專利名稱：：噴鍍噴嘴裝置以及噴鍍裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及使用氣體將噴鍍材料微粒化并使其撞擊基材從而形成覆膜或堆積層的噴鍍噴嘴裝置以及噴鍍裝置。
背景技術(shù)：
：以往，作為通過加熱涂層材料而使熔融或半熔融狀態(tài)的微粒子以高速撞擊基材表面從而形成覆膜的技術(shù)，已知有噴鍍處理。該噴鍍處理，由于基材與覆膜是物理上的接合，所以只要是熔融的材料即可在所有材料上形成覆膜，形成的覆膜可達(dá)到耐磨損性、耐腐蝕性、隔熱性等表面處理所必要的各種條件，所以廣泛用于各種領(lǐng)域。其中，冷噴涂不使噴鍍材料熔融或氣化，而是使其與非活性氣體一起以超音速流在固相狀態(tài)下撞擊在基材上而形成覆膜，所以與其他噴鍍方法不同，沒有因熱引起的材料的特性變化，并且具有可抑制覆膜中的氧化的優(yōu)點(diǎn).圖32表示冷噴涂裝置的概要結(jié)構(gòu)。在該圖中，從氣源30供給的高壓氣體分到2條管路31、32，流過管路31的主流氣體利用氣體加熱器33加熱，流過管路32的其他氣體被導(dǎo)入粉末供給器34。利用氣體加熱器33加熱了的氣體通過管路35而被導(dǎo)入腔室36，粉末供給器34經(jīng)由管路37將粉末粒子供給到腔室36。在腔室36內(nèi)混合了的氣體與粉末粒子的混合物通過超音速噴嘴38的收斂部38a和擴(kuò)散部38b而被加速，從而以超音速射流的形式撞擊在基材39上(例如參照專利文獻(xiàn)l)。另一方面，還提出了下述方法，即，使用熔融金屬作為噴鍍材料，從具有狹縫狀出口的容器以薄膜狀態(tài)流出，利用以層流狀態(tài)通過該噴嘴出口附近設(shè)置的具有狹縫狀節(jié)流孔的噴嘴的音速氣流，將噴鍍材料微?；M(jìn)行噴霧(例如參照專利文獻(xiàn)2)。專利文獻(xiàn)l:特開2004-76157號(hào)公報(bào)；專利文獻(xiàn)2:特表2002-508441號(hào)公報(bào)。但是，在前者的冷噴涂裝置中，是使常溫的粉末粒子撞擊，利用塑性變形時(shí)產(chǎn)生的熱量而局部地加熱到熔點(diǎn)以上，來使粉末粒子附著在基材上，所以，為了獲得例如600m/s以上的粒子速度，需要1.0~3.0MPa的氣體壓力，又，由于必須將氣體預(yù)熱到600X:，所以存在難以處理的問題。而且，恒定地供給粉體粒子也不容易。又，后者的噴鍍裝置以超音速進(jìn)行霧化，但不設(shè)計(jì)噴嘴以進(jìn)行粒子的加速，所以不能獲得達(dá)到可省略HIP(熱等靜壓)的程度的高密度覆膜或高密度堆積。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有噴鍍裝置中的課題而作出的，目的在于提供一種可恒定地供給噴鍍材料且可控制覆膜或堆積狀態(tài)的噴鍍噴嘴裝置以及噴鍍裝置。本發(fā)明的噴鍍噴嘴裝置要點(diǎn)在于，從噴嘴的入口側(cè)導(dǎo)入載氣而形成超高速的氣流，利用該氣流將噴鍍材料霧化并噴出，其中，在上述噴嘴的入口側(cè)端部通過連通通路連接貯存作為上述噴鍍材料的熔融金屬的貯存部，并且，上述噴嘴具有用于形成超音速氣流的槽縫部、和在槽縫部下游側(cè)朝向出口方向形成的擴(kuò)徑流路部，在該擴(kuò)徑流路部，將利用超音速氣流霧化了的金屬粒子冷卻到凝固或半凝固狀態(tài)，從上述噴嘴的出口側(cè)向既定方向噴出。存部朝向上述槽縫內(nèi)或槽縫部下游側(cè)的中心延伸設(shè)置熔融金屬導(dǎo)出管，上述連通通路內(nèi)該熔融金屬導(dǎo)出管的外側(cè)部分構(gòu)成加速后的上述載氣流過的流路。另外，本發(fā)明的噴嘴要點(diǎn)在于，槽縫部下游側(cè)的擴(kuò)徑流路部的開口角以半頂角表示在15。以下。另外，本發(fā)明的噴嘴要點(diǎn)在于，上述擴(kuò)徑流路部的長度，是霧化后的金屬粒子變成凝固或半凝固狀態(tài)之前的飛行距離，根據(jù)通過將霧化后的金屬粒子的飛行距離和金屬粒子溫度模型化而求得的飛行距離確定，具體而言，上述霧化后的金屬粒子變成凝固或半凝固狀態(tài)之前的飛行距離，通過求出霧化后的金屬粒子變成凝固或半凝固狀態(tài)之前，優(yōu)選地，在上述連通通路內(nèi)，從上述ji^的飛行時(shí)間、并將該飛行時(shí)間代入下式而求得，上述擴(kuò)徑流路部的長度設(shè)定為該飛行距離以上的長度，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(18〉其中，lf是粒子的飛行距離；tf是粒子達(dá)到凝固或半凝固狀態(tài)之前的飛行時(shí)間；ug是氣體流速；Pg是氣體密度；Ps是粒子密度；ds是粒子直徑；ag是氣體的音速。另外，優(yōu)選地，設(shè)上述載氣的入口壓力為p0，設(shè)噴嘴出口壓力為PB時(shí)，在入口壓力po滿足下式的狀態(tài)下，將上述載氣導(dǎo)入上述噴嘴，其中，k:壓縮氣體的比熱容比；M:槽縫部下游側(cè)的噴嘴擴(kuò)大部中的馬赫數(shù)。