以下、図面に示した実施の形態に基づい� ��本発明を詳細に説明する。

1 加速ノズルの原理
 図1は本発明に係る加速ノズルの原理を示し たものであり、同図(a)は正面断面図を示し、 同図(b)は図1(a)のB部拡大図である。

 両図において、加速ノズル1は、ノズル2� �入口側3にキャリアガスを導入するようにな� ��ている。

 導入されたキャリアガスは、内径が絞ら� ��たスロート部4を通過することによって高速 ガス流(以下、主流ガスGsと呼ぶ)を形成し、� �の主流ガスGs流によって固体もしくは液体の 粒子を微粒化し、その微粒化した粒子をノズ ル2の出口側5から噴射するようになっている� ��

 また、上記ノズル2は、主流ガスGsを流す� ��めの貫通孔を備えた複数のリング状部品2a~2 jを、ノズル中心軸方向に連結することによ� �て構成されている。

 詳しくは、主流ガスGsの流れ(A方向)にお� �て最も上流側に、例えばベースとなるセラ� �ックス製リング状部品2aが配置され、最も下 流側にノズルエンドとなるSUS製リング状部品 2jが配置され、それらのリング状部品2aおよ� �2jの間に連結用のSUS製リング状部品2b~2iが多� ��に配置されている。

 また、6は各リング状部品2a~2iを貫通して� ��設されたシールドガス供給路(ガス供給路)� �あり、このシールドガス供給路6は、リング� ��部品2a~2jの連結部分に間隙部分として設け� �れた環状通路(ガス通路)6aと連通し、各環状� ��路6aはさらにノズル内壁円周位置に形成さ� �た環状のスリット(噴射口)Tと連通している� �このスリットTは、図1(b)に示すように、連結 された上流側リング状部品2aと下流側リング� ��部品2bの内壁段差部分に環状に開口してお� �、図1(a)に示すように、ノズル孔の筒軸方向� ��複数段設けられている。

 それにより、シールドガス供給路6に導入 されたシールドガスSGsは、環状通路6aで合流� ��、その環状通路6aを通じて各段の噴射口と� �てのスリットTに個別に供給され、スリットT 全体から筒状となってノズル2内に噴射され� �ようになっている。

 上記シールドガス供給路6およびスリット Tは、シールドガス供給部として機能する。

 次に、上記構成を有する加速ノズル1の動 作について溶射を例に取り説明する。

 リング状部品2aには、溶射材料としての� �イヤをノズル2内に供給するワイヤガイド(後 述する)が一対挿通されており、各ワイヤガ� �ドから突出した2本のワイヤは、スロート部4 の出口側近傍で互いに接触するようになって いる。

 加速ノズル1は、ノズル2内を流れる主流� �スGsと略同じ流速でフレッシュなガスを各リ ング状部品2a~2iからノズル2内に順次送り込む ことによりノズル2内壁を覆う新気(シールド� ��スSGs)の膜を形成し、それにより、ノズル2� �壁に金属粒子が付着する機会を大幅に減少� �せている。

 また、シールドガスSGsは、理想的にはノ� ��ル中心軸と平行に噴射させることが好まし� ��、さらに、ノズル内壁2k全周にわたって一� �に供給することが好ましい。

 したがって、円形断面を有するノズル2で は、全周にわたって同一幅で構成された環状 のスリットからシールドガスSGsを供給するこ とにより、シールドガスSGsを筒状の流れに形 成し、ノズル2内に供給することが理想とな� �。

 このシールドガスSGsをノズル中心軸と平� ��に供給するには、助走区間として、ガス流� ��向部7が必要になる。

 詳しくは、上流側のリング状部品2aと下� �側のリング状部品2bの間にシールドガスSGs供 給用の環状通路6aが形成されている。

 ガス流偏向部7は、リング状部品2aにおけ� ��下流側内周縁が顎状に突出形成されたもの� ��あり、リング状部品2bにおける上流側端面8� ��超えてさらに下流側に延設されている(図中 、突出し長さN参照)。それにより、上記環状� ��路6aと連通するスリットTが環状に形成され� ��いる。このような環状通路6aと環状スリッ� �Tが、リング状部品2a~2iのそれぞれに形成さ� �ている。

1-1 加速ノズルの構成
 図2はリング状部品2aの下流側側面を示した� ��視図である。

 リング状部品2aの中心部に設けられた貫� �孔の周縁にガス流偏向部7が筒状に形成され� ��その裾部に環状通路6aが凹設されている。� �の環状通路6aには、シールドガス供給路6が� �周上に等間隔に(本実施形態では8個)形成さ� �ている。

 すなわち、シールドガス供給路6から供給 されるシールドガスSGsは、環状通路6aに流れ� ��合流し、ガス流偏向部7によってガス流の向 きがノズル中心軸方向に変更されるとともに 筒状の流れに形成され、ノズル2内に供給さ� �るようになっている。なお、図中9はスタッ� ��ボルト孔である。

