(57)【要約】【課題】溶射材を一定に供給することができ、且つ皮膜または堆積状態をコントロールすることができる溶射ノズル装置および溶射装置を提供する。【解決手段】ノズルの入口側にキャリアガスを導入して超高速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置において、ノズル２は導入されたキャリアガスを超音速に加速するスロート部２ａと、このスロート部２ａの下流側に設けられ加速されたガス流を超音速に維持するための拡径流路部２ｂとを有し、ノズル２の入口側端部に、溶射材としての溶融金属を貯留するための貯留部４が連通路４ａを介して接続されていることを特徴とする。【選択図】図１
2006212624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルの入口側からキャリアガスを導入して超高速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置において、
上記ノズルの入口側端部に上記溶射材としての溶融金属を貯留する貯留部が連通路を介して接続され、上記ノズルは超音速ガス流を形成するためのスロート部とその下流側に出口方向に向けて形成される拡径流路部とを内設し、この拡径流路部はその流路内で、超音速ガス流によってアトマイズされた金属粒子を凝固または半凝固状態まで冷却し、上記ノズルの出口側から所定方向に放出するように構成されていることを特徴とする溶射ノズル装置。
【請求項２】
上記連通路として上記スロート内またはスロート下流側の中心に向けて上記貯留部から溶融金属導出管が延設され、この溶融金属導出管の外周を、加速された上記キャリアガスが流れるように構成されている請求項１記載の溶射ノズル装置。
【請求項３】
上記スロート部下流側における上記拡径流路部の開き角が半頂角で１５°以下である請求項１または２記載の溶射ノズル装置。
【請求項４】
上記拡径流路部の長さは、アトマイズされた金属粒子の飛行距離と金属粒子温度とをモデル化し、金属粒子が凝固または半凝固状態となるまでの飛行距離に基づいて定められる請求項３記載の溶射ノズル装置。
【請求項５】
アトマイズされた金属粒子が凝固または半凝固状態に変化するまでの飛行時間を求め、下記式にその飛行時間を代入することによって粒子の飛行距離を求め、上記拡径流路部の長さを上記飛行距離以上の長さとした請求項４記載の溶射ノズル装置。
【数１】
2006212624.tif 000035
ただし、ｌｆは粒子の飛行距離、ｔｆは粒子が凝固または半凝固に達するまでの飛行時間、ｕｇはガスの流速、ρｇはガスの密度、ρｓは粒子の密度、ｄｓは粒子直径、ａｇはガスの音速
【請求項６】
上記キャリアガスの入口圧力をｐｏとし、ノズル出口圧力をＰＢとするとき、入口圧力ｐｏが下記式を満足する状態で上記ノズルに導入される請求項１または２記載の溶射ノズル装置。
【数２】
2006212624.tif 000036
ここで、κ：圧縮ガスの比熱比、Ｍ：スロート部下流側のノズル拡大部におけるマッハ数
【請求項７】
上記請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置と、
上記ノズルに対し管路を介して接続されキャリアガスを加圧導入するキャリアガス供給装置と、
上記ノズルおよび放出される粒子を衝突させる基材を収納する密閉容器と、
この密閉容器内を減圧する減圧手段とを備えてなることを特徴とする溶射装置。
【請求項８】
上記請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶射ノズル装置と、
上記貯留部に接続管を介して接続されその貯留部内の溶融金属に対して溶融金属を連続的に加圧供給する溶融金属供給装置と、
上記基材を連続的に供給する基材供給装置とを備えてなることを特徴とする溶射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスを用いて溶射材を微粒化し基材に衝突させることにより被膜または堆積層を形成する溶射ノズル装置および溶射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、コーティング材料を加熱し、溶融ないし半溶融状態の微粒子を基材表面に高速度で衝突させることにより、被膜を形成する技術として溶射処理が知られている。
【０００３】
この溶射処理は、基材と被膜とが物理的な接合であるため、溶融する材料であればあらゆる材料に被膜を形成することができ、形成された被膜は耐摩耗性、耐腐食性、断熱性等、表面処理に必要とされる各種条件をクリアすることができることから様々な分野で広く利用されている。
【０００４】
中でもコールドスプレーは、溶射材料を溶融またはガス化させることなく不活性ガスとともに超音速流で固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成するため、他の溶射方法と違い、熱による材料の特性変化がなく、しかも被膜中の酸化を抑制することができるという利点がある。
【０００５】
図３２は、コールドスプレー装置の概略構成を示したものである。
【０００６】
同図において、ガス源３０から供給された高圧ガスは２つの管路３１，３２に分岐され、管路３１を流れる主流のガスはガス加熱器３３で加熱され、管路３２を流れる残りのガスは粉末供給器３４に導入される。
【０００７】
ガス加熱器３３で加熱されたガスは管路３５を通じてチャンバ３６に導入され、粉末供給器３４は管路３７を経由して粉末粒子をチャンバ３６に供給する。
【０００８】
チャンバ３６内で混合されたガスと粉末粒子の混合物は超音速ノズル３８の収束部３８ａと拡散部３８ｂを通過することにより加速され、超音ジェット流として基材３９上に衝突するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
