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2016 Fiscal Year Research-status Report

Development of technology for fabrication of metal thin coating on ceramic substrates by cold spray method

Research Project

Project/Area Number 15K06460
Research InstitutionShinshu University

Principal Investigator

榊 和彦  信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (10252066)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywordsコールドスプレー / 金属皮膜 / ノズル / 異種材料接合 / セラミック基材
Outline of Annual Research Achievements

コールドスプレーにおける皮膜の平坦化を狙った矩形断面ノズルの開発の成果として、矩形断面ノズル末広部長さと平行部長さの比の最適化や、ノズルコーナー形状の影響を数値シミュレーション(CFD)で検討して設計の指針が得られ、実際にノズルを製作して、銅粉末にて皮膜の付着率や組織,スプレーパターンなどを評価し、CFDの結果を検証できた。特に、CFDで飛行粒子の分布やそれらの速度分布もわかるようになり、実験によるスプレーパターンとの関連がつけられるようになり、また、ノズル末広部長さが平行部長さよりやや長い方が皮膜を平坦化でき、ノズル平行部も必要であることが実験でも確認できた。ノズルコーナー形状に関しては、予測していた角部を丸める方が粒子速度が幾分高いことがCFDで検証できた。一方、アルミニウム粉末に関しては、ノズル内への付着が課題となるため、ノズルの材質を変更して次年度に行うことにした。
コールドスプレー皮膜で重要となる基材との密着状態に関しては、FE-SEMやTEMによる観察を行い、アルミニウム皮膜との密着強さは、窒化アルミ基材の方がアルミナ基材より大きくなる要因の一つとして結晶構造に因る格子不整合の割合の差も一因が示唆され、観察結果では、アルミナ基材とアルミ皮膜の間に数十nm程度の隙間が観察された。
高圧仕様の局部流動床方式粉末供給装置を用いたコールドスプレーの成膜実験を行い、ガス圧が数MPaでは、現状では難しいことがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

申請時の計画に比べて、市販の数値流体力学ソフト(ANSYS FLUENT Ver.15.0)の使いこなすのに、やや時間がかかってしまったが、飛行粒子の分布やその速度がわかるようになった。アルミニウム粉末は、ノズル内への付着が課題となるためノズルの材質を特殊な樹脂を使用する必要があるが材料費は高価なため、まずステンレス鋼製のノズルを数種試作して行ってから取り組む予定でいたが、ステンレス鋼製のノズルの設計に時間を要してしまった。次年度は、特殊な樹脂製矩形断面ノズルを製作して、アルミニウムの薄い平坦な皮膜を作製して、さらにその上の銅を成膜して、評価を行う。

Strategy for Future Research Activity

アルミニウム粉末は、ノズル内への付着が課題となるためノズルの材質を特殊な樹脂を使用する必要があるが材料費は高価なため、まずステンレス鋼製のノズルを数種試作して行ってから取り組む予定でいたが、ステンレス鋼製のノズルの設計に時間を要してしまった。次年度は、特殊な樹脂製矩形断面ノズルを製作して、アルミニウムの薄い平坦な皮膜を作製して、さらにその上の銅を成膜して、評価を行う。
また、高圧仕様の局部流動床方式粉末供給装置を用いたコールドスプレーの成膜実験を行い、ガス圧が数MPaでは現状では難しいことがわかり、ノズルへの粉末投入位置をこの粉末供給装置で対応できる部位に数値シミュレーンなどで検討する。

Causes of Carryover

当初計画していたアルミニウム粉末による皮膜作製実験が今年度中にはできなかったため、その費用を繰り越した。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成29年度請求額と合わせてアルミニウム粉末による成膜実験を行う。

  • Research Products

    (7 results)

All 2017 2016

All Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Book (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Presentation] 高圧コールドスプレーによる銅皮膜の溶射パターンと皮膜組織に及ぼす矩形断面ノズル形状の影響(ノズル末広部と平行部長さの比の影響)2016

    • Author(s)
      荒井 晋治,榊 和彦
    • Organizer
      日本溶射学会第104 回(2016 年度秋季)全国講演大会
    • Place of Presentation
      ウエルとばた(福岡県北九州市)
    • Year and Date
      2016-11-17 – 2016-11-18
  • [Presentation] 界面の観察からみたコールドスプレーアルミニウム皮膜の密着力に及ぼすセラミック基材材質の影響2016

    • Author(s)
      榊 和彦,近藤 太郎,傳田 直史
    • Organizer
      日本金属学会2016年秋期講演大会
    • Place of Presentation
      大阪大学豊中キャンパス
    • Year and Date
      2016-09-21 – 2016-09-23
  • [Presentation] Influence of Position of Spray Pattern on Calculated Results of Gas Stream and Copper Particle with the Rectangular Cross-Section Nozzle of High-Pressure Cold Spraying2016

    • Author(s)
      Kazuhiko Sakaki, Shinji Arai and Tatuyuki Tagami
    • Organizer
      The 10th Asia-Pacific Conference on Fracture and Strength: APCFS2016
    • Place of Presentation
      ANAクラウンプラザホテル富山(富山市)
    • Year and Date
      2016-09-19 – 2016-09-21
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高圧コールドスプレーにおける矩形断面ノズルの形状の最適化(流れと銅粒子に及ぼすノズル末広部長さと平行部長さの比の影響)2016

    • Author(s)
      榊 和彦,荒井 晋治,田上 達之
    • Organizer
      2016年度日本機械学会年次大会
    • Place of Presentation
      九州大学伊都キャンパス
    • Year and Date
      2016-09-11 – 2016-09-14
  • [Presentation] Influence of Length of Divergent and Parallel Section of the Rectangular Cross-Section Nozzle on Behavior of Particles of Copper in High-Pressure Cold Spray2016

    • Author(s)
      Kazuhiko SAKAKI, Shinji ARAI and Tatuyuki TAGAMI
    • Organizer
      International Thermal Spray Conference 2016
    • Place of Presentation
      Shanghai,China
    • Year and Date
      2016-05-10 – 2016-05-12
    • Int'l Joint Research
  • [Book] Cold Gas Dynamic Spray2016

    • Author(s)
      Roman Gr. Maev, Volf Leshchynsky, Kazuhiko Sakaki, et al.
    • Total Pages
      334(95-118)
    • Publisher
      CRC Press
  • [Patent(Industrial Property Rights)] アルミニウム回路基板の製造方法2017

    • Inventor(s)
      酒井篤士、榊和彦
    • Industrial Property Rights Holder
      デンカ(株)、信州大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2017-006090
    • Filing Date
      2017-01-17

URL: 

Published: 2019-03-07  

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