 図1に戻って説明する。

 各リング状部品2a~2jにおいて、上流側の� �ング状部品に対し下流側のリング状部品の� �ズル孔径は大きく形成されており、その孔� �の違いによって生じる段差を利用して上記� �リットTを確保している。また、下流側に向� ��てノズル孔径を段階的に拡径していること� ��より、同時に、溶融状態の粒子が多く飛行� ��るノズル中心軸付近からノズル内壁を遠ざ� ��ることを可能にしている。

 ノズル中心軸に溶融金属を導入するか、� ��しくはノズル中心軸上にワイヤの形態で供� ��された金属材をアーク溶解した場合、通常� ��ノズル中心軸上での粒子濃度が最も高く、� ��辺(径方向)に至るほど粒子濃度は減少する� �ウス分布に従うと言われている。

 したがって、ノズル内壁をノズル中心軸� ��ら遠ざけると、粒子がノズル内壁2kに接触� �る確率を減少させることができる。

 また、ノズル中心軸上から供給された粒� ��は、上記したようにノズル下流側に飛行す� ��間にノズル径方向に広がっていくが、この� ��がりはノズル内の流れの乱れによって影響� ��れる。

 ノズル2内の流れは、速度勾配(空間上で� �度が変化する割合)が大きいほど大きな乱れ� ��なって現れるため、ノズル2内のガス流速は 極力一様であることが好ましい。 

 本発明の加速ノズル1は、シールドガスの 速度を主流ガスのそれと一致させるという大 きな課題を克服し、上記ノズル2内に一様な� �ス流れを形成することに成功している。 

 以下、詳しく説明する。

(a)ノズルが、ノズル内流れのマッハ数が1未� �の亜音速で作動するノズルの場合
 スリットTを通過するシールドガスの流速u� �スリット前側の圧力p1とスリット後側の圧力 p2より、ガスの密度ρを用いて

 で表される。

 ノズル内圧力はスリット後側の圧力と等� ��く、p2であるから、最も上流側のスリットT� ��含めてリング状部品2a~2jのすべてのスリッ� �前側圧力をp1にすればよい。 

 これを実現するために、全てのスリットT に個別のシールドガス供給路を用意し、圧力 をすべて所定値となるように調整することも できるが、より簡単にこれを実現する方法と しては、一カ所のガス貯留タンク(通常ヘッ� �ーと呼ばれる)から分岐させて各スリットTに シールドガスSGsを供給する方法を採用するこ とができる。

 図1に示した加速ノズル1は上記ヘッダー� �らの分配方式を採用しており、各リング状� �品2a~2jのスリットTに対して同一圧力p1のシー ルドガスを供給している。

(b)ノズルが、ノズル内流れのマッハ数が1以� �の超音速で作動するノズルの場合
 超音速ノズルを使用する場合、ラバルノズ� ��のように拡大部を有するノズル形状を通過� ��せなければ、主流ガスGsと同一の流速でシ� �ルドガスSGsをノズル2内に供給することがで� ��ない。

 図1(b)ではそのための構成として、スリッ トT出口の開口幅C>スリット最狭部2mの開口� ��Dとなるように、下流側リング状部品2bの内� ��縁に曲面が加工されている。

 スリット最狭部(シールドガス用スロート 部)2mは、最終的にはノズル内壁と連絡するの に対し、スリット最狭部2mと対向しているガ� ��流偏向部7は直線的な平面に形成されている 。このように、直線部分と円弧部分がある隙 間を持って流路を形成することにより、シー ルドガスSGs噴射用のスリットTは、中間に最� �部スロートを有し下流側にいくほど開口幅� �広がるラバルノズルを構成していることに� �る。

 なお、スリットTをラバルノズル構造とす るにあたっては、必ずしも、上記したように 直線部分と円弧部分の組み合わせに限定され るものではなく、例えば円弧と円弧の組み合 わせであってもよい。

1-2 粒子速度分布
 図3は上記加速ノズル1によって得られる粒� �速度分布を示したグラフである。

 同図において、横軸のゼロはノズル2の中 心を示し、+値および-値はそのノズル中心か� ��の相反する方向のX方向距離およびY方向距� �を示し、縦軸は粒子速度を示している。

 ノズル2の出口径はφ15mmであり、従って、 横軸における+7.5mm~-7.5mmの範囲がノズル領域� �を示していることになる。

 また、同グラフの測定結果は、アーク溶� ��機構を備えたノズル(図7参照)を用いて亜鉛� ��溶射を行ったものであり、溶射条件は以下� ��通りである。

 窒素ガスのガス圧力は1.3MPa,ガス流量は0.17kg /s,ガスマッハ数は1.8であり、亜鉛の供給量は 1.7×10 ^-4 kg/sである。

 レーザー位相ドップラー流速計によって� ��測した結果、ノズル出口における平均速度� ��420m/s程度であった。また、ノズル出口径φ15 mmに対して、粒子が存在していた部位はφ12mm( +6~-6mm)の範囲内であり、粒子速度はほぼ一定� ��あった。 

 また、堆積物のミクロ観察写真を分析す� ��と、基材に衝突した粒子径はφ10~30μmであっ た。

 また、堆積物厚さ方向のEPMA(Electron Probe  Micro Analyzer)ライン分析を行ったところ、リ� �グ状部品の主成分であるFeが所々で検出され ている。これはリング状部品の内壁面と衝突 した粒子のあることを意味しているが、その 濃度は極めて僅かであり、しかも散発的にし か発生していないことから、ノズル2を溶融� �属から保護するシールドガスSGsが機能して� �たことがわかる。