一方、溶射材料として溶融金属を用い、スリット状出口を有する容器から薄膜状態で流し、そのノズル出口近傍に設けられたスリット状オリフィスを有するノズルを層流状態で通過する音速ガス流によって微粒化し噴霧する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−７６１５７号公報
【特許文献２】特表２００２−５０８４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前者のコールドスプレー装置では、常温の粉末粒子を衝突させて塑性変形時に生じる発熱で局所的に融点以上に加熱させ基材上に付着させるため、例えば６００ｍ／ｓ以上の粒子速度を得るために１．０〜３．０ＭＰａのガス圧力が必要であり、また、ガスを６００℃まで予熱する必要があることから取り扱いが難しいという問題がある。また、粉体粒子を一定に供給することも容易でない。
【００１１】
また、後者の溶射装置は超音速でアトマイズを行っているが、粒子の加速を行うためにノズルの設計をしておらず、そのため、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）を省略できるほどの高密度皮膜や高密度堆積を得ることが不可能である。
【００１２】
本発明は以上のような従来の溶射装置における課題を考慮してなされたものであり、溶射材を一定に供給することができ、且つ皮膜または堆積状態をコントロールすることができる溶射ノズル装置および溶射装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の溶射ノズル装置は、ノズルの入口側からキャリアガスを導入して超高速のガス流を形成し、そのガス流によって溶射材をアトマイズし放出する溶射ノズル装置において、上記ノズルの入口側端部に溶射材としての溶融金属を貯留する貯留部が連通路を介して接続され、ノズルは超音速ガス流を形成するためのスロート部とその下流側に出口方向に向けて形成される拡径流路部とを内設し、この拡径流路部はその流路内で、超音速ガス流によってアトマイズされた金属粒子を凝固または半凝固状態まで冷却し、ノズルの出口側から所定方向に放出するように構成されていることを要旨とする。
【００１４】
上記溶射ノズル装置において、上記連通路としてスロート内またはスロート下流側の中心に向けて貯留部から溶融金属導出管が延設され、この溶融金属導出管の外周を、加速されたキャリアガスが流れるように構成することが好ましい。
【００１５】
また、本発明のノズルは、スロート部下流側における拡径流路部の開き角が、半頂角で１５°以下であることを要旨とする。
【００１６】
また、上記拡径流路の長さは、アトマイズされた金属粒子の飛行距離と金属粒子温度とをモデル化し、金属粒子が凝固または半凝固状態となるまでの飛行距離に基づいて定められ、具体的には、アトマイズされた金属粒子が凝固または半凝固状態に変化するまでの飛行時間を求め、下記式にその飛行時間を代入することによって粒子の飛行距離を求め、拡径流路部の長さをその飛行距離以上の長さとしたことを要旨とする。
【００１７】
【数１】
2006212624.tif 000003
【００１８】
ただし、ｌｆは粒子の飛行距離、ｔｆは粒子が凝固または半凝固に達するまでの飛行時間、ｕｇはガスの流速、ρｇはガスの密度、ρｓは粒子の密度、ｄｓは粒子直径、ａｇはガスの音速、
また、上記キャリアガスの入口圧力をｐｏとし、ノズル出口圧力をＰＢとするとき、入口圧力ｐｏが下記式を満足する状態で上記ノズルに導入されるように構成することが好ましい。
【００１９】
【数２】
2006212624.tif 000004
【００２０】
ここで、κ：圧縮ガスの比熱比、Ｍ：スロート部下流側のノズル拡大部におけるマッハ数
【００２１】
本発明の溶射装置は、上記構成を有する溶射ノズル装置と、ノズルに対し管路を介して接続されキャリアガスを加圧導入するキャリアガス供給装置と、ノズルおよび放出される粒子を衝突させる基材を収納する密閉容器と、この密閉容器内を減圧する減圧手段とを備えてなることを要旨とする。
【００２２】
本発明の溶射装置は、上記構成を有する溶射ノズル装置と、貯留部に接続管を介して接続されその貯留部内の溶融金属に対して溶融金属を連続的に加圧供給する溶融金属供給装置と、基材を連続的に供給する基材供給装置とを備えてなることを要旨とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、溶射材を一定に供給することができ、且つ皮膜または堆積状態をコントロールすることができるという長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る溶射ノズル装置の基本構成を示したものである。
【００２５】
１．溶射ノズル装置の原理
同図に示す溶射ノズル装置１は、超音速ノズル（以下、ノズルと略称する）２内に溶融金属Ｍを直接供給するようになっている。
【００２６】
ノズル２内には超音速気流が流れる一方でノズル２内に供給される溶融金属は低速流となっており、両者の間で剪断力が作用するとともに溶融金属の表面張力が働いてノズル２のスロート部２ａ下流で溶融金属のアトマイズ（微粒化）が行われるようになっている。
【００２７】
アトマイズされた金属粒子（以下、粒子と略称する）はノズル２内で加速されるとともに急速冷却され凝固する。すなわち、本発明の溶射ノズル装置１には、アトマイズ工程が行われるスロート部２ａとアトマイズ工程と連続して飛行冷却工程が行われる拡径流路部２ｂとが一体に設けられている。
【００２８】
凝固直後にノズル２から放出された粒子は、約４５０ｍ／ｓの速度で基材３に衝突する。その衝突時の変形によって粒子は発熱し、一部が融点以上まで上昇することにより基材３に粒子が付着する（図中、衝撃付着工程参照）。
【００２９】
なお、図中４は溶融金属Ｍを貯留するための貯留部であり、ノズル２と連通する連通路４ａを有している。
