JP5004171B2 - Nozzle for cold spray - Google Patents
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Description
本発明は、コールドスプレー用ノズルに関する。 The present invention relates to a cold spray nozzle.
従来、金属材料から構成される輸送機器のき裂等を補修するために、低圧型コールドスプレー法が適用されている。この低圧型コールドスプレー法は、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔｉなどの金属の粒子を、図７に示すような、ノズル１０１を取り付けたコールドスプレー装置１００によりき裂等に噴射し、金属被膜を形成してき裂等を補修するものである（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, a low-pressure cold spray method has been applied to repair cracks and the like in transportation equipment made of metal materials. In this low-pressure type cold spray method, particles of metal such as Zn, Cu, Al, Cr, Ni, Mo, Fe, Nb, and Ti are applied by a cold spray apparatus 100 having a nozzle 101 as shown in FIG. It sprays on a crack etc., forms a metal film, and repairs a crack etc. (for example, refer patent document 1).
しかし、図７に示すように、コールドスプレー装置１００により純金属（例えば、純Ａｌ）の粒子を数分間噴射し続けると、ノズル１０１の内部に金属粒子が付着・堆積してノズル１０１を閉塞し、作動ガスの流れを変化させるという問題があった。また、図８に示すように、ノズル（Nozzle）の内部に付着した堆積物（Deposit）は、非常にポーラスで、作動ガスによってはじき出されて補修箇所に衝突し、形成された被膜層が均一組織とならない等の問題もあった。 However, as shown in FIG. 7, when pure metal (for example, pure Al) particles are continuously sprayed for several minutes by the cold spray device 100, the metal particles adhere and deposit inside the nozzle 101 to close the nozzle 101. There was a problem of changing the flow of working gas. In addition, as shown in FIG. 8, the deposit adhered to the inside of the nozzle (Nozzle) is very porous, is ejected by the working gas and collides with the repaired portion, and the formed coating layer has a uniform structure. There were also problems such as not becoming.
そこで、これらの問題を解決するために、ノズルの内部に付着する堆積物を吹き飛ばすための粒子を、純金属の粒子に混ぜて、噴射する方法が推奨されている。例えば、Ａｌ粒子の場合には、Ａｌ２Ｏ3粒子を、Ａｌ：５０ｗｔ％＋Ａｌ２Ｏ３：５０ｗｔ％の割合で混ぜるよう推奨されている。この場合、Ａｌ２Ｏ3粒子が、ノズルの内部に付着するＡｌ堆積物を吹き飛ばすため、ノズルの閉塞を抑えることができる。 Therefore, in order to solve these problems, a method is recommended in which particles for blowing off deposits adhering to the inside of the nozzle are mixed with pure metal particles and injected. For example, in the case of Al particles, Al 2 O 3 particles are recommended to be mixed at a ratio of Al: 50 wt% + Al 2 O 3 : 50 wt%. In this case, since the Al 2 O 3 particles blow off the Al deposits adhering to the inside of the nozzle, the clogging of the nozzle can be suppressed.
しかしながら、Ａｌ粒子にＡｌ２Ｏ3粒子を混ぜて使用する場合、噴射し続けるとＡｌ２Ｏ3粒子がノズルの内側を削り取り、ノズルの側面に穴が開いて、ノズルが使用できなくなるという課題があった。一例では、穴が開いたときのノズルの重量が４．８０ｇとなり、使用前の重量の４０．３％までノズルの内部が減肉しているものもあった。なお、このＡｌ粒子を噴射する場合、補修箇所にＡｌ金属だけでなく、Ａｌ２Ｏ3のようなセラミックスが混入することは、補修箇所の健全性から考えても好ましくない。 However, when using Al 2 O 3 particles mixed with Al particles, if the spraying is continued, the Al 2 O 3 particles scrape the inside of the nozzle, and a hole is formed in the side surface of the nozzle, making it impossible to use the nozzle. there were. In one example, the weight of the nozzle when the hole was opened was 4.80 g, and the inside of the nozzle was reduced to 40.3% of the weight before use. In the case of injecting the Al particles, it is not preferable from the viewpoint of the soundness of the repaired part that not only Al metal but also ceramics such as Al 2 O 3 are mixed in the repaired part.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、寿命を延ばすことができ、内部への金属粒子の付着を抑えることができるコールドスプレー用ノズルを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and an object of the present invention is to provide a cold spray nozzle capable of extending the life and suppressing the adhesion of metal particles to the inside.