本發(fā)明的噴鍍裝置要點(diǎn)在于，包括具有上述結(jié)構(gòu)的噴鍍噴嘴裝置；與噴嘴通過管路連接并對載氣加壓將其導(dǎo)入噴嘴的栽氣供給裝置；收納噴嘴以及受噴出的粒子撞擊的基材的密閉容器；和對該密閉容器內(nèi)減壓的減壓機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的噴鍍裝置要點(diǎn)在于，包括具有上述結(jié)構(gòu)的噴鍍噴嘴裝置；通過連接管連接貯存部并對該貯存部內(nèi)的熔融金屬連續(xù)加壓供給熔融金屬的熔融金屬供給裝置；和連續(xù)供給基材的基材供給裝置。根據(jù)本發(fā)明，有可恒定地供給噴鍍材料且可控制覆膜或堆積狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。圖l是表示本發(fā)明的噴鍍噴嘴裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2(a)以及(b)是表示噴嘴擴(kuò)大部的定義的說明圖。圖3是說明馬赫數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系的圖表。圖4是表示與粒徑對應(yīng)的噴嘴長度的圖表。圖5是表示以往的噴嘴開口角的說明圖。圖6是表示噴嘴內(nèi)產(chǎn)生沖擊波時(shí)的說明圖。圖7是表示噴嘴整個(gè)區(qū)域都是超音速流時(shí)的說明圖。圖8是表示噴嘴形狀的典型例的圖表。圖9是表示適當(dāng)膨脹的噴嘴出口直徑的圖表。圖10是表示粒子直徑20Mm、槽縫直徑25mm時(shí)噴嘴長度與馬赫數(shù)的關(guān)系的圖表.圖11是表示粒子直徑20ym、槽縫直徑25mm時(shí)的噴嘴長度與氣體溫度/速度分布的圖表。圖12是表示粒子直徑20Mm、槽縫直徑25mm時(shí)的噴嘴長度與粒子溫度/速度分布的圖表。圖13是表示粒子直徑20iim、槽縫直徑35mm時(shí)噴嘴長度與馬赫數(shù)的關(guān)系的圖表.圖14是表示粒子直徑20iim、槽縫直徑35mm時(shí)噴嘴長度與氣體溫度/速度分布的圖表。圖15是表示粒子直徑20pm、槽縫直徑35mm時(shí)的噴嘴長度與粒子溫度/速度分布的圖表。圖16是表示粒子直徑50Mm、槽縫直徑25mm時(shí)噴嘴長度與馬赫數(shù)的關(guān)系的圖表。圖17是表示粒子直徑50nm、槽縫直徑25mm時(shí)的噴嘴長度與氣體溫度/速度分布的圖表。圖18是表示粒子直徑50ym、槽縫直徑25mm時(shí)的噴嘴長度與粒子溫度/速度分布的圖表。圖19是表示粒子直徑50jim、槽縫直徑35mm時(shí)噴嘴長度與馬赫數(shù)的關(guān)系的圖表。圖20是表示粒子直徑50pm、槽縫直徑35mm時(shí)地噴嘴長度與氣體溫度/速度分布的圖表。圖21是表示粒子直徑50pm、槽縫直徑35mm時(shí)的噴嘴長度與粒子溫度/速度分布的圖表。圖22是表示粒子直徑lOOpm時(shí)噴嘴長度與馬赫數(shù)的關(guān)系的圖表。圖23是表示粒子直徑100jim時(shí)的噴嘴長度與氣體溫度/速度分布的圖表。圖24是表示粒子直徑100mm時(shí)的噴嘴長度與粒子溫度/速度分布的圖表。圖25是表示應(yīng)用于批量處理的噴鍍裝置的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖26是表示應(yīng)用于連續(xù)成形處理的噴鍍裝置的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖27是表示本發(fā)明的噴嘴的第二形態(tài)的相當(dāng)于圖1的圖。圖28是表示本發(fā)明的噴嘴的第三形態(tài)的相當(dāng)于圖1的圖。圖29是表示本發(fā)明的噴嘴的第四形態(tài)的相當(dāng)于圖1的圖。圖30是表示本發(fā)明的噴嘴的第五形態(tài)的相當(dāng)于圖1的圖。圖31是表示本發(fā)明的噴嘴的第六形態(tài)的相當(dāng)于圖1的圖。圖32是表示現(xiàn)有的冷噴涂裝置的結(jié)構(gòu)的說明圖。具體實(shí)施例方式以下根據(jù)圖示的實(shí)施方式詳細(xì)說明本發(fā)明。圖l表示本發(fā)明的噴鍍噴嘴裝置的基本結(jié)構(gòu)。l.噴鍍噴嘴裝置的原理該圖所示的噴鍍噴嘴裝置1，直接向超音速噴嘴(以下簡稱噴嘴)2內(nèi)供給熔融金屬M(fèi)。一方面在噴嘴2內(nèi)流過的是超音速氣流，而另一方面供給到噴嘴2內(nèi)的熔融金屬是低速流，從而在兩者之間作用剪切力，并且作用熔融金屬的表面張力，由此在噴嘴2的槽縫部2a下游進(jìn)行熔融金屬的霧化(微?；?。霧化后的金屬粒子(以下簡稱為粒子)在噴嘴2內(nèi)被加速并且被急速冷卻而凝固。即，在本發(fā)明的噴鍍噴嘴裝置1中，進(jìn)行霧化工序的槽縫部2a和接著霧化工序進(jìn)行飛行冷卻工序的擴(kuò)徑流路部2b—體設(shè)置。剛凝固后從噴嘴2噴出的粒子，以約450m/s的速度撞擊基材3。由于該撞擊時(shí)的變形，粒子發(fā)熱，局部升溫到熔點(diǎn)以上，從而粒子附著在基材3上(圖中參照撞擊附著工序)，另外，圖中4是貯存熔融金屬M(fèi)的貯存部，具有與噴嘴2連通的連通通路4a。上述連通通路4a的末端部，作為熔融金屬導(dǎo)出管4b朝向槽縫部2a的筒孔中心延伸設(shè)置，加速后的載氣在該熔融金屬導(dǎo)出管4b的外周流動(dòng)。