Hình 3.4 Sự thay ựổi tốc ựộ tia plasma theo chiều dài khoảng cách phun.
3.2.5. Cơ cấu hình thành lớp phủ bằng phun [1]
Các quan ựiểm trên cho ựến nay vẫn còn ựang tiếp tục nghiên cứu ựể ựi ựến 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 ựiện, ựầu tiên xảy ra sự tiếp xúc của 2 ựiện cực. Sự ựoản mạch gây tác dụng nung nóng ựáng kể kim loại ở vị trắ tiếp xúc. Trong ựó kim loại bị nung nóng tới nhiệt ựộ cao hơn nhiệt ựộ chảy của chúng. Các giọt kim loại xuất hiện sau khi bị nóng chảy ựược phủ trên bề mặt ựiện cực. Giữa kim loại lỏng và môi trường khắ xảy ra quá trình khuếch tán và sự tác dụng hóa lý với nhau như ứng suất bề mặt, nội năng, nhiệt ựộ và hệ số dẫn nhiệt, khả năng co rút gây ảnh hưởng ựến cấu trúc bên trong và các tắnh chất khác của giọt kim loại lỏng.
Sự lớn lên của một số lượng kim loại lỏng chảy từ ựầu dây tồn tại cho ựến khi lực ựộng học của dòng không khắ 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 khắ nén sẽ phân
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 23
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 ựến 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 ựến khi va ựập trên bề mặt phun kim loại xảy ra rất ngắn khoảng 0,002 ọ0,008 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 ựộng trong dòng không khắ nén có tốc ựộ rất lớn. Ngoài ra các phần tử còn chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, biểu thị ở những phản ứng không ựồng nhất. Khi phun kim loại chúng ta phải tắnh ựến kết quả sau:
- Các hạt kim loại tách ra ở trạng thái lỏng hay ở trạng thái ựã ựặc sệt. - Các phần tử phun luôn bị thay ựổi tốc ựộ 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 khắ phụ thuộc vào nhiệt ựộ cũng như áp lực riêng của khắ.
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 ựối phức tạp. Trên cơ sở những kết quả của nhiều thắ nghiệm và tắnh toán, người ta ựã xác ựịnh rằng: các phần tử kim loại trong thời ựiểm va ựập lên bề mặt phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng lớn.
để hiểu sự hình thành lớp phủ cần phải chú ý các hiện tượng xảy ra khi va ựập của các phần tử lên bề mặt ( vật liệu nền) kim loại cần ựược phun phủ.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 24
Vấn ựề thứ nhất là năng lượng ựộng năng của các phần tử va ựập lên bề mặt phun gây ra lực tác ựộng và biến dạng rất nhanh, mạnh. Năng lượng ựộng năng này ựược xác ựịnh bằng tốc ựộ của phần tử khối lượng của chúng :
Ek = 1,2 mv2 (3-1)
Bởi vậy các phần tử có ựộ lớn khác nhau sẽ có năng lượng ựộng năng khác nhau ( khi chúng có cùng tốc ựộ). Tốc ựộ bay của các phần tử là một nhân tố cho việc xác ựịnh sự biến dạng của một phần tử. Tốc ựộ cần thiết cho một vài kim loại khi va ựập lên bề mặt chi tiết phun ựược tắnh toán theo phương trình sau:
(t t ) S C x mV + − = 2 1 2 427 2 (3-2)
Ở ựây m= G/g. Khi G= 1g thì tốc ựộ cần thiết cho việc tan vỡ khi va ựập là: V= 91 C(t2 −t1)+S (3-3)
m: khối lượng của phần tử phun (g);
V: tốc ựộ của các phần tử khi va ựập ( m/s); C: tỷ nhiệt ( cal/g. ỨC);
t1: nhiệt ựộ của phần tử kim loại trong thời ựiểm va ựập trên bề mặt chi tiết ( ỨC);
t2: nhiệt ựộ chảy của các phần tử kim loại ( ỨC); S: ẩn nhiệt ( cal).
Vấn ựề thứ hai cần quan tâm ựể xác ựịnh sự biến dạng của các phần tử, ựó là khả năng biến dạng của các phần tử. Lớp vỏ oxyt trên các phần tử có ảnh hưởng rất lớn ựến tắnh chất này. điều cần khẳng ựịnh là: trong thời ựiểm va ựập lớp oxyt là lỏng, thì trong trường hợp này không thể giữ ựược 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 ựịnh 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, ựồng 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 ựập lên các phần tử trước khi các phân tử trước
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 25
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 ựoạn nối tiếp nhau:
1. Sự xắch lại gần nhau ựến mức tạo mối tiếp xúc vật lý giữa chúng, có nghĩa là trên một khoảng cách tương ựương với kắch 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 tắch, dẫn ựến 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 Ờ 1/10.000 giây, sau ựó các hạt sẽ kết tinh, nguội ựi nhanh chóng và mất khả năng tương tác .
Với một khoảng thời gian ngắn như vậy, quá trình khuếch tán không sâu và ắt ảnh hưởng tới ựộ bám của hạt. Sự gắn kết của hạt với nền, chủ yếu phụ thuộc vào mức ựộ liên kết hóa học, mà biểu hiện bề ngoài của nó sự xuất hiện những khoảng bám dắnh trên mặt tiếp xúc. Giai ựoạn tiếp xúc vật lý không hạn chế sự tương tác bởi vì dưới tác ựộng xung lực thì các hạt nóng chảy sẽ nhanh chóng bị dàn mỏng ra và ép chặt vào lớp nền.
Các tắnh toán cho thấy nếu 2 giai ựoạn ựầu kịp kết thúc thì giai ựoạn 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 ựập với nền sẽ giúp tăng cường khuếch tán. Ngoài ra nhiệt ựộ tiếp xúc cao cũng tạo ựiều 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 ựã bám trước, nhưng chưa kịp ựông cứng.
2. Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt ( kết tinh) ựang ựông cứng nhưng chưa nguội hoàn toàn, có nghĩa là nhiệt ựộ hạt ựó còn cao hơn nhiệt ựộ nền.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 26