(57)【要約】      （修正有）【課題】コールドスプレーコーティングの施工を簡略化し、且つコールドスプレーコーティングの施工効率を増加させる方法、システム、及び装置を提供する。【解決手段】コールドスプレーコーティングシステムは、ノズル部材２１４によって画成されるノズル開口部２１８からガス流及び皮膜材料の粒体を放出し、皮膜材料の粒体が基板の第１の領域に衝突し結合するように動作可能なノズル部材２１４を有するコールドスプレーコーティングガンと、基板の第１の領域を加熱するように動作可能な熱源部材２０２と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル部材（２１４）によって画成されるノズル開口部（２１８）からガス流及び皮膜材料の粒体を放出して、皮膜材料の粒体が、基板の第１の領域（４０６）に衝突し結合するように動作可能なノズル部材（２１４）を有するコールドスプレーコーティングガン（１０２）と、
基板の第１の領域（４０６）を加熱するように動作可能な熱源部材（２０２）と、
を含むコールドスプレーコーティングシステム（１００）。
【請求項２】
当該システムがさらに、基板の被覆された第１の領域（４０６）を加熱するように動作可能な第２の熱源部材（２０４）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
当該システムがさらに、基板の被覆領域（４０８）を加熱するように動作可能な第２の熱源部材（２０４）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
当該システムがさらに、第１の開口部（２２０）内に加圧ガスを受け、第２の開口部（２２０）から加圧ガスの外層を放出するように動作可能な内部キャビティ（１１２）を備えるハウジング部材（１１０）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
当該システムがさらに、第１の熱源部材（２０２）を制御するように動作可能な制御装置（１０６）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
当該システムがさらに、第２の熱源部材（２０４）を制御するように動作可能な制御装置（１０６）を含む、請求項２記載のシステム。
【請求項７】
当該システムがさらに、加圧ガスの流量を制御するように動作可能な制御装置（１０６）を含む、請求項４記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
コールドスプレーコーティングシステム及び方法は、基板に様々なタイプの皮膜を施工するのに用いられる。例えば、鋼鉄機械部品は、機械部品の腐食を防ぐために材料の保護層で被覆することができる。
【０００２】
コールドスプレー法は、例えばヘリウム、窒素及び空気のような高圧ガスと、例えば金属、耐火金属、合金及び複合材料の粉体状皮膜材料とを受け入れるスプレーガンを用いる。粉体粒子は、スプレーガン内のガス流に高圧で導入され、ノズルから放出される。ガス流速は超音速とすることができる。粒子は、ガス流中で高速に加速され、超音速速度に達することができる。
【０００３】
粉体は高速で基板に衝突する。粉体の運動エネルギーにより、基板との衝突時に粉体粒子の変形及び平坦化が起こる。平坦化は、基板との金属結合、機械的結合又は金属結合と機械結合の組合せを促進し、基板上に保護皮膜を生じる。コールドスプレー法の利点の１つは、飛行中に粒子の相変化又は酸化が皆無であること、及び結合粒子の接着強度が高いことである。
【０００４】
基板によっては、皮膜施工後に熱処理されるものもある。熱処理は、例えば、アニーリングのためにオーブン又は炉内に基板を配置する段階を含む場合がある。被覆基板をアニーリングするステップは、処理の複雑さ及び処理の持続時間を増大させ、使用する工業資源及びエネルギーが付加される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献２】米国特許第５３０２４１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、コールドスプレーコーティングの施工を簡略化し、且つコールドスプレーコーティングの施工効率を増加させる方法、システム及び装置が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
例示的な実施形態は、基板に材料皮膜を施工するためのコールドスプレーコーティングガンと、基板の第１の領域を加熱するように動作可能な加熱部材とを含む。本実施形態はさらに、ノズル部材によって画成されたノズル開口部からガス流及び皮膜材料の粒体を放出し、皮膜材料の粒体が基板の第１の領域に衝突し結合するように動作可能なノズル部材を含む。