凝固的粒子撞擊基材3的原理與以往的冷噴涂一樣，撞擊后的粒子顯著塑性變形而凹成環(huán)形坑狀，從而在覆膜(或堆積層)內(nèi)獲得沒有空隙的致密組織。因此，對形成了覆膜的成形件不必實(shí)施作為后處理的HIP(熱等靜壓)處理，即不必加壓以除去殘留空孔。又，使用氮?dú)庾鳛橛糜诋a(chǎn)生超音速氣流的栽氣(以下簡稱氣體)時(shí)，粒子撞擊后不氧化，所以可獲得低含氧量的成形件。并且，由于粒子在噴嘴2內(nèi)飛行的短短lms以內(nèi)便達(dá)到凝固，所以可防止?jié)B氮的進(jìn)行。又，由于使用熔融金屬作為噴鍍材料并在稍低于凝固點(diǎn)的溫度下使粒子撞擊在基材3上，所以如果與冷噴涂比較，則即使是低馬赫數(shù)(例如馬赫數(shù)2左右)的撞擊，基材3的表面溫度也會(huì)達(dá)到熔點(diǎn)以上，從而可使粒子可靠附著在基材3上.另外，上述所謂馬赫數(shù)指氣體的速度/音速。上述噴嘴2，擴(kuò)大部的噴嘴長度設(shè)定在100mm以上，以載氣全壓po滿足下式(1)的狀態(tài)動(dòng)作。其中，po:栽氣全壓(槽縫上游側(cè)的入口壓力)；Pb:噴嘴出口背壓；M:噴鍍材料熔化部的馬赫數(shù)；k:栽氣的比熱容比。又，馬赫數(shù)M根據(jù)式(2),與槽縫部6的截面積A'以及噴嘴內(nèi)擴(kuò)大截面積A相關(guān)。所謂擴(kuò)大截面積，如圖2(a)所示，包含從作為槽縫部2a的最窄部A'向下游側(cè)逐漸擴(kuò)徑的圓錐形的擴(kuò)大部，以及如該圖(b)所示，從最窄部A'向下游側(cè)急速擴(kuò)徑之后基本恒定的擴(kuò)大部。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>又，已知對前尖后擴(kuò)(拉瓦爾)噴嘴供給具有式(1)和式(2)表示的壓力的壓縮氣體時(shí)，到噴嘴的擴(kuò)大部變成超音速流。在最窄部該高速氣流為1馬赫(約340m/s)。暴露在該高速氣流中的熔融金屬霧化成微粒子。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)Hinze(Honze，J.O.，F(xiàn)unhamentalsoftheHydrodynamicMechanismofSplittinginDispersionProcesses，AIChEJ.，Vol，No.3，1955，pp.289-295)可利用式(3)表示。:13……(3)其中，pG:氣體密度；VG:噴嘴入口的氣體速度；VL:液體速度；分裂后的液滴直徑；(J:液體表面張力。當(dāng)例如用鋁合金作為熔融金屬，并以0.8MPa的壓力向噴嘴供給氮?dú)鈺r(shí)，根據(jù)式(3)求得的霧化后的鋁合金粒子直徑為約20nm。霧化后的粒子受到超音速氣流加速和冷卻的各種作用，最終以超音速的速度從噴嘴2射出。其間的加速和冷卻可利用數(shù)值分析估計(jì)。具體地說，將式(4)和粒子的運(yùn)動(dòng)方程式(6)聯(lián)立，來求解表示準(zhǔn)一維壓縮性流體守恒形式的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒式。2.數(shù)值分析方法(1)首先，說明后述數(shù)值分析方法中使用的符號(hào)。A:噴嘴截面積CD:粒子的阻力系數(shù)Cp:比熱容D:噴嘴直徑d:粒子直徑f:壁面摩擦系數(shù)g:重力加速度h:比焓m:質(zhì)量流量Nu:努塞爾數(shù)p:氣體壓力Pr:普朗特?cái)?shù)Q:噴嘴加熱所需的單位時(shí)間內(nèi)的能量R:氣體常數(shù)Re:雷諾數(shù)T:溫度u:流速x:噴嘴流動(dòng)方向的距離ex:斯蒂芬■波爾茲曼常數(shù)s:輻射率k:比熱容比入導(dǎo)熱系數(shù)M:粘性系數(shù)P:密度又，下標(biāo)的意義如下。g:氣體s:第二相(液滴、粒子、粉體)x:距噴嘴槽縫部的距離W:噴嘴壁面(2)氣相的支配方程式將表示準(zhǔn)一維壓縮性流體守恒形式的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒式示于下式(4)。其中，噴嘴壁的紊流熱傳遞使用Johnson-Rubeshin的式(5)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>又，s和e分別代表表示氣相和第二相間的相互作用的動(dòng)量生成項(xiàng)和能量生成項(xiàng)。實(shí)際的式(1)的解法，使用MUSCL(MonotoneUpstream-centredSchemesforConservationlaws)化的Roe的FluxdifferenceSplitting通量差分分裂)法將平流項(xiàng)離散化，使用四階龍格庫塔法進(jìn)行時(shí)間積分。(3)第二相(液滴、粒子、粉體)的支配方程式粒子的速度可通過解粒子的運(yùn)動(dòng)方程式(6)求得。