2021 Fiscal Year Research-status Report
Technology Development for Production of High Performance Composite Coatings by Cold Spray
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20K05114
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
榊 和彦 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (10252066)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | コールドスプレー / 複合皮膜 / アルミニウム合金 / マイクロフォージング / CFD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コーティング法コールドスプレー（CS）において、金属とそれ以外の機能をもつ2種の粉末が設定された割合で制御された組織の分散複合皮膜を作製するための手法を開発する。さらに、2種の未溶融の粒子が、高速で衝突しどのように付着して皮膜を形成するかの物理現象、異種粒子間の接合状態を明らかにする。このため2種の粉末のガンノズルへの投入方法を、ノズルの中心軸方向（A/I）と半径方向（R/I）から異なる粉末を同時に投入する方法を採用するが、この同時粉末投入による問題点も解決し、その特徴を活かしてアルミニウム粉末と硬質セラミックス粉末の混合割合を制御した軽量で耐摩耗性に優れたアルミニウム基セラミックス複合皮膜の作製を目指す。また、数値計算流体力学(CFD)を用いて超音速流れと粒子の挙動を検討して、学術的な各パラメーター間の相関を示し、実験的に検証するため、以下を行う。
(A)作動ガスの安定性の確認と対策：『ノズル内での粉末の供給が安定しない』要因分析として、現有のCS試作装置で、粉末の供給に伴う作動ガスと粉末搬送ガスの流量変動の状況を観測するため、質量流量計を設置し、流量の安定性を確認し、さらにパウダーセンサーによる粉末供給量を確認する。流量を調整して複合皮膜内の混合比が安定するかを確認して、投入角度と粉末搬送ガス流量を最適化する。
(B）CFDによる流れと粒子の解析
(C)高機能複合皮膜の作製と評価：耐摩耗性の優れた皮膜としてアルミニウム合金中に硬質物質の混合比を変化させた複合皮膜を作成し、皮膜組織の混合比の制御状況を確認し、摺動特性を評価する。（まずはセラミックスの代替えで金属で確認）
(D)マイクロフォージング援用皮膜のアルミニウム合金皮膜の作製。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
『(A)作動ガスの安定性の確認』のうち、現有のCS試作装置に供給に伴う作動ガスと粉末搬送ガスの流量変動の状況を観測するため、質量流量計を設置し、流量の安定性を2020年度に確認て、測定した作動ガス流量は計算やCFD結果とも良い相関があることがわかりかつ流量は安定していたが、粉末の供給はキャリアガス流量が多いと安定しないことがわかった。（C）銅-ステンレス粒子での均一な複合皮膜はできたが、組成混合状況は制御できておらず、他の要因（粉末供給ポートの長さ・内径、粉末の流動性・帯電性など）を検討している。
一方で、2021年度から実施したXiao-Tao Luoらが提案・報告している（D）マイクロフォージング援用コールドスプレーを、本A/IとR/I同時投入方式による行うことが、より有効性をAl-Si合金粉末を用いて、『(B）CFDによる流れと粒子の解析)』と成膜実験で行い確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(A)作動ガスの不安定性の要因と考えられる、A/Iの粉末供給ポート付近の長さ・内径などの影響を確認するとともに、粉末の流動性・帯電性の状況などを2021年度購入するデジタル・エレクトロメータを用いて、確認を行う。平行して、組成の制御により2種（銅-ステンレス鋼、アルミニウム合金-セラミックス）の複合粒子の作製を検討し、その関連でもあるセラミック基材とアルミニウム粒子の接合のメカニズムについても合わせて検討を進める。
（Ｄ）A/IとR/I同時投入方式によるマイクロフォージング援用コールドスプレーにおける、マイクロフォージングの種類（粒子径）、量の最適化を行い、Al-Si合金粉末の成膜をより低圧のガス条件で行えるようにする。あわせて、CFDによる流れと粒子の解析もさらに行う。
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Research Products
(4 results)
