WO2021172483A1 - アタッチメント、固相粒子回収装置、及び固相粒子回収システム - Google Patents

アタッチメント、固相粒子回収装置、及び固相粒子回収システム Download PDF

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平野　正樹
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タツタ電線株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an attachment, a solid phase particle recovery device, and a solid phase particle recovery system used in a solid phase particle laminating device.
  • the solid phase particle lamination method is known as a technique of injecting solid phase particles (powder) onto a base material to form a film on the base material.
  • the solid phase particle lamination method includes, for example, a cold spray method.
  • the cold spray method is a technique for accelerating powder with high-pressure gas to form a film on a substrate. After the powder that has not been formed into a film, after colliding with the base material, (1) adheres to the periphery of the base material, (2) adheres to the inner wall of the chamber, (3) adheres to surrounding parts, and / or (4) opens and closes the chamber. It can have an adverse effect such as scattering to the outside.
  • a method for recovering powder scattered during film formation is disclosed in, for example, Patent Document 1.
  • Patent Document 1 discloses a suction member that sucks an aerosol that is not related to the formation of a structure after the aerosol collides with a base material.
  • Patent Document 1 the spray nozzle does not operate and the suction cylinder is not attached to the spray nozzle (see FIG. 3). Therefore, the technique of Patent Document 1 has a problem that the scattered powder is not recovered from the suction cylinder when the spray nozzle is operated.
  • One aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to efficiently recover scattered solid-phase particles even when the spray nozzle of the solid-phase particle laminating device operates. It is an object of the present invention to realize an attachment, a solid phase particle recovery device, and a solid phase particle recovery system.
  • the attachment includes an engaging portion that engages with the spray nozzle of the phase particle laminating device, and is coupled to the engaging portion and is based on the spray nozzle. It is composed of an opening having at least one opening connected to a recovery part that is sprayed onto the material and collects solid phase particles that are not involved in film formation on the base material.
  • the solid phase particle recovery device is a solid phase particle recovery device used in the solid phase particle stacking device, and is used in a spray nozzle of the solid phase particle stacking device.
  • An attachment having an opening, which is provided, is connected to the opening, and is sprayed from the spray nozzle onto the base material through the opening to recover solid phase particles which are not involved in film formation on the base material. It is a structure equipped with a part.
  • the solid-phase particle recovery system is provided in a spray nozzle of a solid-phase particle lamination device, and is connected to an attachment having an opening and the opening.
  • a recovery unit that is sprayed from the spray nozzle onto the base material to collect solid-phase particles that are not involved in film formation on the base material, and a recovery unit that is provided on the base material and allows the solid-phase particles to be opened in the opening. It is configured to include a guiding member that guides in a direction.
  • scattered solid-phase particles can be efficiently recovered even when the spray nozzle of the solid-phase particle laminating device operates.
  • Solid particle stacking equipment includes, for example, cold spray or aerosol deposition.
  • cold spray will be described as an example.
  • a film forming method called cold spray has been used.
  • a carrier gas having a temperature lower than the melting point or softening temperature of the coating material (solid phase particles) is made to flow at a high speed, and the solid phase particles are charged into the carrier gas flow to accelerate the process, and the base material remains in the solid phase state. This is a method of forming a film by colliding with the particles at high speed.
  • the coating principle of cold spray is understood as follows.
  • the critical speed In order for solid phase particles to adhere to and deposit on the substrate to form a film, a collision speed above a certain critical value is required, and this is called the critical speed.
  • the critical speed When the solid-phase particles collide with the substrate at a rate lower than the critical rate, the substrate wears and the substrate has only small crater-like depressions.
  • the critical rate varies depending on the material, size, shape, temperature, oxygen content, base material, etc. of the solid phase particles.
  • FIG. 2 is a schematic view of the cold spray device 100.
  • the cold spray device 100 includes a tank 110, a heater 120, a spray nozzle 130, a feeder 140, a base material holder 150, and a control device (not shown).
  • the tank 110 stores carrier gas.
  • the carrier gas is supplied from the tank 110 to the heater 120.
  • An example of a carrier gas is nitrogen, helium, air, or a mixed gas thereof.
  • the pressure of the carrier gas is adjusted to be, for example, 70 PSI or more and 150 PSI or less (about 0.48 Mpa or more and about 1.03 Mpa or less) at the outlet of the tank 110.
  • the pressure of the carrier gas at the outlet of the tank 110 is not limited to the above range, and is appropriately adjusted depending on the material and size of the solid phase particles, the material of the base material, and the like.
  • the heater 120 heats the carrier gas supplied from the tank 110. More specifically, the carrier gas is heated to a temperature lower than the melting point of the solid phase particles supplied from the feeder 140 to the spray nozzle 130. For example, the carrier gas is heated in the range of 50 ° C. or higher and 500 ° C. or lower when measured at the outlet of the heater 120. However, the heating temperature of the carrier gas is not limited to the above range, and is appropriately adjusted depending on the material and size of the solid phase particles, the material of the base material, and the like.
  • the carrier gas is heated by the heater 120 and then supplied to the spray nozzle 130.
  • the spray nozzle 130 accelerates the carrier gas heated by the heater 120 in the range of 300 m / s or more and 1200 m / s or less, and injects the carrier gas toward the base material 170.
  • the speed of the carrier gas is not limited to the above range, and is appropriately adjusted depending on the material and size of the solid phase particles, the material of the base material, and the like.
  • the feeder 140 supplies solid phase particles into the flow of carrier gas accelerated by the spray nozzle 130.
  • the particle size of the solid phase particles supplied from the feeder 140 is as large as 1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the solid phase particles supplied from the feeder 140 are sprayed from the spray nozzle 130 to the base material 170 together with the carrier gas.
  • the base material holder 150 fixes the base material 170.
  • Carrier gas and solid phase particles are sprayed from the spray nozzle 130 onto the base material 170 fixed to the base material holder 150.