 また、キャリアガスが亜鉛と反応して窒� ��した可能性を確認すべく窒素の存在を調査� ��たが窒素は全く検出されなかった。このこ� ��は窒化する間もなく急速に亜鉛粒子が冷却� ��れたためと考えられる。

 また、酸素が検出されたが、これはワイ� ��の酸化皮膜による持ち込みである可能性が� ��い。 

1-3 ノズル長さの調節
 なお、一つのスリットTからノズル2内にシ� �ルドガスSGsを供給しても、ある距離につい� �ガスと粒子が移動すると、やがてはノズル2� ��に少なからず存在する乱れによって粒子が� ��ズル内壁2k近くまで拡散してしまう。

 そこで、本実施形態の加速ノズル1では、 複数のリング状部品2a~2jを連結することによ� ��てノズル2を構成するとともに、リング状部 品の各連結部分に形成されたスリットTから� �れぞれシールドガスSGsを、ノズル中心軸と� �平行な方向でノズル2内に供給しており、シ� ��ルドガスSGsの供給動作を、粒子の加速に必� ��な長さまで繰り返し行っている。

 また、ノズル2内にシールドガスSGsを供給 する間隔は、リング状部品2a~2iの厚みによっ� ��決定されるが、通常は5~20mmの範囲内で選択� ��ることができる。

 リング状部品2a~2iについて必要な厚さを� �前に予測することは困難なため、各種厚み� �リング状部品を用意して微粒化を行い、試� �錯誤によってリング状部品の厚さを決定す� �。

 例えば、ノズル内壁に粒子の付着が見ら� ��た場合には厚みの薄いリング状部品に交換� ��、粒子の付着がない場合にはリング状部品� ��厚さを増すといった厚み調整を行う。

 また、粒子の加速に必要なノズル長さは� ��金属材料によって、また、金属材料の供給� ��法(溶解炉から融点以上の十分高い温度で材 料を供給するか、材料をワイヤの形態で供給 し、アーク溶解させるか)によって、或いは� �た、ノズル内ガス流速によって異なるため� �リング状部品の連結枚数を変更することに� �ってノズル長さを調節している。

 すわなち、ノズル2を長くすると、粒子の 速度は増加するが、粒子の温度はガスによっ て冷却され低下する。

 溶射では付着する歩留まりと気孔率、ス� ��レーフォーミングと3次元造形では堆積する 歩留まりと密度に関係するため、ノズル長さ は重要なパラメータである。

 本実施形態ではそのノズル長さを、リン� ��状部品の連結枚数を変えるという簡単な方� ��で調整できるようにしているため、ノズル2 全体を製作し直すことなくノズル長さを変更 することが可能になっている。

 また、微粒化作業の後には必ず、ノズル2 の分解清掃が必要になるが、本実施形態のリ ング状部品2a~2jはどの部位にも指が届くよう� ��構成されているため、メンテナンスが簡便� ��行え、メンテナンスに要する時間を大幅に� ��縮することが可能になっている。

1-4 シールドガスの供給方法
 次に、主流ガスGsの流速にシールドガスSGs� �流速を一致させてそのシールドガスSGsをノ� �ル2内に供給する方法について説明する。

 亜音速の流れについても超音速の流れに� ��いても、流速を音速で割って無次元化した� ��ッハ数によってガス流れの速度を表すこと� ��できるため、ここではマッハ数Mを用いて流 速を説明する。

 図1に示したスロート部4を経てノズル2内� ��噴射される主流ガスGsも、各スリットTを経� ��ノズル2内に噴射されたシールドガスSGsも、 ノズル2内で圧力(静圧)が釣り合う状態になる まで膨張する。なお、超音速流れの場合には 圧力波がノズル2内で複雑に反射することに� �るが、この影響は無視する。

 もし、スロート部4からの主流ガスGsも各� ��リットTからのシールドガスSGsも同じ全圧(� �み点圧力)と全温を持つのであれば、両ガス� ��流速が一致する条件は、マッハ数Mが一致す ることである。この時、同時にスロート部4� �らの流れも各スリットTからの流れも同一の� ��力(静圧)を持つことになり、ノズル2内で釣� ��合った状態とすることができる。

 これを最も簡単に実現する方法として、� ��1に示したように、同一箇所の亜音速部(ス� �ート部4の上流側)よりガスを取り出すことに より、主流ガスGsおよびシールドガスSGsを含� ��すべてのガスの全圧と全温を等しくするこ� ��ができる。

 具体的には、リング状部品2aのスロート� �4上流側から各リング状部品2a~2iを貫通する� �うにしてシールドガス供給路6を穿設するこ� ��によってシールドガスSGsを分岐すればよい� ��

 図4はノズル内ガス流れをモデル化したも のである。

 なお、説明を簡単にするため、リング状� ��品の連結数を6段とし、スリットT1~T5とする� ��

 同図に示すように、スロート部4からのガ ス流れG0、およびスリットT1~T5からのガス流� �G1~G5がそれぞれ同一のマッハ数になって噴出 しているとし、さらにそのままマッハ数が変 わらずにノズル2内を平行に流れ、ノズル2内� ��円筒状のガス流れを形成すると考える。

 実際にはノズル2内の乱れによってガスは 拡散しようとするが、G0~G5間で圧力が平衡状� ��になっているならば各スリットT1~T5からの� �射されるガスは膨張することも、また、収� �することもないため、各スリットから噴射� �れるガスが占有する断面積が変わらず、ノ� �ルの断面積を決めるためには妥当な仮定で� �る。

 通常、マッハ数を一定に維持するための� ��ズルは、G0で表されるほぼ直管からなる長� �ノズルであるのに対し、本発明の加速ノズ� �では、シールドガスSGsをG1~G5で示されるよう に段階的に噴射するように構成しているため 、ノズル内壁面をノズル中心軸から段階的に 遠ざけることが可能であり、粒子の付着を防 止する上で有効である。

 次に、スロート部4および各スリットT1~T5� ��ら同一のマッハ数でガスを噴射させるため� ��条件について図5を参照しながら説明する。

 スロート最狭部の面積をA ₀ ^* 、スロート出口の面積をA ₀ とすると、スロート出口でのマッハ数M ₀ は、式(2)で表される。

 ただし、κは比熱比である。

 同様に、スリット最狭部2mの面積をA _i ^* 、スリット出口での面積をA _i とすると、 スリット出口でのマッハ数M _i は、式(3)で表される。

 ここで、i=1,2,3……。

 スロート部4およびスリットT1,T2,T3……の� ��口におけるマッハ数が等しいためには、

 が成り立つ必要があり、すなわち、最狭部� ��出口における面積比がスロート部4および各 スリットT1~T5について等しくすればよい。

 それにより、主流ガスGsの流速とシール� �ガスSGsの流速を一致させることができる。

 図6は、主流ガスGsと、リング状部品2aと� �ング状部品2bの連結部分に形成されたスリッ トTから噴射されたシールドガスSGsの速度ベ� �トルを代表的に示したものである。 

 同図に示されるように、シールドガスSGs� ��主流ガスGsと平行に流れ、流速が略一致し� �いることがわかる。

2 加速ノズルの種類
 図7~図12は本発明に係る加速ノズルの他の実 施形態を示す原理図である。

 まず、図7に示す加速ノズル20は、最上流� ��に配置されたリング状部品21aに形成されて� ��るスロート部21d上流側近傍に、溶射材料と� ��てのワイヤを供給するワイヤガイド22,23を� �設し、これらのワイヤガイド22,23を通して陽 極と陰極の電極を兼用するワイヤ24,25をノズ� ��26内に供給し、スロート部21dの上流側で溶� �させるように構成したものである。

 図8に示す加速ノズル30は、最上流側に配� ��されるリング状部材31aをセラミックスで構� ��し、このリング状部材31aに、溶射材料とし� ��のワイヤを供給するワイヤガイド32,33を挿� �し、これらのワイヤガイド32,33を通した、陽 極と陰極の電極を兼用するワイヤ34,35をノズ� ��36内に供給し、スロート部31dの下流側で溶� �させるように構成したものである。

 図9および図10は、図8に示した加速ノズル 30の変形例を示したものである。

 図9に示す加速ノズル37は、アーク点の上� ��側ノズル孔を絞る(例えば、図8に示したス� �ート部31dの孔径がφ3.5mmとすると、スロート� ��31fの孔径をφ1.3mmに絞る)ことによりそのノ� �ル内を流れる気流を亜音速に加速できるよ� �にしたものである。

 また、図10に示す加速ノズル38は、アーク 点の上流側近傍まで細径のノズル通路31g(φ1.3 mm)とすることにより、亜音速の気流をアーク 点近傍で噴射するようにしたものである。

 図9に示した加速ノズル37の構成によれば� ��超音速気流によってアークが吹き飛ばされ� ��り、あるいはワイヤ34,35がAl等の比較的軟ら かい素材で構成され超音速気流を受けて振動 することによってアークが不安定になるよう な場合にアークを安定させる効果がある。

 また、図10に示した加速ノズル38によれば 、アーク点に近づけて亜音速の気流を噴射す ることができるため、図9の加速ノズル37に比 べ、アークをより安定させることができる。

 上記加速ノズル37,38によれば、細く且つ� �ネルギ密度の高いスプレーを実現すること� �できる。

 図11に示す加速ノズル40は、最上流側に配 置されたリング状部材41aをセラミックスで構 成し、このリング状部材41aに、ワイヤガイド からノズルのスロート部41dを通して供給され たワイヤ42との間でアーク溶解を行うための� ��定電極43,44を配設したものである。

 図12に示す加速ノズル50は、垂直方向に配 列されたリング状部材51a~51cからなるノズル52 を有し、金属材料をそのノズル52内に供給す� ��手段として、ノズル52のスロート部51dを通� �て、溶湯を供給する溶湯ノズル53を設けたも のである。