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(7)其中阻力系數(shù)使用Kurten的式(8)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>粒子的溫度可通過解粒子的能量方程式(9)求得,其中在噴嘴壁溫度與氣體溫度相等的隔熱壁的情況下6成又，在將噴嘴壁lb加熱了的等溫壁的情況下，PA《('''，P盧A1'*'、'"其中，努塞爾數(shù)使用Ranz-Marshall的式(12)。Nu=2+fl.6Pr3ReS……(12)關(guān)于實(shí)際的式(6)和式(9)的解法，對平流項(xiàng)的離散化使用了QUICK法。而且使用四階龍格庫塔法進(jìn)行時(shí)間積分。(4)噴嘴加熱所需的熱量可利用式(13)估計(jì)維持等溫條件所需的熱量。■(13)(5)噴嘴長度在使用本發(fā)明的噴鍍噴嘴裝置進(jìn)行的運(yùn)行中，是在霧化后的粒子的速度還沒有減速時(shí)使粒子撞擊堆積物，所以從噴嘴出口到堆積物的距離設(shè)定得極短。因此，近似地認(rèn)為是在維持噴嘴出口處的粒子速度和焓幾乎不變的情況下進(jìn)行堆積。又，堆積時(shí)的粒子狀態(tài)也會(huì)很大地影響堆積物的狀態(tài)，在如現(xiàn)有的噴鍍噴嘴裝置那樣以亞音速撞擊堆積粒子的情況下，如果粒子為凝固狀態(tài)，則不能附著在基材或堆積物上。與之相對，本發(fā)明的噴鍍噴嘴裝置，以以往沒有利用的固相率較高的半凝固狀態(tài)或凝固狀態(tài)的粒子以超音速撞擊堆積作為運(yùn)行條件。因此，假設(shè)處于熔化狀態(tài)的金屬被微?；w行期間變化到半凝固狀態(tài)，求出達(dá)到該狀態(tài)所需要的最小限度的飛行距離，將該飛行距離規(guī)定為裝置必要的最小限度的噴嘴長度。首先，表示粒子的加速的運(yùn)動(dòng)方程式如前式(6)所示。3u,'p,，Pi叱，、^f+"'"^"s-*…"(6)3fAtp,7B,該式(6)，是從與噴嘴一起靜止的歐拉坐標(biāo)系觀察并記述的，所以適合使用固定的計(jì)算格子的數(shù)值計(jì)算。但是，不適合追蹤一粒一粒的粒子狀態(tài)來確認(rèn)粒子速度和粒子焓，所以利用從與飛行的粒子一同移動(dòng)的拉格朗日坐標(biāo)系觀察并記述的方程式表示時(shí)，則如下式(14)那樣。而為了簡化，忽略幾乎沒有影響的重力項(xiàng)。又，在飛行距離尚短的區(qū)間，認(rèn)為粒子處于被氣流從后面如順風(fēng)那樣推壓的加速過程中，假定氣體的流速Ug〉粒子的速度W的關(guān)系始終成立。d"。3Cr在此，取氣體的流速Ug與粒子的速度us的相對速度，設(shè)U=ug-us，若近似地假設(shè)作為超音速的氣流速度在噴嘴內(nèi)恒定，則可將式(14)變形為式(15)。df73CD1(15)在式(15)中，關(guān)于阻力系數(shù)Co，如式(12)所示，相對速度U在亞音速時(shí)可用雷諾數(shù)的函數(shù)表示，但在剛霧化后的情況下，相對速度II也是超音速的幾率較高，所以在圖3(從彈丸軌跡測量獲得的球體以及圓錐-圓柱體的阻力系數(shù)與馬赫數(shù)的關(guān)系的說明圖)所示的圖表中，根據(jù)馬赫數(shù)和球形物體的阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用式(16)近似表示(圖中參照近似直線E)。另夕卜，圖3引用于2ndeditionMcGrae誦HillSeriesinAeronauticalandAerospaceEngineering,ModernCompressibleFlowwithhistoricalPerspectiveo其中，ag是氣體的音速，M是馬赫數(shù)，根據(jù)式(16)和式(15)得出表示粒子的飛行時(shí)間t與相對速度U的關(guān)系的式(17)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>j(17)在此，設(shè)t=0時(shí)粒子速度us=0。又，飛行時(shí)間tf與飛行距離lf的關(guān)系從式(18)求得。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(18)其中，ug是氣體的流速，Pg是氣體的密度；Ps是粒子的密度；ds是粒子直徑。如果得知粒子達(dá)到半凝固之前的飛行時(shí)間tf，則可算出到此為止粒子的飛行距離lf，該飛行距離If與所需最小限度的噴嘴長度一致。因此，求解粒子達(dá)到半凝固之前的飛行時(shí)間tf。粒子的冷卻用前面所示式(9)給出。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>又，如果設(shè)噴鍍金屬的凝固潛熱為L，則為了變成固相率較高的半凝固狀態(tài)，式(21)成立。f》！加另外，在式中，從液相變化到固相的大致中間為半凝固狀態(tài)，所以i殳為L/2。這樣，求解最小限度的噴嘴長度，就變成了求解粒子達(dá)到半凝固之前的最短飛行時(shí)間tf，所以此時(shí)在式(21)中等號(hào)成立。