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。尤其是，本发明涉及原料粉体的供给机构。

背景技术：

以往，为了提高耐磨损性和耐腐蚀性，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。就这些热喷涂法而言，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、陶瓷等原料粉体的熔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。

例如，作为采用现有的冷喷涂法的冷喷喷头，可以列举专利文献1的技术方案。该专利文献1公开了一种冷喷喷头，该冷喷喷头为具备逐步变细且呈圆锥状的压缩部、及与该压缩部连通的逐步变宽且呈圆锥状的膨胀部，用加热至熔点以下的温度的工作气体使原料粉体从该压缩部的喷头入口流入后，使之从该膨胀部前端的喷头出口作为超音速流喷出的冷喷喷头，其特征在于，膨胀部至少内周壁面由氮化物陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷中的任意一种陶瓷材料形成。

并且，专利文献2记载的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通的筒状压力容器及在该压力容器的内部配置的加热器，所述混合腔室可以将粒子从外部经由粒子供给管供给到流经内部的气流中，所述拉瓦尔喷头经由向下游收缩的收缩通路、随后的喷头狭缝部延续至扩散通路，其中，自气流的上游侧起依次连续地设置有所述高压气体加热器、所述混合腔室及所述拉瓦尔喷头，所述高压气体加热器与混合腔室内部的所述气流的接触面的至少一部分被隔热。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-253889号公报

专利文献2：日本特表2009-531167号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

就专利文献1而言，将原料粉体供给到高温工作气流入的腔室内，将该原料粉体加热至其熔点或软化点以下的高温后，从冷喷喷头与工作气流一同作为超音速流喷出。该专利文献1中，膨胀部用氮化物陶瓷等陶瓷材料形成，因而可以抑制原料粉体附着在冷喷喷头上及由此导致的喷头的堵塞。然而，在向腔室内供给原料粉体的原料粉体供给管线的前端形成的粉体端口位于腔室内，并在该腔室出口附近向冷喷喷头开口。

因此，向腔室内供给原料粉体的原料粉体供给管线的粉体端口自身升温到工作气体的温度后，在内部流通的原料粉体会附着在该粉体端口的内壁，由此导致粉体端口的堵塞。尤其是，用铝(熔点约660℃)、锡(熔点约232℃)、锌(熔点约419℃)、铜(熔点约1083℃)、银(熔点约961℃)等金属或这些的合金作为原料粉体时，原料粉体的温度超过其熔点时，原料粉体必然会附着在粉体端口的内壁。其中，在将可用作为钎料的金属用作为原料粉体时，原料粉体与高温的金属接触后，即便其温度为远低于原料粉体的熔点的温度也会附着在接触部位，从而导致堵塞。因此，为了形成致密且优质的被膜，需要将工作气体的温度调整到更接近于原料粉体的熔点或软化点的温度，但为了抑制粉体端口的堵塞，需要将工作气体的温度调整到更低。

并且，专利文献2中，在加热气流的压力容器的出口与拉瓦尔喷头之间设置混合腔室，在该混合腔室从侧面贯穿外壳来引入粒子供给管，从外部将被覆材料粒子供给到气流。但在专利文献2的情形，以在混合腔室内封入的状态来配置粒子供给管，因而原料粉体的供给端口部分会升温到工作气体温度。因此，与专利文献1相同，原料粉体会附着在粒子供给管的粒子出口部分的内壁上，由此导致端口的堵塞。

因此，市场上对于有效地抑制原料粉体供给端口的堵塞，在工作气体温度更接近于原料粉体的熔点或软化点的高温能够运转的冷喷枪及具备该冷喷枪的冷喷涂设备提出了要求。

解决问题的方法

鉴于这些问题，本发明人进行了了潜心研究，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熔点或软化点以下的温度的工作气体一同以超音速流喷出，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，具备收容所述工作气体的腔室，形成了使所述腔室排出的所述工作气体在出口变为超音速流的工作气体流路的冷喷喷头，向所述腔室排出的所述工作气体供给所述原料粉体的原料粉体供给流路，及冷却该原料粉体供给流路的冷却单元。

