Ｅを用いても良い。さらに、図１０に示すように、横断面が六角形等の多角形状をなすサイクロン形成部２１Ｆを用いても良い。

（変形例５）
図１１は、サイクロン形成部の別の変形例を示す縦断面図である。本変形例５においては、サイクロン形成部２１において発生したサイクロンによってノズル管２０から噴射された粉末の流れが乱れないように、孔やスリットが設けられた仕切り部材３０をサイクロン形成部２１内に設けている。

図１２は、仕切り部材の一例を示す断面図である。このうち、図１２（ａ）は仕切り部材の中心軸を含む面における縦断面図であり、図１２（ｂ）は、仕切り部材を粉末の出口側から見た場合の横断面図である。

図１２に示す仕切り部材３０Ａは、サイクロン形成部２１と同心の筒状をなす筒状部３１と、該筒状部３１の一端側に設けられたフランジ３２とを備える。フランジ３２は、仕切り部材３０Ａをサイクロン形成部２１に嵌め込む際の位置決め及び固定のために設けられている。

筒状部３１には、外周側と内周側とを連通する複数の孔３３が設けられている。図１２においては各孔３３を円形状としているが、孔の形状は特に限定されず、例えば楕円や多角形であっても良い。

筒状部３１の内周面には、該筒状部３１の一端側から他端側にわたり、内周側に向かって突出する複数のリブ３４が設けられている。これらのリブ３４は、ノズル管２０から噴射された粉末の流れを整流する。

このような仕切り部材３０Ａをサイクロン形成部２１に取り付け、該サイクロン形成部２１内にサイクロンガスを供給すると、仕切り部材３０Ａの外周側にサイクロンが発生して減圧される。それにより、孔３３を介して筒状部３１内も減圧され、ノズル管２０から噴射された粉末を加速することができる。この際、サイクロンが発生する領域と粉末が流れる領域とは仕切り部材３０Ａによって仕切られているので、ノズル管２０から噴射された粉末の流れの乱れを抑制することができる。さらに、筒状部３１の内周面に設けられたリブ３４により粉末の流れが整流され、粉末を効率良く加速することが可能となる。

図１３は、仕切り部材の別の例を示す断面図である。このうち、図１３（ａ）は仕切り部材の中心軸を含む面における縦断面図であり、図１３（ｂ）は、仕切り部材を粉末の出口側から見た場合の横断面図である。

図１３に示す仕切り部材３０Ｂは、サイクロン形成部２１と同心の筒状をなす筒状部３５と、該筒状部３５の一端側に設けられたフランジ３６とを備える。フランジ３６は、仕切り部材３０Ｂをサイクロン形成部２１に嵌め込む際の位置決め及び固定のために設けられている。

筒状部３５には、外周側と内周側とを連通する複数のスリット３７が設けられている。図１３においては各スリット３７を筒状部３５の中心軸と平行な直線状にしているが、スリットの形状は直線状に限定されず、例えば波線状であっても良いし、らせん状であっても良い。

これらのスリット３７により、筒状部３５は複数の壁部３８に分割されている。各壁部３８においては、サイクロンの回転方向の上流側に対して下流側が若干外周に向かって開いている。これにより、筒状部３５の外周側で発生したサイクロンが筒状部３５の内周側に入り込み難くなり、ノズル管２０から噴射された粉末の流れの乱れを抑制することができる。

なお、図１２、図１３においては、筒状部３１、３５に複数の孔３３又はスリット３７を設けたが、孔又はスリットは少なくとも１つあれば良い。また、複数の孔同士又は複数のスリット同士を連結して一体化させても良い。

１ 成膜装置
２ ガス加熱器
３ 粉末供給装置
４ スプレーガン
５ ノズル
６、７ バルブ
２０ ノズル管
２１、２１Ａ〜２１Ｆ サイクロン形成部
２１ａ、２１ｂ 端面
２１ｃ 嵌合孔
２１ｄ ガス導入口
２２ ガス供給管
２３ ガス供給部
３０、３０Ａ、３０Ｂ 仕切り部材
３１、３５ 筒状部
３２、３６ フランジ
３３ 孔
３４ リブ
３７ スリット
３８ 壁部
１００ 基材
１０１ 皮膜

Claims (8)

1. 材料の粉末をガスと共に噴射し、前記粉末を基材の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜装置において用いられるノズルであって、
   前記粉末を前記ガスと共に通過させる通路が内部に形成されたノズル管と、
   前記ノズル管の先端部に設けられ、前記粉末が流れる領域を囲む筒状部材であって、少なくとも前記粉末が流れる領域の下流側の端面が開口した筒状部材と、前記筒状部材の内部に、前記ガスとは別系統のガスを供給するガス供給部と、を有し、前記ノズル管から噴射される前記粉末が流れる領域の周囲に旋回流を形成する旋回流形成手段と、
   を備え、
   前記ノズル管から噴射される前記粉末の噴射方向と直交する前記筒状部材の断面は、円形状又は楕円形状をなし、前記筒状部材の内周側面に、らせん状をなす溝が形成されていることを特徴とするノズル。
2. 材料の粉末をガスと共に噴射し、前記粉末を基材の表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜装置において用いられるノズルであって、
   前記粉末を前記ガスと共に通過させる通路が内部に形成されたノズル管と、
   前記ノズル管の先端部に設けられ、前記粉末が流れる領域を囲む筒状部材であって、少なくとも前記粉末が流れる領域の下流側の端面が開口した筒状部材と、前記筒状部材の内部に、前記ガスとは別系統のガスを供給するガス供給部と、を有し、前記ノズル管から噴射される前記粉末が流れる領域の周囲に旋回流を形成する旋回流形成手段と、
   を備え、
   前記筒状部材内において前記粉末が流れる領域と前記旋回流が形成される領域とを仕切る仕切り部材をさらに備えることを特徴とするノズル。
3. 前記ノズル管から噴射される前記粉末の噴射方向と直交する前記筒状部材の断面は、円形状又は楕円形状をなすことを特徴とする請求項２に記載のノズル。
4. 前記ガス供給部は、前記筒状部材の内周の接線方向にガスを噴射することを特徴とする請求項１または３に記載のノズル。
5. 前記筒状部材内において前記粉末が流れる領域と前記旋回流が形成される領域とを仕切る仕切り部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
6. 前記仕切り部材は、筒状をなし、内周側と外周側とを連通する少なくとも１つの孔又はスリットが形成された部材を有することを特徴とする請求項２または５に記載のノズル。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のノズルと、
   前記粉末を圧縮されたガスと混合して前記ノズルに供給するガス粉末混合部と、
   前記ガス粉末混合部に前記圧縮されたガスを導入するガス室と、
   前記ガス粉末混合部に前記粉末を供給する粉末供給部と、
   を備えることを特徴とする成膜装置。
8. 基材表面に、皮膜材料の粉体を、請求項７に記載の成膜装置により、ガスと共に加速し、固相状態のままで吹き付けて堆積させることにより、前記基材に皮膜を形成する工程を含むことを特徴とする皮膜の形成方法。

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