上記目的を達成するために、本発明に係るコールドスプレー用ノズルは、筒状のノズル本体と、前記ノズル本体を冷却可能な冷却部材とを有することを、特徴とする。 In order to achieve the above object, a cold spray nozzle according to the present invention includes a cylindrical nozzle body and a cooling member capable of cooling the nozzle body.
本発明に係るコールドスプレー用ノズルは、コールドスプレー装置に装着して使用される。コールドスプレー装置により純金属の粒子を噴射するとき、冷却部材で筒状のノズル本体を冷却することにより、ノズル本体の内部への金属粒子の付着を抑えることができる。このため、Ａｌ粒子などの純金属粒子に、ノズル本体の内部に付着する堆積物を吹き飛ばすためのＡｌ２Ｏ3などの粒子を混ぜる必要がない。このため、Ａｌ２Ｏ3などの粒子によりノズル本体の内側が削り取られて穴が開くのを防ぐことができ、ノズル本体の寿命を延ばすことができる。 The nozzle for cold spray according to the present invention is used by being mounted on a cold spray device. When injecting pure metal particles with a cold spray device, the cooling of the cylindrical nozzle body can suppress the adhesion of metal particles to the inside of the nozzle body. For this reason, it is not necessary to mix particles such as Al 2 O 3 for blowing away deposits adhering to the inside of the nozzle body into pure metal particles such as Al particles. For this reason, it is possible to prevent the inner side of the nozzle body from being scraped off by particles such as Al 2 O 3 and to make a hole, thereby extending the life of the nozzle body.
冷却部材は、ノズル本体を冷却可能であれば、いかなるものから成っていてもよい。冷却部材は、特にノズル本体の内部への金属粒子の付着を効果的に抑えるよう、ノズル本体の内側面を冷却可能であることが好ましい。なお、噴射する純金属粒子は、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔｉなどの金属の粒子から成る。 The cooling member may be made of any material as long as the nozzle body can be cooled. The cooling member is preferably capable of cooling the inner surface of the nozzle body so as to effectively suppress the adhesion of metal particles inside the nozzle body. In addition, the pure metal particle to inject consists of metal particles, such as Zn, Cu, Al, Cr, Ni, Mo, Fe, Nb, Ti.
本発明に係るコールドスプレー用ノズルで、前記ノズル本体は熱伝導性の材質から成り、前記冷却部材は前記ノズル本体の内側面を冷却可能に、前記ノズル本体の外側面を冷却するよう構成されていることが好ましい。この場合、ノズル本体の内側面を効率的かつ容易に冷却することができ、ノズル本体の内部への金属粒子の付着を効果的に抑えることができる。 In the cold spray nozzle according to the present invention, the nozzle body is made of a heat conductive material, and the cooling member is configured to cool the outer surface of the nozzle body so as to cool the inner surface of the nozzle body. Preferably it is. In this case, the inner surface of the nozzle body can be efficiently and easily cooled, and the adhesion of metal particles to the inside of the nozzle body can be effectively suppressed.
本発明に係るコールドスプレー用ノズルで、前記冷却部材は流体を循環させて前記ノズル本体の外側面を冷却するよう設けられていてもよい。また、本発明に係るコールドスプレー用ノズルで、前記冷却部材は前記ノズル本体の外側面を０℃乃至５０℃に冷却するよう設けられていてもよい。これらの場合、ノズル本体の内部への金属粒子の付着を、特に効果的に抑えることができる。流体を循環させて冷却する場合、流体は液体であっても気体であってもよい。
In the cold spray nozzle according to the present invention, the cooling member may be provided to circulate a fluid to cool the outer surface of the nozzle body. In the cold spray nozzle according to the present invention, the cooling member may be provided to cool the outer surface of the nozzle body to 0 ° C. to 50 ° C. In these cases, adhesion of metal particles to the inside of the nozzle body can be particularly effectively suppressed. When the fluid is circulated and cooled, the fluid may be a liquid or a gas.
