冷喷枪及具备该冷喷枪的冷喷涂设备的制作方法

本发明涉及一种冷喷枪及具备该冷喷枪的冷喷涂设备，该冷喷枪将原料粉体与工作气体一同从喷头高速喷出，使其以固相状态直接碰撞在基材来形成被膜。特别是，本发明涉及该工作气体的加热。

背景技术：

以往，为了提高耐磨性和耐腐蚀性，采用了在各种金属部件形成镍、铜、铝、铬或这些的合金等的被膜的技术。作为通常的被膜形成方法，有电镀方法、化学镀方法、溅射蒸镀法或等离子喷涂法等。近年来，作为这些方法的替代方法，热喷涂法和冷喷涂法受到了瞩目。

热喷涂法可以是低压等离子喷涂(lpps)、火焰喷涂、高速火焰喷涂(hvof)、大气等离子喷涂等。这些热喷涂法中，加热被膜形成材料后，使其以熔融或半熔融的微粒子状态高速碰撞在基材表面来形成被膜。

相对于此，冷喷涂法是将载气输送的原料粉体从粉体端口喷出、投入到供给有高压的工作气体的冷喷枪的腔室内后，使含有该原料粉体的工作气体作为超音速流体喷出，进而使该原料粉体以固相状态直接碰撞在基材来形成被膜的方法。此时，冷喷枪内的工作气体的温度被设定在比形成被膜的金属、合金、金属间化合物、陶瓷等原料粉体的融点或软化点低的温度。因此，已知与用上述现有的方法形成的同种的金属被膜相比，用冷喷涂法形成的金属被膜的氧化或热变少，致密、高密度且密合性良好，且导电性、导热率高。

图4为现有的冷喷涂设备100的模式结构的示意图。储存了氮气、氦气、空气等高压气体的压缩气瓶2的供气管线3分岔成工作气体管线4和载气管线5。工作气体管线4中设置有由内部形成了工作气体流路的电阻发热体构成的加热器101。流入到工作气体管线4的工作气体在该加热器101被加热到原料粉体的融点或软化点以下的温度后，被导入到冷喷枪102的腔室103内。

载气管线5中设置有原料粉体供给装置6，流入载气管线5的载气被导入到原料粉体供给装置6后，与原料粉体一同从冷喷枪102的腔室103内的粉体端口104供给到工作气体中。

该腔室103的前端装配有冷喷喷头30。因此，腔室103内的工作气体与粉体端口104供给的原料粉体一同从该冷喷喷头30的圆锥状的缩口部32经过狭缝部33后形成超音速流，进而从位于圆锥状的膨胀部34的前端的喷头出口35喷出。从冷喷喷头30喷出的原料粉体以固相状态直接碰撞并堆积在基材40的表面上，从而形成被膜41。

该冷喷涂法中，与基材碰撞的原料粉体粒子的速度和温度会极大影响被膜附着效率。具体地说，原料粉体粒子的速度依赖于气体速度，气体速度与腔室内的气体温度的平方根成比例地增加。冷喷被膜的特性受到原料粉体粒子的碰撞速度的极大影响，通常碰撞速度快时可以形成致密且密合力高的被膜。为了得到更高的粒子速度，需要尽可能地使气体温度为高温。并且，气体压力也影响原料粉体粒子的速度。具体地说，将粒子投入到流速相同、压力不同的气体的气流中时，与压力低的气流、即气体密度低的气流相比，压力高的气流、即气体密度高的气流加速粒子的力度大，粒子更易于为高速。

例如，专利文献1中公开了一种在气动喷雾法中，作为供给到预混合腔室的气体的加热单元，采用了流动有气体的薄壁管的螺旋状电阻合金制发热元件，其中，所述气动喷雾法是将选自由金属、合金、聚合物及金属的机械混合物组成的群组中的至少一种第1材料的粉体粒子导入到气体中，从而实施物件的涂层加工的方法。