  • the distance between the surface of the base material 170 and the tip of the spray nozzle 130 is adjusted, for example, in the range of 1 mm or more and 30 mm or less. If the distance between the surface of the base material 170 and the tip of the spray nozzle 130 is closer than 1 mm, the injection speed of the solid phase particles decreases. This is because the carrier gas ejected from the spray nozzle 130 flows back into the spray nozzle 130. At this time, the member (hose or the like) connected to the spray nozzle 130 may come off due to the pressure generated when the carrier gas flows back.
  • the film efficiency decreases. This makes it difficult for the carrier gas and solid phase particles ejected from the spray nozzle 130 to reach the base material 170.
  • the distance between the surface of the base material 170 and the spray nozzle 130 is not limited to the above range, and is appropriately adjusted depending on the material and size of the solid phase particles, the material of the base material, and the like.
  • the control device controls the cold spray device 100 based on the information stored in advance and / or the input of the operator. More specifically, the control device includes the pressure of the carrier gas supplied from the tank 110 to the heater 120, the temperature of the carrier gas heated by the heater 120, the type and amount of solid phase particles supplied from the feeder 140, and the group. The distance between the surface of the material 170 and the spray nozzle 130 is controlled.
  • cold spray may be performed using well-known solid phase particles.
  • solid phase particles nickel powder, tin powder, or a mixed material of tin powder and zinc powder can be used.
  • the advantages of cold spray are, for example: (1) Suppression of film oxidation, (2) Suppression of thermal alteration of the film, (3) Dense film formation, (4) Suppression of fume generation, (5) Minimal masking required, (6) Simple equipment Film formation, (7) Formation of a thick metal film in a short time.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the solid phase particle recovery system 40 according to the present embodiment.
  • the solid phase particle recovery system 40 is a system for recovering scattered solid phase particles in the cold spray device 100 (solid phase particle laminating device) regardless of the film formation on the base material 170.
  • the solid phase particle recovery system 40 includes a jig 10 (induction member) and a solid phase particle recovery device 25.
  • the solid phase particle recovery device 25 includes an attachment 1 and a recovery unit 20.
  • the attachment 1 is composed of an engaging portion 2 and an opening portion 3.
  • the engaging portion 2 and the opening 3 may be provided integrally.
  • the engaging portion 2 and the opening 3 are provided integrally, there is no clear boundary between the engaging portion 2 and the opening 3.
  • the point where two portions having different functions are connected can be regarded as the connection between the engaging portion 2 and the opening 3.
  • the engaging portion 2 and the opening 3 are provided separately and may be connected to each other.
  • the engaging portion 2 and the opening 3 may be detached by any method.
  • the opening 3 has an opening corresponding to the outer shape of the engaging portion 2, and the engaging portion 2 is fitted into the opening.
  • the engaging portion 2 engages with the spray nozzle 130.
  • the engaging portion 2 may engage with the spray nozzle 130 by any method.
  • the engaging portion 2 engages with the spray nozzle 130 by a method such as screwing, fitting, or bolting.
  • the opening 3 has one or more openings.
  • the opening 3 has two openings 3a and 3b.
  • the openings 3a and 3b have an arbitrary shape that can be connected to the hose 22 (described later).
  • the opening 3a is located above the jig 10a (described later) and the opening 3b is located above the jig 10b (described below).
  • the openings 3a and 3b are preferably positioned near the tip of the spray nozzle 130. Positioning near the tip means that the opening centers of the openings 3a and 3b are positioned laterally from the side surface of the spray nozzle 130 at a position of 5 mm or more and 30 mm or less and at a height of 5 mm or more and 20 mm or less from the base material 170. To say that. Thereby, the recovery efficiency of the solid phase particles 30b can be improved.
  • the lateral direction means a direction parallel to the main surface of the base material 170 to be formed.
  • the center of the opening means the center of a circle when the openings 3a and 3b are circular, and the intersection of diagonal lines when the openings 3a and 3b are square and rectangular.
  • the collection unit 20 includes a dust collector 21 and a hose 22.
  • the dust collector 21 is sprayed from the spray nozzle 130 onto the base material 170 to collect the solid phase particles 30b that are not involved in the formation of the film on the base material 170 through the openings 3a and 3b.
  • the dust collector 21 preferably has a dust collecting ability of a predetermined air volume or more.
  • the dust collector 21 can improve the recovery efficiency of the solid phase particles 30b.
  • the dust collecting capacity of the dust collector 21 is smaller than the predetermined air volume, the recovery efficiency of the solid phase particles 30b is lowered.
  • the predetermined air volume is determined according to the shape of the openings 3a and 3b, the distance between the openings 3a and 3b and the base material 170, the pressure of the carrier gas, and the like.
  • the dust collector 21 may be realized by any other configuration (such as a cyclone or static electricity) capable of recovering the solid phase particles 30b.
  • the first end of the hose 22 is connected to the openings 3a and 3b, and the second end different from the first end is connected to the dust collector 21.
  • the hose 22 is connected to the openings 3a and 3b and / or the dust collector 21 by a method such as screwing or fitting.
  • the hose 22 may be of any material and / or shape.
  • the jig 10 is fixed to the base material 170. Alternatively, the jig 10 is detachably provided on the base material 170.
  • the jig 10 includes one or more jigs.
  • the jig 10 rectifies the flow of the carrier gas injected from the spray nozzle 130 and guides the solid phase particles 30b in the directions of the openings 3a and 3b.
  • the jig 10 preferably extends along the direction in which the spray nozzle 130 operates.
  • the material of the jig 10 is not limited as long as it exhibits the above functions.
  • the jig 10 includes a jig 10a and a jig 10b.
  • the jig 10a and the jig 10b are provided on the base material 170 and guide the solid phase particles 30b in the directions of the openings 3a and 3b.
  • jigs 10a and 10b are simply referred to as jigs 10.
  • the solid phase particles 30a are solid phase particles involved in film formation on the base material 170.