【００３０】
上記連通路４ａの先端部は、スロート部２ａの筒孔中心に向けて溶融金属導出管４ｂとして延設されており、その溶融金属導出管４ｂの外周を、加速されたキャリアガスが流れるようになっている。
【００３１】
凝固した粒子が基材３に衝突する原理は従来のコールドスプレーと同様であり、衝突した粒子は著しく塑性変形してクレータ状にくぼみ、空隙のない緻密な組織が皮膜（または堆積層）内に得られることになる。したがって、皮膜が形成された成形材については後処理としてのＨＩＰ（Hot isostatic pressing）処理、すなわち、圧力を加えて残留空孔の除去を施す必要がない。
【００３２】
また、超音速気流を発生させるためのキャリアガス（以下、ガスと略称する）として窒素ガスを用いた場合、粒子衝突後に酸化が進行しないため低酸素含有の成形材を得ることができる。さらに、粒子がノズル２内を飛行するわずか１ｍｓ以内に凝固に至るため、窒化の進行を防止することができる。
【００３３】
また、溶射材として溶融金属を使用し凝固点をわずかに下回る温度の下に粒子を基材３に衝突させているため、コールドスプレーに比較すると、低いマッハ数（例えばマッハ数２程度）での衝突であっても基材３の表面温度は融点以上になり、基材３に対して粒子を確実に付着させることができるようになっている。なお、上記マッハ数とはガスの速度／音速を意味している。
【００３４】
上記ノズル２は、拡大部のノズル長さが１００ｍｍ以上に設定されており、キャリアガス全圧ｐ０が下記式(1)を満足する状態で動作するように構成されている。
【００３５】
【数３】
2006212624.tif 000005
【００３６】
ここで、ｐ０：キャリアガス全圧（スロート上流側の入口圧力），ｐＢ：ノズル出口背圧，Ｍ：溶射材溶解部におけるマッハ数，κ：キャリアガスの比熱比である。
【００３７】
また、マッハ数Ｍは式(2)により、スロート部６の断面積Ａ＊およびノズル内拡大断面積Ａと関係づけられる。
【００３８】
拡大断面積とは図２(ａ)に示すように、スロート部としての最狭部Ａ＊から下流側に向けて徐々に径が拡大する円錐状の拡大部、および同図(ｂ)に示すように、最狭部Ａ＊から下流側に向けて急に径が拡大しその後略一定するような拡大部を含む。
【００３９】
【数４】
2006212624.tif 000006
【００４０】
また、先細末広（ラバル）ノズルに、式(1)と式(2)で表される圧力を持つ圧縮ガスを供給すると、ノズルの拡大部までは超音速流れになることが知られている。最狭部においてその高速気流はマッハ１（約３４０ｍ／ｓ）となる。この高速気流に曝された溶融金属は、微粒子へとアトマイズされる。実験的にはHinze(Honze,J.O.,Fundamentals of the Hydrodynamic Mechanism of Splitting in Dispersion Processes, AIChEJ.,Vol,No.3,1955,pp.289-295)によって式(3)で表されることが明かにされている。
【００４１】
【数５】
2006212624.tif 000007
【００４２】
ここで、ρＧ：ガス密度、ＶＧ：ノズル入口のガス速度、ＶＬ：液速度、ＤＬ：分裂後液滴直径、σ：液表面張力である。
【００４３】
溶融金属としてアルミ合金を例に取り、窒素ガスを０．８ＭＰａの圧力でノズルに供給すると、式(3)から求まるアトマイズ後のアルミ合金粒子直径は約２０μｍになる。
【００４４】
アトマイズ後の粒子は超音速気流によって加速と冷却の各作用を受け、最終的に超音速の速度を持ってノズル２から噴出される。
【００４５】
この間の加速と冷却は数値解析により見積ることができる。具体的には、準一次元圧縮性流体保存形表示の質量保存、運動量保存、エネルギ保存式を式(4)と、粒子の運動方程式(6)とを連立させて解く。
【００４６】
２．数値解析手法
(1)  まず、後述する数値解析手法に使用する記号を示す。
Ａ：ノズル断面積
ＣＤ：粒子の抗力係数
Ｃｐ：比熱
Ｄ：ノズル直径
ｄ：粒子直径
ｆ：壁面摩擦係数
ｇ：重力加速度
ｈ：比エンタルピ
ｍドット：質量流量
Ｎｕ：ヌセルト数
ｐ：ガス圧力
Ｐｒ：プラントル数
Ｑ：ノズル加熱に必要な単位時間あたりのエネルギ
Ｒ：ガス定数
Ｒｅ：レイノルズ数
Ｔ：温度
ｕ：流速
ｘ：ノズル流れ方向の距離
α：ステファン・ボルツマン定数
ε：放射率
κ：比熱比
λ：熱伝導率
μ：粘性係数
ρ：密度
また、添字の意味は下記の通りである。
ｇ：ガス
ｓ：第二相（液滴、粒子、粉体）
ｘ：ノズルスロート部からの距離
Ｗ：ノズル壁面
【００４７】
(2)  ガス相の支配方程式
準一次元圧縮性流体保存形表示の質量保存、運動量保存、エネルギ保存式を下記(4)に示す。
【００４８】
【数６】
2006212624.tif 000008
ただし、ノズル壁の乱流熱伝達にはJohnson-Rubeshinの式(5)を用いる。
【００４９】
【数７】
2006212624.tif 000009
【００５０】
また、ｓとｅはガス相と第二相間の相互作用を表す運動量生成項とエネルギ生成項をそれぞれ表す。
【００５１】
実際の式(1)の解法には、ＭＵＳＣＬ（Monotone Upstream-centred Schemes for Conservation laws）化されたRoeのFlux difference Splitting法を用いて移流項を離散化し、４段階ルンゲ・クッタ法を用いて時間積分を行っている。
【００５２】
(3)  第二相（液滴、粒子、粉体）の支配方程式
粒子の速度は、粒子の運動方程式(6)を解くことにより得ることができる。
【００５３】
【数８】
2006212624.tif 000010
ただし、
【００５４】
【数９】
2006212624.tif 000011
ここで抗力係数にはKurtenの式(8)を用いている。
【００５５】
【数１０】
2006212624.tif 000012