從式(19)和式(21)中消去努塞爾數(shù)Nu，并且使用式(17)將相對速度U也消去，進(jìn)而使用式(21)的等號(hào)式，則得到粒子達(dá)到半凝固狀態(tài)之前的最短飛行時(shí)間tf的關(guān)系式(22)。與式(14)一樣，如果以拉格朗日坐標(biāo)系記述，則如式(19)所示。在此，近似地，初始的熔液溫度、液相線溫度、固相線溫度都大致相等，如果用材料的熔點(diǎn)Tm表示該值，則T尸Tm。又，氣體溫度Ts和噴嘴壁溫度Tw也近似地i人為恒定.表示熱傳遞程度的努塞爾數(shù)Nu用式(12)表示，如果用相對速度U改寫則如式(20)所示。Vp乂Nu=2+0.6Pr3o其中，Pr是氣體的普朗特?cái)?shù)，入是氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，Tm是材料的熔點(diǎn)，Tg是氣體的溫度，Hg是氣體的粘性系數(shù)。雖然不能就tf解上式(22)，但可利用牛頓法等在數(shù)值上求解。如上所述，從式(22)求得最短的飛行時(shí)間tf，，代入式(18)，從而求得最短的飛行距離，即求得最小限度的噴嘴長度lf。本發(fā)明的噴鍍噴嘴裝置特征在于，使用了具有上述噴嘴長度lf以上的長度的噴嘴，通過將粒子加速到超音速，即使是凝固狀態(tài)也會(huì)附著在基材或堆積物上，所以理論上在噴嘴長度上沒有限制。圖4是使用鋁和銅具體求得最小限度的噴嘴長度的圖表，表示具有由各種粒子直徑構(gòu)成的粒子達(dá)到固相率超過0.5的半凝固狀態(tài)時(shí)所需的噴嘴長度。另外，在該圖表中橫軸表示粒子的直徑，縱軸表示噴嘴長度。另外，載氣的條件與后述的表l一樣。霧化的結(jié)果，例如以體積占有率觀察到的平均直徑是50nm時(shí)，鋁的情況下需要0.17m的噴嘴長度，銅的情況下需要0.12m的噴嘴長度。而以往以霧化為目的在超音速噴嘴中流過熔液時(shí)，為了避免粒子附著在噴嘴內(nèi)壁面上，如圖5所示，使用噴嘴開口角(槽縫部下游側(cè)的擴(kuò)徑流路部的開口角)以半頂角表示6>15°的大噴嘴。上述所謂半頂角，指噴嘴中心軸與噴嘴內(nèi)壁所成的角度。此時(shí)，截面積比A/A'急劇擴(kuò)大，馬赫數(shù)M也急劇增大[參照式(2)]，在達(dá)到根據(jù)等熵變化的式(23)和垂直沖擊波的關(guān)系式(24)求得的馬赫數(shù)Mt處出現(xiàn)沖擊波面，以此為界，其下游側(cè)變成亞音速，由于噴嘴內(nèi)壁的開口角大，內(nèi)壁面附近的氣流會(huì)從該內(nèi)壁面剝離。此時(shí)的馬赫數(shù)MJ艮據(jù)式(25)求得，出現(xiàn)沖擊波面的部位的截面積比A/A'根據(jù)式(26)求得。這樣的噴嘴以往被用于霧化，但是噴嘴內(nèi)的氣流會(huì)迅速變成亞音速，從而不存在使粒子加速的概念。與此相對，本發(fā)明的噴嘴，將噴嘴開口角設(shè)在15°以下而防止氣流的剝離，而且，使霧化后的粒子加速到超音速，以便即使是半凝固狀態(tài)也可使粒子附著在基材或堆積物上。換言之，本發(fā)明的噴嘴構(gòu)成為，將從噴嘴最窄部到產(chǎn)生沖擊波面的部位之間的距離延長，直到粒子達(dá)到凝固或半凝固狀態(tài)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>(23)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>(24)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>(25)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>(26)根據(jù)以上說明，本發(fā)明的超音速噴嘴的條件可根據(jù)下述(a)~(c)規(guī)定。(a)噴嘴開口角以半頂角表示6<15°。(b)噴嘴開口角以半頂角表示6<15。，將根據(jù)載氣全壓po和噴嘴出口背壓Pb利用式(25)求得的沖擊波上游馬赫數(shù)M,進(jìn)一步代入式(26)，求得噴嘴截面積An到噴嘴截面積為Ai的位置為止的噴嘴長度lf，是根據(jù)式(18)和規(guī)定粒子達(dá)到半凝固之前的最短飛行時(shí)間的關(guān)系式(22)求得的最小限度的噴嘴長度lf以上。圖6表示噴嘴內(nèi)產(chǎn)生沖擊波的情況。(c)噴嘴開口角以半頂角表示6<15°，噴嘴長度lf在根據(jù)式(18)和規(guī)定粒子達(dá)到半凝固之前的最短飛行時(shí)間的關(guān)系式(22)求得的最短噴嘴長度lf以上，將根據(jù)載氣全壓p。、噴嘴出口背壓PB利用式(25)求得的沖擊波上游馬赫數(shù)Mi進(jìn)一步代入式(26)而求得的噴嘴截面積An大于噴嘴出口截面積Ae。這種情況下，如圖7所示，噴嘴全區(qū)域都是超音速流，所以沖擊波面在噴嘴出口下游側(cè)產(chǎn)生。3.實(shí)際噴嘴的設(shè)計(jì)3-1)材料物理參數(shù)值和限制條件將實(shí)際噴嘴的計(jì)算使用的材料物理參數(shù)和限制條件示于表l。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>表中的最大半頂角，指噴嘴中心軸與噴嘴內(nèi)壁所成的角度。