本発明によれば、寿命を延ばすことができ、内部への金属粒子の付着を抑えることができるコールドスプレー用ノズルを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lifetime can be extended and the nozzle for cold spray which can suppress adhesion of the metal particle to an inside can be provided.
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態のコールドスプレー用ノズルを示している。
図１に示すように、コールドスプレー用ノズル１０は、コールドスプレー装置１に装着して使用され、ノズル本体１１と冷却部材１２とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 6 show a cold spray nozzle according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the cold spray nozzle 10 is used by being mounted on the cold spray device 1, and includes a nozzle body 11 and a cooling member 12.
図１に示すように、ノズル本体１１は、ステンレス製で熱伝導性を有し、円筒状を成している。ノズル本体１１は、一端１１ａから他端１１ｂにかけて、段階的に内径が大きくなるよう形成されている。ノズル本体１１は、一端１１ａがコールドスプレー装置１の噴射口１ａに取り付けられている。 As shown in FIG. 1, the nozzle body 11 is made of stainless steel, has thermal conductivity, and has a cylindrical shape. The nozzle body 11 is formed so that its inner diameter gradually increases from one end 11a to the other end 11b. One end 11 a of the nozzle body 11 is attached to the injection port 1 a of the cold spray device 1.
図１に示すように、冷却部材１２は、コールドスプレー装置１の噴射口１ａから突出したノズル本体１１の外側面を覆うよう設けられている。冷却部材１２は、導水路１２ａと供給口１２ｂと排出口１２ｃとを有している。導水路１２ａは、ノズル本体１１の外側面全体に接するよう設けられ、冷却水をノズル本体１１の外側面に沿って循環可能になっている。供給口１２ｂは、導水路１２ａに連通するようノズル本体１１の一端１１ａ側に設けられ、導水路１２ａに冷却水を供給可能になっている。排出口１２ｃは、導水路１２ａに連通するようノズル本体１１の他端１１ｂ側に設けられ、導水路１２ａの内部の冷却水を排水可能になっている。 As shown in FIG. 1, the cooling member 12 is provided so as to cover the outer surface of the nozzle body 11 protruding from the injection port 1 a of the cold spray device 1. The cooling member 12 has a water conduit 12a, a supply port 12b, and a discharge port 12c. The water conduit 12 a is provided so as to contact the entire outer surface of the nozzle body 11, and can circulate cooling water along the outer surface of the nozzle body 11. The supply port 12b is provided on the one end 11a side of the nozzle body 11 so as to communicate with the water conduit 12a, and can supply cooling water to the water conduit 12a. The discharge port 12c is provided on the other end 11b side of the nozzle body 11 so as to communicate with the water conduit 12a, and the cooling water inside the water conduit 12a can be drained.
冷却部材１２は、供給口１２ｂから導水路１２ａに供給された冷却水が、導水路１２ａの内部を循環し、排出口１２ｃから排水されるようになっている。冷却部材１２は、冷却水がノズル本体１１の外側面全体に接する導水路１２ａの内部を循環して、ノズル本体１１の外側面を冷却可能になっている。また、冷却部材１２は、ノズル本体１１がステンレス製で熱伝導性を有しているため、ノズル本体１１の内側面を冷却可能である。
The cooling member 12 is configured such that the cooling water supplied from the supply port 12b to the water conduit 12a circulates inside the water conduit 12a and is drained from the discharge port 12c. Cooling member 12, the cooling water circulates inside the headrace 12a in contact with the entire outer surface of the nozzle body 11, are enabled cooling an outer surface of the nozzle body 11. Moreover, since the nozzle body 11 is made of stainless steel and has thermal conductivity, the cooling member 12 can cool the inner surface of the nozzle body 11.