【０００８】
コールドスプレーコーティングシステムの例示的な実施形態は、ノズル部材によって画成されたノズル開口部からガス流及び皮膜材料の粒体を放出し、皮膜材料の粒体が基板の第１の領域に衝突し結合するように動作可能なノズル部材を有するコールドスプレーコーティングガンと、基板の第１の領域を加熱するように動作可能な熱源部材とを含む。
【０００９】
基板にコールドスプレーコーティングする例示的な方法は、コールドスプレーコーティングシステムを用いて皮膜材料を基板の第１の領域に施工する段階と、被覆された基板の第１の領域を加熱する段階とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】コールドスプレーシステムの例示的な実施形態を示す図。
【図２】スプレーガン組立体の例示的な実施形態の部分切り欠き上面図。
【図３】図２の線Ａ−Ａに沿ったスプレーガン組立体の部分切り欠き正面図。
【図４】コールドスプレーガン組立体を用いた例示的なコールドスプレー法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上記その他の特徴、態様、及び利点は、図面を通して同様の参照符合が同様の要素を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとより理解されるであろう。
【００１２】
以下の詳細な説明において、種々の実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が記載される。しかしながら、実施形態は、これらの特定の詳細なしに実施することができ、図示の実施形態に限定されず、多様な代替の実施形態で実施することができる点は、当業者であれば理解するであろう。場合によっては、公知の方法、手順、及び部品は詳細に説明していない。
【００１３】
さらに、種々の工程は、本発明の実施形態を理解するための助けとなる様態で実施される複数の別個のステップとして説明することができる。しかしながら、記載の順序は、これらの工程が提示された順序で実施される必要があること、又は同等の順序に依存していることを意味するものと解釈するべきではない。さらに、表現「一実施形態では」又は「ある実施形態では」の繰り返しの使用は、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではないが、同じ実施形態を指すことも可能である。最後に、本明細書で使用される用語「備える」、「含む」、及び同様のものは、別途指定されない限り、同義語であることを意味する。
【００１４】
コールドスプレーコーティングシステムは、コールドスプレーガンを用いて対象物（基板）の表面に皮膜を施工する。図１は、コールドスプレーシステム１００の例示的な実施形態を示す。システム１００は、スプレーガン１０２と、粉体供給機１０４と、制御ユニット１０６と、例えばレーザ及び発熱素子のような熱源１０８とを含む。システム１００はまた、ガス外層ハウジング部材１１０と、ガス加熱器１１２とを含むことができる。スプレーガン１０２は、粉体ライン１１４を介して粉体供給機１０４に接続され、ガスライン１１６を介してガス加熱器１１２に接続される。センサライン１１８は、スプレーガン１０２内の温度及び圧力センサ（図示せず）を制御ユニット１０６に通信可能に接続することができる。制御ライン１２０は、制御ユニット１０６をガス加熱器１１２、粉体供給機１０４、熱源１０８、及びスプレーガン１０２内のセンサに通信可能に接続することができる。ガス源はガス外層ハウジング部材１１０に接続することができる。
【００１５】
動作中、スプレーガン１０２は、ガス加熱器１１２を介してガス源からの加圧ガスを受ける。ガス加熱器１１２は、ガスを加熱してガス内の音速を増大させる。別の実施形態において、ガス加熱器１１２は迂回することができ、加圧空気は加熱されない。粉体化皮膜材料が、粉体ライン１１４を介してスプレーガン１０２に加圧下で供給される。皮膜材料は、スプレーガン１０２内部でガス流中に導入される。皮膜材料は、スプレーガン１０２の収束又は拡大領域に供給することができる。膨張ガス及び皮膜材料の流が、スプレーガン１０２内のノズルの拡大領域から出る。皮膜材料が対象物（基板）１２２に衝突すると、皮膜材料内の粒体が平坦化及び変形されて、基板１２２上に皮膜を形成する。制御ユニット１０６は、例えばガス加熱器１１２、粉体供給機１０４を含めて、処理を制御し、スプレーガンセンサからの圧力及び温度測定値を受信する。
【００１６】