并且，专利文献2中公开了一种冷气喷枪，该冷气喷枪具备高压气体加热器、混合腔室及拉瓦尔喷头，所述高压气体加热器具有加热对象的气流流经的筒状压力容器及在该压力容器的内部配置的加热器，所述混合腔室可以从外部通过粒子供给管将粒子供给到内部通过的气流中，所述拉瓦尔喷头从向下游收缩的收缩通路、经由喷头狭缝部连续到扩散通路，其中，自气流的上游侧起依次连续地设置有高压气体加热器、混合腔室、拉瓦尔喷头，高压气体加热器与混合腔室内部的气流的接触面的至少一部分被绝热。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国第5302414号公报

专利文献2：日本特表2009-531167号

技术实现要素：

发明要解决的问题

但就专利文献1公开的用于气体加热的螺旋状电阻合金制配管而言，内部流动的工作气体为高压，因而将该配管加热至高温时，配管内外的压力差变得更大，会导致该配管的变形或破裂。尤其是，用于加热的配管的温度升高到该配管的构成材料的屈服应力降低的温度以上时，配管因配管内外的压力差破裂的危险性变高。因此，需要控制该配管内的压力以使其不高于5mpa。

并且，该配管具备指定的耐压结构，因而管壁厚、热容量大。因此，为了使内部流动的工作气体的温度稳定，除了需要消耗大量的电量以外，即便在设置了外壳的情形，该配管表面的散热导致的热损耗也大。因此，就专利文献1所示的加热单元而言，存在着能量效率差的问题。并且，为了确保所需的热量，需要加大加热单元的容量，导致设备整体的大型化。

因此，开发了如专利文献2所示的在压力容器的内部设置加热器的冷气喷枪。但该专利文献2的加热器为由多个丝线形式的电热丝构成的丝线加热器，存在着易于断线的问题。因此，难以长期稳定地运行。

并且，就以专利文献1或专利文献2为代表的现有的冷喷涂设备而言，用融点或软化点为1000℃以下的金属材料等形成被膜时，可以得到充分的被膜特性，但不适合用融点或软化点更高的金属材料来形成被膜。为了形成致密且密合力高的被膜，需要将工作气体加热到更接近于所使用的金属材料等的融点或软化点的温度。但现有的冷喷涂设备中，将工作气体加热到比1000℃更高的温度时事实上存在着诸多障碍，难以用融点或软化点超过1000℃的金属材料等来得到充分的被膜特性。

鉴于以上的问题，本发明的目的是提供一种实现装置的小型轻量化、可以将原料粉体稳定地加热到指定的高温的冷喷枪，及采用该冷喷枪的冷喷涂设备。

解决问题的方法

本发明人进行了潜心研究，结果想到了本发明的冷喷枪及采用该冷喷枪的冷喷涂设备。以下，分别说明“冷喷枪”和“冷喷涂设备”。

本发明的冷喷枪

本发明的冷喷枪是将载气输送的原料粉体与加热至该原料粉体的融点或软化点以下的温度的工作气体一同以超音速流从喷头出口喷出，从而使该原料粉体以固相状态直接碰撞在基材来形成被膜的冷喷枪，其特征在于，具备收容输送到该喷头的该工作气体的腔室，在该腔室内配置由通电后电阻发热的发热电阻体构成的气体加热配管，从而加热流入该气体加热配管内部的工作气体。

本发明的冷喷枪中，所述气体加热配管优选为在内部形成了工作气体流路的线圈加热器。

本发明的冷喷枪中，所述气体加热配管优选为工作气体入口侧端部被引导至所述腔室外，工作气体出口侧端部在该腔室内开口。

本发明的冷喷枪中，所述气体加热配管优选通过绝缘部件保持在所述腔室内，所述工作气体出口侧端部抵接配置在所述腔室内壁。

本发明的冷喷涂设备

本发明的冷喷涂设备的特征在于，具备上述冷喷枪。

发明的效果

根据本发明的冷喷枪，将由内部流通工作气体的发热电阻体构成的气体加热配管配置在收容输送到喷头的工作气体的腔室内。因此，气体加热配管内与腔室内的压力差变小，气体加热配管的负荷变小。因此，即便气体加热配管内的工作气体的压力高，该气体加热配管也不会变形或破裂。且与现有技术相比，加热配管内外的压力差极低，因而将气体加热温度提升至该气体加热配管的材料的屈服应力变得极低的温度，例如，即便提升至1200℃也可以避免该加热配管受损。例如，现有的加热方式中，将加热器的温度设为1000℃时，加热配管内外的压力差达到5mpa左右的极限，但本发明的气体加热配管的内外的压力差可以控制在0.5mpa左右。因此，即便将该气体加热配管温度提升至1200℃，该加热配管也不会受损。因此，本发明的工作气体的温度可以达到比以往更高的温度，与以往相比可以实现100～150m/秒左右的高粒子速度，并可以形成更为致密且机械特性优异的被膜。