図１および図２に示すように、コールドスプレー装置１は、エアーコンプレッサー（Air Compressor）２とヒーター（Heater）３と粒子供給部（Powder Feeder）４とコントロールユニット（Control Unit）５とを有している。エアーコンプレッサー２は、作動ガスの空気を供給可能になっている。ヒーター３は、エアーコンプレッサー２により供給された作動ガスを温めるようになっている。粒子供給部４は、作動ガスと共に金属粒子を噴射するよう、噴射口１ａ近傍で作動ガス中に金属粒子を供給可能になっている。粒子供給部４は、内部に設けられた振動機を振動させて粒子を供給するよう構成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the cold spray device 1 includes an air compressor 2, a heater 3, a particle feeder 4, and a control unit 5. ing. The air compressor 2 can supply working gas air. The heater 3 warms the working gas supplied by the air compressor 2. The particle supply unit 4 can supply metal particles into the working gas in the vicinity of the injection port 1a so as to inject the metal particles together with the working gas. The particle supply unit 4 is configured to supply particles by vibrating a vibrator provided therein.
コントロールユニット５は、エアーコンプレッサー２からの作動ガスの供給量を調節可能なガス調整弁６を制御するエアーバルブコントローラ（Air Valve Controller）５ａと、ヒーター３の温度を制御する温度コントローラ（Temperature Controller）５ｂと、粒子供給部４からの金属粒子の供給率を制御する粒子供給率コントローラ（Powder Feed Rate Controller）５ｃと、粒子供給部４からの金属粒子の供給量を調整可能な粒子調整弁７を制御する供給バルブコントローラ（Feeder Valve Controller）５ｄとを有している。 The control unit 5 includes an air valve controller 5a that controls a gas regulating valve 6 that can adjust the amount of working gas supplied from the air compressor 2, and a temperature controller that controls the temperature of the heater 3. 5b, a particle feed rate controller (Cowder Feed Rate Controller) 5c for controlling the supply rate of the metal particles from the particle supply unit 4, and a particle adjustment valve 7 capable of adjusting the supply amount of the metal particles from the particle supply unit 4. It has a supply valve controller (Feeder Valve Controller) 5d to be controlled.
なお、図１に示す具体的な一例では、ノズル本体１１は、長さが１２０ｍｍで、内径が一端１１ａ側から順に４．０ｍｍ、４．２ｍｍ、４．４ｍｍ、４．８ｍｍと４段階に変化している。ノズル本体１１のコールドスプレー装置１の噴射口１ａからの突出量は、１０３ｍｍである。冷却部材１２は、長さが１０３ｍｍ、外径が３５ｍｍである。 In the specific example shown in FIG. 1, the nozzle body 11 has a length of 120 mm, and the inner diameter changes in four stages from 4.0 mm, 4.2 mm, 4.4 mm, and 4.8 mm in order from the one end 11 a side. is doing. The protrusion amount of the nozzle body 11 from the spray port 1a of the cold spray device 1 is 103 mm. The cooling member 12 has a length of 103 mm and an outer diameter of 35 mm.
次に、作用について説明する。
コールドスプレー用ノズル１０は、コールドスプレー装置１により純金属の粒子を噴射するとき、冷却部材１２でノズル本体１１の内側面を効率的かつ容易に冷却することができ、ノズル本体１１の内部への金属粒子の付着を効果的に抑えることができる。このため、Ａｌ粒子などの純金属粒子に、ノズル本体１１の内部に付着する堆積物を吹き飛ばすためのＡｌ２Ｏ3などの粒子を混ぜる必要がない。このため、Ａｌ２Ｏ3などの粒子によりノズル本体１１の内側が削り取られて穴が開くのを防ぐことができ、ノズル本体１１の寿命を延ばすことができる。
Next, the operation will be described.
When spraying pure metal particles by the cold spray device 1, the cold spray nozzle 10 can cool the inner surface of the nozzle body 11 efficiently and easily by the cooling member 12. The adhesion of metal particles can be effectively suppressed. For this reason, it is not necessary to mix particles such as Al 2 O 3 for blowing away deposits adhering to the inside of the nozzle body 11 into pure metal particles such as Al particles. For this reason, it is possible to prevent the inner side of the nozzle body 11 from being scraped off by the particles such as Al 2 O 3 and to make a hole, thereby extending the life of the nozzle body 11.