  • the solid phase particles 30b are solid phase particles that were not involved in the film formation on the base material 170.
  • FIG. 3 is a photograph showing an example of the jig 10 according to the present embodiment. As shown, the jig 10a and the jig 10b are provided on the base material 170. The jig 10a and the jig 10b extend along the direction in which the spray nozzle 130 (not shown) operates.
  • the jig 10a has a surface 11a perpendicular to the base material 170 and a surface 12a formed in an arc shape.
  • the jig 10b has a surface 11b perpendicular to the base material 170 and a surface 12b formed in an arc shape. In FIG. 3, the surfaces 11a and 11b are provided on the spray nozzle 130 side.
  • FIG. 4 is a photograph showing another example of the jig 10 according to the present embodiment.
  • the surfaces 12a and 12b are provided on the spray nozzle 130 side.
  • 3 and 4 are examples, and the jig 10 may be configured in another shape.
  • Examples of other shapes include cross-sectional shapes such as squares, rectangles, triangles, or circles.
  • FIGS. 5 to 9 the state in which the solid phase particles 30b are recovered will be described with reference to FIGS. 5 to 9.
  • the attachment 1 and the collecting unit 20 are not shown for ease of viewing.
  • the arrows shown in FIGS. 7 to 9 indicate the direction in which the solid phase particles 30b are recovered.
  • FIG. 5 is a schematic view showing the positional relationship between the spray nozzle 130 and the base material 170.
  • D indicates the distance between the spray nozzle 130 and the base material 170.
  • D is set to, for example, 5 mm or more and 15 mm or less.
  • ⁇ indicates the angle of the spray nozzle 130 with respect to the base material 170. In the figure, ⁇ is set to 90 degrees. Considering the film forming efficiency, ⁇ is preferably 75 degrees or more and 90 degrees or less.
  • FIG. 6 is a diagram showing how the solid phase particles 30b are scattered from the spray nozzle 130.
  • the solid phase particles 30b occupy about 97% of the whole, and the remaining solid phase particles (solid phase particles 30a) are involved in the film formation on the base material 170.
  • the fluid energy of the carrier gas passage in the spray nozzle 130 becomes lower toward the end in a cross section perpendicular to the direction in which the carrier gas passes. Therefore, the solid phase particles that pass through the end portion are likely to be scattered in the air without being involved in the formation of the film.
  • FIG. 6 shows the situation.
  • the solid phase particles 30b move in the vicinity of the base material 170 due to the influence of the carrier gas.
  • the solid phase particles 30b have a height of 20 mm or less from the base material 170 in a region of 10 mm or more in the lateral direction from the side surface of the spray nozzle 130 (a region where L in the figure is 10 mm or more) (H in the figure is H). It shows a high particle distribution in the region of 20 mm or less).
  • a region showing a high particle distribution is referred to as a “high distribution region”.
  • FIG. 7 is a diagram showing how the solid phase particles 30b are recovered.
  • the openings 3a and 3b of the opening 3 are preferably provided in a high distribution region. By positioning the openings 3a and 3b in the high distribution region, the recovery efficiency of the solid phase particles 30b can be improved.
  • FIG. 8 is a diagram showing how the jigs 10a and 10b are provided on the base material 170.
  • the jig 10a is located below the opening 3a, and the jig 10b is located below the opening 3b.
  • the jig 10a and the jig 10b rectify the flow of the carrier gas injected from the spray nozzle 130 and guide the solid phase particles 30b in the directions of the openings 3a and 3b. Thereby, the recovery efficiency of the solid phase particles 30b can be further improved.
  • FIG. 9 shows an example of the shape of the jig 10.
  • the cross-sectional shape of the jig 10a is shown as a circle
  • the cross-sectional shape of the jig 10b is shown as a square.
  • the jig 10 may have a cross-sectional shape such as a square, a rectangle, a triangle, a circle, or an arc.
  • the jig 10 may have a size that does not come into contact with the tip of the spray nozzle 130.
  • the jig 10 preferably has two jigs 10a and 10b extending along the direction in which the spray nozzle 130 operates. Thereby, the recovery efficiency of the solid phase particles 30b can be further improved.
  • Each of the above numerical values is a value as a result of carrying out once.
  • -Distance between the spray nozzle 130 and the base material 170 10 mm -Angle of the spray nozzle 130 with respect to the base material 170: 90 degrees-Solid particle: Nickel-Carrier gas pressure: Adjusted to 70 PSI or more and 150 PSI or less (about 0.48 Mpa or more and about 1.03 Mpa or less) at the outlet of the tank 110.
  • the above (2) and (3) are cases in which the attachment 1 and the jig 10 are used. In these cases, it was found that the recovery efficiency of the solid phase particles was further increased, which was about three times that of the above (1).
  • the spray nozzle may operate. Even in this case, as described above, the solid phase particle recovery system 40, the solid phase particle recovery device 25, and the attachment 1 according to the present embodiment significantly improve the recovery efficiency of solid phase particles as compared with the conventional technique. It has the effect of being able to do it.
  • the cross section of the carrier gas passage in the spray nozzle 130 is rectangular, the fluid energy becomes lower toward the end in the cross section perpendicular to the direction in which the carrier gas passes. As a result, the number of solid phase particles scattered in the air tends to increase.
  • the attachment 1 according to the present embodiment is provided in the spray nozzle 130. Therefore, even when the cross section of the carrier gas passage in the spray nozzle 130 is rectangular, the recovery efficiency of the solid phase particles can be maintained. That is, the solid phase particle recovery system 40, the solid phase particle recovery device 25, and the attachment 1 according to the present embodiment can be effectively used regardless of the cross-sectional shape of the carrier gas passage in the spray nozzle 130. Therefore, the solid-phase particle recovery system 40, the solid-phase particle recovery device 25, and the attachment 1 according to the present embodiment also have a conventional problem that the scattering of solid-phase particles hinders mass production of products. Can be resolved.