并且，本发明的冷喷枪是在收容有高温高压的工作气体的腔室内配置气体加热配管，因而气体加热配管的热损耗少。进而，如上所述，气体加热配管的温度比以往高，可以提高工作气体的流速。因此，可以使气体加热配管的内壁与工作气体的界膜的厚度变薄，可以进一步提高向从气体加热配管流入到该气体加热配管内的工作气体导热时的导热效率。因此，与在腔室外设置加热工作气体的装置时相比，可以极大减少能量消耗，可以实现设备整体的小型轻量化。

附图的说明

图1为表示本实施方式的冷喷涂设备的模式结构的示意图。

图2为本实施方式的冷喷枪的剖面示意图。

图3为图2的冷喷枪的剖面立体图。

图4为表示现有的冷喷涂设备的模式结构的示意图。.

符号的说明

c冷喷涂设备、1冷喷枪、2压缩气瓶(高压气体供给部)、3供气管线、4工作气体管线、5载气管线、6原料粉体供给装置、15原料粉体供给管线、20本体、21腔室、22气体加热配管、22a入口侧端部、22b出口侧端部、23绝缘部件、24电源、25腔室出口、26原料粉体供给喷头、27粉体端口、30冷喷喷头、31喷头入口、32缩口部、33狭缝部、34膨胀部、35喷头出口、40基材、41被膜

具体实施方式

本发明的冷喷枪是将载气输送的原料粉体、与加热至该原料粉体的融点或软化点以下的温度的工作气体一同以超音速流从喷头出口喷出，从而使该原料粉体以固相状态直接碰撞在基材来形成被膜的冷喷枪，其特征在于，具备收容输送到该喷头的该工作气体的腔室，在该腔室内配置由通电后电阻发热的发热电阻体构成的气体加热配管，从而加热流入该气体加热配管内部的工作气体。以下，参照附图来说明采用了本发明的冷喷枪的冷喷涂设备的实施方式。

图1为表示本实施方式的冷喷涂设备c的模式结构的示意图。本实施方式的冷喷涂设备c具备本发明的冷喷枪1，将原料粉体与载气一同供给到该冷喷枪1的原料粉体供给装置6，及向冷喷枪1供给指定压力的工作气体并向原料粉体供给装置6供给指定压力的载气的压缩气体供给部。

压缩气体供给部将高压气体供给到冷喷枪1或原料粉体供给装置6即可，可以采用任意的装置。本实施方式中，作为压缩气体供给部，采用储存了高压气体的压缩气瓶2。因此，本发明中，该压缩气体供给部也可以由压缩机等进行供给。

就用作为压缩气体供给部供给到冷喷枪1的工作气体、或供给到原料粉体供给装置6的载气的气体而言，可以使用氦、氮、空气、氩、或这些的混合气体等，可以基于用于形成被膜的原料粉体来任意选择。在流速高的情形，优选使用氦。

本实施方式中，与压缩气瓶2连接的供气管线3分岔成与冷喷枪1连接的工作气体管线4、及与原料粉体供给装置6连接的载气管线5。

工作气体管线4的端部与在冷喷枪1的腔室21内配置的气体加热配管22的入口侧端部22a连接。该工作气体管线4中设置有压力调节器11、流量计12。这些压力调节器11及流量计12用于调整自压缩气瓶2供给到气体加热配管22的工作气体的压力及流量。