図示の実施形態は熱源１０８を含む。熱源１０８は、１以上のレーザ又は例えば発熱素子のような他のタイプの熱源を含むことができる。例示目的として実施形態は、熱源１０８としてレーザユニットを含む。レーザは、レーザ光ビーム（図示せず）を放出する。レーザ光ビームを用いて、皮膜材料の施工前に基板１２２の領域を予熱することができる。皮膜材料施工前の基板１２２の領域の予熱は、施工した皮膜の性能及び特性を改善するのに望ましいとすることができる。また、予熱を用いて、皮膜材料の追加皮膜の施工前に基板の被覆領域を加熱することができる。
【００１７】
図示の実施形態は、皮膜材料及び被覆される基板のタイプに部分的に基づく加熱目的に適切なあらゆるタイプのレーザを用いることができる熱源１０８を含む。適切なレーザの実施例は、ダイオード型レーザである。ダイオードレーザは、６００〜９００ｎｍの波長でレーザビームを放射し、加熱のため１０4Ｗ／ｃｍ2〜１０5Ｗ／ｃｍ2の範囲内の適切な出力密度を有する。レーザビームの形状は、コールドスプレーノズルから放出される皮膜材料パターンの幅及び断面に合わせて調整することができる。他の適切なレーザの実施例は、６００〜１１００ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザ及びＹｂドープファイバーレーザを含む。セラミック皮膜材料が施工されると、約１０ミクロンの波長を有するＣＯ2レーザを用いることができる。
【００１８】
また、熱源１０８を用いて、皮膜材料の施工に続いて基板の被覆領域を加熱することができる。被覆領域の加熱は、皮膜をアニーリングし、特定の皮膜材料と基板との組合せに対して実施することができる。付与熱量及び結果として得られる温度は、特定の基板・皮膜の組合せ並びに結果として得られる所望の特性によって決まることになる。
【００１９】
熱源１０８は、スプレーガン１０２を備えたマニピュレータ上か、又は別の取り付け装置上に別個に取り付けることができる。レーザユニットからのビームは、スプレーガン１０２が移動する経路と同様の経路上を移動する。従って、スプレーガン１０２が基板１２２に皮膜を施工するにつれて、レーザユニットからのビームは、基板１２２に施工される皮膜材料の流に先導及び／又は後続することができる。
【００２０】
従来のコールドスプレーシステム及び方法は、皮膜材料を基板１２２上にアニーリングするのに炉又はオーブンを用いていた。炉又はオーブンの使用は、第２の処理ステップ及び追加の装置を生じる結果となった。皮膜材料が施工されている間にレーザビームにより加熱することで、より効率的で効果的なシステム及び方法をもたらすことになる。レーザの強さ及び強度は、基板及び皮膜の組合せの設計仕様に応じて、基板・皮膜組合せの精密な加熱を達成するように較正される。
【００２１】
ガス外層ハウジング部材１１０を用いて、膨張ガス流及び皮膜材料の周囲にガスの外層を施工することができる。ガスの外層は、材料の酸化に作用する幾つかの施工処理に望ましいとすることができる。例えば銅のような、一部の皮膜材料では、酸化は望ましくない場合があり、基板１２２を加熱するレーザビームの使用によって増大される可能性がある。不活性ガスの外層は、酸化を制限するのに用いることができる。例えばチタンのような他の皮膜材料において、酸化は望ましいとすることができる。酸化が望ましい場合、酸素の外層を用いて酸化を促進することができる。ガス外層ハウジング部材１１０は、スプレーガン１０２が皮膜を施工するにつれて、スプレーガン１０２と同様の経路を辿ることができる。ガス外層は、必要であれば加熱後に皮膜／基板の冷却を行うのに用いることができる。これは、例えば、感熱材料（長期間の高温に耐えることができない材料、又は高温での迅速酸化の影響を受けやすい材料）を伴う場合など、一部の応用に望ましいとすることができる。
【００２２】
図２は、ノズル２１４を有するスプレーガン組立体２００の例示的な実施形態の部分切り欠き上面図を示し、ノズル２１４によって画成される収束領域２１２及び拡大領域２１６を含む。スプレーガン組立体２００の実施形態では、レーザ２０２及び２０４とガス外層ハウジング部材２０６とを単一のスプレーガン組立体内に組み込むことによって、上述のシステム１００が簡略化される。図示の実施形態は、２つのレーザ２０２及び２０４を含むが、別の実施形態は、単一のレーザ、又は２つよりも多いレーザを含むことができる。スプレーガン組立体２００のさらに別の実施形態は、ガス外層ハウジング部材２０６を含まない場合もある。
【００２３】