作为本发明的冷喷枪，优选所述冷却单元同时进行构成所述工作气体流路的内壁的冷却。

作为本发明的冷喷枪，优选向所述工作气体流路的下游侧倾斜地形成所述原料粉体供给流路。

作为本发明的冷喷枪，优选向所述工作气体流路的上游侧倾斜地形成所述原料粉体供给流路。

作为本发明的冷喷枪，优选所述冷却单元为具备冷却液循环的冷却液流路的水冷式冷却部。

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，具备形成了使腔室排出的工作气体在出口变为超音速流的工作气体流路的冷喷喷头，向腔室排出的工作气体供给原料粉体的原料粉体供给流路，及冷却原料粉体供给流路的冷却单元，因而可以抑制原料粉体供给流路内的原料粉体被工作气体加热至高温的问题，可以将原料粉体供给流路内的原料粉体一直维持在低温。进而，可以有效地抑制原料粉体供给流路的堵塞，可以在工作气体温度比以往更接近于所使用的原料粉体的熔点或软化点的温度进行运转。因此，能够从冷喷喷头以更接近于原料粉体的熔点或软化点的温度喷出工作气流，能够以高的附着率实现致密且优质的被膜形成。

附图说明

图1为表示本实施方式的冷喷涂设备的示意结构的示意图。

图2为表示本实施方式的冷喷枪的剖面立体图。

图3为图2的冷喷枪的示意剖面图。

图4为其他实施方式的冷喷枪的原料粉体供给流路局部放大图。

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、7加热器、13载气管线、20本体、21腔室、22工作气体入口、23工作气体供给喷头、24腔室出口、25喷头连接部、30冷喷喷头、31喷头入口、32压缩部、33狭缝部、34膨胀部、35喷头出口、36工作气体流路、36a内壁面、40原料粉体供给流路、41原料粉体流路构成部件、42原料粉体供给喷头、45水冷式冷却部、46,47冷却液流路、60基材、61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熔点或软化点以下的温度的工作气体一同以超音速流喷出，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，具备收容所述工作气体的腔室，形成了使所述腔室排出的所述工作气体在出口变为超音速流的工作气体流路的冷喷喷头，向所述腔室排出的所述工作气体供给所述原料粉体的原料粉体供给流路，及冷却该原料粉体供给流路的冷却单元。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的示意结构的示意图。本实施方式的冷喷涂设备c具备采用了本发明的冷喷枪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，可以采用任意的装置。本实施方式中，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中配置有由内部形成了工作气体流路的电阻发热体构成且作为加热装置的加热器7。该工作气体管线4中配置有压力调节器8、流量计9，用于调节自压缩气瓶2供给到加热器7的工作气体的压力及流量。加热器7由电源10施加电压，通电后电阻发热，将在内部形成的工作气体流路流通的工作气体加热至原料粉体的熔点或软化点以下的指定温度。本实施方式中，将由电阻发热体构成的加热器用作为加热工作气体的装置，但只要可以将工作气体在高压下加热至原料粉体的熔点或软化点以下的指定温度即可，没有特殊的限定。随后，该工作气体管线4的出口与冷喷枪1的腔室21连接。

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具备收容了原料粉体的料斗11，测量该料斗11供给的原料粉体的计量器12，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13。该载气管线5中配置有压力调节器16、流量计17、压力计18，用于调节自压缩气瓶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，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的剖面立体图，图3为图2的冷喷枪1的示意剖面图。

冷喷枪1具备构成了在内部收容高压的工作气体的腔室21的本体20，与该腔室21的前端连接的冷喷喷头30，向腔室21排出的工作气体供给原料粉体的原料粉体供给流路40，及至少冷却该原料粉体供给流路40的冷却单元。

作为本体20，例如，由如可以承受3mpa～10mpa的高压的具有耐压性能的有底筒状部件构成。例如，该本体20优选由不锈钢合金或镍基耐热合金构成。在该本体20的底部形成有工作气体入口22，该工作气体入口22经由工作气体供给喷头23与用加热器7加热了的工作气体流出的工作气体管线4的出口连接。并且，在本实施方式的本体20形成有腔室出口24，在该腔室出口24上一体形成有用于在前端连接冷喷喷头30的喷头连接部25。此外，图中的28是用于整流腔室21内的工作气流，使其不形成乱流的整流板。