3-2)研究條件熔融金屬(粒子)質(zhì)量流量[kg/s4個(gè)條件0.025、0.050、0.075、0.100粒子直徑[卩ml3個(gè)條件20、50、100噴嘴槽縫部的直徑[mm]2個(gè)條件小25、4>35分別相當(dāng)于質(zhì)量流量0.9[kg/s(槽縫直徑d)25)、1.8[kg/s(槽縫直徑(t)35)。在上述條件下，求出得到適當(dāng)膨脹(噴嘴出口靜壓=背壓=大氣壓)時(shí)的噴嘴形狀，分析粒子溫度與粒子速度的關(guān)系。又，由于超音速流的情況下不會(huì)從下游側(cè)影響到上游側(cè)，所以可將例如長度500mm的噴嘴的300mm位置處的計(jì)算結(jié)果直接看作是長度300mm的噴嘴的出口處的狀態(tài)。這點(diǎn)與亞音速噴嘴不同.3-3)實(shí)際噴嘴的結(jié)構(gòu)3-3畫l)整體將為噴射加速而設(shè)計(jì)的噴嘴形狀的典型例示于圖8的圖表。在此將噴嘴最大半頂角設(shè)為5°(參照表l)。本噴嘴的構(gòu)成目的在于，(a)噴嘴直徑迅速擴(kuò)大到最大直徑，以便霧化后分散的液滴不會(huì)附著在噴嘴壁上，以及(b)加長速度達(dá)到最大的最大直徑下的直管部分，以便將粒子加速.但本實(shí)施方式的噴嘴，與一般在冷噴涂中使用的錐形噴嘴比較，有下述缺點(diǎn)，即，在壓力比低于設(shè)計(jì)值時(shí)，或供給大量冷粒子時(shí)，占據(jù)噴嘴大部分的直管部都是亞音速。因此，不適合設(shè)計(jì)值以外的狀態(tài)下的運(yùn)行，而適于反復(fù)在同一條件下運(yùn)行的生產(chǎn)設(shè)備。將達(dá)到上述以在同一條件下運(yùn)行為前提時(shí)的適當(dāng)膨脹的噴嘴出口直徑示于圖9的圖表。在該圖表中，噴嘴槽縫直徑是d)25mm、(J)35mm，噴嘴出口直徑隨著熔融金屬流量增加而增大是因?yàn)?，氣體攝取熔融金屬具有的熱量而變成可膨脹的狀態(tài)。有意思的是，如果在熔融金屬質(zhì)量流量小的條件下設(shè)計(jì)噴嘴，則即使將超過設(shè)計(jì)值的流量供給到噴嘴，也會(huì)膨脹不足而使加速效率降低，但在達(dá)到過渡到粒子上的動(dòng)量所引起的限制之前是可運(yùn)行的。而反之，如果是小于設(shè)計(jì)值的熔融金屬質(zhì)量流量，則不能加速到超音速。下面在表2中表示在不加熱的情況下，作為實(shí)際噴嘴的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果而獲得的噴嘴槽縫直徑與氣體質(zhì)量流量的關(guān)系。表2本次噴嘴設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果和氣體質(zhì)量流量<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>3-3-2)霧化后粒子直徑為d)20Mm的情況下在圖10~圖12中，分別表示設(shè)霧化后粒子直徑為4)20nm、噴嘴槽縫直徑為d)25mm時(shí)的噴嘴內(nèi)馬赫數(shù)分布、氣體溫度/速度分布、粒子溫度/速度分布.另外，在以下說明的各困表中，橫軸表示噴嘴長度，又，縱軸表示馬赫數(shù)或氣體溫度/氣體速度、粒子溫度/粒子速度.又，在困13~困15中，分別表示設(shè)霧化后粒子直徑為(J)20Mm、噴嘴槽縫直徑為d)35mm時(shí)的噴嘴內(nèi)馬赫數(shù)分布、氣體溫度/速度分布、粒子溫度/速度分布.由于是從熔融金屬獲取熱量的加熱瑞利流，所以馬赫數(shù)減小，氣體溫度上升，氣體速度減小.在本實(shí)施方式中，由于將噴嘴出口直徑確定成，使得加熱后達(dá)到適當(dāng)膨脹，所以氣體靜壓大致等于大氣壓，氣體流速都達(dá)到510m/s左右.有意思的是，根據(jù)這各種條件分別確定噴嘴出口直徑、使得加熱后達(dá)到適當(dāng)膨脹時(shí)，粒子側(cè)的狀態(tài)中粒子速度、粒子溫度均大致相同。這是由于，噴嘴內(nèi)的氣體速度分別大致相等，氣體溫度差相比與熔融金屬的溫度差來說較小。又，槽縫直徑(J)25mm和d)35mm的差異，如圖11以及圖14所示，表現(xiàn)在氣體溫度上，但在氣體速度上則幾乎沒有表現(xiàn)。因此，受到氣體溫度影響的粒子在粒子溫度上表現(xiàn)出差異，但在粒子速度上沒有表現(xiàn)。又，粒子直徑為(b20pm時(shí)，在噴嘴長度160mm左右完成凝固，但粒子速度只有400m/s左右。這種情況下，如果將噴嘴長度延長到500mm，則可將粒子速度加速到480m/s,但此時(shí)的粒子溫度被冷卻到糊K。這樣，在粒子直徑為(J)20pm時(shí)，由于粒子有與加速相比冷卻過度的傾向，所以噴嘴的長度必須謹(jǐn)慎確定。3-3-3)霧化后粒子直徑為(J)50Mm的情況下在圖16~圖18中，分別表示設(shè)霧化后粒子直徑為d)50pm、噴嘴槽縫直徑為(J)25mm時(shí)的噴嘴內(nèi)馬赫數(shù)分布、氣體溫度/速度分布、粒子溫度/速度分布。又，在圖19~圖21中分別表示設(shè)霧化后粒子直徑為(J)50jLim、噴嘴槽縫直徑為d)35mm時(shí)的噴嘴內(nèi)馬赫數(shù)分布、氣體溫度/速度分布、粒子溫度/速度分布。