コールドスプレーはどのように機能しますか？

コールドスプレー、Cold Gas Dynamic Spray（CGDS）とも呼ばれ、空力に基づいた高度な表面コーティング技術です。高圧ガスを使用して、固体粒子を非常に高速に推進し、衝撃と堆積物の基質を生成してコーティングを形成します。この技術は効率的であるだけでなく、環境に優しいものでもあり、幅広いアプリケーションに適しています。コールドスプレーがどのように機能するかについての詳細な検討を次に示します。

操作の原則

The コールドスプレープロセスには、圧縮ガスを加速培地として使用して、5〜45マイクロメートルのサイズの粉末粒子を推進します。これらの粒子は、基板に衝撃を与える前に完全固体状態で（室温から600°Cまでの温度で）超音速に加速されます。衝撃により、粒子の運動エネルギーは、塑性変形、ひずみ、および最終的に熱に変換されます。これにより、基質に付着し、密なコーティングが形成される粒子が生じます。

コールドスプレーの種類

コールドスプレー技術は、推進ガスの圧力に基づいて2つのカテゴリに広く分類できます：高圧（1 MPa以上）と低圧（1 MPa未満）コールドスプレー。

高圧コールドスプレー：

このプロセスでは、圧縮ガスは2つのストリームに分割されます。 1つのストリームはヒーターを通過し、もう1つはパウダーフィードチャネルを通過します。

2つのガスストリームが混合して脱線ノズルを介して拡張して、超音速ガスパウダーストリームを形成します。

次に、粉末粒子が基板上に高速で衝撃を与え、堆積して厚いコーティングを形成します。

低圧コールドスプレー：

このプロセスはよりシンプルで、ポータブル機器が必要です。

加熱された圧縮ガスはノズルに直接入り、そこで入ってくる粉末粒子と収束し、基板に吹き付けます。

スプレー圧力、キャリアガス、予熱温度により、低圧のコールドスプレーによって生成されるコーティングは、密度が低く、界面結合が弱い傾向があります。したがって、その用途は、Cu、Al、および表面の向上と修復のための合金などの材料に限定されています。

特性と利点

物質的な汎用性：

コールドスプレー金属、プラスチック、セラミックなど、さまざまな材料を堆積するために使用でき、非常に用途が広いためです。

耐久性と保護：

形成されたコーティングは、通常、腐食耐性で耐摩耗性が高く、基板を保護し、寿命を延ばします。

環境への影響：

スプレーパウダーをリサイクルして再利用できるため、コールドスプレーは比較的環境に優しいです。

残留応力：

コーティングの残留応力は低く、圧縮されているため、厚いコーティングの調製が可能です。

微細構造と組成：

コーティングの化学組成と微細構造は、酸化、合金の燃焼、および穀物の成長を回避し、原料と一致し続けることができます。これにより、コールドスプレーは熱に敏感な材料や活性金属に適しています。

コーティング性能に影響する要因

コールドスプレーコーティングの性能は、いくつかの要因の影響を受けます。

プロセスパラメーター：

これらには、ガス条件、ノズル設計、スプレーダイナミクスが含まれます。

粉末粒子サイズの分布は、粒子速度と臨界速度に影響します。

粉末特性：

粉末材料の種類と特性は、コーティングの品質に大きく影響します。

スプレーパラメーター：

臨界速度は伝統的にスプレー性能を測定するために使用されていましたが、粒子衝撃速度も重要な役割を果たします。

ノズル材料や冷却方法などの要因は、ノズルの詰まりを防ぐことにより、スプレー効率に影響を与える可能性があります。

アプリケーション

コールドスプレー技術は、その利点のために、さまざまな業界で広範なアプリケーションを発見しました。

軍事宇宙と航空宇宙：

耐摩耗性、耐食性、熱断熱材の強化のためのコーティング。

自動車：

コンポーネントの表面強化と修復。

エネルギー：

過酷な環境での腐食保護のためのコーティング。

医学：

高い生体適合性を必要とするインプラントと外科用ツール用のコーティング。