粒子の温度は、粒子のエネルギ方程式(9)を解くことにより得ることができる。
【００５６】
【数１１】
2006212624.tif 000013
ただし、ノズル壁温度がガス温度と等しくなる断熱壁の場合、
【００５７】
【数１２】
2006212624.tif 000014
また、ノズル壁１ｂを加熱した等温壁の場合、
【００５８】
【数１３】
2006212624.tif 000015
ここでヌセルト数にはRanz-Marshallの式(12)を用いている。
【００５９】
【数１４】
2006212624.tif 000016
【００６０】
実際の式(6)と式(9)の解法については、移流項の離散化にはQUICK法を用いている。
そして４段階ルンゲ・クッタ法を用いて時間積分を行っている。
【００６１】
(4)  ノズル加熱に要する熱量
等温条件を維持するために必要な熱量を式(13)により見積ることができる。
【００６２】
【数１５】
2006212624.tif 000017
【００６３】
(5)  ノズル長さ
本発明の溶射ノズル装置を用いた運転では、アトマイズされた粒子の速度が減速しないうちに堆積物に衝突させるように構成しているため、ノズル出口から堆積物までの距離は極めて短い設定となっている。したがって、ノズル出口での粒子の速度とエンタルピがほぼ維持されて堆積するものと近似的に考えられる。
【００６４】
また、堆積時の粒子の状態により堆積物の状態も大きく左右されるが、従来の溶射ノズル装置のように亜音速で粒子を衝突・堆積させるものでは、粒子が凝固状態であると基材や堆積物に付着させることができない。
【００６５】
これに対し本発明の溶射ノズル装置は、従来、活用されていなかった固相率の方が多い半凝固状態または凝固状態の粒子を超音速で衝突・堆積させることを運転条件とするものである。そこで、溶解状態にある金属が微粒化されて飛行する間に半凝固状態に変化すると想定し、それまでに必要とされる最小限の飛行距離を求め、この飛行距離を、装置に必要とされる最小限のノズル長さとして規定している。
【００６６】
まず、粒子の加速を表す運動方程式は先に式（６）に示した通り、
【００６７】
【数１６】
2006212624.tif 000018
である。
【００６８】
この式(6)はノズルと一緒に静止しているオイラー座標系から見て記述されているので、固定した計算格子を用いる数値計算に都合がよい。
【００６９】
しかし、一粒一粒の粒子の状態を追跡して粒子速度と粒子エンタルピとを確認するには不都合であるため、飛行する粒子と一緒に移動するラグランジュ座標系から見て記述した方程式で表すと、下記式(14)のようになる。ただし、簡略化のために、ほとんど影響のない重力項を無視している。また、飛行距離がまだ短い区間では、粒子がガス流れにより後ろから追い風のように押される加速過程にあるとして、常に、ガスの流速ｕｇ＞粒子の速度ｕｓが成り立つと仮定している。
【００７０】
【数１７】
2006212624.tif 000019
【００７１】
ここで、ガスの流速ｕｇと粒子の速度ｕｓとの相対速度をとって、Ｕ＝ｕｇ−ｕｓとして、近似的に超音速であるガス流速はノズル内で一定であると仮定すると、式(14)を式(15)のように変形できる。
【００７２】
【数１８】
2006212624.tif 000020
【００７３】
式(15)中、抗力係数ＣＤは式(12)で示したように、相対速度Ｕが亜音速の場合にはレイノルズ数の関数で表現できるが、アトマイズ直後の場合は相対速度Ｕも超音速である比率が高いので、ここでは図３（弾丸経路計測から得られた球体、および円錐−円柱体の抗力係数、マッハ数依存の説明図）に示すグラフにおいて、マッハ数と球形物体との抗力係数の実験結果から式(16)で近似する（図中、近似直線Ｅ参照）。
【００７４】
なお、図３は2nd edition McGrae-Hill Series in Aeronautical and Aerospace Engineering, Modern Compressible Flow with historical Perspective より引用。
【００７５】
【数１９】
2006212624.tif 000021
ただし、ａｇはガスの音速、Ｍはマッハ数。
【００７６】
式(16)と式(15)から粒子の飛行時間ｔと相対速度Ｕの関係を表現する式(17)が得られる。
【００７７】
【数２０】
2006212624.tif 000022
ここで、ｔ＝０では粒子速度ｕｓ＝０としている。
【００７８】
また、飛行時間ｔｆと飛行距離ｌｆとの関係は式(18)から求められる。
【００７９】
【数２１】
2006212624.tif 000023
【００８０】
ただし、ｕｇはガスの流速、ρｇはガスの密度、ρｓは粒子の密度、ｄｓは粒子直径
【００８１】
粒子が半凝固に達するまでの飛行時間ｔｆが分かれば、それまでの粒子の飛行距離ｌｆが計算され、この飛行距離ｌｆは必要とされる最小限のノズル長さに一致する。そこで、粒子が半凝固に達するまでの飛行時間ｔｆを求める。粒子の冷却は先に示した式(9)で与えられる。
【００８２】
【数２２】
2006212624.tif 000024
式(14)と同様に、ラグランジュ座標系で記述すると、式(19)のようになる。
【００８３】
【数２３】
2006212624.tif 000025
【００８４】
ここで、近似的に初期の溶湯温度、液相線温度、固相線温度ともほぼ等しく、その値を材料の融点Ｔｍで代表させると、Ｔｓ＝Ｔｍとおける。また、ガスの温度Ｔｓとノズル壁面温度Ｔｗも近似的に一定とする。
【００８５】
熱伝達の度合いを表すヌセルト数Ｎｕは式(12)で表されるが、相対速度Ｕを用いて書き換えると式(20)のようになる。
【００８６】
【数２４】
2006212624.tif 000026
【００８７】
また、溶射金属の凝固潜熱をＬとすると、固相率の方が大きい半凝固状態になるためには、式(21)が成り立つ。
