JP2008302311A

JP2008302311A - コールドスプレー方法

Info

Publication number: JP2008302311A
Application number: JP2007152636A
Authority: JP
Inventors: Yohei Sakakibara; 洋平榊原; Akihiro Sato; 彰洋佐藤; Keiji Kubushiro; 圭司久布白; Koki Yoshizawa; 廣喜吉澤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-18

Abstract

【課題】皮膜の密着性を向上させると共に、スプレー処理時のランニングコストを低減することができるコールドスプレー方法を提案する。
【解決手段】材料粉末Ａをノズル１１Ｎから高速で噴射して基材Ｂ上に堆積させるコールドスプレー方法において、所定圧力に減圧したチャンバー２０内に基材Ｂ及びノズル１１Ｎを配置する工程と、基材Ｂに向けて材料粉末Ａを噴射する工程と、を有する。所定圧力は、ノズル１１Ｎから材料粉末Ａと共に噴射する作動ガスＧの圧力や、材料粉末Ａの平均粒径に基づいて規定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、コールドスプレー方法に関する。

近年、新しいコーティング方法として、コールドスプレー方法が注目されている。このコールドスプレーは、材料粉末を作動ガスと共にノズルから高速で噴射し、固相状態のまま基材に衝突させて被膜を形成する技術である。
材料粉末としては、金属、合金、金属間化合物、セラミックスなどが用いられる。また、作動ガスとしては、空気、窒素、ヘリウムなどが用いられ、材料粉末の融点よりも低い温度に設定される。

このコールドスプレーでは、従来のプラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などに比べて、材料粉末を高温に加熱する必要がない。このため、加熱による材質変化（酸化や熱変質）が殆どなく、意図した性質を有する被膜を形成することができる。つまり、緻密で密度が高く、密着性が良好な被膜が得られる。

コールドスプレーにより形成した皮膜の密着性を向上させる技術として、特許文献１に示す技術が開示されている。この技術は、真空チャンバー内において、基材に対してコールドスプレーを行うものである。
特開２００６−１６１１６１号公報

コールドスプレー方法では、皮膜の密着性を向上させることに加えて、スプレー処理時のランニングコストを低減することも要請されている。例えば、作動ガスとして一般的に用いられるヘリウムガスは高価であるため、その使用量を低減させたいという要望がある。
ところが、上述した技術では、チャンバー内を真空にする必要があるため、却ってランニングコストが上昇して不経済になってしまうという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、皮膜の密着性を向上させると共に、スプレー処理時のランニングコストを低減することができるコールドスプレー方法を提案することを目的とする。

本発明に係るコールドスプレー方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、材料粉末をノズルから高速で噴射して基材上に堆積させるコールドスプレー方法において、所定圧力に減圧したチャンバー内に前記基材及び前記ノズルを配置する工程と、前記基材に向けて材料粉末を噴射する工程と、を有することを特徴とする。
これにより、材料粉末が受ける空気抵抗が減るので、材料粉末の噴射速度を容易に高められる。

また、前記所定圧力は、０．０１〜０．１ＭＰａであることを特徴とする。
また、前記所定圧力は、前記ノズルから前記材料粉末と共に噴射する作動ガスの圧力に基づいて規定されることを特徴とする。
また、前記所定圧力は、前記作動ガスの種類に基づいて規定されることを特徴とする。
これにより、作動ガスの使用量を減らしたり、粉末加速性能は劣るが低コストの作動ガスを用いたりすることができる。

また、前記所定圧力は、前記材料粉末の平均粒径に基づいて規定されることを特徴とする。
また、前記所定圧力は、前記材料粉末の種類に基づいて規定されることを特徴とする。
これにより、平均粒径が比較的大きい材料や、硬質なため微細に粉砕しづらい材料であっても、噴射速度を容易に高めることができる。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
本発明に係るコールドスプレー方法では、所定圧力に減圧したチャンバー内において材料粉末を高速で噴射するので、材料粉末が受ける空気抵抗が減って材料粉末の噴射速度が容易に高められる。したがって、基材上に、密着度が高く、良質な皮膜を形成することができる。

また、前記所定圧力を前記作動ガスの圧力や種類に基づいて規定して、作動ガスの使用量を減らしたり、低コストの作動ガスを用いたりすることができるので、スプレー処理時のランニングコストを確実に抑えることができる。

