コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法

• 片野田 洋

• 国立大学法人鹿児島大学

ドライコーティング技術として、溶射法が知られている。溶射法は、メッキなどのウェットコーティングと比較して、環境に有害な物質を排出しないという特徴を有している。一般に、溶射法においては、高温のガスの流れを用いて固体粒子（溶射粒子）を加速および加熱し、機械部品や構造部材の被コーティング物（基材）の表面に吹き付ける。溶射粒子は、軟化状態または半溶融状態で被コーティング物の表面に次々に衝突し、塑性変形を起こして皮膜となる。そして、溶射粒子の材料の種類によって、耐食性、耐酸化性、耐摩耗性を有するコーティング（皮膜）を形成することが可能である。また、数１０μｍ～数ｃｍの厚さの皮膜を形成することが可能である。

一方、従来の溶射法では、溶射粒子を加熱・加速するガスの温度が数１０００℃以上であるため、溶射粒子が熱により変質するという問題を有している。このような問題を解決するため、コールドスプレー溶射法が開発されている。コールドスプレー溶射法は、最高で１０００℃程度まで加熱した高圧の不活性ガス（例えば窒素やヘリウム）を、ノズルを通じて超音速に加速し、このガスの流れを用いて溶射粒子を基材に吹き付ける。コールドスプレー溶射法においては、従来の溶射法に比較してガス温度が低いため、溶射粒子はほとんど酸化しない。ただし、溶射粒子の温度が従来の溶射法に比較して低いため、溶射粒子が基材表面で塑性変形しにくい。そこで、コールドスプレー溶射法では、溶射粒子の速度を上げ、熱エネルギーよりも運動エネルギーによって溶射粒子に塑性変形を生じさせて成膜させている。

コールドスプレー溶射法では、溶射粒子を加速するために、ノズル内を流通するガスを超音速に加速することが必要になる。また、溶射粒子を最大限加速し、かつ、ガスの消費量を抑制するために、コールドスプレー溶射法で用いられるノズル内のガスの流路は、内径が小さく細長い末広がり形状に形成される。例えば、流路は長さが１００～３００ｍｍ程度で、内径が２～５ｍｍ程度に形成される。なお、ノズルの内周面の表面粗さが粗いほど、ガスが減速されやすくなる。しかしながら、ノズルの内周面の表面粗さと減速の程度の定量的な関係はいまだ明らかになっていない。このため、ノズルの設計自体はノズルの内周面の表面粗さを無視することで計算により可能であるが、計算だけではノズル内面の表面粗さが原因のガス速度の低下をノズルの設計に反映できない。したがって、コールドスプレー溶射法で用いるノズルを製作した後には、ガス速度が超音速になっているか否かを実験により確認しなければならない。

ノズル内でガス速度が超音速になっているか否かを判定する方法としては、ノズル内壁の静圧分布を測定する方法がある。しかしながら、この方法では、ノズルの複数箇所に静圧測定用の穴をあける必要がある。このほか、ノズル出口においてガス速度を測定する方法があるが、この場合には高価な測定機器が必要になる。

特許文献１と特許文献２には、流体のリークの検出とリーク発生位置の特定する方法として、配管の外部表面温度を用いる方法が開示されている。しかしながら、これらの特許文献は、いずれも、コールドスプレー溶射法で用いられるノズルへの適用を想定するものではない。さらに、これらの方法では、配管内の流体の状態そのものを測定することはできない。

本発明は、コールドスプレー溶射法のノズルにおけるガスの流通状態のノズル外周面温度に基づく診断方法に関する。

• C23C  24/04      粒子の衝撃析出または動力学的析出

• 4F033QA01 塗布又は被覆
• 4F033QB02 気体
• 4F033QB05 粉粒体
• 4F033QB13 不活性ガス
• 4F033QG14 溶射ノズル
• 4F033QG50 その他　＊
• 4K044CA23 圧力を加えるもの
• 4K044CA71 被膜形成に使用する装置