【００８８】
【数２５】
2006212624.tif 000027
【００８９】
なお、式において、液相から固相に変化する略中間が半凝固状態となるため、Ｌ／２としている。
【００９０】
最小限のノズル長さを求めるということは、粒子が半凝固に達するまでの最短の飛行時間ｔｆを求めることになるから、この場合には式(21)において等号が成立する。
【００９１】
式(19)と式(20)からヌセルト数Ｎｕを消去し、さらに式(17)を用いて相対速度Ｕも消去して、さらに式(21)の等号式を用いると、粒子が半凝固状態に達するまでの最短の飛行時間ｔｆの関係式(22)が得られる。
【００９２】
【数２６】
2006212624.tif 000028
【００９３】
ただし、Ｐｒはガスのプラントル数、λはガスの熱伝導率、Ｔｍは材料の融点、Ｔｇはガスの温度、μｇはガスの粘性係数
上記式(22)をｔｆについて解くことはできないが、ニュートン法などを用いて数値的に解くことができる。
【００９４】
以上のことから、式(22)から最短の飛行時間ｔｆを求め、式(18)に代入することにより、最短の飛行距離、すなわち最小限のノズル長さｌｆが求まる。
【００９５】
本発明の溶射ノズル装置は上記ノズル長さｌｆ以上の長さを有するノズルを用いた装置であることを特徴とし、粒子を超音速まで加速することにより凝固状態でも基材や堆積物に付着するため、理論上はノズル長さに上限はない。
【００９６】
図４は、アルミニウムと銅を用いて具体的に最小限のノズル長さを求めたグラフであり、様々な粒子径からなる粒子が固相率０．５を超える半凝固状態となる場合に必要とされるノズル長さを示したものである。なお、同グラフにおいて横軸は粒子の直径を示し、縦軸はノズル長さを示している。なお、キャリアガスの条件は後述する表１と同様にしている。
【００９７】
アトマイズの結果、例えば体積占有率で見た平均径が５０μｍの場合、アルミニウムでは０．１７ｍ、銅では０．１２ｍのノズル長さが必要となる。
【００９８】
ところで、従来、アトマイズを目的として超音速ノズルに溶湯を流す場合には、粒子がノズル内壁面に付着することを避けるため、図５に示すようにノズル開き角（スロート部下流側における拡径流路部の開き角）が半頂角でθ＞１５°の大きなノズルを使用している。上記半頂角とはノズル中心軸とノズル内壁がなす角度を意味する。
【００９９】
この場合には断面積比Ａ／Ａ＊が急激に拡大してマッハ数Ｍも急激に大きくなる（式(2)参照）が、等エントロピ変化の式(23)と垂直衝撃波の関係式(24)から求まるマッハ数Ｍ１になったところで衝撃波面が現れ、これを境としてその下流側は亜音速となり、ノズル内壁の開き角が大きいことにより、内壁面付近のガスの流れはその内壁面から剥離してしまう。
【０１００】
このときのマッハ数Ｍ１は式(25)から求まり、衝撃波面が現れる部位での断面積比Ａ／Ａ＊は式(26)から求まる。
【０１０１】
このようなノズルは従来からアトマイズに向いているが、ノズル内でのガス流れが直ちに亜音速になるものであり、粒子を加速させるという概念は存在しない。これに対し、本発明のノズルは、ノズル開き角を半頂角で１５°以下として流れの剥離を防止しつつ、なお且つ、半凝固状態であっても粒子を基材や堆積物に付着させることができるようにアトマイズ後の粒子を超音速まで加速させる構成にしている。換言すれば、本発明のノズルは、粒子が凝固または半凝固状態に達するまでノズル最狭部から衝撃波面が生じる部位までの距離を長く延ばした構成となっている。
【０１０２】
【数２７】
2006212624.tif 000029
【０１０３】
【数２８】
2006212624.tif 000030
【０１０４】
【数２９】
2006212624.tif 000031
【０１０５】
【数３０】
2006212624.tif 000032
【０１０６】
以上説明したことから、本発明の超音速ノズルの条件は、下記（ａ）〜（ｃ）によって規定することができる。
【０１０７】
（ａ）ノズル開き角が半頂角でθ≦１５°であること。
（ｂ）ノズル開き角が半頂角でθ≦１５°であって、キャリアガス全圧ｐ０、ノズル出口背圧ｐＢに基づき式(25)によって求まる衝撃波上流マッハ数Ｍ１を、さらに式(26)に代入してノズル断面積Ａ１を求め、このノズル断面積Ａ１となる位置までのノズル長さｌｆが、式(18)と、粒子が半凝固に達するまでの最短の飛行時間を規定した関係式(22)とから求まる最小限のノズル長さｌｆ以上であること。図６はノズル内に衝撃波が発生する場合を示している。
（ｃ）ノズル開き角が半頂角でθ≦１５°であって、ノズル長さｌｆが式(18)と、粒子が半凝固に達するまでの最短の飛行時間を規定した関係式(22)とから求まる最短ノズル長さｌｆ以上であり、キャリアガス全圧ｐ０、ノズル出口背圧ｐＢに基づき式(25)によって求まる衝撃波上流マッハ数Ｍ１を、さらに式(26)に代入して求めたノズル断面積Ａ１が、ノズル出口断面積Ａｅよりも大きいノズルである。
【０１０８】
この場合、図７に示すようにノズル全域が超音速流れになるため、衝撃波面はノズル出口下流側に発生することになる。
【０１０９】
３．実機ノズルの設計
3-1)  材料物性値と拘束条件
実機ノズルの計算に用いた材料物性値と拘束条件を表１に示す。
【０１１０】
【表１】
2006212624.tif 000033
【０１１１】
ただし、表中の最大半頂角とはノズル中心軸とノズル内壁がなす角度の最大を意味する。
【０１１２】
3-2)  検討条件
溶融金属（粒子）質量流量［kg/s］  ４条件：0.025，0.050，0.075，0.100
粒子径                  ［μｍ］  ３条件：20，50，100
ノズルスロート部の径    ［ｍｍ］  ２条件：φ25，φ35
ただし、それぞれガス質量流量0.9［kg/s］（スロート径φ25），1.8［kg/s］(スロート径φ35)に相当する。
【０１１３】