  • Nickel was used as the solid phase particles in the above (1) to (3), but of course, the same effect can be expected by using other solid phase particles.
  • the attachment according to the first aspect of the present invention has an engaging portion that engages with a spray nozzle of a solid-phase particle laminating device, and is coupled to the engaging portion and is ejected from the spray nozzle onto a base material to form the base. It is composed of an opening having at least one opening connected to a recovery section for recovering solid phase particles that are not involved in film formation on the material.
  • the opening may be integrated with the engaging portion.
  • the attachment can be easily manufactured, and it is not necessary to manually connect the engaging portion and the opening.
  • the at least one opening includes two openings, and the two openings are provided so as to sandwich the engaging portion. It may be a configuration.
  • the solid phase particles scattered from the opposite direction across the engaging portion are recovered, so that the recovery efficiency of the solid phase particles can be improved.
  • the solid-phase particle recovery device is provided in the spray nozzle of the solid-phase particle laminating device, is connected to an attachment having an opening, is connected to the opening, and is based on the spray nozzle through the opening.
  • a recovery unit that is sprayed onto the material to collect solid-phase particles that are not involved in film formation on the base material, and an induction member that is provided on the base material and guides the solid-phase particles in the direction of the opening. It is a configuration including.
  • the solid phase particle recovery system is provided in the spray nozzle of the solid phase particle laminating device, is connected to the attachment having an opening, and is connected to the opening, and the base material is transmitted from the spray nozzle through the opening.
  • a recovery unit that is sprayed into the substrate to collect solid-phase particles that are not involved in film formation on the substrate, and an induction member that is provided on the substrate and guides the solid-phase particles in the direction of the opening. It is a configuration to prepare.
  • the guiding member may extend along the direction in which the spray nozzle operates.
  • the recovery efficiency of the solid phase particles can be maintained even when the spray nozzle is operated.
  • the induction member in the fifth or sixth aspect of the present invention, may be configured to be located below the opening.
  • the recovery efficiency of the solid phase particles can be further improved.
  • the opening center of the opening is at a position of 5 mm or more and 30 mm or less in the lateral direction from the side surface of the spray nozzle, and the above.
  • the configuration may be such that the position is positioned at a height of 5 mm or more and 20 mm or less from the base material.
  • the shape of the cross section of the guiding member perpendicular to the direction in which the spray nozzle operates is rectangular. It may be square, triangular, circular, or arcuate.