動作中、スプレーガン組立体２００は、プロセス入口２０８を介してプロセスガスを受け入れて、粉体入口２１０を介して粉体化皮膜材料を受け入れる。皮膜材料は、収束領域１１２内でプロセスガスに導入される。しかしながら、別の実施形態において、粉体は、拡大領域２１６に導入することができる。皮膜材料及びプロセスガスは、拡大領域２１６の端部の出口開口部２１８でノズル２１４から出る。レーザ２０２及び２０４は、図示の実施形態ではノズル２１４上に取り付けられるが、しかしながら、別の実施形態において、レーザ２０２及び２０４は、スプレーガン組立体２００の他の部分に取り付けられるか、又はコールドスプレーガン組立体２００とは別個に取り付けることができる。レーザ２０２及び２０４は、制御ユニット１０６に通信可能に接続される。別の実施形態において、レーザ及びガス外層システム２０６は、別個の制御ユニットを含むことができる。スプレーガン組立体２０２は、ノズル２１４に取り付けられたガス外層ハウジング部材２０６を含む。別の実施形態において、ガス外層ハウジング部材２０６は、スプレーガン組立体２００の他の部分に取り付けることができる。ガス外層ハウジング部材２０６は、加圧ガスを受ける第１の開口部２２０を含む。加圧ガスは、第２の開口部２２２を介してガス外層ハウジング部材２０６から出る。補正距離（ｘ）は、拡大領域２１６の端部の出口開口部２１８とガス外層ハウジング部材２０６の第２の開口部２２２とによって画成される。距離（ｘ）は、幾つかの実施形態においては、ガス外層ハウジング部材２０６をより効果的に利用するように調整することができる。図３は、線Ａ−Ａ（図２の）に沿ったスプレーガン組立体２００の部分切り欠き正面図を示し、第１及び第２のレーザ２０２及び２０４と、拡大領域２１６の端部の出口開口部２１８と、ガス外層ハウジング部材２０６の第２の開口部２２２とを含む。
【００２４】
図４は、コールドスプレーガン組立体２００を用いた例示的なコールドスプレー法を示す。図４は、基板１２２の一部を含む。第１の領域４０６に第１のレーザビーム、スプレーガン１０２から放出されるスプレーパターン４０２、被覆領域４０８、及び第２の領域４０４に第２のレーザビームを含む。システム１００が左から右に移動すると、第１のレーザビームが基板４０６の第１の領域を加熱し、基板に皮膜材料を準備する。スプレーパターン４０２が第１のレーザビームを追従し、皮膜材料を基板１２２に施工する。第２のレーザビームが被覆領域４０８を加熱し、皮膜材料をアニーリングする。スプレーパターン４０２からのレーザビームのパターン、強度、及び距離を調整して、例えば、用いられる皮膜材料及び処理に用いられる基板材料のような、要因に応じて皮膜材料を効果的に施工することができる。パターン４０２は、円形、矩形、又は望ましい他のあらゆる断面とすることができる。例証として、円形断面を示している。
【００２５】
図４に示す方法は、２つのレーザの使用に限定されず、レーザの別の組合せで実施することができる。例示の方法は、皮膜材料を施工する前に基板を予熱すること、及び皮膜材料をアニーリングすることの双方に限定されず、予熱処理及びアニーリング処理を単独又は組み合わせて含むことができる。また、ガス外層ハウジング部材２０６を用いて、望ましい場合にガスを放出することによって材料の酸化に作用することができる。他の実施形態は、上記の領域４０６及び４０４を加熱するために他の熱源を用いることができる。従って、図４に示した方法は、熱源としてレーザに限定されず、他のタイプの熱源もまた用いることができる。
【００２６】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、さらに、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００２７】
１００  コールドスプレーシステム
１０２  スプレーガン
１０４  粉体供給機
１０６  制御ユニット
１０８  熱源
１１０  ハウジング部材
１１２  ガス加熱器
１１４  粉体ライン
１１６  ガスライン
１１８  センサライン
１２０  制御ライン
１２２  対象物（基板）
２００  スプレーガン組立体
２０２  レーザ
２０４  レーザ
２０６  ハウジング部材
２０８  プロセス入口
２１０  粉体入口
２１２  収束領域
２１４  ノズル
２１６  拡大領域
２１８  出口開口部
２２０  第１の開口
２２２  第２の開口
４０２  スプレーパターン
４０４  第２の領域
４０６  第１の領域
４０８  被覆領域
【図１】
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【図２】
2010201415.tif 000004
【図３】
2010201415.tif 000005
【図４】
2010201415.tif 000006
【外国語明細書】
2010201415000001.pdf