3.1. Khái niệm chung
Phun phủ nhiệt ( PPN ) là một nhóm các quá trình trong đó vật liệu phun d-ới dạng dây, thanh hoặc bột, đ-ợc đốt nóng chảy và d-ới tác dụng của luồng khí nén tạo thành các hạt nhỏ chuyển động với tốc độ cao tới bề mặt đ-ợc phun ( gọi là vật liệu cơ bản hoặc vật liệu nền ). Nguồn nhiệt đốt nóng vật liệu phun có thể là ngọn lửa oxy khí đốt, hồ quang điện plasma hoặc năng l-ợng nổ của hỗn hợp khí cháy. Đôi khi PPN còn
đ-ợc gọi là “ phun kim loại ” ( metallizing, metal spraying ) hay “ phun ngọn lửa ” (
flame spraying ). Sơ đồ hệ thống phun phủ nhiệt khí đ-ợc giới thiệu trên hình 3.1
Thông th-ờng vật phun ( vật liệu cơ bản ) đ-ợc làm nhám tr-ớc khi phun bằng ph-ơng pháp phun bột oxit nhôm hoặc bột sắt.
Khi các phần tử kim loại nóng chảy đập vào vật phun, chúng biến thành các phiến mỏng có dạng hình học khác nhau. Các phiến mỏng nhanh chóng nguội và đông cứng. Các lớp phiến mỏng liên tục đ-ợc tạo thành tới độ dày yêu cầu và chuyển thành cấu trúc lá mỏng.
Sự liên kết giữa vật liệu cơ bản và vật liệu phun có thể là liên kết cơ học, hoá
học hoặc sự kết hợp của chúng. Sự xử lý nhiệt sau khi phun cho phép tăng độ bền của lớp phun nhờ sự khuếch tán hoặc nhờ phản ứng hoá học giữa lớp phun và vật liệu cơ bản.
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống phun phủ nhiệt khí
Khí đốt Oxi Cơ cấu cấp dây Không khí nén lọc Súng phun Tia phun Vật phun
Độ chặt ( mật độ ) của lớp phun phụ thuộc vào vật liệu phun, ph-ơng pháp phun, điều kiện phun và sự xử lý nhiệt sau khi phun. Nói chung độ chặt của lớp phun bằng khoảng 85 90% độ chặt của vật liệu phun. Các tính chất của lớp phun phụ thuộc vào các yếu tố nh- độ xốp, độ dính giữa các hạt ( phần tử ) phun, độ bám của lớp phun với vật liệu cơ bản và thành phần hoá học của vật liệu phun.
Các quá trình phun phủ nhiệt có thể phân thành hai nhóm trên cơ sở các ph-ơng pháp cấp nhiệt: Nhóm 1: sử dụng các khí cháy làm nguồn nhiệt, nhóm 2: sử dụng nguồn điện ( bảng 3.1 ).
Bảng 3.1. Các nhóm phun phủ nhiệt
Nhóm 1: Khí cháy Nhóm 2: Nguồn điện
1. Ngọn lửa d-ới âm tốc
2. Ngọn lửa siêu âm
1. Hồ quang điện
2. Hồ quang plasma
3. Plasma cảm ứng ghép
Nhóm 1: Nhóm này gồm hai ph-ơng pháp phun: a. Phun ngọn lửa d-ới âm tốc ( subsonic ) và b. phun ngọn lửa siêu âm ( hypersonic ). Trong ph-ơng pháp a vật liệu phun đ-ợc nung chảy bởi ngọn lửa oxy- khí cháy. Nếu vật liệu phun là dây, thanh hoặc bột thì các phần tử nóng chảy đ-ợc đẩy tới vật phun bởi lực của ngọn lửa. Vật liệu
phun đ-ợc phun lên vật phun theo từng lớp, mỗi lớp dày tới 130 m. Tổng chiều dày
cho phép của lớp phun phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh-: loại vật liệu phun và tính chất của chúng, dạng hình học của vật phun, các yêu cầu công tác của sản phẩm, xử lý nhiệt của sản phẩm sau khi phun .v.v...
Ph-ơng pháp phun siêu âm ( phun nổ ) khác nhiều so với ph-ơng pháp phun
d-ới âm tốc về nguyên lý. ở đây các phần tử bột đ-ợc đốt nóng nhiều lần và phóng tới
mặt vật phun bởi sự kích nổ nhanh và liên tục của hỗn hợp khí nổ oxy - acetylen trong buồng súng phun. Có thể sử dụng nhiều loại khí cháy nh- propylen, hydro, propan, etylen. Tốc độ di chuyển của các hạt phun cao hơn rất nhiều so với các ph-ơng pháp khác, do vậy lớp phun có độ chặt và độ bám cao.
Nhóm 2: Nhóm này gồm phun hồ quang, phun hồ quang plasma và phun plasma cảm ứng ghép.
Trong phun hồ quang ( th-ờng gọi là: “ phun hồ quang điện” ) vật liệu phun là kim loại hoặc hợp kim d-ới dạng dây. Hai dây phun đ-ợc cấp liên tục vào vùng hồ quang hoạt động giữa hai đầu dây. Kim loại nóng chảy ở hai dầu dây bị ion hoá và phóng tới vật phun nhờ luồng không khí chuyển động với tốc độ cao và áp lực lớn.
Phun plasma ( hay phun hồ quang plasma ) là quá trình phun phủ nhiệt trong đó súng phun hồ quang plasma không phụ thuộc ( nontransfered arc ) đ-ợc dùng để tạo plasma hồ quang làm nóng chảy và phóng vật liệu phun tới chi tiết phun.