図７に示す従来のコールドスプレー装置１００で、ノズル１０１の内部に金属粒子が付着するメカニズムは、金属粒子が高速でノズル１０１の内側面に衝突することにより、金属粒子およびノズル１０１が塑性変形して金属粒子表面およびノズル１０１の内側面の酸化膜が破壊され、金属粒子およびノズル１０１の新生面同士が接触して金属結合するものであると考えられる。これに対し、コールドスプレー用ノズル１０では、ノズル本体１１を冷却することにより、ノズル本体１１の内側面の温度が冷却する前と比較して低下するため、金属粒子が衝突しても付着するのに十分な塑性変形量が得られず、金属粒子がノズル本体１１の内部に付着しにくくなると考えられる。 In the conventional cold spray device 100 shown in FIG. 7, the mechanism in which the metal particles adhere to the inside of the nozzle 101 is that the metal particles and the nozzle 101 are plastically deformed by colliding with the inner surface of the nozzle 101 at a high speed. It is considered that the oxide film on the metal particle surface and the inner side surface of the nozzle 101 is destroyed, and the newly formed surfaces of the metal particle and the nozzle 101 come into contact with each other to form a metal bond. On the other hand, in the nozzle 10 for cold spray, since the temperature of the inner surface of the nozzle body 11 is lowered by cooling the nozzle body 11, it adheres even if metal particles collide. It is considered that a sufficient amount of plastic deformation cannot be obtained, and the metal particles are less likely to adhere to the inside of the nozzle body 11.
ノズル本体１１の内部のガス温度などの各種条件が変化しないと仮定すると、ノズル本体１１の外側の条件のみが変化する。ノズル本体１１を冷却しない場合、ノズル本体１１の外側には自然対流の空気が存在し、冷却する場合、強制対流の冷却水が存在する。熱伝達率は流体の熱伝導度に比例することが知られており、自然対流の空気の熱伝達率は約100〜101W/m2K、強制対流の冷却水の熱伝達率は約103〜104W/m2Kと、約100倍の差がある。このため、冷却するノズル本体１１の内側面の温度は、冷却しない場合と比較して大きく低下し、このことが金属粒子の付着に大きく影響を及ぼしていると考えられる。 Assuming that various conditions such as the gas temperature inside the nozzle body 11 do not change, only the conditions outside the nozzle body 11 change. When the nozzle body 11 is not cooled, natural convection air exists outside the nozzle body 11, and when it is cooled, forced convection cooling water exists. Heat transfer coefficient is known to be proportional to the thermal conductivity of the fluid, the air heat transfer coefficient of natural convection about 10 0 ~10 1 W / m 2 K, the heat transfer coefficient of the cooling water of the forced convection About 10 3 to 10 4 W / m 2 K, there is a difference of about 100 times. For this reason, the temperature of the inner side surface of the nozzle body 11 to be cooled is greatly reduced as compared with the case where the nozzle body 11 is not cooled, which is considered to have a great influence on the adhesion of the metal particles.
ノズル本体１１を冷却することにより、噴射される作動ガスの温度が低下して、金属粒子によるき裂等の補修能力が低下する可能性がある。そこで、ノズル本体１１の冷却による作動ガスの温度変化を調べる試験を行った。 By cooling the nozzle body 11, the temperature of the injected working gas is lowered, and there is a possibility that the repair ability such as a crack caused by metal particles is lowered. Then, the test which investigates the temperature change of the working gas by cooling of the nozzle main body 11 was done.
コールドスプレー装置１として、ＯＣＰＳ社製の低圧型コールドスプレー装置「ＤＹＭＥＴ４０３ｊ」を使用した。ヒーター３による作動ガスの温度は５段階、粒子供給部４からの粒子の供給量は１４段階で調整可能になっている。本試験では、金属粒子は噴射せず、作動ガスの温度を中央値に固定して、作動ガスのみで噴射を行った。その他の試験条件を、表１に示す。 As the cold spray device 1, a low pressure cold spray device “DYMET403j” manufactured by OCPS was used. The temperature of the working gas by the heater 3 can be adjusted in 5 stages, and the amount of particles supplied from the particle supply unit 4 can be adjusted in 14 stages. In this test, metal particles were not injected, and the temperature of the working gas was fixed to the median value, and the injection was performed only with the working gas. Other test conditions are shown in Table 1.