 図13に示す加速ノズル60は、水平方向に配 列されたリング状部材61a~61cからなるノズル62 を有し、金属材料をそのノズル62内に供給す� ��手段として、スロート部61dの下流側近傍に� ��置されているリング状部材61bを貫通して溶� ��ノズル63を、主流ガスGsの流れと略直交する 方向(下向きに)から挿入し、その溶湯ノズル6 3からノズル62内の高速ガス流に対して溶湯を 供給するようにしたものである。

 なお、加速ノズルは上記した垂直方向、� ��平方向姿勢で配置する場合に限らず、傾斜� ��勢で配置することもできる。

3 加速ノズルを用いた噴射ノズル装置
 次に、溶射材に応じた噴射ノズル装置の構� ��について説明する。

3-1 亜鉛用噴射ノズル装置
 Znは融点が低い(692.7K)ため、400m/sまで十分に 加速できれば、衝突時の塑性変形熱で表面が 溶け、基材上に付着させることができる。し たがって、この場合、図14に示すように加速� ��重視した長いノズルを使用する。また、ガ� ��圧力は1.2MPa、ガス温度は常温とした。

 同図(a)は噴射ノズル装置10の全体平面図� �断面で表したものであり、同図(b)はその正� �図を断面図で示したものである。

 両図において、噴射ノズル装置10は、本� �部11と、この本体部11から突出して設けられ� ��ノズル12とを有している。

 本体部11内にはノズル12に向けて主流ガス Gsを流すためのガス通路13が形成されている� �このガス通路13は平面から見ると下流側に向 けて先細形状に構成されており、また、左右 方向からガスを供給するためのガス供給路13a と連通している。

 上記ガス通路13内には一対のワイヤガイ� �14,14が鋭角(下流側に向けて)に配置されてお� ��、これらのワイヤガイド14,14から送り出さ� �るワイヤ15,15は、リング状部品12aに形成され ているガイド孔を通過してノズル部12内に突� ��し、突出した各先端は、スロート部12mの下� ��側で互いに接触するようになっている。

 上記ワイヤ15,15の先端は、陽極と陰極を� �用しており電荷が付加されることによって� �ーク溶解されるようになっている。

 ノズル12は、複数のリング状部品12a~12kを� ��ズル中心軸方向に連結することによって構� ��されている。

 図15はノズル12の基端を構成しているリン グ状部品12aの構成を示したものであり、同図 (a)は平面断面図、同図(b)は右側面図、同図(c) は図15(b)のE-E矢視断面図である。

 リング状部品12aの中心部には主流ガスGs� �流れるガス流路12nが形成され、このガス流� �12nの途中にスロート部12mが形成されている� �

 このスロート部12mの下流側近傍には、ワ� ��ヤを供給するためのガイド孔12p,12pが開口し 、ガス流路12nの下流側端部は筒状に突出する ガス流偏向部12qが形成され、シールドガスSGs の流れを主流ガスGsの流れと略平行にするよ� ��になっている。

 このガス流偏向部12qの周囲には凹溝12rが� ��状に形成されており、この凹溝12rとリング� ��部品下流側端面12sとの間には凹溝12rよりも� ��径に形成された係合凹部12tが環状に形成さ� ��ている。

 また、凹溝12rにはシールドガスSGsを供給� ��るためのシールドガス供給路12uが円周上に� ��間隔に配設されており、各シールドガス供� ��路12uから供給されたシールドガスSGsは、凹� ��12rで合流し、ガス流偏向部12rの外壁に沿っ� ��筒状の流れを形成するようになっている(図 15(c)のシールドガス流SGs参照)。

 なお、図中、12vはスタック用ボルトを通� ��ための孔部である。

 図16は上記リング状部品12aの下流側に連� �されるリング状部品12bの構成を示したもの� �あり、同図(a)は平面断面図、同図(b)は右側� �図である。

 なお、リング状部品12b~12jについてはガス 流路12nの内径が順次拡大される点を除いては 基本的に同じ構成であるため、上記リング状 部品12bを代表してそれらの構成を説明する。

 リング状部品12bにおける上流側端面12wの� ��心部には筒状の係合凸部12xが形成されてお� ��、この係合凸部12xは上記したリング状部品1 2aの係合凹部12tと嵌合するようになっている� ��

 また、リング状部品12bにおけるガス流路1 2nの内径d2>リング状部品12aのガス流偏向部1 2qにおける外径d1となっている。

 なお、環状溝12yにはシール材としてのOリ ングが装着される。また、図中、12q″はガス 流偏向部、12r″は環状の凹溝、12t″はさらに 下流側に連結されるリング状部品の係合凸部 が嵌合される係合凹部である。

 図17は、ノズル12の先端に配置されるリン グ状部品12kの構成を示したものであり、同図 (a)は平面断面図、同図(b)は右側面図である。

 リング状部品12kはその中心部にガス流路1 2nが形成され、上流側端面12w″に係合凸部12x� ��が形成されている。リング状部品12aから段� ��的に拡大されたガス流路12nの内径dは、最終 的にこのリング状部品12kの内径、本実施形態 では15mmとなっている。

