Hình 3.4 Sự thay đổi tốc độ tia plasma theo chiều dài khoảng cách phun.
3.2.5. Cơ cấu hình thành lớp phủ bằng phun [1]
Các quan điểm trên cho đến nay vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu để đi đến sự hoàn chỉnh và thống nhất. Tuy nhiên toàn bộ cơ cấu hình thành lớp phủ có thể mô tả như sau:
3.2.5.1. Pha thứ nhất
Đặc trưng bằng sự chảy và phân tán của kim loại
Khi phun kim loại bằng hồ quang điện, đầu tiên xảy ra sự tiếp xúc của 2 điện cực. Sự đoản mạch gây tác dụng nung nóng đáng kể kim loại ở vị trí tiếp xúc. Trong đó kim loại bị nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy của chúng. Các giọt kim loại xuất hiện sau khi bị nóng chảy được phủ trên bề mặt điện cực. Giữa kim loại lỏng và môi trường khí xảy ra quá trình khuếch tán và sự tác dụng hóa lý với nhau như ứng suất bề mặt, nội năng, nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt, khả năng co rút gây ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong và các tính chất khác của giọt kim loại lỏng.
Sự lớn lên của một số lượng kim loại lỏng chảy từ đầu dây tồn tại cho đến khi lực động học của dòng không khí nén lớn hơn ứng suất bề mặt kim loại lỏng sẽ làm tách các giọt kim loại. Giọt kim loại bị áp lực của dòng khí nén sẽ phân
tách thành rất nhiều hạt nhỏ, những hạt này tạo ra những tia phun kim loại. Toàn bộ quá trình chảy và phân tán các hạt xảy ra rất nhanh. Sự phân tán chỉ kéo dài khoảng 1/ 10000 đến 1/100000 giây. Và sau mỗi giây rạo ra khoảng 7000 giọt kim loại. Dạng của các hạt xuất hiện từ sự phân tách giọt kim loại phụ thuộc vào kim loại.
3.2.5.2. Pha thứ hai
Quá trình bay của hạt :
Toàn bộ quá trình bay của các hạt, từ lúc bị phân tách từ giọt kim loại đến khi va đập trên bề mặt phun kim loại xảy ra rất ngắn khoảng 0,002 ÷0,008 giây. Trong quá trình bay của hạt, chủ yếu chỉ xảy ra sự oxy hóa, do vậy các phần tử phun kim loại bị bao bọc bằng một lớp oxyt, lớp này sẽ lớn lên theo khoảng cách bay.
Các hạt kim loại chảy lỏng di động trong dòng không khí nén có tốc độ rất lớn. Ngoài ra các phần tử còn chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, biểu thị ở những phản ứng không đồng nhất. Khi phun kim loại chúng ta phải tính đến kết quả sau:
- Các hạt kim loại tách ra ở trạng thái lỏng hay ở trạng thái đã đặc sệt.
- Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường hợp gia tốc.
- Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh chứa oxy, nitơ, hydro, hơi nước và các thành phần hóa học khác.
Khả năng hòa tan của khí phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như áp lực riêng của khí.
3.2.5.3. Pha thứ ba
Sự hình thành lớp phủ bằng phun
Quá trình tạo thành lớp phủ bằng phun kim loại tương đối phức tạp. Trên cơ sở những kết quả của nhiều thí nghiệm và tính toán, người ta đã xác định rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng lớn.
đập của các phần tử lên bề mặt ( vật liệu nền) kim loại cần được phun phủ. Vấn đề thứ nhất là năng lượng động năng của các phần tử va đập lên bề mặt phun gây ra lực tác động và biến dạng rất nhanh, mạnh. Năng lượng động năng này được xác định bằng tốc độ của phần tử khối lượng của chúng :
Ek = 1,2 mv2 (3-1)
Bởi vậy các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có năng lượng động năng khác nhau ( khi chúng có cùng tốc độ). Tốc độ bay của các phần tử là một nhân tố cho việc xác định sự biến dạng của một phần tử. Tốc độ cần thiết cho một vài kim loại khi va đập lên bề mặt chi tiết phun được tính toán theo phương trình sau:
(t t ) S C x mV2 = 2− 1 + 427 2 (3-2)
Ở đây m= G/g. Khi G= 1g thì tốc độ cần thiết cho việc tan vỡ khi va đập là: V= 91 C(t2 −t1)+S (3-3)
m: khối lượng của phần tử phun (g);
V: tốc độ của các phần tử khi va đập ( m/s); C: tỷ nhiệt ( cal/g. ºC);
t1: nhiệt độ của phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt chi tiết ( ºC);
t2: nhiệt độ chảy của các phần tử kim loại ( ºC); S: ẩn nhiệt ( cal).