冷喷喷头30具备自前端的喷头入口31在延伸方向呈逐步变细的圆锥状形成的缩口部32，紧随该缩口部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形成的膨胀部34。这些压缩部32、狭缝部33、膨胀部34构成自喷头入口31至喷头出口35的工作气体流路36。

该冷喷喷头30也可以用不锈钢或工具钢、超硬合金等制造。但在将镍、铜、铝、不锈钢或这些的合金用作为原料粉体时，原料粉体会附着在喷头的各部分、尤其是膨胀部，进而堵塞喷头，因而至少该冷喷喷头30的内壁面优选由玻璃材料、陶瓷材料，碳化钨合金等构成。作为这里提到的玻璃材料，没有特殊的限定，可以列举硅酸盐玻璃、碱性硅酸盐玻璃、苏打石灰玻璃、碳酸钙玻璃、铅玻璃、钡玻璃、硼硅酸玻璃等，但优选耐磨性玻璃、具体优选硅酸盐玻璃或碱性硅酸盐玻璃。并且，作为陶瓷材料，可以采用氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷等。此外，本发明中，该冷喷喷头30的材质或形状不局限于这里说明的形状或材质，也可以采用现有的冷喷喷头。

原料粉体供给流路40向上述本体20的腔室21排出的工作气体、更优选向流入冷喷喷头30的狭缝部33之前的工作气体供给原料粉体。本实施方式中，原料粉体供给流路40在本体20的喷头连接部25的腔室出口24的下游侧、且在冷喷喷头30的狭缝部33设置，更优选在喷头入口31的上游侧设置。

本实施方式中，原料粉体供给流路40形成在本体20的喷头连接部25内配置的原料粉体流路构成部件41。与本体20相同，该原料粉体流路构成部件41优选由可以承受3mpa～10mpa的高压的具有耐压性能的不锈钢合金或镍基耐热合金构成。该原料粉体供给流路40的一端与在该喷头连接部25设置的原料粉体供给喷头42连通连接。在该原料粉体供给喷头42与上述原料粉体供给管线13连接。该原料粉体供给流路40的另一端在喷头连接部25内形成的工作气体流通的流路、或冷喷喷头30的工作气体流路36内开口。

本发明中，该原料粉体供给流路40可以在与自腔室出口24至冷喷喷头30的狭缝部33的工作气体的流通方向大致垂直的方向连接后，在与工作气体的流通方向大致垂直的方向供给原料粉体，但也可以与该工作气体的流通方向倾斜指定的角度来形成。

即，图3所示的实施方式中，原料粉体供给流路40向工作气体流路36的下游侧倾斜指定的角度来形成。由此，与在工作气体的流通方向大致垂直的方向进行供给的情形相比，能够将供给到工作气体的原料粉体与该工作气体的接触时间设定地更短，能够抑制原料粉体的温度上升。相对于此，图4所示的其他实施方式中，原料粉体供给流路40向工作气体流路36的上游侧倾斜指定的角度来形成。由此，与在工作气体的流通方向大致垂直的方向进行供给的情形相比，能够将供给到工作气体的原料粉体与该工作气体的接触时间设定地更长。因此，可以将钛、钽、inconel(商标)等高熔点的原料粉体加热至该熔点附近的高温。因此，通过任意选取使用在与工作气体的流通方向呈不同的倾斜角度形成了原料粉体供给流路40的多个原料粉体流路构成部件41，能够调整供给到工作气体的原料粉体与该工作气体的接触时间。

本发明的冷喷枪1至少具备冷却上述原料粉体供给流路40的冷却单元。该冷却单元优选为具备冷却液循环的冷却液流路46的水冷式冷却部45，本实施方式中，在构成原料粉体供给流路40的原料粉体流路构成部件41、或在与该原料粉体流路构成部件41可进行热交换的位置具备冷却液流路46。就本发明的构成冷却单元的水冷式冷却部45而言，优选同时进行原料粉体供给流路40、及冷喷喷头30中工作气体流路36的至少内壁面36a的冷却。