  • the scattered solid phase particles can be efficiently recovered.

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Abstract

固相粒子積層装置のスプレーノズルが稼働する場合においても、飛散する固相粒子を効率的に回収する。アタッチメント（１）は、コールドスプレー装置（１００）のスプレーノズル（１３０）に係合する係合部（２）と、係合部（２）に結合し、かつ、スプレーノズル（１３０）から基材（１７０）に噴射されて、基材（１７０）上での成膜に関わらない固相粒子（３０ｂ）を回収する回収部（２０）に連結する少なくとも１つの開口（３ａ、３ｂ）を有する開口部（３）と、で構成されている。

Description

アタッチメント、固相粒子回収装置、及び固相粒子回収システム
　本発明は、固相粒子積層装置に用いられる、アタッチメント、固相粒子回収装置、及び固相粒子回収システムに関する。
　固相粒子（粉末）を基材に噴射して、当該基材上に成膜する技術として固相粒子積層法が知られている。固相粒子積層法は、例えばコールドスプレー法を含む。
　コールドスプレー法は、高圧ガスにより粉末を加速させて、基材上に成膜する技術である。成膜されなかった粉末は、基材との衝突後、（１）基材周辺へ付着、（２）チャンバー内壁へ付着、（３）周囲部品等へ付着、及び／又は、（４）チャンバー開閉による外部への飛散、といった悪影響を及ぼしうる。成膜時に飛散する粉末を回収する方法は、例えば特許文献１に開示されている。
日本国特開２００３－１１９６７３号公報（２００３年４月２３日公開）
　特許文献１は、エアロゾルが基材に衝突した後に構造物の形成に関らないエアロゾルを吸引する吸引部材を開示する。
　しかしながら、特許文献１では、スプレーノズルは稼働せず、かつ、スプレーノズルには吸引筒が取り付けられていない（図３参照）。従って、特許文献１の技術は、スプレーノズルが稼働する場合に、飛散した粉末は吸引筒から回収されないという課題を有する。
　本発明の一態様は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、固相粒子積層装置のスプレーノズルが稼働する場合においても、飛散する固相粒子を効率的に回収することが可能な、アタッチメント、固相粒子回収装置、及び固相粒子回収システムを実現することにある。
　上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係るアタッチメントは、相粒子積層装置のスプレーノズルに係合する係合部と、上記係合部に結合し、かつ、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部に連結する少なくとも１つの開口を有する開口部と、で構成されている。
　上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る固相粒子回収装置は、固相粒子積層装置に用いられる固相粒子回収装置であって、上記固相粒子積層装置のスプレーノズルに設けられ、開口を有するアタッチメントと、上記開口に連結し、当該開口を介して、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部と、を備えた構成である。
　上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る固相粒子回収システムは、固相粒子積層装置のスプレーノズルに設けられ、開口を有するアタッチメントと、上記開口に連結し、当該開口を介して、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部と、上記基材に設けられ、上記固相粒子を上記開口の方向に誘導する誘導部材と、を備えた構成である。
　本開示の一態様によれば、固相粒子積層装置のスプレーノズルが稼働する場合においても、飛散する固相粒子を効率的に回収することができる。
本実施形態に係る固相粒子回収システムの概略側面図である。 本実施形態に係るコールドスプレー装置の概略図である。 本実施形態に係る治具の一例を示す写真である。 本実施形態に係る治具の他の例を示す写真である。 スプレーノズルと基材との位置関係を示す概略図である。 スプレーノズルから固相粒子が飛散する様子を示す図である。 固相粒子が回収される様子を示す図である。 本実施形態に係る、治具が基材上に設けられた様子を示す図である。 本実施形態に係る治具の形状例を示す。
　以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
　本実施形態は、固相粒子積層装置に適用することができる。固相粒子積層装置は、例えば、コールドスプレーまたはエアロゾルデポジションを含む。本実施形態では、コールドスプレーを例に説明する。
〔コールドスプレー〕
　近年、コールドスプレーと呼ばれる皮膜形成法が利用されている。コールドスプレーは、皮膜材料（固相粒子）の融点または軟化温度よりも低い温度のキャリアガスを高速流にし、そのキャリアガス流中に固相粒子を投入し加速させ、固相状態のまま基材等に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。
　コールドスプレーの皮膜原理は、次のように理解されている。
　固相粒子が基材に付着・堆積して皮膜するには、ある臨界値以上の衝突速度が必要であり、これを臨界速度と称する。固相粒子が臨界速度よりも低い速度で基材と衝突すると、基材が摩耗し、基材には小さなクレーター状の窪みしかできない。臨界速度は、固相粒子の材質、大きさ、形状、温度、酸素含有量、又は基材の材質などによって変化する。
　固相粒子が基材に対して臨界速度以上の速度で衝突すると、固相粒子と基材（あるいはすでに成形された皮膜）との界面付近で大きなせん断による塑性変形が生じる。この塑性変形、及び衝突による固体内の強い衝撃波の発生に伴い、界面付近の温度も上昇し、その過程で、固相粒子と基材、および、固相粒子と皮膜（すでに付着した固相粒子）との間で固相接合が生じる。
　（コールドスプレー装置１００）
　図２は、コールドスプレー装置１００の概略図である。図２に示すように、コールドスプレー装置１００は、タンク１１０と、ヒーター１２０と、スプレーノズル１３０と、フィーダ１４０と、基材ホルダー１５０と、制御装置（不図示）とを備える。
　タンク１１０は、キャリアガスを貯蔵する。キャリアガスは、タンク１１０からヒーター１２０へ供給される。キャリアガスの一例として、窒素、ヘリウム、空気、またはそれらの混合ガスが挙げられる。キャリアガスの圧力は、タンク１１０の出口において、例えば７０ＰＳＩ以上１５０ＰＳＩ以下（約０．４８Ｍｐａ以上約１．０３Ｍｐａ以下）となるよう調整される。ただし、タンク１１０の出口におけるキャリアガスの圧力は、上記の範囲に限られるものではなく、固相粒子の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
