JP6588029B2 - Nozzle, film forming apparatus and film forming method - Google Patents

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    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

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。   The present invention relates to a nozzle for a film forming apparatus using a cold spray method, a film forming apparatus, and a film forming method.

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。   In recent years, a cold spray method is known as a method for forming a metal film (see, for example, Patent Document 1). The cold spray method is to form a film on the surface of the substrate by injecting the powder of the material from the nozzle together with an inert gas in the state below the melting point or softening point and colliding with the substrate in the solid state. Is the method. In the cold spray method, since the processing is performed at a lower temperature than the thermal spraying method, it is possible to obtain a metal film having no phase transformation and suppressing oxidation. In addition, the influence of thermal stress can be reduced. Furthermore, when both the base material and the material to be the film are metal, plastic deformation occurs between the powder and the base material when the metal material powder collides with the base material (or the previously formed film). Since the anchor effect is obtained and the oxide films of each other are destroyed and metal bonds are formed by the new surfaces, a laminate with high adhesion strength can be obtained. In such a film forming apparatus using the cold spray method, a dense film can be formed as the powder sprayed from the nozzle is increased in speed.

特開２００８−３０２３１１号公報JP 2008-30211 A

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。   As a means for speeding up the powder sprayed from the nozzle, it is conceivable to form a film in a reduced pressure atmosphere. However, when film formation is performed in a reduced pressure atmosphere, the entire structure of the film forming apparatus becomes large and complicated. Also, every time the substrate to be deposited is replaced, the pressure must be reduced and released, which is not efficient. Therefore, there is a demand for a method for speeding up the powder sprayed from the nozzle with a simple device configuration.

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。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a nozzle, a film forming apparatus, and a film forming method capable of increasing the speed of powder sprayed from a nozzle with a simple apparatus configuration. And

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。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the nozzle according to the present invention sprays material powder together with gas and sprays and deposits the powder on the surface of the base material in a solid state. A nozzle used in a film forming apparatus for forming a film, the nozzle tube having a passage through which the powder passes together with the gas is formed inside, and provided at the tip of the nozzle tube, and sprayed from the nozzle tube Swirling flow forming means for forming a swirling flow around a region where the powder flows.

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。   In the above nozzle, the swirl flow forming means is a cylindrical member surrounding a region through which the powder flows, at least a cylindrical member having an open end surface on the downstream side of the region through which the powder flows, and the inside of the cylindrical member And a gas supply unit that supplies a gas of a different system from the gas.

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。   The said nozzle WHEREIN: The cross section of the said cylindrical member orthogonal to the injection direction of the said powder injected from the said nozzle pipe makes circular shape or elliptical shape, It is characterized by the above-mentioned.

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。   In the nozzle, the gas supply unit injects gas in a tangential direction of an inner periphery of the cylindrical member.

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。   In the nozzle, a spiral groove is formed on an inner peripheral side surface of the cylindrical member.

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。   The nozzle further includes a partition member that partitions an area in which the powder flows in the cylindrical member and an area in which the swirl flow is formed.

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。   In the nozzle, the partition member has a cylindrical shape and includes a member in which at least one hole or slit that communicates the inner peripheral side and the outer peripheral side is formed.

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。   The film forming apparatus according to the present invention includes the nozzle, a gas powder mixing unit that mixes the powder with a compressed gas and supplies the mixed gas to the nozzle, and a gas that introduces the compressed gas into the gas powder mixing unit And a powder supply unit for supplying the powder to the gas powder mixing unit.

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。   The method for forming a film according to the present invention is such that a powder of a film material is accelerated on the surface of the base material together with the gas by the film forming apparatus, and sprayed and deposited in a solid phase state on the base material. The method includes a step of forming a film.

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。   According to the present invention, the swirl flow forming means for forming the swirl flow around the region where the powder ejected from the nozzle flows is provided at the tip of the nozzle. It becomes possible to increase the speed.