Vấn đề thứ hai cần quan tâm để xác định sự biến dạng của các phần tử, đó là khả năng biến dạng của các phần tử. Lớp vỏ oxyt trên các phần tử có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất này. Điều cần khẳng định là: trong thời điểm va đập lớp oxyt là lỏng, thì trong trường hợp này không thể giữ được sự biến dạng của các phần tử và ngược lại ở các phần tử có lớp oxyt vỏ cứng thì khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác định bằng vỏ bọc này.
Khả năng biến dạng của các phần tử thép với màng bọc oxyt ở trạng thái lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước, đồng thời nó không kết thúc ngay mà còn xảy ra biến dạng tiếp theo do sự tác dụng của cá phần tử sau,
giống như sự tác dụng của rèn. Sự biến dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh. Bởi vậy khi các phần tử sau va đập lên các phần tử trước khi các phân tử trước hãy còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, giữa chúng dễ xảy ra liên kết kim loại với nhau.
3.2.5.4. Tương tác vật liệu nền và vật liệu phun
Sự tương tác vật liệu nền và vật liệu hạt phun trên từng khoảng bề mặt tiếp xúc có thể hình dung thành 3 giai đoạn nối tiếp nhau:
1. Sự xích lại gần nhau đến mức tạo mối tiếp xúc vật lý giữa chúng, có nghĩa là trên một khoảng cách tương đương với kích thước mạng tinh thể.
2. Sự hoạt hóa các bề mặt tiếp xúc và tương tác hóa học giữa các vật liệu trên bề mặt phân tách pha.
3. Quá trình tiếp tục phát triển theo thể tích, dẫn đến sự khuếch tán lẫn nhau của các vật liệu hạt và nền qua mặt phân cách, tạo nên các liên kết hóa học.
Trong khi phun, thì thời gian tương tác chỉ khoảng 1/100.000 – 1/10.000 giây, sau đó các hạt sẽ kết tinh, nguội đi nhanh chóng và mất khả năng tương tác .
Với một khoảng thời gian ngắn như vậy, quá trình khuếch tán không sâu và ít ảnh hưởng tới độ bám của hạt. Sự gắn kết của hạt với nền, chủ yếu phụ thuộc vào mức độ liên kết hóa học, mà biểu hiện bề ngoài của nó sự xuất hiện những khoảng bám dính trên mặt tiếp xúc. Giai đoạn tiếp xúc vật lý không hạn chế sự tương tác bởi vì dưới tác động xung lực thì các hạt nóng chảy sẽ nhanh chóng bị dàn mỏng ra và ép chặt vào lớp nền.
Các tính toán cho thấy nếu 2 giai đoạn đầu kịp kết thúc thì giai đoạn 3 (khuếch tán) chỉ kịp xảy ra chủ yếu dựa vào các khuyết tật mạng. Các biến dạng dẻo tại vùng tiếp xúc khi hạt va đập với nền sẽ giúp tăng cường khuếch tán. Ngoài ra nhiệt độ tiếp xúc cao cũng tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán. Do lớp phun là một loại vật liệu có cấu tạo lớp hình thành từ lòng các hạt nóng chảy cho nên có hai khả năng tương tác giữa các hạt tại vết phun:
1. Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt đã bám trước, nhưng chưa kịp đông cứng.
2. Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt ( kết tinh) đang đông cứng nhưng chưa nguội hoàn toàn, có nghĩa là nhiệt độ hạt đó còn cao hơn nhiệt độ nền.