具体地说，本实施方式中，水冷式冷却部45具备在多个流路构成部件48～50与内部形成有工作气体流路36的冷喷喷头30之间形成的一系列冷却液流路47，及冷却上述原料粉体供给流路40的冷却液流路46。流路构成部件48在与冷喷喷头30的外周面之间形成冷却液流路47，流路构成部件49及流路构成部件50在本体20的喷头连接部25与冷喷喷头30之间配置，在该喷头连接部25与冷喷喷头30之间形成冷却液流路47。冷却冷喷喷头30的内壁面的冷却液流路47与冷却原料粉体供给流路40的冷却液流路46优选构成一系列的冷却流路。相对于在冷喷喷头30的工作气体流路36流动的工作气体的流通方向，在这些冷却液流路46,47流动的冷却液优选形成对流。这是由于可以有效地冷却工作气体流通的工作气体流路36的内壁面36a，并有效地抑制原料粉体的附着的缘故。此外，本发明中，对于在水冷式冷却部45中使用的冷却液没有特殊的限定，例如，可以使用冷却水。此外，本实施方式中的冷却单元由水冷式冷却部构成，但并不局限于此，至少可以冷却原料粉体供给流路40的话就对此没有特殊的限定。

以下，说明通过以上的构成并用本实施方式的冷喷涂设备c形成被膜的动作。首先，自作为高压气体供给部的压缩气瓶2经由供气管线3及工作气体管线4将高压的工作气体输送至加热器7。流入到加热器7的工作气体在经过该加热器7内的过程被加热至用于形成该被膜的原料粉体的熔点或软化点以下的指定高温后，经由工作气体供给喷头23喷射到腔室21内。

另一方面，自作为高压气体供给部的压缩气瓶2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。该高压的载气在原料粉体供给装置6与计量器12测量的指定量的原料粉体接触，随后经由原料粉体供给管线13流入到冷喷枪1中设置的原料粉体供给喷头42。与该原料粉体供给喷头42连接的原料粉体供给流路40朝向自腔室出口24至冷喷喷头30的狭缝部33的工作气体的流路开口。因此，伴有原料粉体的载气被供给到腔室出口24喷出的高速的工作气流。

就伴有原料粉体供给流路40供给的原料粉体的高速的工作气流而言，自冷喷喷头30的压缩部32经过狭缝部33后变为超音速流，进而从位于呈逐步变宽的圆锥状形成的膨胀部34的前端的喷头出口35喷出。从该冷喷喷头30喷出的原料粉体维持着固相状态，直接碰撞并堆积在基材60的表面来形成被膜61。

此时，形成了原料粉体供给流路40的原料粉体流路构成部件41具备冷却液循环的冷却液流路46，因而即便在工作气体的流通导致冷喷喷头30被加热的情形，该原料粉体供给流路40也不会被加热到原料粉体的熔点或软化点以下的指定高温，能够一直维持低温。因此，能够有效地抑制原料粉体供给流路40内的原料粉体被工作气体加热至高温的问题，能够将原料粉体供给流路40内的原料粉体一直维持在低温。因此，作为原料粉体，即便是使用如在比熔点低很多的温度接触高温的金属时也会附着的金属粉末的情形，至与工作气体合流之前也可以利用水冷式冷却部45维持在低温。因此，能够有效地抑制该原料粉体堵塞原料粉体供给流路40的问题。因此，无需考虑原料粉体流路的堵塞，能够将工作气体的温度调整到更接近于原料粉体的熔点或软化点的温度，能够以高的附着率来实现致密且优质的被膜形成。

并且，冷却上述原料粉体供给流路40的冷却液流路46由水冷式冷却部45构成，该水冷式冷却部45构成内部形成工作气体流路36的冷喷喷头30、及在流路构成部件50之间形成的冷却液流路47的一系列冷却液流路。由此，通过使冷却液在水冷式冷却部45中循环，可以冷却原料粉体供给流路40并冷却冷喷喷头30的工作气体流路36的内壁36a。因此，通过有效地冷却工作气体流通的工作气体流路36的内壁面36a，能够有效地抑制原料粉体在原料粉体供给流路40的下游侧附着在该工作气体流路36的内壁面36a的问题。

产业实用性

根据本发明的冷喷枪及冷喷涂设备，能够有效地抑制原料粉体在原料粉体供给路径被高温的工作气体加热，附着在内壁后导致堵塞的问题。由此，无需考虑原料粉体堵塞该原料粉体供给路径的问题，能够将工作气体设定在更接近于原料粉体的熔点或软化点的高温。因此，与以往相比能够以更高的附着率来实现致密且优质的被膜形成。