また、前記所定圧力を前記材料粉末の平均粒径や種類に基づいて規定して、平均粒径が比較的大きい材料や、硬質なため微細に粉砕しづらい材料を使用することができので、高性能な皮膜を良好に形成することができる。特に、硬質材料を粉砕して材料粉末を作製するコストを確実に抑えることができる。

以下、本発明に係るコールドスプレー方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、コールドスプレーシステム１の概略構成を示す模式図である。
図２は、コールドスプレー装置１０の概略構成を示す模式図である。

コールドスプレーシステム１は、コールドスプレー装置１０と、コールドスプレー装置１０の一部（ノズル１１）を収容する減圧チャンバー２０等から構成される。
コールドスプレー装置１０は、材料粉末Ａを音速〜超音速で基材Ｂの表面に固体状態で衝突させて皮膜Ｒを成膜するための装置であって、材料粉末Ａを高圧の作動ガスＧと共に噴射するスプレーガン１１、所望量の材料粉末Ａを作動ガスＧと共にスプレーガン１１に供給する粉末供給部１２、作動ガスＧを所定温度に加熱してスプレーガン１１に供給するガス加熱器１３、粉末供給部１２及びガス加熱器１３に対して作動ガスＧを供給する不図示のガス供給部等を備えている。

ガス供給部から供給される高圧の作動ガスＧは２つの経路に分岐され、一方の作動ガスＧ１はガス加熱器１３を経て、室温以上、材料粉末Ａの融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱された後、スプレーガン１１に供給される。他方の作動ガスＧ２は、粉末供給部１２へ送気され、キャリアガスとして材料粉末Ａと共にスプレーガン１１に供給される。

そして、スプレーガン１１に供給された作動ガスＧ（Ｇ１，Ｇ２）と材料粉末Ａは、スプレーガン１１の先端のノズル１１Ｎを経て音速〜超音速流となり、ノズル１１Ｎの出口から噴出される。材料粉末Ａの吹き付け速度（噴射速度）は、３００〜８００ｍ／ｓ程度である。
なお、作動ガスＧとしては、空気、窒素、ヘリウム、アルゴンなどが用いられる。特に、不活性ガス（ヘリウム）が好適である。ガス圧力は、０．２７〜０．６９ＭＰａ程度であるが、特に、０．５９〜０．６９ＭＰａ程度が好適である。

ノズル１１Ｎの出口から噴出した材料粉末Ａは、固体のまま基材Ｂに衝突する。そして、高速で基材Ｂに衝突した材料粉末Ａは、塑性変形して基材Ｂに付着（皮膜Ｒを形成）する。また、材料粉末Ａが基材Ｂに衝突した際に運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、材料によっては材料表面が融点を超え結合し強固な密着力を得ることができる。

このように、コールドスプレー装置１０は、材料粉末Ａを溶融またはガス化させること無く、作動ガスＧと共に音速〜超音速流で固相状態のまま基材Ｂに衝突させて皮膜Ｒを形成することができる。
従来のプラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などに比べ、材料粉末をあまり加熱せずに固相状態のまま基材Ｂに付着させることができる。
これによって得た皮膜Ｒは、緻密で密度、熱伝導率・導電性が高い、密着性も良好である等の優れた性質を有する。特に、材料粉末Ａを加熱して溶融させないので、酸化や熱変質が殆どないという優れた性質を有する。

図１に示すように、コールドスプレー装置１０のうちのスプレーガン１１は、延長配管１５を介して減圧チャンバー２０内に収容される。また、基材Ｂも減圧チャンバー２０に収容される。
減圧チャンバー２０には排気装置２２が連結されており、この排気装置２２により減圧チャンバー２０内が０．０１〜０．１ＭＰａ程度に減圧できるようになっている。

本実施形態に係るコールドスプレー方法では、まず、排気装置２２を作動させて、コールドスプレー装置１０及び基材Ｂが収容された減圧チャンバー２０内を、０．０１〜０．１ＭＰａ程度（所定圧力）に減圧する。
次に、コールドスプレー装置１０を作動させて、基材Ｂに向けて材料粉末Ａを噴射して皮膜Ｒを形成する。

図３は、減圧チャンバー２０内の圧力と材料粉末Ａが受ける空気抵抗の関係を示す図である。
減圧チャンバー２０内を減圧すると、材料粉末Ａが受ける空気抵抗は小さくなる。具体的には、減圧チャンバー２０内の圧力が０．０１ＭＰａ程度となると、大気中（０．１ＭＰａ）の場合にくらべて、材料粉末Ａが受ける空気抵抗は１／１０程度となる。
このため、作動ガスＧの使用量（流量）・圧力が一定であれば、材料粉末Ａの噴射速度は高くなる。したがって、例えば、作動ガスＧの使用量（流量・圧力）を減らしたとしても、材料粉末Ａの噴射速度を３００〜８００ｍ／ｓ程度に維持することが可能となる。