図３に示すように、コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合、および、比較例として冷却部材１２を有さないノズル本体１１のみの比較用ノズルを使用した場合で試験を行った。いずれの場合も、ノズルの出口から５ｍｍの位置に白金熱電対（Thermo couple）５１を固定し、白金熱電対５１からのデータを温度データ収集システム（Data acquision system；ＫＥＹＥＮＣＥ社製、製品名「ＧＲ−３５００」）５２により収集し、パソコン（Personal computer）５３で解析して温度測定を行った。温度の測定精度は０．１℃であり、サンプリング周期は１０point/secとした。コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合の冷却水の温度は、約２０℃とした。 As shown in FIG. 3, the test was performed when the cold spray nozzle 10 was used and when the comparative nozzle having only the nozzle body 11 without the cooling member 12 was used as a comparative example. In either case, a platinum thermocouple 51 is fixed at a position 5 mm from the outlet of the nozzle, and data from the platinum thermocouple 51 is converted into a temperature data collection system (Data acquision system; product name “GR”). -3500 ") 52 and analyzed by a personal computer 53 to measure the temperature. The temperature measurement accuracy was 0.1 ° C., and the sampling period was 10 points / sec. The temperature of the cooling water when the cold spray nozzle 10 was used was about 20 ° C.
作動ガスの温度の測定結果を、図４に示す。図４に示すように、コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合（図４中の「Water cooling」の曲線）および比較用ノズルを使用した場合（図４中の「No cooling」の曲線）ともに、噴射開始から作動ガスの温度が定常になるまでの温度勾配および定常温度は、ほぼ等しいことが確認された。なお、作動ガスの定常温度は、約３２０℃であった。このことから、ノズル本体１１の冷却が作動ガス温度に与える影響はほとんどないと考えられ、ノズル本体１１の冷却によりき裂等の補修能力が低下するおそれはないと考えられる。 The measurement result of the temperature of the working gas is shown in FIG. As shown in FIG. 4, both when using the cold spray nozzle 10 (curve “Water cooling” in FIG. 4) and when using the comparative nozzle (curve “No cooling” in FIG. 4), It was confirmed that the temperature gradient and the steady temperature from the start of injection to the steady state of the working gas temperature were approximately equal. The steady temperature of the working gas was about 320 ° C. From this, it is considered that the cooling of the nozzle body 11 has little influence on the working gas temperature, and it is considered that the repairing ability such as a crack is not lowered by the cooling of the nozzle body 11.
ノズル本体１１を冷却することによる、ノズル本体１１の内部への金属粒子の付着を抑える効果を調べる試験を行った。コールドスプレー装置１は、実施例１と同じものを使用した。金属粒子として、平均粒径が２６．５μｍの純Ａｌ粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、製品名「Ｇ−Ａｔ」）を使用した。粒子の供給量を中央値に固定し、その他の試験条件を、実施例１と同様とした。 A test was conducted to examine the effect of cooling the nozzle body 11 to suppress the adhesion of metal particles to the inside of the nozzle body 11. The same cold spray apparatus 1 as in Example 1 was used. As the metal particles, pure Al particles having an average particle diameter of 26.5 μm (product name “G-At” manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd.) were used. The supply amount of particles was fixed to the median value, and other test conditions were the same as in Example 1.
コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合、および、比較例として冷却部材１２を有さないノズル本体１１のみの比較用ノズルを使用した場合で試験を行った。いずれの場合も、ノズル本体１１の重量を、金属粒子の噴射前、３０秒噴射後、６０秒噴射後、９０秒噴射後、１２０秒噴射後に測定した。重量の測定には、電子天秤（ＭＥＴＴＬＥＲ ＴＯＬＥＤＯ社製、製品名「ＰＧ５００２−Ｓ」）を使用した。電子天秤の測定精度は、０．０１ｇである。また、いずれの場合も、３本のノズル本体１１を使用して測定を行った。 The test was performed when the cold spray nozzle 10 was used and when the comparative nozzle having only the nozzle body 11 without the cooling member 12 was used as a comparative example. In any case, the weight of the nozzle body 11 was measured before the metal particles were injected, after 30 seconds, after 60 seconds, after 90 seconds, and after 120 seconds. For measuring the weight, an electronic balance (manufactured by METTTLER TOLEDO, product name “PG5002-S”) was used. The measurement accuracy of the electronic balance is 0.01 g. In any case, measurement was performed using three nozzle bodies 11.