Thuật ngữ “nontransfered arc” có nghĩa là hồ quang plasma đ-ợc duy trì trong súng, vật phun không phải là một bộ phận của mạch điện. Hồ quang đ-ợc giữ giữa catot vonfram và đầu bép thu hẹp làm anot. Khí trơ hoặc khí hoàn nguyên d-ới áp lực đi vào giữa khoảng không catot và anot, bị ion hoá, tạo nhiệt độ tới 30000F (1.7000C). Khí plasma nóng di chuyển qua miệng phun với tốc độ cao. Vật liệu phun d-ới dạng bột đ-ợc phun vào chùm ( tia ) khí nóng, bị nóng chảy và phóng tới vật phun.
Phun chân không là một dạng phun plasma đ-ợc thực hiện trong buồng chân không. Ưu điểm của nó là loại trừ đ-ợc sự oxy hoá vật liệu phun. Điều này đặc biệt có -u thế trong ứng dụng chế tạo động cơ máy bay. Giá thiết bị phun chân không bằng khoảng m-ời lần giá thiết bị phun plasma bình th-ờng. Giá vận hành cũng rất cao.
Phun plasma cảm ứng ghép có vùng hồ quang với nhiệt độ siêu cao. Đ-ờng kính vùng hồ quang là khoảng 50 mm và chiều dài của nó tới 150 mm do đó bột phun đ-ợc đốt nóng trên một khoảng khá dài của cột hồ quang. Thời gian l-u lại dài của bột phun cho phép sử dụng bột có kích th-ớc lớn hơn, đảm bảo sự nóng chảy của các hạt và nhận đ-ợc lớp phun bền chắc hơn.
Các quá trình và quy trình phun phủ nhiệt đã đ-ợc xác lập và ứng dụng rộng rãi trong chế tạo và phục hồi phụ tùng. Trong ngành chế tạo máy bay có hàng trăm ứng dụng phun phủ. Trong các ngành công nghiệp khác nh- đóng tàu, mỏ, thực phẩm, đầu máy, dầu khí, điện lực, hoá học, điện tử.... các lớp phun phủ nhiệt bảo vệ đã làm việc hiệu quả hơn bất cứ một sản phẩm nào không đ-ợc phun phủ.
3.2. Cơ chế hình thành lớp phun
3.2.1. Những quan điểm về sự hình thành lớp phun
Có nhiều lý thuyết về sự hình thành lớp phun:
- Lý thuyết của Pospisil- Sehyl.
- Lý thuyết của Shoop.
- Lý thuyết của Shenk.
- Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger.
Theo Pospisil- Sehyl, lớp phun bằng kim loại xuất hiện là do các giọt kim loại lỏng bị phun bằng một dòng khí nén với tốc độ rất cao ( trung bình khoảng 20m/giây ). Các giọt này bị phá vỡ thành rất nhiều hạt nhỏ. Dạng của các hạt này đặc tr-ng bởi kim
- Các kim loại mà oxit của nó khi phun ở thể lỏng luôn tạo thành các hạt có dạng hình cầu.
- Các kim loại mà oxit của nó khi phun ở thể rắn sẽ tạo thành những hạt có
dạng không đồng đều ( đa cạnh ).
Dạng của các hạt khi bay hoàn toàn không thay đổi mà chủ yếu xảy ra hiện t-ợng oxy hoá. Sự oxy hoá kim loại thực chất bắt đầu xảy ra từ quá trình làm chảy dây phun và trong thời điểm tạo ra các hạt nhỏ một phần lớn các oxit sinh ra trong quá trình bay của các hạt. Nghĩa là khi các giọt kim loại lỏng bắt đầu tách thành các hạt nhỏ thì bề mặt của các hạt cũng bắt đầu tăng lớp oxit. Số l-ợng oxit nhiều hay ít là nhân tố chính ảnh h-ởng đến chất l-ợng lớp phun.
Từ các thực nghiệm tác giả lý thuyết này kết luận rằng các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là chất lỏng.
Lý thuyết của Shoop cho rằng động năng của các hạt kim loại khi bay đ-ợc cung cấp bằng dòng khí nén, nên khi va đập lên bề mặt phun thực tế có sự thay đổi nhiệt. Thực nghiệm đã xác định rằng những hạt kim loại khi rơi khỏi miệng vòi phun bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén. Trong thời điểm va đập chúng sẽ bị biến dạng dẻo, do vậy chúng liên kết với nhau thành những Lớp trung gian.
Theo Shenk thì nhiệt độ của các hạt phun phải ở trên nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt chúng lại với nhau.
Theo Karg, Kastsch, Reininger thì những hạt kim loại bị nguội và đông đặc là do tác động của các nguồn động năng của khí nén. Mặt khác trong quá trình đi từ vòi phun các hạt đã ở trạng thái nguội nh- vậy sẽ không xảy ra hiện t-ợng biến dạng dẻo.
3.2.2. Cơ chế hình thành lớp phun
Trên cơ sở phân tích các lý thuyết trên, cơ chế hình thành lớp phun có thể mô tả nh- sau: Pha đầu của quá trình phun kim loại đặc tr-ng bởi sự chảy của đầu dây phun. Pha thứ hai là sự tách các hạt kim loại từ đầu dây, tiếp đó là quá trình bay và va đập của các hạt kim loại trên bề mặt đ-ợc chuẩn bị và cuối cùng là sự hình thành lớp phun kim loại bằng mối liên kết của chúng với bề mặt kim loại nền.