3-2 チタン用噴射ノズル装置
 Tiは融点が高い(1953K)ため、粒子が冷え過ぎ� ��場合700m/s程度まで加速しないと衝突時の塑� ��変形熱による熱で表面を溶かし付着させる� ��とができない。この粒子の加速に必要なガ� ��圧力は、空気の場合、50MPaを超えることに� �る。したがって、Tiの溶射では粒子が冷え過 ぎないように短いノズルを使用する。また、 ガス圧力は1.8MPa、ガス温度は常温とした。

 図18(a)は噴射ノズル装置10″の全体平面図 を、同図(b)はその正面図をそれぞれ断面図で 示したものである。

 両図において、噴射ノズル装置10″は、� �体部16と、この本体部16から突出して設けら� ��るノズル部17とを有している。

 本体部16内にはノズル部17に向けて主流ガ スを流すためのガス通路18が形成されており� ��このガス通路18に対して左右方向からガス� �供給するガス供給路18aが形成されている。

 このガス通路18内には一対のワイヤガイ� �19,19が鋭角に配置されており、これらのワイ ヤガイド19,19から送り出されるワイヤ19a,19aは リング状部品12aに形成されているガイド孔を 通過してノズル部17内に突出し、突出した各� ��端は、スロート部17iの下流側で互いに接触� ��るようになっている。

 ノズル部17は、各リング状部品17a~17hを筒� ��方向に連結することによって構成されてお� ��、各リング状部品17a~17hにおける連結部分に 形成されているスリットからシールドガスSGs がノズル17内に向け、主流ガスGsの流れと平� �に噴射されるようになっている。

 なお、上記実施形態では溶射材としてZn� �Tiを例に取り説明したが、溶射材としてはこ れ以外に、Al,Cu,SUS鋼等の金属/合金,セラミッ� ��ス,サーメット等を使用することもできる。

 また、上記実施形態では同じ厚さのリン� ��状部品を複数枚連結することによってノズ� ��を構成したが、異なる厚さのものを混在さ� ��て連結することもできる。

 また、上記実施形態では上記ノズルを上� ��スロート部からノズル出口に向けて内径が� ��階的に拡大する末広ノズルで構成したが、� ��続的に拡大する末広ノズルで構成すること� ��できる。この場合、ノズル内壁円周位置に� ��射口を多数配列することによってノズル中� ��軸と略平行に且つ下流側に向けてシールド� ��スを噴射することになる。

3-3 溶射性能
 図19に示すグラフは、異なる溶射材を使用� �た場合の溶射性能を比較したものであり、(a )のグラフは溶射によって形成された皮膜の� �度を、(b)のグラフは皮膜の歩留まりをそれ� �れ示している。

 テストピースとして使用した溶射材は、A l,Cu,Ti,SUS304である。なお、溶射試験に際して� ��リング状部品の連結枚数を変更することに� ��り、溶射材毎にノズル長さを調節した。具� ��的には、融点が低い溶射材については加速� ��重視した長いノズル、例えばAl,Cuについて� �200mm長さのノズルを使用した。一方、融点の 高い溶射材については粒子が冷え過ぎないよ うに短いノズル、例えばTiについては40mm、SUS 304については70mmを使用した。

 (a)のグラフに示すように、各溶射材によ� ��て得られた皮膜密度は90~94%と高密度であり� ��好な成膜状態が確認できた。

 また、(b)のグラフに示すように、ノズル� ��さを40~200mmの範囲で変更し、皮膜の歩留ま� �を調べた。その結果、ノズル長さが長くす� �につれて各溶射材ともに、歩留まりが低下� �る傾向が確認された。これは、飛行中の粒� �が冷え過ぎると基材に付着しにくくなるか� �であると考えられる。

 なお、Alについてはノズル長さを200mmとし ても40%程度の歩留まりが得られるが、Cuつい� ��は15%程度、SUS304やTiについては5~10%程度の歩 留まりしか得られない。このことから、溶射 材に融点の低い材料を使用する場合は長さ200 mmまでのノズルを使用することができるが、� ��点の高い材料を使用する場合はノズル長さ� ��上限を70mm以下に設定することが好ましい。 より好ましくは40mm程度である。

 図20に示すグラフは、40mm長さのノズルを� ��いて成膜されたTi溶射皮膜をEPMAによってφ1� �m程度の点について成分分析したものであり� ��横軸はエネルギ、縦軸はX線強度を示してい る。

 同グラフから分かるように、溶射皮膜を� ��成している元素としてTiが検出されている� �分析結果に酸素は検出されておらず、それ� �より、酸化のない状態でTi皮膜を形成できる ことが実証された。

 なお、NおよびCも極めて僅かな量、検出� �れているが、Nはキャリアガスとしての窒素� ��検出されたものであり、Cはテストピースを 成形するための樹脂が成分として検出された ものであり、無視することができる。

4 コールドスプレー
 次に、本発明の加速ノズルをコールドスプ� ��ーに適用する場合の構成について説明する� �� 

 コールドスプレーは、溶射材の融点より� ��低い温度の超音速ガス流に粉末状態の溶射� ��を投入し、固相状態のままその溶射材を基� ��に衝突させて皮膜を形成する方法である。� �

 溶射材としては、金属、合金、サーメッ� ��、セラミックス等を使用することができる� ��また、溶射材の粒径は、一般的に、1~50μmの ものを使用することができる。

 図21に示すように、コールドスプレー用� �噴射ノズル装置70は、本体部71と、この本体� ��71の先端に接続される加速ノズル72とから主 として構成されている。 

 上記本体部71は中空室71aを有し、この中� �室71aのスプレー方向前側には先細部71bが形� �されている。また、中空室71aには高圧ガス� �供給する第1供給孔71cと、高圧ガスと粉体と� ��供給する第2供給孔71dがそれぞれ連通してお り、各高圧ガスは共通のガス源(窒素、ヘリ� �ム、空気等)から分岐させて供給するように� ��っている。

 上記加速ノズル72の構成は、図1に示した� ��速ノズル1の構成と基本的に同じものであり 、ノズル内を飛行する溶射材に対しその周囲 に筒状のシールドガスを形成することができ るように構成されている。

 上記噴射ノズル装置70によれば、第1供給� ��71cを通じて供給される高圧ガスと第2供給孔 71dを通じて供給される溶射材を含む高圧ガス とが中空室71a内で合流し、先細部71bを通過す ることによって超音速流となる。

 加速ノズル72を構成している各リング状� �品72a~72kの各スリットTからはその内壁に沿っ てガスが順次噴射され略筒状のガス流を形成 している、それにより、加速ノズル72内を飛� ��する溶射材は、略筒状に流れるガス流によ� ��てシールドされる。

 それにより、本体部71から超音速で噴射� �れた溶射材は、加速ノズル72の内壁に接触す ることなく、すなわち、内壁に堆積すること なく加速され、基材に衝突し、その結果、皮 膜が形成される。

 上記噴射ノズル装置70によれば、例えば� �品の必要範囲にだけを狙って部分加工を行� �うことが可能になるとともに、緻密な皮膜� �形成することができる。

5 高速フレーム溶射
 図22は、本発明の加速ノズルを高速フレー� �溶射に適用する場合の構成を示したもので� �る。

 同図に示すように、高速フレーム溶射装� ��の溶射ガン80は、燃焼チャンバ80aとノズル� �80bとバレル部80cとからなっている。

 燃焼チャンバ80aで燃料と酸素が混合、着� ��されることにより燃焼炎(フレーム)が発生� �、この燃焼炎はノズル部80bに形成されたス� �ート部80dで一旦、絞られることにより高速� �となり、さらにバレル部80cを通過する。

 関連技術としての高速フレーム溶射では� ��一般的に粉末溶射材を供給するようになっ� ��おり、バレル部80cの長さは長い方が粒子を� ��速させることができ、基材に堆積される皮� ��中の気孔を減らす上で有利である。しかし� ��がら、バレル部80cを長くすると、燃焼炎中� ��加速中の粒子はその火炎熱によって溶融し� ��め、やがてバレル部80cの内壁に付着してし� ��う。

 そこで、図22に示した高速フレーム溶射� �置では、バレル部80cの先端に、さらに、図1� ��示した加速ノズル1の構成と基本的に同じ構 成からなる加速ノズル81を接続している。

 上記加速ノズル81をバレル部80cの先端に� �続することにより、粒子が溶融を開始して� �らもノズル内で粒子の加速を維持すること� �可能になる。その結果、粒子がバレル内壁� �付着するという関連技術の高速フレーム溶� �の問題点を解消することができる。

 なお、本発明の加速ノズルは、上記した� ��速フレーム溶射に限らず、プラズマ溶射等� ��高温ガスによって粒子を溶解させるタイプ� ��溶射装置の後段に接続することも可能であ� ��、ノズル内での加速を維持させてノズル内� ��への粒子の付着を解消することができる。

 なお、図中、82は溶射粒子、83は基材、84� ��その基材83上に堆積される溶射皮膜を示し� �いる。

6 微粒化装置
 図23は、溶融金属流を微細化することによ� �金属粉を製造する微粒化装置に、本発明の� �速ノズルを適用する場合の構成を示したも� �である。

 同図において、微粒化装置90は、溶解炉91 の下方に配置されたハウジング92内に収納さ� ��ている。

 微粒化装置90は、中空の環状部90aと、そ� �外周壁から直径方向に延設された支持体90b� �よび90cを有し、一方の支持体90cは中空から� �り、環状部90aに連通して高圧ガスの供給路� �して機能するようになっている。

 また、支持体90b,90cはそれらの軸まわりに 回動するようになっており、それにより、環 状部90aを紙面厚さ方向に揺動させることがで きる。

 環状部90aの底面には、図1に示した加速ノ ズル1の構成と基本的に同じ構成からなる加� �ノズル93が垂設されている。

 上記構成において、支持体90cを通じて環� ��部90aに供給された高圧ガスは、噴射ノズル� ��置93の各リング部品93a~93hのスリットTからも 噴射されるようになっている。