载气管线5的端部与原料粉体供给装置6连接。原料粉体供给装置6具备收容有原料粉体的料斗13，测量该料斗13供给的原料粉体的计量器14，及将该测量的原料粉体与载气管线5供给的载气一同输送到冷喷枪1的腔室21内的原料粉体供给管线15。该载气管线5中设置有压力调节器16、流量计17、压力计18。这些压力调节器16、流量计17、压力计18用于调整自压缩气瓶2供给到原料粉体供给装置6的载气的压力及流量。

作为本发明中使用的原料粉体，例如，可以列举金属、合金、金属间化合物等。具体地说，可以列举镍、铁、银、铬、钛、铜或这些合金的粉体。

其次，参照图2和图3来详细说明本发明的冷喷枪1的实施方式。图2为本实施方式的冷喷枪1的剖面示意图，图3为图2的冷喷枪1的剖面立体图。

冷喷枪1具备内部收容高压工作气体的腔室21构成的本体20，及与该腔室21的前端连接的冷喷喷头30。此外，图中28是用于整流腔室21内的工作气流，使其不形成乱流的部件。就本体20而言，例如，由可承受3mpa～10mpa的高压的具有耐压性能的有底筒状部件构成。作为该本体20，例如，优选由具有导电性的不锈钢合金或镍基耐热合金构成。

再者，该腔室21内配置有由发热电阻体构成的气体加热配管22，该发热电阻体在通电后产生电阻发热，从而将流入内部的工作气体加热到上述的原料粉体的融点或软化点以下的高温。本发明中，构成该气体加热配管22的发热电阻体为通电后发热的材料即可，可以采用选自金属或导电性陶瓷等的任意一种材料。但出于形状加工的自由度和机械强度的观点，优选用合金材料来进行制作。这是由于，与构成该合金的纯金属相比，合金材料通常耐腐蚀性和耐热性优异、电阻也大的缘故。

其中，铁基合金类的不锈钢由于种类多、加工技术也成熟，在成本上有利。但考虑到需要将工作气体加热到1200℃以上的温度的问题时，不锈钢类在耐热性和耐腐蚀性方面存在隐忧。因此，就发热电阻体而言，优选用选自具有镍基合金inconel600(注册商标)同等以上的耐热特性的铁基合金类或钴基合金类等的耐热、耐腐蚀材料来进行制作。具体地说，基于所使用的工作气体的种类或压力大小、以及加热工作气体的最高温度和制作成本等，选用最适宜的材料即可。就inconel类以外的合金而言，例如，镍基合金类可以使用hastelloy(注册商标)，铁基合金类可以使用incoloy(注册商标)，钴基合金类可以使用s810等。

但就利用发热电阻体的气体加热配管22的工作气体的加热方式而言，通电量为一定时，工作气体的温度通常一概由电阻、即发热电阻体的长度来决定。发热电阻体短时，工作气体与发热电阻体的接触时间变短，会有无法充分加热的情况。通常，气体加热配管22内的工作气体的流速快时，边界层变薄，自气体加热配管22向工作气体的导热变多，因而缩短气体加热配管22的距离时也能够得到指定的气体温度。并且，使气体加热配管22的内径变细时，可以使气体加热配管22内的工作气体的流速变快，但气体加热配管22内的压力损失也变大。因此，该气体加热配管22优选具有适宜的内径和长度。

具体地说，优选基于所期望的工作气体的加热温度来适宜地设定该气体加热配管22的管长。在工作气体的流量为每分钟1000slm左右的情形，气体加热配管22的管长优选为0.8m～1.2m。

并且，该气体加热配管22的厚度优选为0.5mm～3.0mm。这是由于，气体加热配管22的厚度低于0.5mm时，机械强度降低、操作时易于折断或生成凹陷等外观破损，而气体加热配管22的厚度超过3.0mm时，电阻变小后得到所期望的发热量所需的通电量变大的缘故。并且，气体加热配管22的质量增大后也导致处理变得困难，且通电用的电力源和发热电阻体自身需要耗费大量费用，因而不优选。