馬赫數(shù)、氣體溫度、粒子速度的傾向與粒子直徑(I)20pm時(shí)相比沒有大變化，決定性的不同之處是從圖18以及圖21中所看到的粒子溫度的冷卻速度。粒子直徑為d)50nm時(shí)，要完成凝固需要在噴嘴內(nèi)飛行約1.2m的距離。與此對應(yīng)，噴嘴如果長度也延長設(shè)計(jì)到1.2mm，則相當(dāng)接近粒子加速的漸近線。在該條件下，粒子以粒子溫度750K、粒子速度470m/s從噴嘴噴出，所以作為相對于基材撞擊附著的條件最為優(yōu)選。3-3-4)霧化后粒子直徑為4)100pm的情況下在圖22~圖24中，分別表示霧化后粒子直徑為(blOOpm時(shí)的噴嘴內(nèi)馬赫數(shù)分布、氣體溫度/速度分布、粒子溫度/速度分布。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果可知，粒子直徑為(j)100nm時(shí)冷卻速度進(jìn)一步下降，達(dá)到凝固需要5m的噴嘴長度。粒子的加速已經(jīng)在噴嘴長度3m時(shí)結(jié)束，達(dá)到約450m/s的速度，所以相比而言冷卻較慢。在霧化不良而不能充分微?；瘯r(shí)會(huì)產(chǎn)生這樣的狀況。圖25表示將本發(fā)明的噴鍍裝置用于批量處理時(shí)的結(jié)構(gòu)。在該圖中對與圖1同樣的構(gòu)成要素采用相同附圖標(biāo)記而省略其說明。又，作為載氣，使用因粒子加速時(shí)音速變快這點(diǎn)而優(yōu)選的分子量小的氦氣代替氮?dú)狻暮馄?0供給的氦氣分支到2條管路11、12，流過管路ll的氦氣對貯存部4內(nèi)貯存的熔融金屬施加頂壓，流過管路12的氦氣被導(dǎo)入噴嘴2內(nèi)，通過槽縫部2a而被加速到超音速。另外，上述氦氣瓶IO以及管路ll、12發(fā)揮加壓導(dǎo)入氦氣的氦氣供給裝置的作用。從貯存部4流下的熔融金屬被噴嘴2內(nèi)的超音速氣流霧化，進(jìn)而在噴嘴2內(nèi)冷卻后從噴嘴2末端噴出。噴出的粒子撞擊在基材3表面并附著。噴嘴2以及基材3收納在作為密閉容器的腔室13內(nèi)，該腔室13通過作為排氣裝置的旋風(fēng)裝置14以及排氣真空泵(減壓機(jī)構(gòu))15連接在儲(chǔ)氣槽16上。另外，上述旋風(fēng)裝置14回收排氣中浮游的粒子而僅將氣體供給到排氣真空泵15。上述排氣裝置，是為了提高載氣的馬赫數(shù)以提高粒子速度設(shè)計(jì)的，回收到儲(chǔ)氣槽16中的氦氣被壓縮機(jī)17壓縮后再次利用。圖26表示將本發(fā)明的噴鍍裝置用于連續(xù)成形處理時(shí)的基本結(jié)構(gòu)。在該圖所示的連續(xù)成形處理中，在&存部4上連接連續(xù)熔爐20,貯存部4與連續(xù)熔爐20通過連接管21連通。又，連續(xù)熔爐20的高度設(shè)定成，利用頂壓使貯存部4的內(nèi)壓達(dá)到0.8MPa,使配置為上述既定高度的連續(xù)熔爐20發(fā)揮連續(xù)加壓供給熔融金屬的熔融金屬供給裝置的作用這樣，可從貯存部4對噴嘴2連續(xù)供給熔融金屬。又，一邊使基材22向箭頭A方向旋轉(zhuǎn)，一邊利用牽引輥(基材供給裝置)23a、23b的旋轉(zhuǎn)向箭頭B方向拉基材22。從而可在基材22上連續(xù)噴鍍粒子而成形。又，圖27~圖31表示本發(fā)明的噴嘴2的其他實(shí)施方式，利用陶瓷或碳等非金屬制作噴嘴自身，從而使表面的親和性變差，使得附著在噴嘴內(nèi)壁上的金屬粒子可容易地被超音速氣流吹走。另外，在這些圖中，與圖1同樣的構(gòu)成要素采用相同的附圖標(biāo)記而省略其說明。圖27所示的噴嘴40,為了噴鍍鋁合金而使用氧化鋯制作噴嘴41，利用陶瓷制的筒體42覆蓋其外側(cè)，在該筒體42的周圍巻繞多個(gè)最大可升溫到900t:的噴嘴加熱器43。另外，作為上述噴嘴41，優(yōu)選使用添加了例如氧化釔(Y203)作為穩(wěn)定劑的具有高強(qiáng)度、高耐磨損性、高耐腐蝕性的稱作局部穩(wěn)定化氧化鋯的材料。圖28所示的噴嘴44，利用陶瓷纖維加熱器45構(gòu)成噴嘴自身，詳細(xì)地說，通過在將以氧化鋁和二氧化硅為主要成分的原料纖維化了的高溫絕緣性的陶瓷纖維中埋設(shè)發(fā)熱體并進(jìn)行一體成形而構(gòu)成。另外，圖中46a以及46b表示加熱器的電極連接部。圖29所示的噴嘴47構(gòu)成為，在陶瓷制噴嘴48的筒部外壁環(huán)設(shè)碳加熱器49，而利用輻射進(jìn)行加熱.上述碳加熱器49由從圓筒狀的噴嘴48的上下兩側(cè)交替形成為一定長度的狹縫51d、51e分割成多個(gè)部分，49a以及49b是該碳加熱器49的電極連接部。又，50是內(nèi)壁加工成鏡面的筒狀反射軍，是為了提高輻射效率而設(shè)置的。在具有上述結(jié)構(gòu)的噴嘴47中，當(dāng)從圖未示的電源接通電極連接部49a、49b而向碳加熱器49供電時(shí)，碳加熱器49利用因通電而產(chǎn)生的焦耳熱從內(nèi)部發(fā)熱，這樣，陶瓷制噴嘴48利用碳加熱器49的輻射熱傳遞而被加熱，附著在噴嘴37內(nèi)壁的金屬熔化。