上記の条件において、適性膨張（ノズル出口静圧＝背圧＝大気圧）が得られる場合のノズル形状を求め、粒子温度と粒子速度との関係を調べた。また、超音速流では下流側から上流側に影響の及ぶことがないため、例えば、長さ５００ｍｍのノズルにおける３００ｍｍ位置での計算結果はそのまま長さ３００ｍｍのノズルの出口における状態とみなすことができる。これは亜音速ノズルと異なる点である。
【０１１４】
3-3)  実機ノズルの構成
3-3-1)  全般
スプレー加速用に考案したノズル形状の典型例を図８のグラフに示す。
ここではノズル最大半頂角を５°（表１参照）にしている。
【０１１５】
本ノズルは、(ａ)アトマイズ後の分散した液滴はノズル壁に付着しないように速やかに最大直径まで拡大させること、および(ｂ)粒子を加速すべく速度が最大になる最大直径での直管部分を長くとること、を目的に構成されている。
【０１１６】
ただし、本実施形態のノズルは、一般にコールドスプレーで用いられているコニカルノズルと比較して、設計値よりも圧力比が低い場合や多くのコールド粒子が供給された場合にノズルのほとんどを占める直管部がすべて亜音速になってしまう不都合がある。そのため、設計値を外れた状態での運転には不向きであり、同一条件での運転を繰り返すような生産設備に適している。そこで上記同一条件で運転されることを前提とした場合の適性膨張になるノズル出口径を図９のグラフに示す。
【０１１７】
同グラフにおいて、ノズルスロート径がφ２５ｍｍであれ、φ３５ｍｍであれ、溶融金属流量が増加するのにつれてノズル出口径が大きくなる理由は、溶融金属が持ち込む熱をガスが受け取り、膨張できる状態になるからである。
【０１１８】
興味深い点は、溶融金属質量流量が少ない条件でノズルの設計を行っておけば、設計を超えた流量をノズルに供給しても不足膨張となって加速効率は低下するものの、粒子に受け渡す運動量による制限までは運転可能になることである。また、その逆に、設計値よりも少ない溶融金属質量流量では超音速まで加速できないことがわかる。
【０１１９】
次に、表２に加熱なしの場合において、実機ノズルでの設計計算の結果、得られたノズルスロート径とガス質量流量との関係を示す。
【０１２０】
【表２】
2006212624.tif 000034
【０１２１】
3-3-2)  アトマイズ後粒子径φ２０μｍの場合
図１０〜１２に、それぞれアトマイズ後粒子径φ２０μｍ，ノズルスロート径φ２５ｍｍとした場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度／速度分布、粒子温度／速度分布を示す。なお、以下に説明する各グラフにおいて、横軸のDistanceはノズル長さを示し、また、縦軸のMach numberはマッハ数を、Gas tempはガス温度を、Gas Velcはガス流速を、Solid tempは粒子温度を、Solid Velcは粒子速度をそれぞれ示している。
【０１２２】
また、図１３〜１５に、それぞれアトマイズ後粒子径φ２０μｍ，ノズルスロート径φ３５ｍｍとした場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度／速度分布、粒子温度／速度分布を示す。
【０１２３】
溶融金属から熱をもらう加熱レイリー流れであるため、マッハ数は減少し、ガス温度は上昇し、ガス速度は減少する。
【０１２４】
本実施形態では加熱後、適性膨張になるようにノズル出口径を決めているため、ガス静圧はほぼ大気圧に等しく、ガス速度はいずれも５１０ｍ／ｓ程度になっている。
【０１２５】
興味深い点は、このような各条件について個別に加熱後適性膨張になるようにノズル出口径を決めると、もはや粒子側の状態は、粒子速度・粒子温度ともにほぼ同一の結果になることである。
【０１２６】
これは、ノズル内のガス速度分布がほぼ等しく、ガス温度差は溶融金属との温度差と比べて小さいからである。
【０１２７】
また、スロート径φ２５ｍｍとφ３５ｍｍの差異は、図１１および図１４に示されるようにガス温度に現れているが、ガス速度にはほとんど現れない。したがってガス温度の影響を受ける粒子は粒子温度に差異が現れるが、粒子速度には現れない。
【０１２８】
また、粒子径φ２０μｍの場合、ノズル長さ１６０ｍｍ程度で凝固は完了するが、粒子速度は４００ｍ／ｓ程度しかない。この場合、ノズル長さを５００ｍｍまで延長すれば粒子速度を４８０ｍ／ｓまで加速することができるが、このときの粒子温度は４００Ｋまで冷却されてしまうことになる。
【０１２９】
このように粒子径がφ２０μｍの場合は、粒子は加速と比較して冷却されすぎる傾向があるため、ノズルの長さは慎重に決定する必要がある。
【０１３０】
3-3-3)   アトマイズ後粒子径φ５０μｍの場合
図１６〜１８に、それぞれアトマイズ後粒子径φ５０μｍ，ノズルスロート径φ２５ｍｍとした場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度／速度分布、粒子温度／速度分布を示す。
【０１３１】
また、図１９〜２１に、それぞれアトマイズ後粒子径φ５０μｍ，ノズルスロート径φ３５ｍｍとした場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度／速度分布、粒子温度／速度分布を示す。
【０１３２】
マッハ数、ガス温度、粒子速度の傾向は、粒子径φ２０μｍの場合と大きく変わらないが、決定的に異なる点は図１８および図２１に見られる粒子温度の冷却速度である。
【０１３３】
粒子径φ５０μｍでは凝固が完了するまでにノズル内で約１．２ｍの飛行距離を要している。それに応じてノズル長さも１．２ｍ延設すれば、都合よく粒子加速の漸近線にかなり近づくことになる。
【０１３４】
この条件において粒子温度７５０Ｋ、粒子速度４７０ｍ／ｓで粒子はノズルから放出されるため、基材に対する衝突付着条件としては最も好ましい。
【０１３５】