　ヒーター１２０は、タンク１１０から供給されたキャリアガスを加熱する。より具体的に、キャリアガスは、フィーダ１４０からスプレーノズル１３０に供給される固相粒子の融点より低い温度に加熱される。例えば、キャリアガスは、ヒーター１２０の出口において測定したときに、５０℃以上５００℃以下の範囲で加熱される。ただし、キャリアガスの加熱温度は、上記の範囲に限られるものではなく、固相粒子の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
　キャリアガスは、ヒーター１２０により加熱された後、スプレーノズル１３０へ供給される。
　スプレーノズル１３０は、ヒーター１２０により加熱されたキャリアガスを３００ｍ／ｓ以上１２００ｍ／ｓ以下の範囲で加速し、基材１７０へ向けて噴射する。なお、キャリアガスの速度は、上記の範囲に限られるものではなく、固相粒子の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
　フィーダ１４０は、スプレーノズル１３０により加速されるキャリアガスの流れの中に固相粒子を供給する。フィーダ１４０から供給される固相粒子の粒径は、１μｍ以上５０μｍ以下といった大きさである。フィーダ１４０から供給された固相粒子は、スプレーノズル１３０からキャリアガスとともに基材１７０へ噴射される。
　基材ホルダー１５０は、基材１７０を固定する。基材ホルダー１５０に固定された基材１７０に対して、キャリアガス、及び固相粒子がスプレーノズル１３０から噴射される。基材１７０の表面とスプレーノズル１３０の先端との距離は、例えば、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲で調整される。基材１７０の表面とスプレーノズル１３０の先端との距離が１ｍｍよりも近いと固相粒子の噴射速度が低下する。これは、スプレーノズル１３０から噴出したキャリアガスがスプレーノズル１３０内に逆流するためである。このとき、キャリアガスが逆流した際に生じる圧力により、スプレーノズル１３０に接続された部材（ホース等）が外れる場合もある。一方、基材１７０の表面とスプレーノズル１３０の先端との距離が３０ｍｍよりも離れると皮膜効率が低下する。これは、スプレーノズル１３０から噴出したキャリアガス及び固相粒子が基材１７０に到達し難くなるである。
　ただし、基材１７０の表面とスプレーノズル１３０との距離は、上記の範囲に限られるものではなく、固相粒子の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
　制御装置は、予め記憶した情報、及び／又は、オペレーターの入力に基づいて、コールドスプレー装置１００を制御する。より具体的に、制御装置は、タンク１１０からヒーター１２０へ供給されるキャリアガスの圧力、ヒーター１２０により加熱されるキャリアガスの温度、フィーダ１４０から供給される固相粒子の種類および量、及び基材１７０の表面とスプレーノズル１３０との距離などを制御する。
　コールドスプレー装置１００では、周知の固相粒子を用いてコールドスプレーしてよい。例えば、固相粒子として、ニッケル粉末、錫粉末、又は錫粉末と亜鉛粉末との混合材料などを用いることができる。
　コールドスプレー装置１００を用いることにより、コールドスプレーの利点を享受することができる。コールドスプレーの利点は、例えば次のとおりである。（１）皮膜の酸化抑制、（２）皮膜の熱変質の抑制、（３）緻密な皮膜形成、（４）ヒュームの発生抑制、（５）必要最小限のマスキング、（６）シンプルな装置による皮膜形成、（７）短時間での厚い金属皮膜の形成。
　（固相粒子回収システム）
　以下、本実施形態に係る固相粒子回収システム４０を図１により説明する。図１は、本実施形態に係る固相粒子回収システム４０の概略側面図である。
　固相粒子回収システム４０は、コールドスプレー装置１００（固相粒子積層装置）において、基材１７０上での成膜に関わらない、飛散する固相粒子を回収するシステムである。固相粒子回収システム４０は、治具１０（誘導部材）及び固相粒子回収装置２５を備える。固相粒子回収装置２５は、アタッチメント１及び回収部２０を備える。
　アタッチメント１は、係合部２と開口部３とで構成されている。係合部２および開口部３は一体に設けられてよい。係合部２および開口部３が一体に設けられている場合、係合部２と開口部３との間には明確な境界は存在しない。しかしながら、アタッチメント１において、果たす機能の相違する２つの部分が結合している点を、係合部２と開口部３との結合とみなすことができる。
　係合部２と開口部３は別体で設けられ、互いに結合してよい。係合部２および開口部３が別体で設けられる場合、係合部２および開口部３は任意の方法で脱着されてよい。例えば、開口部３が係合部２の外形に対応する開口を有し、その開口に係合部２が嵌め込まれる。
　係合部２は、スプレーノズル１３０に係合する。係合部２は、任意の方法でスプレーノズル１３０に係合してよい。例えば、係合部２は、螺合、嵌め込み、またはボルト止めなどの方法によりスプレーノズル１３０に係合する。
　開口部３は、１又は複数の開口を有する。図１では、開口部３は、２つの開口３ａ、３ｂを有する。開口３ａ、３ｂは、ホース２２（後述）と連結可能な任意の形状を有する。好ましくは、開口３ａは治具１０ａ（後述）の上方に位置し、開口３ｂは治具１０ｂ（後述）の上方に位置する。
　開口３ａ、３ｂは、好ましくは、スプレーノズル１３０の先端近傍に位置決めされる。先端近傍に位置決めされる、とは、スプレーノズル１３０の側面から横方向に５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の位置、及び、基材１７０から５ｍｍ以上２０ｍｍ以内の高さに開口３ａ、３ｂの開口中心が位置決めされることをいう。これにより、固相粒子３０ｂの回収効率を高めることができる。横方向とは、成膜される基材１７０の主面に対して平行な方向をいう。開口中心とは、開口３ａ、３ｂが円形の場合には円の中心をいい、開口３ａ、３ｂが正方形・矩形の場合は対角線の交点をいう。
　回収部２０は、集塵機２１とホース２２とを備える。集塵機２１は、スプレーノズル１３０から基材１７０に噴射されて、基材１７０上での皮膜の形成に関わらない固相粒子３０ｂを開口３ａ、３ｂを介して回収する。
　集塵機２１は、好ましくは、所定の風量以上の集塵能力を有する。集塵機２１の集塵能力が所定の風量以上の場合、集塵機２１は、固相粒子３０ｂの回収効率を高めることができる。集塵機２１の集塵能力が所定の風量よりも小さい場合、固相粒子３０ｂの回収効率が低下する。所定の風量は、開口３ａ、３ｂの形状、開口３ａ、３ｂと基材１７０との距離、またはキャリアガスの圧力などに応じて決められる。集塵機２１は、固相粒子３０ｂを回収することが可能な任意の他の構成（サイクロンまたは静電気など）により実現されてよい。
　ホース２２は、第１の端部が開口３ａ、３ｂと連結し、第１の端部とは異なる第２の端部が集塵機２１と連結する。ホース２２は、開口３ａ、３ｂ、及び／又は、集塵機２１と、螺合または嵌め込みなどの方法により連結する。ホース２２は、任意の材質および／または形状でよい。