圖30所示的噴嘴51，是利用碳加熱器52制作噴嘴自身的噴嘴，52a以及52b表示其電極連接部。當(dāng)以陶瓷制噴嘴代替碳或碳復(fù)合材料制的噴嘴時(shí)，噴嘴表面的輻射率更高，可進(jìn)一步提高噴嘴51的加熱效率。另外，在圖29以及圖30中，如果存在氧則碳本身會(huì)起氧化反應(yīng)，所以為了防止這點(diǎn)而利用腔室覆蓋裝置整體，將氬或氮等氣體作為高壓氣體使用，從而將室內(nèi)置換為非活性環(huán)境氣體。又，利用導(dǎo)熱性好的例如銅等金屬制材料制作噴嘴，在制作的噴嘴內(nèi)壁實(shí)施陶瓷噴鍍從而形成陶瓷覆膜，也可與上述各噴嘴一樣使親和性變差。在圖31所示的噴嘴53中，在銅噴嘴54的內(nèi)表面上形成有氧化鋯覆膜(圖中用粗的虛線表示的部分)55,在其外周面上巻繞多個(gè)噴嘴加熱器43。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的噴鍍噴嘴裝置以及噴鍍裝置，優(yōu)選地用于要求在基材上恒定地供給噴鍍材料并且控制基材上形成的覆膜或堆積狀態(tài)的領(lǐng)域。權(quán)利要求1、一種噴鍍噴嘴裝置，從噴嘴的入口側(cè)導(dǎo)入載氣而形成超高速的氣流，利用該氣流將噴鍍材料霧化并噴出，其特征在于，在上述噴嘴的入口側(cè)端部通過連通通路連接貯存作為上述噴鍍材料的熔融金屬的貯存部，并且，上述噴嘴具有用于形成超音速氣流的槽縫部、和在槽縫部下游側(cè)朝向出口方向形成的擴(kuò)徑流路部，在該擴(kuò)徑流路部，將利用超音速氣流霧化了的金屬粒子冷卻到凝固或半凝固狀態(tài)，從上述噴嘴的出口側(cè)向既定方向噴出。2、如權(quán)利要求l所述的噴鍍噴嘴裝置，其特征在于，在上述連通通路內(nèi)，從上述J&存部朝向上述槽縫內(nèi)或槽縫部下游側(cè)的中心延伸設(shè)置熔融金屬導(dǎo)出管，上述連通通路內(nèi)該熔融金屬導(dǎo)出管的外側(cè)部分構(gòu)成加速后的上述載氣流過的流路。3、如權(quán)利要求1或2所述的噴鍍噴嘴裝置，其特征在于，上述槽縫部下游側(cè)的上述擴(kuò)徑流路部的開口角以半頂角表示在15°以下。4、如權(quán)利要求3所述的噴鍍噴嘴裝置，其特征在于，上述擴(kuò)徑流路部的長度，是霧化后的金屬粒子變成凝固或半凝固狀態(tài)之前的飛行距離，根據(jù)通過將霧化后的金屬粒子的飛行距離和金屬粒子溫度模型化而求得的飛行距離確定.5、如權(quán)利要求4所述的噴鍍噴嘴裝置，其特征在于，上述霧化后的金屬粒子變成凝固或半凝固狀態(tài)之前的飛行距離，通過求出霧化后的金屬粒子變成凝固或半凝固狀態(tài)之前的飛行時(shí)間、并將該飛行時(shí)間代入下式而求得，上述擴(kuò)徑流路部的長度設(shè)定為該飛行距離以上的長度，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(18)其中，lf是粒子的飛行距離；tf是粒子達(dá)到凝固或半凝固狀態(tài)之前的飛行時(shí)間；ug是氣體流速；Pg是氣體密度；Ps是粒子密度；ds是粒子直徑；ag是氣體的音速。6、如權(quán)利要求1或2所述的噴鍍噴嘴裝置，其特征在于，設(shè)上述載氣的入口壓力為po，設(shè)噴嘴出口壓力為PB時(shí)，在入口壓力Po滿足下式的狀態(tài)下，將上述載氣導(dǎo)入上述噴嘴，其中，k:壓縮氣體的比熱容比；M:槽縫部下游側(cè)的噴嘴擴(kuò)大部中的馬赫數(shù)，7、一種噴鍍裝置，其特征在于，包括如上述權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的噴鍍噴嘴裝置；與上述噴嘴通過管路連接并對栽氣加壓將其導(dǎo)入噴嘴的載氣供給裝置；收納上述噴嘴以及受噴出的粒子撞擊的基材的密閉容器；和對該密閉容器內(nèi)減壓的減壓機(jī)構(gòu)。8、一種噴鍍裝置，其特征在于，包括如上述權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的噴鍍噴嘴裝置；通過連接管連接上述貯存部并對該貯存部內(nèi)的熔融金屬連續(xù)加壓供給熔融金屬的熔融金屬供給裝置；和連續(xù)供給上述基材的基材供給裝置。全文摘要本發(fā)明的目的在于，提供一種可恒定地供給噴鍍材料且可控制覆膜或堆積狀態(tài)的噴鍍噴嘴裝置以及噴鍍裝置。該噴鍍噴嘴裝置，在噴嘴的入口側(cè)導(dǎo)入載氣而形成超高速的氣流，利用該氣流將噴鍍材料霧化并噴出，其特征在于，在噴嘴(2)的入口側(cè)端部通過連通通路連接貯存作為噴鍍材料的熔融金屬的貯存部(4)，并且，噴嘴具有將導(dǎo)入的載氣加速到超音速的槽縫部(2a)、和在該槽縫部下游側(cè)朝向出口方向形成的擴(kuò)徑流路部(2b)，在該擴(kuò)徑流路部，將利用超音速氣體霧化了的金屬粒子冷卻到凝固或半凝固狀態(tài)。文檔編號(hào)C23C4/00GK101098759SQ200680001879公開日2008年1月2日申請日期2006年1月6日優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日發(fā)明者三宅俊也,畠英雄,織田剛申請人:株式會(huì)社神戶制鋼所