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。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing the tip of the nozzle shown in FIG. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view of the cyclone forming portion in the region including the gas inlet shown in FIG. 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。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the gas pressure in the spray gun shown in FIG. 1 and the velocity of the gas flow injected from the nozzle. 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。FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a modified example (tapered shape) of the cyclone forming portion. 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。FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a modified example (bell shape) of the cyclone forming part. 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。FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a modified example (bell shape) of the cyclone forming portion. 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。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modification (elliptical shape) of the cyclone forming portion. 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。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a modification (rectangular shape) of the cyclone forming portion. 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。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a modification (hexagonal shape) of the cyclone forming portion. 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。FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing another modification of the cyclone forming portion. 図１２は、仕切り部材の一例を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating an example of a partition member. 図１３は、仕切り部材の別の例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing another example of the partition member.

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。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment. The drawings referred to in the following description only schematically show the shape, size, and positional relationship so that the contents of the present invention can be understood. That is, the present invention is not limited only to the shape, size, and positional relationship illustrated in each drawing.

（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。(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a film forming apparatus 1 according to the present embodiment is a film forming apparatus using a cold spray method, and a gas heater 2 for heating a high-pressure gas (compressed gas) and a film forming material powder. A powder supply device 3 for storing and supplying to the spray gun 4, a spray gun 4 for mixing the heated high-pressure gas with the powder and introducing it into the nozzle 5, a nozzle 5 for injecting the powder together with the high-pressure gas, and a gas heater 2 and valves 6 and 7 for adjusting the amount of high-pressure gas supplied to the powder supply device 3, respectively.

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。   As the high-pressure gas, helium, nitrogen, air or the like is used. The high-pressure gas supplied to the gas heater 2 is heated to a temperature in a range lower than the melting point of the material powder, and then introduced into the spray gun 4. The heating temperature of the high-pressure gas is preferably 150 to 900 ° C.

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。   On the other hand, the high-pressure gas supplied to the powder supply device 3 supplies the powder in the powder supply device 3 to the spray gun 4 so that a predetermined discharge amount is obtained.

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。   The heated high-pressure gas is jetted as a supersonic flow (about 340 m / s or more) by passing through the nozzle 5. At this time, the gas pressure of the high-pressure gas is preferably about 1 to 5 MPa. This is because by adjusting the pressure of the high-pressure gas to this level, the adhesion strength of the film 101 to the substrate 100 can be improved. More preferably, the treatment is performed at a pressure of about 2 to 4 MPa.

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。   In such a film forming apparatus 1, the base material 100 is arranged facing the spray gun 4, and the film forming material powder is put into the powder supply apparatus 3, and the high-pressure gas to the gas heater 2 and the powder supply apparatus 3. Start supplying. Thereby, the powder supplied to the spray gun 4 is injected into the supersonic flow of the high-pressure gas, accelerated, and injected from the nozzle 5. The powder 101 collides and deposits on the base material 100 at a high speed in a solid phase state, whereby the coating 101 is formed.

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。   FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing the tip of the nozzle 5. As shown in FIG. 2, the nozzle 5 includes a nozzle tube 20 in which a passage 20 a through which powder passes is formed, a cyclone forming portion 21 provided so as to surround a tip portion of the nozzle tube 20, and the cyclone A gas supply unit 23 that supplies gas to the forming unit 21 via a gas supply pipe 22 is provided. Among these, the cyclone forming part 21, the gas supply pipe 22, and the gas supply part 23 constitute a swirl flow forming means for forming a swirl flow around the region where the powder injected from the nozzle pipe 20 flows.

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。   The distal end portion of the passage 20a of the nozzle tube 20 has a divergent shape that increases in width toward the distal end. The powder introduced from the spray gun 4 passes through the passage 20a together with the gas and is sprayed toward the substrate 100.

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。   The cyclone forming part 21 is a cylindrical member that surrounds an area where powder injected from the nozzle tube 20 flows. Of the two end faces of the cyclone forming part 21, the end face 21a on the downstream side in the powder injection direction L is open. On the other hand, the upstream end surface 21b in the injection direction L is closed except for the fitting hole 21c provided in the center. The cyclone forming part 21 is fixed to the nozzle tube 20 by fitting the nozzle tube 20 into the fitting hole 21c.