　治具１０は、基材１７０に固定される。あるいは、治具１０は、基材１７０に脱着可能に設けられる。治具１０は、１または複数の治具を含む。治具１０は、スプレーノズル１３０から噴射されたキャリアガスの流れを整流し、固相粒子３０ｂを開口３ａ、３ｂの方向に誘導する。治具１０は、好ましくは、スプレーノズル１３０が稼働する方向に沿って延在する。治具１０は、上記の機能を発揮するのであれば材質は限定されない。
　図１の例では、治具１０は、治具１０ａおよび治具１０ｂを含む。治具１０ａおよび治具１０ｂは、基材１７０に設けられ、開口３ａ、３ｂの方向に固相粒子３０ｂを誘導する。以下の説明において、治具１０ａ、１０ｂ（後述）を区別しない場合は、単に治具１０と称する。
　固相粒子３０ａは、基材１７０上で成膜に関わった固相粒子である。固相粒子３０ｂは、基材１７０上で成膜に関わらなかった固相粒子である。
　（治具）
　図３は、本実施形態に係る治具１０の一例を示す写真である。図示するように、治具１０ａおよび治具１０ｂが基材１７０上に設けられている。治具１０ａおよび治具１０ｂは、スプレーノズル１３０（不図示）が稼働する方向に沿って延在する。
　治具１０ａは、基材１７０に対して垂直な面１１ａと弧状に形成された面１２ａとを有する。治具１０ｂは、基材１７０に対して垂直な面１１ｂと弧状に形成された面１２ｂとを有する。図３では、面１１ａおよび面１１ｂがスプレーノズル１３０側に設けられている。
　図４は、本実施形態に係る治具１０の他の例を示す写真である。図４では、面１２ａおよび面１２ｂがスプレーノズル１３０側に設けられている。
　図３、図４は一例であって、治具１０は他の形状により構成されてよい。他の形状の一例として、正方形、長方形、三角形、又は円形などの断面形状が挙げられる。
　（固相粒子の回収）
　次に、固相粒子３０ｂが回収される様子を図５～９により説明する。図５～９では、見易さのため、アタッチメント１及び回収部２０は図示していない。図７～９に記載された矢印は、固相粒子３０ｂが回収される方向を示す。
　図５は、スプレーノズル１３０と基材１７０との位置関係を示す概略図である。Ｄは、スプレーノズル１３０と基材１７０との距離を示す。Ｄは、例えば、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下に設定される。θは、基材１７０に対するスプレーノズル１３０の角度を示す。図中、θは９０度に設定されている。成膜効率を考慮すると、θは、好ましくは７５度以上９０度以下である。
　図６は、スプレーノズル１３０から固相粒子３０ｂが飛散する様子を示す図である。通常、コールドスプレー法では、固相粒子３０ｂは全体の約９７％を占め、残りの固相粒子（固相粒子３０ａ）が、基材１７０上で成膜に関わる。
　スプレーノズル１３０内のキャリアガス通路は、キャリアガスの通過する方向に対して垂直な断面において端部ほど流体エネルギーが低くなる。そのため、その端部を通過する固相粒子は、皮膜の形成に関わることなく、空中に飛散しやすい。図６はその様子を示す。
　固相粒子３０ｂは、キャリアガスの影響により基材１７０付近を移動する。固相粒子３０ｂは、スプレーノズル１３０の側面から横方向に１０ｍｍ以上の領域（図中のＬが１０ｍｍ以上となる領域）では、基材１７０から高さ２０ｍｍ以下となる領域（図中のＨが２０ｍｍ以下となる領域）において高い粒子分布を示す。以下、高い粒子分布を示す領域を「高分布領域」と称する。
　図７は、固相粒子３０ｂが回収される様子を示す図である。図示されていないが、開口部３の開口３ａ、３ｂは、好ましくは、高分布領域に設けられる。開口３ａ、３ｂを高分布領域に位置決めすることにより、固相粒子３０ｂの回収効率を高めることができる。
　図８は、治具１０ａ、１０ｂが基材１７０上に設けられた様子を示す図である。治具１０ａは開口３ａの下方に位置し、治具１０ｂは開口３ｂの下方に位置する。治具１０ａ及び治具１０ｂは、スプレーノズル１３０から噴射されたキャリアガスの流れを整流し、開口３ａ、３ｂの方向に固相粒子３０ｂを誘導する。これにより、固相粒子３０ｂの回収効率をさらに高めることができる。
　図９は、治具１０の形状例を示す。図中、治具１０ａの断面形状は円形で示され、治具１０ｂの断面形状は正方形で示されている。これらは一例であって、治具１０は、正方形、長方形、三角形、円形、又は弧状などの断面形状を有してもよい。治具１０は、スプレーノズル１３０の先端に接触しないサイズであればよい。
　治具１０は、一つのみであってもよい。しかしながら、治具１０は、好ましくは、スプレーノズル１３０が稼働する方向に沿って延在する２つの治具１０ａおよび治具１０ｂを有する。これにより、固相粒子３０ｂの回収効率をさらに高めることができる。
　（実施例）
　以下、ケース（１）～（３）ごとに算出した、固相粒子３０ｂの回収効率を示す。
（１）治具１０を使用せず：９．２％
（２）図３のケース：２６．８％
（３）図４のケース：２４．３％（Ｒ＝２０ｍｍ）
（条件）
・（１）～（３）の何れのケースもアタッチメント１を使用。
・開口部３の開口中心：
　スプレーノズル１３０の側面から横方向に１０ｍｍ、基材１７０から高さ２０ｍｍ
・開口部３の開口半径：７．５ｍｍ
・開口部３の開口数：２つ
・２つの開口位置：係合部２を挟むように、治具１０ａ、１０ｂ上にそれぞれ配置。
・集塵機２１の風量：１．５ｍ３／ｍｉｎ
・スプレーノズル１３０の走査速度：５ｍｍ／ｓｅｃ
・回収効率：「（回収量／投入量）×１００」により算出。
　上記の各数値は、それぞれ１回実施した結果の値である。
・スプレーノズル１３０と基材１７０との距離：１０ｍｍ
・基材１７０に対するスプレーノズル１３０の角度：９０度
・固相粒子：ニッケル
・キャリアガスの圧力：タンク１１０の出口において７０ＰＳＩ以上１５０ＰＳＩ以下（約０．４８Ｍｐａ以上約１．０３Ｍｐａ以下）に調整。
　通常、コールドスプレー法では、投入した固相粒子のうち約９７％が飛散する。上記（１）は、アタッチメント１のみを使用したケースである。このケースにおいても、投入した固相粒子の９．２％が回収されたことが示された。この結果より、スプレーノズル１３０が稼働する場合においても、固相粒子の回収効率が高まることが分かる。回収効率が高まるほど資源およびコストを節約することができる。
　上記（２）、（３）は、アタッチメント１および治具１０を使用したケースである。これらのケースでは、固相粒子の回収効率がさらに高まり、上記（１）の約３倍となることが分かった。
　固相粒子積層装置（コールドスプレーまたはエアロゾルデポジション）では、スプレーノズルが稼働する場合がある。この場合においても、上述したように、本実施形態に係る、固相粒子回収システム４０、固相粒子回収装置２５、及びアタッチメント１は、従来の技術よりも固相粒子の回収効率を大幅に高めることができるという効果を奏する。
　この効果は、スプレーノズル１３０内のキャリアガス通路の断面が矩形の場合には、より効果が大きくなる。
　具体的に、スプレーノズル１３０内のキャリアガス通路の断面が矩形の場合、キャリアガスの通過する方向に対して垂直な断面において端部ほど流体エネルギーが低くなる。これにより、空中に飛散する固相粒子は増加しやすくなる。