ノズル本体１１の重量の測定結果を、図５に示す。図５中の点は、３本のノズル本体１１の測定値の平均値を示し、エラーバーは、測定値の分布範囲を示している。図５に示すように、コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合（図５中の「Water cooling」）、ノズル本体１１の重量増加は確認されなかった。本試験と同様の条件で、コールドスプレー用ノズル１０を使用して１０時間以上噴射した後のノズル本体１１の断面を観察しても、Ａｌ金属粒子の付着、堆積は確認されなかった。 The measurement result of the weight of the nozzle body 11 is shown in FIG. The points in FIG. 5 indicate the average values of the measured values of the three nozzle bodies 11, and the error bars indicate the distribution range of the measured values. As shown in FIG. 5, when the cold spray nozzle 10 was used (“Water cooling” in FIG. 5), an increase in the weight of the nozzle body 11 was not confirmed. Even when the cross section of the nozzle body 11 was sprayed for 10 hours or more using the cold spray nozzle 10 under the same conditions as in this test, adhesion and deposition of Al metal particles were not confirmed.
また、図５に示すように、比較用ノズルを使用した場合（図５中の「No cooling」）、噴射開始から３０秒以内にノズル本体１１の内部にＡｌ金属粒子が付着して堆積し、その後噴射を続けても堆積量はほとんど変化しないことが確認された。１２０秒噴射後の金属粒子の堆積による質量増加は、約０．１７ｇであった。試験後のノズル本体１１の断面を観察すると、Ａｌ金属粒子の堆積物はノズル本体１１の出口付近に存在していることが確認された。試験後のノズル本体１１を１本輪切りにし、最もＡｌ金属粒子が堆積していた部分を選定して樹脂に埋め込み、観察断面を耐水研磨紙（320, 600, 1000, 1500, 4000番の順）で湿式研磨を行い、光学顕微鏡（Nikon製、製品名「SMZ-U」）で撮影した結果を、図６（ａ）に示す。また、撮影された堆積物の断面を、画像処理ソフトを用いて二値化したものを、図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）から、堆積物の断面積は、5.52mm2であり、堆積物がノズル本体１１の内部の断面積（2.4×2.4×π=18.1mm2）の30.5%を占めていることが確認された。 Also, as shown in FIG. 5, when a comparative nozzle is used (“No cooling” in FIG. 5), Al metal particles adhere and deposit inside the nozzle body 11 within 30 seconds from the start of injection, After that, it was confirmed that the deposition amount hardly changed even if the injection was continued. The increase in mass due to the deposition of metal particles after 120 seconds injection was about 0.17 g. When the cross section of the nozzle body 11 after the test was observed, it was confirmed that a deposit of Al metal particles was present near the outlet of the nozzle body 11. Cut the nozzle body 11 after the test into a single ring, select the part where the Al metal particles were most deposited and embed it in the resin, and observe the cross section of the water-resistant abrasive paper (in order of 320, 600, 1000, 1500, 4000) FIG. 6 (a) shows the result of wet-polishing and photographing with an optical microscope (product name “SMZ-U” manufactured by Nikon). Further, FIG. 6B shows a binarized cross section of the photographed deposit using image processing software. From FIG. 6B, the cross-sectional area of the deposit is 5.52 mm 2 , and the deposit occupies 30.5% of the cross-sectional area inside the nozzle body 11 (2.4 × 2.4 × π = 18.1 mm 2 ). Was confirmed.