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。   A gas introduction port 21d is provided on the side surface of the base end side (upper side in the drawing) of the cyclone forming portion 21, and a gas supply pipe 22 is connected to the gas introduction port 21d. As shown in FIG. 2, the gas inlet 21 d and the gas supply pipe 22 are inclined so that the gas introduced into the cyclone forming part 21 flows toward the tip side of the cyclone forming part 21. .

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。   FIG. 3 is a cross-sectional view of the cyclone forming part 21 passing through the gas inlet 21d. As shown in FIG. 3, the cross section of the cyclone forming portion 21 orthogonal to the injection direction L has a circular shape. The gas introduction port 21d and the gas supply pipe 22 are provided along the tangential direction of the inner peripheral surface of the cyclone forming part 21 so that the gas introduced into the cyclone forming part 21 swirls and flows.

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。   The gas supply unit 23 is provided in a separate system from the gas supplied to the gas heater 2 that functions as a gas chamber. Hereinafter, the gas supplied from the gas supply pipe 22 is referred to as a cyclone gas. As the cyclone gas, a gas of the same type as the gas supplied to the gas heater 2 such as helium, nitrogen, or air is used.

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。   In such a nozzle 5, when a cyclone gas is supplied from the gas supply unit 23 to the cyclone formation unit 21 through the gas supply pipe 22, a cyclone is generated in the cyclone formation unit 21. As a result, the region in the vicinity of the center axis of the cyclone forming part 21 from the vicinity of the outlet of the nozzle tube 20 to the tip of the cyclone forming part 21 is in a reduced pressure state. When powder was introduced into the nozzle 5 from the spray gun 4 in this state, it passed through the nozzle tube 20 due to the difference between the pressure in the nozzle tube 20 and the pressure in the cyclone forming part 21 (the region in a reduced pressure state). The powder is further accelerated and injected near the outlet of the nozzle tube 20.

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。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the gas pressure (input pressure) in the spray gun 4 and the gas flow velocity (outlet gas velocity) in the vicinity of the outlet of the nozzle tube 20. Note that the data of 1 atmospheric pressure shown in FIG. 4 indicates a case where no cyclone is generated in the cyclone forming unit 21 (that is, the atmospheric pressure is the same as the outside air). As shown in FIG. 4, it can be seen that the outlet gas velocity increases as the pressure in the cyclone forming portion 21 is reduced.

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。   As described above, according to the present embodiment, the cyclone forming portion 21 is provided at the tip of the nozzle tube 20 and the cyclone is generated around the region where the powder flows. It becomes possible to speed up the sprayed powder.

（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。(Modification 1)
In the above embodiment, the end surface 21b on the upstream side of the cyclone forming part 21 (see FIG. 2) is closed except for the fitting hole 21c. However, if the cyclone forming part 21 can be fixed to the nozzle tube 20 The end face 21b may be opened.

（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。(Modification 2)
A spiral groove may be formed on the inner peripheral surface of the cyclone forming portion 21 of the above-described embodiment. By forming such a groove, the cyclone gas introduced from the gas introduction port 21d is easily swirled. Thereby, a cyclone can be more reliably and easily generated inside the cyclone forming part 21, and the effect of speeding up the powder injected from the nozzle tube 20 can be further enhanced.

（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。(Modification 3)
5 to 7 are longitudinal sectional views showing modified examples of the cyclone forming portion 21. FIG. In the above embodiment, the shape of the cyclone forming portion 21 is a cylindrical shape having the same diameter of both end faces (end faces 21a, 21b), but the diameters of both end faces are different or the long axes of both end faces are short and short. It is good also as a cylinder shape from which the length of shafts differs each.