また、分子量が大きいために材料粉末Ａの加速性能が低いガス（例えば空気等）を作動ガスＧとして用いることが可能となる。つまり、材料粉末Ａの加速が低くなっても、材料粉末Ａが受ける空気抵抗が小さいので、上述した噴射速度を確保することができる。なお、分子量が大きいガスは、一般に低コストである。
このように、コールドスプレー処理時の作動ガスＧの使用量を減らしたり、低コスト（加速性能が低い）の作動ガスＧを用いたりすることで、ランニングコストを確実に抑えることができる。

更に、材料粉末Ａが受ける空気抵抗は小さくなるので、材料粉末Ａとして平均粒径が比較的大きいもの（例えば、２０〜２５μｍ程度）を用いたとしても、上述した噴射速度（３００〜８００ｍ／ｓ程度）を確保することができる。
例えば、硬質の材料（硬質コーティング材等）では、コールドスプレー方法に適する微細粉末（例えば、平均粒径が５μｍ程度）を作製するために、粉砕処理に多大なコストや時間を要している。
しかし、材料粉末Ａが受ける空気抵抗は少なくなれば、平均粒径が比較的大きい材料粉末Ａであっても、良好にコールドスプレー方法に用いることが可能となるので、粉砕処理の回数・時間を減らことができる。
したがって、硬質で高性能な皮膜を、従来に比べて低コストに形成することができる。

上述したように、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐ（所定圧力）は、０．０１〜０．１ＭＰａ程度に減圧される。具体的な圧力は、以下の条件に基づいて決定される。

第一の条件としては、作動ガスＧの圧力Ｑが挙げられる。すなわち、作動ガスＧの圧力Ｑを小さくするに従って、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐも小さくなるように設定する。
通常、大気中（０．１ＭＰａ）におけるコールドスプレー処理では、作動ガスＧの圧力Ｑは０．５９〜０．６９ＭＰａ程度に設定される。この際、材料粉末Ａが受ける空気抵抗は、約８．４×１０^−４ｍＮとなる。
これに対して、例えば、作動ガスＧの圧力Ｑを半分程度（０．２７〜０．３４５ＭＰａ）に設定し、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを０．０５ＭＰａ程度に設定する。
これにより、作動ガスＧの圧力Ｑを小さくしたとしても、材料粉末Ａが受ける空気抵抗が大気中の場合の約半分（約４．３×１０^−４ｍＮ）となるので、材料粉末Ａの噴射速度は低下することなく、３００〜８００ｍ／ｓ程度に維持できる。

第二の条件としては、作動ガスＧの種類が挙げられる。
材料粉末Ａを３００〜８００ｍ／ｓ程度の噴射速度まで加速させるためには、加速性能が高いガスを作動ガスとして用いることが好ましい。しかし、上述したように、加速性能が高いガスは、分子量が小さいガス（例えば水素ガス、ヘリウムガス等）であり、一般に高コストである。このため、作動ガスＧの使用量を減らすことができれば、コールドスプレー処理のランニングコストを低減させることができる。
そこで、作動ガスＧが高コストなガスの場合には、例えば、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを０．０７ＭＰａ程度に設定し、作動ガスＧの圧力Ｑを半分程度（０．２７〜０．３４５ＭＰａ）に設定する。
これにより、材料粉末Ａを加速させる能力が半減したとしても、材料粉末Ａが受ける空気抵抗が大気中の場合の約半分となるので、材料粉末Ａの噴射速度は低下することなく、３００〜８００ｍ／ｓ程度に維持できる。したがって、高コストの作動ガスＧ（水素ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等）の使用量を通常の場合（大気中におけるスプレー処理）に比べて、半分以下に減らすことができ、ランニングコストを確実に抑えることができる。