3-3-4)  アトマイズ後粒子径φ１００μｍの場合
図２２〜２４にアトマイズ後粒子径φ１００μｍの場合のノズル内マッハ数分布、ガス温度／速度分布、粒子温度／速度分布を示す。
【０１３６】
この計算結果から、粒子径φ１００μｍの場合はさらに冷却速度が低下して凝固に至るまでにノズル長さが５ｍ必要になる。粒子の加速はすでにノズル長さ３ｍの時点で終了しており、約４５０ｍ／ｓの速度に達しているため、冷却の方が遅れることになる。アトマイズが不良で十分な微粒化ができない場合にこのような状況が起こる。
【０１３７】
図２５は本発明に係る溶射装置をバッチ処理に適用する場合の構成を示したものである。
【０１３８】
なお、同図において図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【０１３９】
また、キャリアガスとして、粒子を加速する際に音速が速くなる点で好ましい分子量の小さいヘリウムガスを窒素ガスに代えて使用している。
【０１４０】
ヘリウムガスボンベ１０から供給されるキャリアガスは２つの管路１１，１２に分岐され、管路１１を流れるキャリアガスは貯留部４内に貯留されている溶融金属に対してヘッド圧を加え、管路１２を流れるキャリアガスはノズル２内に導入され、スロート部２ａを通過することにより超音速に加速されるようになっている。なお、上記ヘリウムボンベ１０および管路１１，１２はキャリアガスを加圧導入するキャリアガス供給装置として機能する。
【０１４１】
貯留部４から流下する溶融金属は、ノズル２内の超音速ガス流によってアトマイズされ、さらにノズル２内で冷却されノズル２先端から吐出される。
【０１４２】
吐出された粒子は基材３表面に衝突し付着する。ノズル２および基材３は密閉容器としてのチャンバ１３内に収納されており、このチャンバ１３は排気装置としてのサイクロン装置１４および排気真空ポンプ（減圧手段）１５を介して貯気槽１６に接続されている。なお、上記サイクロン装置１４は排気中に浮遊する粒子を回収しガスのみを排気真空ポンプ１５に供給する。
【０１４３】
上記排気装置は、キャリアガスのマッハ数を高めて粒子速度を上げるために設けられており、貯気槽１６に回収されたヘリウムガスは圧縮機１７によって圧縮され、再利用されるようになっている。
【０１４４】
図２６は本発明に係る溶射装置を連続成形処理に適用する場合の基本構成を示したものである。
【０１４５】
同図に示す連続成形処理では、貯留部４に連続溶解炉２０が接続されており、貯留部４と連続溶解炉２０とは接続管２１を介して連通している。また、連続溶解炉２０はヘッド圧によって貯留部４の内圧が０．８ＭＰａとなるようにその高さが設定されている。上記所定高さに配置された連続溶解炉２０は溶融金属を連続的に加圧供給する溶融金属供給装置として機能するようになっている。
【０１４６】
このようにして貯留部４からノズル２に対して溶融金属を連続的に供給することができるようになっている。
【０１４７】
また、基材２２は矢印Ａ方向にも回転しながら、引き取りローラ（基材供給装置）２３ａ，２３ｂの回転によって矢印Ｂ方向に引き抜かれるようになっている。それにより、基材２２上に連続的に粒子を溶射し成形することができる。
【０１４８】
また、図２７〜図３１は本発明のノズル２の他の実施形態を示したものであり、ノズル自体をセラミックまたはカーボンなどの非金属で製作することにより表面の親和性を悪くし、ノズル内壁に付着した金属粒子を超音速ガス流れによって容易に吹き飛ばすことができるようにしたものである。なお、これらの図において図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【０１４９】
図２７に示すノズル４０は、アルミニウム合金を溶射するためにジルコニアを用いてノズル４１を製作し、その外側をセラミック製の筒体４２でカバーし、その筒体４２の周囲に最大９００℃まで昇温可能なノズルヒータ４３を複数回巻き付けたものである。なお、上記ノズル４１としては、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）を安定化剤として添加した高強度、高耐摩耗性、高耐腐食性を備えた部分安定化ジルコニアと呼ばれる材料を使用することが好ましい。
【０１５０】
図２８に示すノズル４４は、ノズル自体をセラミックファイバーヒータ４５で構成したものであり、詳しくは、アルミナとシリカを主成分とする素材を繊維化した高温絶縁性のセラミックファイバーに発熱体を埋設して一体成形することにより構成されている。なお、図中４６ａおよび４６ｂはヒータの電極接続部を示している。
【０１５１】
図２９に示すノズル４７は、セラミック製ノズル４８の胴部外壁にカーボンヒータ４９を周設し放射によって加熱するように構成したものである。
【０１５２】
上記カーボンヒータ４９は、円筒状のノズル４８の上下両側から交互に一定の長さ形成されたスリット５１ｄ，５１ｅによって複数部分に分割されたものからなり、４９ａおよび４９ｂはそのカーボンヒータ４９の電極接続部である。また、５０は内壁が鏡面に仕上げられた筒状の反射ケースであり、放射効率を高めるために設けられている。
【０１５３】
上記構成を有するノズル４７において、図示しない電源から電極接続部４９ａ，４９ｂを通じてカーボンヒータ４９に電力が供給されると、カーボンヒータ４９は、通電によるジュール発熱によって内部から発熱し、それにより、セラミックス製ノズル４８はカーボンヒータ４９からの輻射伝熱によって加熱され、ノズル３７内壁に付着した金属が溶融される。
【０１５４】
図３０に示すノズル５１は、ノズル自体をカーボンヒータ５２で製作したものであり、５２ａおよび５２ｂはその電極接続部を示している。セラミックス製ノズルをカーボンまたはカーボンコンポジット製のノズルに代えると、ノズル表面の輻射率がさらに高まり、ノズル５１の加熱効率をさらに高めることができる。
【０１５５】