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。   For example, as shown in FIG. 5, a cyclone forming portion 21A having a tapered side surface may be used. Moreover, as shown in FIG. 6, you may use what is called a bell-shaped cyclone formation part 21B in which the side surface became the curved surface shape convex outside. Furthermore, as shown in FIG. 7, a so-called bell-shaped cyclone forming portion 21 </ b> C whose side surface is a curved surface convex inward may be used.

（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。(Modification 4)
8 to 10 are cross-sectional views showing other modified examples of the cyclone forming part. In the above embodiment, the cross-sectional shape of the cyclone forming portion 21 (see FIG. 3) is circular, but the cross-sectional shape is not limited to a circular shape as long as the cyclone can be formed in the internal space.

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。   For example, as shown in FIG. 8, a cyclone forming portion 21D having an elliptical cross section may be used. Further, as shown in FIG. 9, a cyclone forming portion 21E having a rectangular cross section may be used. Furthermore, as shown in FIG. 10, a cyclone forming portion 21 </ b> F whose cross section has a polygonal shape such as a hexagon may be used.

（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。(Modification 5)
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing another modification of the cyclone forming portion. In the fifth modification, a partition member 30 provided with holes and slits is provided in the cyclone forming part 21 so that the flow of the powder injected from the nozzle tube 20 is not disturbed by the cyclone generated in the cyclone forming part 21. ing.

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。   FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating an example of a partition member. Among these, FIG. 12A is a longitudinal sectional view in a plane including the central axis of the partition member, and FIG. 12B is a transverse sectional view when the partition member is viewed from the powder outlet side.

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。   A partition member 30 </ b> A shown in FIG. 12 includes a cylindrical portion 31 that is concentric with the cyclone forming portion 21, and a flange 32 provided on one end side of the cylindrical portion 31. The flange 32 is provided for positioning and fixing when the partition member 30 </ b> A is fitted into the cyclone forming portion 21.

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。   The tubular portion 31 is provided with a plurality of holes 33 that communicate the outer peripheral side and the inner peripheral side. In FIG. 12, each hole 33 is circular, but the shape of the hole is not particularly limited, and may be, for example, an ellipse or a polygon.

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。   A plurality of ribs 34 projecting from the one end side to the other end side of the cylindrical portion 31 toward the inner peripheral side are provided on the inner peripheral surface of the cylindrical portion 31. These ribs 34 rectify the flow of powder ejected from the nozzle tube 20.

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。   When such a partition member 30A is attached to the cyclone forming part 21 and a cyclone gas is supplied into the cyclone forming part 21, a cyclone is generated on the outer peripheral side of the partition member 30A and the pressure is reduced. Thereby, the inside of the cylindrical part 31 is also decompressed through the hole 33, and the powder injected from the nozzle tube 20 can be accelerated. At this time, since the region where the cyclone is generated and the region where the powder flows are partitioned by the partition member 30A, disturbance of the flow of the powder injected from the nozzle tube 20 can be suppressed. Further, the flow of powder is rectified by the ribs 34 provided on the inner peripheral surface of the cylindrical portion 31, and the powder can be accelerated efficiently.

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。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing another example of the partition member. Among these, Fig.13 (a) is a longitudinal cross-sectional view in the surface containing the central axis of a partition member, FIG.13 (b) is a cross-sectional view at the time of seeing a partition member from the exit side of powder.

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。   A partition member 30 </ b> B illustrated in FIG. 13 includes a cylindrical portion 35 that is concentric with the cyclone forming portion 21, and a flange 36 provided on one end side of the cylindrical portion 35. The flange 36 is provided for positioning and fixing when the partition member 30 </ b> B is fitted into the cyclone forming portion 21.

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。   The cylindrical portion 35 is provided with a plurality of slits 37 that communicate the outer peripheral side and the inner peripheral side. In FIG. 13, each slit 37 is formed in a straight line parallel to the central axis of the cylindrical portion 35, but the shape of the slit is not limited to a straight line, and may be, for example, a wavy line or a spiral. May be.