ノズル本体１１の出口付近に金属粒子が付着する理由については、以下のように考えられる。一般的に、ノズル内部の粒子速度は、ノズルの出口に向かうにつれて対数的に上昇しているのに対して、粒子温度はノズル内で大きな差はない。このため、粒子の持つ全エネルギーは、出口に近いほど大きくなっている。図１に示すように、本試験で使用したノズル本体１１は、入口から出口にかけて段階的に内径が大きくなるよう形成されており、内径が変化する部分が連続的に変化しないため、作動ガスの流れが乱れることが推測される。作動ガスの流れの乱れにより、金属粒子がノズル本体１１の内側面に衝突しやすくなるとともに、運動エネルギーが大きいノズル本体１１の出口付近で、金属粒子が付着しやすくなると考えられる。一旦、ノズル本体１１の内側面に金属粒子が付着すると、作動ガスの流れがさらに乱れ、加速度的に金属粒子が付着、堆積し、最終的にはノズル本体１１を閉塞してしまう。 The reason why the metal particles adhere to the vicinity of the outlet of the nozzle body 11 is considered as follows. In general, the particle velocity inside the nozzle increases logarithmically toward the nozzle outlet, whereas the particle temperature does not differ significantly within the nozzle. For this reason, the total energy of the particles increases as the distance from the outlet increases. As shown in FIG. 1, the nozzle body 11 used in this test is formed so that the inner diameter gradually increases from the inlet to the outlet, and the portion where the inner diameter changes does not continuously change. It is assumed that the flow is disturbed. It is considered that due to the disturbance of the flow of the working gas, the metal particles easily collide with the inner side surface of the nozzle body 11 and the metal particles easily adhere near the outlet of the nozzle body 11 having a large kinetic energy. Once the metal particles adhere to the inner side surface of the nozzle body 11, the flow of the working gas is further disturbed, the metal particles adhere and accumulate at an accelerated rate, and eventually the nozzle body 11 is blocked.
本試験の結果、ノズル本体１１を冷却することにより、ノズル本体１１の内部への金属粒子の付着を効果的に抑えることができることが確認された。このため、ノズル本体１１を冷却することにより、金属粒子によるノズル本体１１の閉塞を大幅に改善することができる。また、Ａｌ金属粒子に、ノズル本体１１の内部に付着する堆積物を吹き飛ばすためのＡｌ２Ｏ3粒子を混ぜる必要がなく、Ａｌ２Ｏ3粒子によりノズル本体１１の内側が削り取られて穴が開くのを防ぐことができ、ノズル本体１１の寿命を延ばすこともできる。 As a result of this test, it was confirmed that the adhesion of metal particles to the inside of the nozzle body 11 can be effectively suppressed by cooling the nozzle body 11. For this reason, the nozzle body 11 can be significantly blocked from being blocked by the metal particles by cooling the nozzle body 11. Further, it is not necessary to mix Al 2 O 3 particles for blowing away deposits adhering to the inside of the nozzle body 11 into the Al metal particles, and the inside of the nozzle body 11 is scraped off by the Al 2 O 3 particles to make a hole. The life of the nozzle body 11 can also be extended.
１ コールドスプレー装置
１ａ 噴射口
２ エアーコンプレッサー
３ ヒーター
４ 粒子供給部
５ コントロールユニット
１０ コールドスプレー用ノズル
１１ ノズル本体
１２ 冷却部材
１２ａ 導水路
１２ｂ 供給口
１２ｃ 排出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cold spray apparatus 1a Injecting port 2 Air compressor 3 Heater 4 Particle supply part 5 Control unit 10 Nozzle for cold spray 11 Nozzle body 12 Cooling member 12a Water conduit 12b Supply port 12c Outlet
Claims (4)
前記ノズル本体を冷却可能な冷却部材とを有することを、
特徴とするコールドスプレー用ノズル。 A cylindrical nozzle body;
Having a cooling member capable of cooling the nozzle body,
Features a cold spray nozzle.
前記冷却部材は前記ノズル本体の内側面を冷却可能に、前記ノズル本体の外側面を冷却するよう構成されていることを、
特徴とする請求項１記載のコールドスプレー用ノズル。 The nozzle body is made of a heat conductive material,
The cooling member is configured to cool the outer surface of the nozzle body so that the inner surface of the nozzle body can be cooled.
The cold spray nozzle according to claim 1, wherein the nozzle is a cold spray nozzle.
The cold spray nozzle according to claim 2, wherein the cooling member is provided to cool an outer surface of the nozzle body to 0 ° C. to 50 ° C. 5.
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