なお、図２９および図３０では、酸素が存在するとカーボン自体が酸化反応するため、これを防止するため装置全体をチャンバーで覆い、アルゴンや窒素等のガスを高圧ガスとして用い、チャンバー内を不活性雰囲気に置換するようにしている。
【０１５６】
また、ノズルを熱伝導率の良い例えば銅等の金属製材料で製作し、製作されたノズル内壁にセラミック溶射を施すことによってセラミック被膜を形成することによっても、上記した各ノズルと同様に、親和性を悪くすることもできる。
【０１５７】
図３１に示すノズル５３では、銅ノズル５４の内面にジルコニア被膜（図中、太い破線で示した部分）５５を形成し、その外周面にノズルヒータ４３を複数回巻き付けたものである。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】本発明に係る溶射ノズル装置の構成を示す斜視図である。
【図２】(ａ)および(ｂ)はノズル拡大部の定義を示す説明図である。
【図３】マッハ数と抗力係数の関係を説明するグラフである。
【図４】粒径に応じたノズル長さを示すグラフである。
【図５】従来のノズル開き角を示す説明図である。
【図６】ノズル内に衝撃波が発生する場合を示す説明図である。
【図７】ノズル全域が超音速流れになる場合を示す説明図である。
【図８】ノズル形状の典型例を示すグラフである。
【図９】適性膨張になるノズル出口径を示すグラフである。
【図１０】粒子径２０μｍ、スロート径２５ｍｍにおけるノズル長さとマッハ数との関係を示すグラフである。
【図１１】同じくノズル長さとガス温度／速度分布を示すグラフである。
【図１２】同じくノズル長さと粒子温度／速度分布を示すグラフである。
【図１３】粒子径２０μｍ、スロート径３５ｍｍにおけるノズル長さとマッハ数との関係を示すグラフである。
【図１４】同じくノズル長さとガス温度／速度分布を示すグラフである。
【図１５】同じくノズル長さと粒子温度／速度分布を示すグラフである。
【図１６】粒子径５０μｍ、スロート径２５ｍｍにおけるノズル長さとマッハ数との関係を示すグラフである。
【図１７】同じくノズル長さとガス温度／速度分布を示すグラフである。
【図１８】同じくノズル長さと粒子温度／速度分布を示すグラフである。
【図１９】粒子径５０μｍ、スロート径３５ｍｍにおけるノズル長さとマッハ数との関係を示すグラフである。
【図２０】同じくノズル長さとガス温度／速度分布を示すグラフである。
【図２１】同じくノズル長さと粒子温度／速度分布を示すグラフである。
【図２２】粒子径１００μｍにおけるノズル長さとマッハ数との関係を示すグラフである。
【図２３】同じくノズル長さとガス温度／速度分布を示すグラフである。
【図２４】同じくノズル長さと粒子温度／速度分布を示すグラフである。
【図２５】バッチ処理に適用する溶射装置の構成を示す説明図である。
【図２６】連続成形処理に適用する溶射装置の構成を示す説明図である。
【図２７】本発明に係るノズルの第二の形態を示した図１相当図である。
【図２８】本発明に係るノズルの第三の形態を示した図１相当図である。
【図２９】本発明に係るノズルの第四の形態を示した図１相当図である。
【図３０】本発明に係るノズルの第五の形態を示した図１相当図である。
【図３１】本発明に係るノズルの第六の形態を示した図１相当図である。
【図３２】従来のコールドスプレー装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１５９】
１    溶射ノズル装置
２    ノズル
２ａ  スロート部
３    基材
４    貯留部
４ａ  連通路
４ｂ  溶融金属導出管
１０    ヘリウムガスボンベ
１１，１２    管路
１３    チャンバ
１４    サイクロン装置
１５    排気真空ポンプ
１６    貯気槽
１７    圧縮機
２０    連続溶解炉
２１    接続管
２２    基材
２３ａ，２３ｂ    引き取りローラ
【図１】
2006212624.tif 000037
【図２】
2006212624.tif 000038
【図３】
2006212624.tif 000039
【図４】
2006212624.tif 000040
【図５】
2006212624.tif 000041
【図６】
2006212624.tif 000042
【図７】
2006212624.tif 000043
【図８】
2006212624.tif 000044
【図９】
2006212624.tif 000045
【図１０】
2006212624.tif 000046
【図１１】
2006212624.tif 000047
【図１２】
2006212624.tif 000048
【図１３】
2006212624.tif 000049
【図１４】
2006212624.tif 000050
【図１５】
2006212624.tif 000051
【図１６】
2006212624.tif 000052
【図１７】
2006212624.tif 000053
【図１８】
2006212624.tif 000054
【図１９】
2006212624.tif 000055
【図２０】
2006212624.tif 000056
【図２１】
2006212624.tif 000057
【図２２】
2006212624.tif 000058
【図２３】
2006212624.tif 000059
【図２４】
2006212624.tif 000060
【図２５】
2006212624.tif 000061
【図２６】
2006212624.tif 000062
【図２７】
2006212624.tif 000063
【図２８】
2006212624.tif 000064
【図２９】
2006212624.tif 000065
【図３０】
2006212624.tif 000066
【図３１】
2006212624.tif 000067
【図３２】
2006212624.tif 000068