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。   The cylindrical portion 35 is divided into a plurality of wall portions 38 by these slits 37. In each wall portion 38, the downstream side is slightly opened toward the outer periphery with respect to the upstream side in the rotation direction of the cyclone. Thereby, it becomes difficult for the cyclone generated on the outer peripheral side of the cylindrical portion 35 to enter the inner peripheral side of the cylindrical portion 35, and the disturbance of the flow of the powder injected from the nozzle tube 20 can be suppressed.

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。   12 and 13, the cylindrical portions 31 and 35 are provided with a plurality of holes 33 or slits 37, but at least one hole or slit may be provided. Further, a plurality of holes or a plurality of slits may be connected and integrated.

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DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming apparatus 2 Gas heater 3 Powder supply apparatus 4 Spray gun 5 Nozzle 6, 7 Valve 20 Nozzle pipe 21, 21A-21F Cyclone formation part 21a, 21b End surface 21c Fitting hole 21d Gas introduction port 22 Gas supply pipe 23 Gas Supply part 30, 30A, 30B Partition member 31, 35 Cylindrical part 32, 36 Flange 33 Hole 34 Rib 37 Slit 38 Wall part 100 Base material 101 Film

Claims (8)

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。 A nozzle used in a film forming apparatus that forms a film by injecting a powder of a material together with a gas and spraying and depositing the powder in a solid state on a surface of a substrate,
A nozzle tube formed therein with a passage through which the powder passes with the gas;
A cylindrical member provided at a tip portion of the nozzle tube and surrounding a region through which the powder flows, and at least a cylindrical member having an open end surface on a downstream side of the region through which the powder flows; and inside the cylindrical member A swirl flow forming means for forming a swirl flow around a region where the powder injected from the nozzle tube flows , and a gas supply unit that supplies a gas of a system different from the gas ;
Equipped with a,
A cross section of the cylindrical member orthogonal to the injection direction of the powder injected from the nozzle tube is circular or elliptical, and a spiral groove is formed on the inner peripheral side surface of the cylindrical member. A nozzle characterized by that. 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、A nozzle used in a film forming apparatus that forms a film by injecting a powder of a material together with a gas and spraying and depositing the powder in a solid state on a surface of a substrate,
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、  A nozzle tube formed therein with a passage through which the powder passes with the gas;
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、  A cylindrical member provided at a tip portion of the nozzle tube and surrounding a region through which the powder flows, and at least a cylindrical member having an open end surface on a downstream side of the region through which the powder flows; and inside the cylindrical member A swirl flow forming means for forming a swirl flow around a region where the powder injected from the nozzle tube flows, and a gas supply unit that supplies a gas of a system different from the gas;
を備え、With
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。  The nozzle further provided with the partition member which partitions off the area | region where the said powder flows in the said cylindrical member, and the area | region where the said swirl | vortex flow is formed. 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。   The nozzle according to claim 2, wherein a cross section of the cylindrical member orthogonal to the injection direction of the powder injected from the nozzle tube has a circular shape or an elliptical shape. 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。 The nozzle according to claim 1 or 3, wherein the gas supply unit injects gas in a tangential direction of an inner periphery of the cylindrical member. 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。 The nozzle according to claim 1, further comprising a partition member that partitions an area in which the powder flows in the cylindrical member and an area in which the swirl flow is formed. 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。 6. The nozzle according to claim 2 , wherein the partition member has a cylindrical shape and includes a member in which at least one hole or slit that communicates the inner peripheral side and the outer peripheral side is formed. 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。 The nozzle according to any one of claims 1 to 6 ,
A gas powder mixing unit for mixing the powder with a compressed gas and supplying the mixed powder to the nozzle;
A gas chamber for introducing the compressed gas into the gas powder mixing section;
A powder supply unit for supplying the powder to the gas powder mixing unit;
A film forming apparatus comprising: 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。 A step of forming a film on the base material by accelerating the powder of the film material on the surface of the base material together with the gas by the film forming apparatus according to claim 7 and spraying and depositing the powder in a solid state. A method for forming a film, comprising:
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