　この点、本実施形態に係るアタッチメント１はスプレーノズル１３０に設けられている。このため、スプレーノズル１３０内のキャリアガス通路の断面が矩形の場合であっても、固相粒子の回収効率を維持することができる。つまり、本実施形態に係る、固相粒子回収システム４０、固相粒子回収装置２５、及びアタッチメント１は、スプレーノズル１３０内のキャリアガス通路の断面形状に関係なく、有効に用いることができる。それゆえ、本実施形態に係る、固相粒子回収システム４０、固相粒子回収装置２５、及びアタッチメント１は、固相粒子の飛散が製品の大量生産を阻害していたという従来の課題も併せて解決することができる。
　上記（１）～（３）は固相粒子としてニッケルを使用したが、当然に、他の固相粒子を用いても同様の効果を期待できる。
　（まとめ）
　本発明の態様１に係るアタッチメントは、固相粒子積層装置のスプレーノズルに係合する係合部と、上記係合部に結合し、かつ、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部に連結する少なくとも１つの開口を有する開口部と、で構成されている。
　上記の構成によれば、固相粒子積層装置のスプレーノズルが稼働する場合においても、飛散する固相粒子を効率的に回収することが可能である。
　本発明の態様２に係るアタッチメントでは、上記の態様１において、上記開口部は、上記係合部と一体であってもよい。
　上記の構成によれば、アタッチメントの製造が容易になり、かつ、上記係合部と上記開口部とを人手で結合させる必要がなくなる。
　本発明の態様３に係るアタッチメントでは、本発明の態様１または２おいて、上記少なくとも１つの開口は、２つの開口を含み、上記２つの開口は、上記係合部を挟んで設けられている構成であってもよい。
　上記の構成によれば、上記係合部を挟んで反対方向から飛散する固相粒子を回収することになるため、固相粒子の回収効率を高めることができる。
　本発明の態様４に係る固相粒子回収装置は、上記固相粒子積層装置のスプレーノズルに設けられ、開口を有するアタッチメントと、上記開口に連結し、当該開口を介して、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部と、上記基材に設けられ、上記固相粒子を上記開口の方向に誘導する誘導部材と、を備える構成である。
　上記の構成によれば、上記アタッチメントと同様の効果を奏することができる。
　本発明の態様５に係る固相粒子回収システムは、固相粒子積層装置のスプレーノズルに設けられ、開口を有するアタッチメントと、上記開口に連結し、当該開口を介して、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部と、上記基材に設けられ、上記固相粒子を上記開口の方向に誘導する誘導部材と、を備える構成である。
　上記の構成によれば、上記アタッチメントおよび上記固相粒子回収装置と同様の効果を奏することができる。
　本発明の態様６に係る固相粒子回収システムでは、本発明の態様５において、上記誘導部材は、上記スプレーノズルが稼働する方向に沿って延在する構成であってよい。
　上記の構成によれば、上記スプレーノズルが稼働した場合においても、上記固相粒子の回収効率を維持することができる。
　本発明の態様７に係る固相粒子回収システムでは、本発明の態様５または６において、上記誘導部材は、上記開口の下方に位置する構成であってよい。
　上記の構成によれば、上記固相粒子の回収効率をさらに高めることができる。
　本発明の態様８に係る固相粒子回収システムでは、本発明の態様７において、上記開口の開口中心は、上記スプレーノズルの側面から横方向に５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の位置であって、かつ、上記基材から５ｍｍ以上２０ｍｍ以内の高さに位置決めされる構成であってよい。
　上記の構成によれば、上記固相粒子の回収効率の改善が期待できる。
　本発明の態様９に係る固相粒子回収システムでは、本発明の態様５から８の何れかにおいて、上記誘導部材の、上記スプレーノズルが稼働する方向に対して垂直な断面の形状は、矩形、正方形、三角形、円形、または弧状であってよい。
　上記の構成によれば、飛散する固相粒子を効率的に回収することができる。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１　アタッチメント
２　係合部
３　開口部
３ａ、３ｂ　開口
３０ａ、３０ｂ　固相粒子
１０、１０ａ、１０ｂ　治具（誘導部材）
２０　回収部
２１　集塵機
２２　ホース
２５　固相粒子回収装置
４０　固相粒子回収システム
１００　コールドスプレー装置
１１０　タンク
１２０　ヒーター
１３０　スプレーノズル
１４０　フィーダ
１５０　基材ホルダー
１７０　基材

Claims (9)

  1. 　固相粒子積層装置のスプレーノズルに係合する係合部と、
    　上記係合部に結合し、かつ、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部に連結する少なくとも１つの開口を有する開口部と、で構成されているアタッチメント。
  2. 　上記開口部は、上記係合部と一体である、請求項１に記載のアタッチメント。
  3. 　上記少なくとも１つの開口は、２つの開口を含み、
    　上記２つの開口は、上記係合部を挟んで設けられている、請求項１または２に記載のアタッチメント。
  4. 　固相粒子積層装置に用いられる固相粒子回収装置であって、
    　上記固相粒子積層装置のスプレーノズルに設けられ、開口を有するアタッチメントと、
    　上記開口に連結し、当該開口を介して、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部と、を備えた固相粒子回収装置。
  5. 　固相粒子積層装置のスプレーノズルに設けられ、開口を有するアタッチメントと、
    　上記開口に連結し、当該開口を介して、上記スプレーノズルから基材に噴射されて、当該基材上での成膜に関わらない固相粒子を回収する回収部と、
    　上記基材に設けられ、上記固相粒子を上記開口の方向に誘導する誘導部材と、を備えた固相粒子回収システム。
  6. 　上記誘導部材は、上記スプレーノズルが稼働する方向に沿って延在する、請求項５に記載の固相粒子回収システム。
  7. 　上記誘導部材は、上記開口の下方に位置する、請求項５または６に記載の固相粒子回収システム。
  8. 　上記開口の開口中心は、上記スプレーノズルの側面から横方向に５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の位置であって、かつ、上記基材から５ｍｍ以上２０ｍｍ以内の高さに位置決めされる、請求項７に記載の固相粒子回収システム。
  9. 　上記誘導部材の、上記スプレーノズルが稼働する方向に対して垂直な断面の形状は、矩形、正方形、三角形、円形、または弧状である、請求項５から８の何れか１項に記載の固相粒子回収システム。
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