进而，该气体加热配管22的内径优选为3mm～16mm，更优选为4mm～10mm。例如，冷喷枪的后述狭缝部的内径为2mm左右时，从该狭缝部喷出的工作气体的流速几乎可达到音速。因此，气体加热配管22的内径低于3mm时，在该气体加热配管22的内部流动的工作气体的流速变为音速的1/4以上的高速，压力损失增大。此时，工作气体的供给源、即压缩气瓶2内的压力下降时，在该气体加热配管22的内部流动的工作气体的流速会产生变动。工作气流速的变动会影响所形成的被膜的品质稳定性，因而不优选。另一方面，气体加热配管22的内径超过16mm时，在气体加热配管22的内部流动的工作气体的流速与内径为4mm时相比变为约1/16以下，不会产生因压力损失导致的问题，但气体加热配管22与工作气体的接触面积减少。进而，流速变小时，气体加热配管22的内壁与工作气体的界膜的厚度增大，自气体加热配管22向工作气体的导热速度变小。其结果，导热效率会降低，因而不优选。

并且，该线圈形状的匝数优选为3～10。这是由于，该线圈形状的匝数低于3时，线圈直径增大，难以在现有的腔室21内配置的缘故。另一方面，线圈形状的匝数超过10时，线圈直径变小，但线圈形状的间距变窄、相邻的配管接触的危险性加大。

该气体加热配管22的入口侧端部22a被引导至腔室21的外侧，与上述的从压缩气瓶2供给高压工作气体的工作气体管线4连接。再者，该气体加热配管22的出口侧端部22b在腔室21内开口。本实施方式中，为了使该气体加热配管22喷射的工作气体的压力在腔室21内变均匀，该气体加热配管22的出口侧端部22b优选在呈筒状的腔室21的轴向、且向与设置了冷喷喷头30的一侧相反的一侧开口。

本实施方式中，为了防止在入口侧端部22a和出口侧端部22b以外的部分发生短路，通过绝缘部件23将该气体加热配管22配置在腔室21内，只将该气体加热配管22的出口侧端部22b抵接配置在腔室21的内壁的任意一处。该绝缘部件23具有优异的绝缘性、耐热性、耐压性即可，没有特殊的限定，例如，可以采用陶瓷等。

再者，在被引导至腔室21外侧的气体加热配管22的入口侧端部22a、与抵接有出口侧端部22b的腔室21构成的导电性本体20之间，用电源24施加电压，从而该气体加热配管22在通电后产生电阻发热。因此，通过该气体加热配管22的发热，内部通过的工作气体被加热到所使用的原料粉体的融点或软化点以下的高温，同时在设置有该气体加热配管22的腔室21内收容的工作气体也被加热。与在外部设置用于加热工作气体的加热器的情形不同，在收容工作气体的腔室21内设置气体加热配管22时，能够极大抑制散热引起的热损耗。可以利用在该气体加热配管22流动的电流来控制该气体加热配管22的温度及工作气体温度。

在配置有该气体加热配管22的冷喷枪1的本体20的一面20a，形成有腔室出口25，在该腔室出口25连接有与本体20内部的腔室21连通的冷喷喷头30。再者，在与连接了该冷喷喷头30的一面20a相向的本体20的另一面20b，插入有与上述的原料粉体供给管线15连接的原料粉体供给喷头26。该原料粉体供给喷头26优选插入到该腔室21内，以便与在本体的一面20a连接的冷喷喷头30的中心轴形成同轴。该原料粉体供给喷头26前端的粉体端口27在腔室21的腔室出口25附近开口。此时，粉体端口27与腔室出口25相比直径小，但为了抑制粉体端口27喷出的原料粉体在腔室21内逆流并在腔室21内飞散的问题，该腔室出口25优选为其前端随着接近出口而逐步变细的形状。

冷喷喷头30具备自前端的喷头入口31沿着延伸方向呈逐步变细的圆锥状的缩口部32、邻接该缩口部32的狭小的狭缝部33、及自该狭缝部33直至另一端的喷头出口35呈逐步变宽的圆锥状的膨胀部34。本发明中，该冷喷喷头30可以为现有的喷头，对于其材质或形状等没有特殊的限定。