また、作動ガスＧとして空気、窒素、酸素、二酸化炭素等の比較的低コスト・高分子量のガスを用いると共に、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを減圧して作動ガスＧの加速性能の不足を補うようにしてもよい。すなわち、低コスト・高分子量の作動ガスＧを０．５９〜０．６９ＭＰａ程度に設定し、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを例えば０．０７ＭＰａ程度に設定する。
このように、作動ガスＧとして材料粉末Ａを加速させる性能が劣るガスを用いたとしても、材料粉末Ａが受ける空気抵抗が大気中の場合に比べて小さくなるので、材料粉末Ａの噴射速度は低下することなく、３００〜８００ｍ／ｓ程度に維持できる。
したがって、従来は作動ガスＧとして必ずしも適していなかった高分子量のガスであっても、コールドスプレー処理に好適に用いることが可能となり、コールドスプレー処理のランニングコストの低減を図ることができる。

第三の条件としては、材料粉末Ａの平均粒径が挙げられる。
コールドスプレー処理に用いられる材料粉末Ａは、その平均粒径が約５μｍ程度であるのが好ましい。しかし、例えば、硬質のコーティング材（タングステンカーバイド）やセラミックス等を用いる場合には、粉砕処理に多大な労力や時間を費やしている。
そこで、このような材料を材料粉末Ａとして用いる場合には、その平均粒径を例えば２０〜２５μｍ程度に設定し、材料粉末Ａが受ける空気抵抗が増加するのを相殺するように、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを例えば、０．０７ＭＰａ程度に設定する。これにより、３００〜８００ｍ／ｓ程度の噴射速度を確保することができる。
このように、従来よりも平均粒径が比較的大きいものを材料粉末Ａとして用いることができるので、コールドスプレー処理以前の準備処理（材料の粉砕処理）のコスト低減を図ることができる。

第四の条件としては、材料粉末Ａの種類が挙げられる。すなわち、材料粉末Ａの種類（アルミニウム、ニッケル合金、ＭＣｒＹ等）に応じて、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを設定する。
例えば、比重（重量）が高く、加速性が悪い材料であっても、それに応じて減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを低く（例えば、０．０７ＭＰａ程度）設定することで、３００〜８００ｍ／ｓ程度の噴射速度を確保することできる。
また、例えば、材料粉末Ａが脆性材料の場合には、延性材料の場合に比べて、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを低く設定する。これにより、皮膜Ｒの密着度が劣る脆性材料であっても、噴射速度を上げることで高い密着度の皮膜Ｒを形成可能となる。
これにより、材料粉末Ａに応じて減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを設定することで、例えば、コールドスプレー処理には不適な材料であっても、良好な皮膜Ｒを形成することが可能となる。

上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において各種条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、減圧チャンバー２０内に、スプレーガン１１（ノズル１１Ｎ）から噴射された作動ガスＧを回収する作動ガス回収装置を配置してもよい。作動ガス回収装置を設けることで、作動ガスＧの消費量を更に抑えることができ、コールドスプレー処理のランニングコストの更なる低減を図ることができる。

上述した実施形態では、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを、例えば作動ガスＧの圧力Ｑに応じて一定に維持する場合について説明したが、これに限らない。作動ガスＧの圧力Ｑ等が変動する場合には、圧力変動をセンサ等により検出し、その検出結果に基づいて減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを制御してもよい。
また、材料粉末Ａの噴射速度を検出して、この噴射速度が３００〜８００ｍ／ｓ程度の範囲内に収まるように、減圧チャンバー２０内の圧力Ｐを制御してもよい。

本発明の実施形態に係るコールドスプレーシステム１の概略構成を示す模式図である。本実施形態に係るコールドスプレー装置１０の概略構成を示す模式図である。減圧チャンバー２０内の圧力と材料粉末Ａが受ける空気抵抗の関係を示す図である。

符号の説明

１…コールドスプレーシステム
１０…コールドスプレー装置
１１Ｎ…ノズル
２０…減圧チャンバー
Ｂ…基材
Ａ…材料粉体
Ｇ…作動ガス
Ｒ…皮膜

Claims

材料粉末をノズルから高速で噴射して基材上に堆積させるコールドスプレー方法において、
所定圧力に減圧したチャンバー内に前記基材及び前記ノズルを配置する工程と、
前記基材に向けて前記材料粉末を噴射する工程と、
を有することを特徴とするコールドスプレー方法。
前記所定圧力は、０．０１〜０．１ＭＰａであることを特徴とする請求項１に記載のコールドスプレー方法。
前記所定圧力は、前記ノズルから前記材料粉末と共に噴射する作動ガスの圧力に基づいて規定され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方法。
前記所定圧力は、前記作動ガスの種類に基づいて規定されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。
前記所定圧力は、前記材料粉末の平均粒径に基づいて規定されることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。
前記所定圧力は、前記材料粉末の種類に基づいて規定されることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のコールドスプレー方法。