 なお、上記環状部90aが揺動動作する微粒� ��装置では、微粒化装置90が溶解炉91に固定さ れない構造上、溶解炉91とその微粒化装置90� �の間には空間94が存在しており、この空間94� ��通常、ほぼ大気圧となっている。

 上記構成を有する微粒化装置90において� �溶湯ノズル91aから吐出された溶湯95は、重力 によって鉛直方向に流下し、環状部90aの中心 を通過する際に、高圧ガス(アトマイズガス)A Gsによって微粒化される。

 微粒化された粒子はさらに加速ノズル93� �を通過する際にスリットTから噴射される高� ��ガスによって加速され、基材に衝突する衝� ��速度が高められる。

 基材上に粒子が堆積して形成されたビレ� ��トの密度は、粒子の衝突速度にほぼ比例す� ��ため、粒子を加速させることができる上記� ��速ノズル93を付加することにより、密度の� �いビレットを成形することができる。

 なお、上記構成では空間94が加速ノズル93 のノズル中央に連通しているため、加速ノズ ル93は、ノズル中央から大気圧のガスを吸い� ��んで粒子とともに加速することになる。し� ��がって、ノズル中央に高圧ガスを導入する� ��合と比較すると、粒子を加速する能率は低� ��なる。

 そこで、ノズル内の粒子速度とガスマッ� ��数を実験により測定すると、例えば0.6MPaの� ��スをリング状部品の各スリットTから噴射し た場合、ノズル中央を飛行する粒子の速度は 300m/s(ノズル中央に高圧ガスを供給した場合� �400m/s)となり、ガスのマッハ数は1.0~1.5程度ま で加速することができた。それにより、実用 上、満足できる加速効果の得られることが確 認された。

7 水実験モデルを用いた粒子速度測定
 図24は加速ノズル内を飛行する粒子の速度� �よび速度分布を測定するために構成された� �実験モデルである。

 同図において、水タンク91″は図23に示し た溶解炉91に相当し、環状部90a″は同じく環� ��部90aに相当し、加速ノズル93″は加速ノズ� �93に相当する。96は水タンク91″から垂下さ� �たノズルである。また、中空の環状部90a″� �ら高圧ガスを供給した。

 なお、図24に示した水実験モデルは、図23 に示した微粒化装置を高圧ガス供給方向から 見た配置となっている。したがって、加速ノ ズル93″は左右方向に揺動動作する。

 図25の示すグラフは上記水実験モデルを� �い、スプレー方向と直交する方向の粒子速� �分布を測定したものである。

 同グラフにおいて、横軸はスプレー中心S からの距離を示し、縦軸は粒子速度を示して いる。なお、本水実験モデルで使用した加速 ノズル93″のノズル出口の孔径はφ16mmである� ��

 グラフ中、特性M1はノズル出口から25mmの� ��離において粒子速度を測定したものであり� ��ノズル内壁に近いスプレー周辺部では粒子� ��度が速く(350m/s)、スプレー中心部では粒子� �度が遅くなる(250m/s)という速度分布が得られ た。これは、スプレー中心部では大気圧のガ スを吸い込みながら加速しなければならない ことによって生じた遅れと考えれる。

 特性M2は、ノズル出口から250mmの距離にお いて粒子速度を測定したものであり、スプレ ー中心部の粒子速度が特性M1に比べて加速さ� ��る一方でスプレー周辺部についてはスプレ� ��中心からの距離が拡がるとともに粒子速度� ��減衰していく。

 特性M3は、ノズル出口から550mmの距離にお いて粒子速度を測定したものである。上記特 性M2と比較し、スプレー中心部の粒子速度は� ��や減衰し、スプレーがさらに裾拡がりとな� ��。

 図26に示すグラフは、スプレー方向にお� �る粒子速度分布を測定したものである。

 同グラフにおいて、横軸はスプレー高さ� ��、左縦軸は粒子速度を、右縦軸は粒子径を� ��れぞれ示している。

 特性N1はスプレー高さ60~1250mmの範囲で粒� �速度の変化を測定したものであり、スプレ� �高さが約300mmまでは粒子は加速途中であるた め、310m/s程度まで速度が増加するが、それ以 後は徐々に減衰していく。 

 また、粒子径については、スプレー高さ5 00mmまでは21μm前後で安定するが、スプレー高 さ500mmを超えるとやや粒子径が大きくなる傾� ��がある。これは飛行する粒子同士が合体す� ��ことによるものと推定される。

 また、水実験モデルにおける水を塗料に� ��更すれば、本発明の加速ノズルを塗装にも� ��用することができるようになる。

 上記各実施形態を用いて説明したように� ��本発明の加速ノズルは、微粉製造、スプレ� ��フォーミング、溶射、成膜、3次元造形、塗 装等のいずれの分野にも幅広く適用すること ができる。

 なお、上述した各実施形態では円筒状加� ��ノズルを例に取り説明したが、加速ノズル� ��上記円筒形に限らず、例えば図27に示すよ� �に、角型部品100a~100dを接続した角筒状ノズ� �100であってもよい。角筒状ノズル100に構成� �る場合、ノズル孔100eの開口形状は偏平な矩� ��であってもよく、また、正方形であっても� ��い。なお、図中100fは、スロート部である。