以下，说明通过上述的结构并利用本实施方式的冷喷涂设备c来形成被膜的操作。首先，从作为高压气体供给部的压缩气瓶2，将高压的工作气体经由供气管线3及工作气体管线4供给到气体加热配管22内。该气体加热配管22配置在冷喷枪1的腔室21内，用电源24在入口侧端部22a与出口侧端部22b之间进行通电来产生电阻发热。虽取决于气体加热配管22的大小或材质、腔室21内的容积、工作气体的种类或流量、所期望的加热温度等，但也可以将如500a、30v～40v的直流电流供给到该气体加热配管22。

因此，就从该气体加热配管22的入口侧端部22a流入的工作气体而言，在通过该气体加热配管22内的过程中被加热到用于形成该被膜的原料粉体的融点或软化点以下的高温后，从在该腔室21内开口的出口侧端部22b喷射到腔室21内。

该腔室21具备指定的容积，因而喷射到腔室21内的工作气体被调整为一定的流速。尤其是，该气体加热配管22的出口侧端部22b向与腔室21的出口相当的冷喷喷头30的连接侧相反的一侧开口，因而不会受到压缩气瓶2的压力变动或配管振动的强烈影响，可以在将工作气流的流速调整为一定的状态，从腔室出口25向冷喷喷头30进行喷射。

另一方面，从作为高压气体供给部的压缩气瓶2并经由供气管线3及载气管线5，将高压的载气供给到原料粉体供给装置6中。就该高压的载气而言，与原料粉体供给装置6中计量器14测量的指定量的原料粉体一同，经由原料粉体供给管线15流入到在冷喷枪1设置的原料粉体供给喷头26中。就在该原料粉体供给喷头26的前端形成的粉体端口27而言，在腔室出口25附近向该冷喷喷头30开口。因此，载气与原料粉体一同被供给到腔室出口25附近的高速的工作气流中。

高速的工作气流与粉体端口27供给的原料粉体一同从冷喷喷头30的缩口部32并经过狭缝部33来形成超音速流后，从位于呈前端逐步变宽的圆锥状的膨胀部34的前端的喷头出口35喷出。从该冷喷喷头30喷出的原料粉体以固相状态直接碰撞、堆积在基材40的表面上，从而形成被膜41。

就本发明的冷喷枪而言，如上所述，将高压的工作气体流动的气体加热配管22配置在收容有高压的工作气体的腔室21内，因而气体加热配管22内与腔室21内的压力差变小，气体加热配管22上的负荷变小。因此，即便气体加热配管22内的工作气体的压力达到如5mpa～10mpa等的高压，该气体加热配管22也不会变形或破裂。且与以往相比，加热配管内外的压力差极小，因而将气体加热温度提升到该气体加热配管的材料的屈服应力变得极低的温度，例如，提升到1200℃时也可以避免该加热配管受损。例如，现有的加热方式中，加热器的温度为1000℃时，加热配管内外的压力差会达到5mpa左右的极限，但本发明的气体加热配管内外的压力差在0.5mpa左右，因而将该气体加热配管温度提升到1200℃时也不会损坏该加热配管。因此，本发明的工作气体的温度与以往相比为高温，可以实现以往未曾有的100～150m/秒左右的高粒子速度，进而可以得到附着效率高、更为致密且机械特性优异的被膜。

并且，在收容有高温高压的工作气体的腔室21内配置气体加热配管22，因而利用该气体加热配管22的散热也可以进行加热，该气体加热配管22的热损耗少。进而，如上所述，气体加热配管22的气体温度与以往相比为高温，因而可以加快工作气体的流速。因此，可以使气体加热配管22的内壁与工作气体的界膜的厚度变薄，可以进一步提高向从气体加热配管22流入到该气体加热配管22内的工作气体导热时的导热效率。因此，与在腔室21外设置加热工作气体的装置时相比，可以极大减少能量消耗，在得到与以往相同加热温度的情形也可以实现设备整体的小型轻量化。

产业实用性

根据本发明的冷喷枪及冷喷涂设备，在腔室内配置加热工作气体的气体加热配管，因而工作气体的加热效率高，且工作气体可以为更高压、高温。因此，在实现冷喷涂设备整体的小型轻量化的同时，可以将原料粉体稳定地加热到指定的高温。